席翠玉

（天津體育學(xué)院 運(yùn)動與文化藝術(shù)學(xué)院，天津 301901）

一、研究背景

當(dāng)前，建筑物內(nèi)部依靠機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室溫并保持空氣暢通已成為中國北方地區(qū)人居環(huán)境的重要組成部分。然而，這必然會對人們的身體健康及社會生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展帶來威脅。首先，由于夏季的高溫炎熱，很多建筑物內(nèi)部依靠空調(diào)降溫，長期居住在空調(diào)房里必然會令人感到不適；尤其在冷空氣過境的冬季，人們采用熱力供暖的方式來保證室內(nèi)溫度，這定會導(dǎo)致愈加封閉的建筑物內(nèi)其空氣變得干燥和污濁，不利于人們的身體健康。其次，我國人均能源不足的壓力亟待緩解。大面積的空調(diào)使用必然消耗大量的電力能源，而我國的電力能源大多是通過燃燒化石燃料獲得的。因此，不管是空調(diào)制冷，抑或是熱力供暖，實(shí)際上是間接消耗了煤炭和天然氣資源。也就是說，人們足不出戶就導(dǎo)致了大氣中碳排放量的增加。由以上分析得出，減少化石燃料的消耗就是減少大氣污染，這是尋求生態(tài)可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題。

在這樣的背景下，伴隨著生態(tài)學(xué)與設(shè)計(jì)學(xué)的交叉融合，國內(nèi)外設(shè)計(jì)師進(jìn)行著以生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)的室內(nèi)設(shè)計(jì)探索，力圖從設(shè)計(jì)實(shí)踐層面為人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展探尋可行之路。目前，我國室內(nèi)設(shè)計(jì)仿生學(xué)設(shè)計(jì)多數(shù)為模擬生物造型特征而進(jìn)行的研究設(shè)計(jì)，如江南大學(xué)師生采用幾何曲線原理與黃金分割法則，設(shè)計(jì)了系列服裝（沈雷，孟慶慧，2018），或?qū)ⅰ胺律亍睂?dǎo)入展示空間課程訓(xùn)練（溫玲，2018），用以拓展學(xué)生的造型設(shè)計(jì)思維。此外，錢皓（2018）重點(diǎn)梳理了仿生設(shè)計(jì)流程，總結(jié)了仿生設(shè)計(jì)程序及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。另有張俊杰、張乘風(fēng)（2018）總結(jié)了仿生設(shè)計(jì)元素的構(gòu)成形式，更多的是從形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)材料和肌理等方面探討仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代室內(nèi)空間中的運(yùn)用。從以上文獻(xiàn)中可以看出，當(dāng)前國內(nèi)仿生設(shè)計(jì)研究更多地強(qiáng)調(diào)模擬生物造型、結(jié)構(gòu)、外觀審美等要素來進(jìn)行產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，而通過模擬生物自身功能特性和生物原理來進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的案例寥寥無幾。

二、研究問題與目標(biāo)

從前面的探討可以得出，人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展是本文關(guān)注的焦點(diǎn)問題。具體來看，本研究要解決的問題實(shí)際上是在減少自然資源消耗的前提下，緩解人們長時期停留在一個相對封閉的空間內(nèi)所產(chǎn)生的不適感。

>圖1 蜂巢單元結(jié)構(gòu)俯視圖

>圖2 蜂巢單元結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

>圖3 蜂巢單元結(jié)構(gòu)軸測圖

因此，研究試圖從特定的自然生物系統(tǒng)中尋找突破點(diǎn)，通過觀察分析其形式、材料、結(jié)構(gòu)、過程、功能等來模擬設(shè)計(jì)，從而創(chuàng)建最優(yōu)的方案來解決室內(nèi)生態(tài)設(shè)計(jì)中的舒適溫度調(diào)節(jié)問題。長遠(yuǎn)來看，這解決了人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展問題。具體來講，本文通過對生物系統(tǒng)中人類的鼻腔結(jié)構(gòu)、蜜蜂的蜂巢、熱帶地區(qū)的仙人掌植物以及北極地區(qū)的北極熊進(jìn)行分析梳理，將探索設(shè)計(jì)令室內(nèi)空間自然通風(fēng)，具有夏季降溫、冬季加溫功能的“生態(tài)窗”模型。

三、仿生學(xué)原理與設(shè)計(jì)方法

仿生學(xué)原理研究的是自然界各種生物的運(yùn)行規(guī)律，從而模擬具有使用價值的自然系統(tǒng)。從目的性看，仿生設(shè)計(jì)的目的是適當(dāng)?shù)卣腺Y源、合理利用資源、避免資源浪費(fèi)。今天，環(huán)境設(shè)計(jì)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)運(yùn)用有助于設(shè)計(jì)師創(chuàng)造出更具可持續(xù)性、高性能的新產(chǎn)品，進(jìn)而達(dá)到更少資源消耗的初衷。

目前，仿生學(xué)設(shè)計(jì)在室內(nèi)與家具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的運(yùn)用可以歸納為兩種方法：“模擬生物元素”和“模擬生物原理”。就“模擬生物元素”而言，對相關(guān)生物系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分析是不可避免的，因此這種方式需要生物學(xué)家和設(shè)計(jì)師雙方合作完成，顯然，該方法并不適用于本研究。而對于“模擬生物原理”這一設(shè)計(jì)方法來說，實(shí)際上是設(shè)計(jì)師為了解決設(shè)計(jì)中的某個問題，先去探索自然界中能夠解決同樣問題的生物的行為、結(jié)構(gòu)、形式及功能等，再根據(jù)這些研究分析結(jié)果來創(chuàng)造或重構(gòu)一種新的產(chǎn)品或生態(tài)系統(tǒng)，從而獲得最終的解決方案。這里所提到的創(chuàng)建過程一般建立在生物學(xué)家已有的研究成果之上，因此在對生物學(xué)家的實(shí)時依賴程度上相對較弱，設(shè)計(jì)過程中可不必與生物學(xué)家同時進(jìn)行。本文將采用“模擬生物原理”方法。

具體到仿生學(xué)設(shè)計(jì)視角，設(shè)計(jì)師在運(yùn)用“模擬生物原理”方法的同時可從三個角度入手進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)：一是物理模擬，即設(shè)計(jì)是建立在對某生物的物質(zhì)成分、外觀造型及物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的精通上；二是功能模擬，即設(shè)計(jì)過程模擬的是該生物的工作原理或工作程序；最后一個視角是生態(tài)系統(tǒng)模擬，強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的整體性。對于生態(tài)室內(nèi)設(shè)計(jì)來說，現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)模擬視角研究文獻(xiàn)關(guān)注的是室內(nèi)空間內(nèi)部的能量流和物質(zhì)循環(huán)。以上是仿生學(xué)設(shè)計(jì)的三種視角，而就目前來看，大多數(shù)的設(shè)計(jì)案例會涉及到形式、結(jié)構(gòu)及物質(zhì)成分，另有一部分案例與生物功能相關(guān)。然而，從生態(tài)系統(tǒng)角度進(jìn)行仿生的設(shè)計(jì)案例則屈指可數(shù)。為了彌補(bǔ)該領(lǐng)域的研究空白，本研究試圖從生態(tài)系統(tǒng)角度進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)探討。

確定了所選擇的設(shè)計(jì)視角后，科學(xué)的設(shè)計(jì)方法無疑是良好的仿生設(shè)計(jì)方案的支撐。根據(jù)自上而下的仿生學(xué)方法論（El-Zeiny，2012），本文所提出的“生態(tài)窗”的研究設(shè)計(jì)步驟可按如下程序進(jìn)行：1.提出問題；2.尋找可模擬生物；3.分析生物工作原理；4.從生物模型中提煉所需功能；5.分析相關(guān)數(shù)據(jù)；6.提出解決方案；7.測試、反饋。當(dāng)然，本文在具體實(shí)施時根據(jù)項(xiàng)目需求作了適當(dāng)調(diào)整。

四、“生態(tài)窗”方案設(shè)計(jì)探索

（一）尋找可模擬的自然結(jié)構(gòu)

自然生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是以最少的材料成本獲得最佳的效率。如爬行動物普遍呈現(xiàn)出曲線造型，這是因?yàn)榍€可減少外部環(huán)境的阻力，提高爬行效率。仿生學(xué)設(shè)計(jì)可以將最佳結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑、室內(nèi)產(chǎn)品和家具設(shè)計(jì)（Ismail &Attia，2004），常見的自然界最佳結(jié)構(gòu)形式如：兼具穩(wěn)定性和靈活性的通過節(jié)點(diǎn)連接而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；受力性能和強(qiáng)度較佳的交叉和平行鏈接結(jié)構(gòu)（如鳥巢主體結(jié)構(gòu)）；具有曲線造型特征，與中國古建中斗拱的力學(xué)原理相同的曲率結(jié)構(gòu)；能保持材質(zhì)質(zhì)量較輕，在平坦表面附加褶皺的褶皺結(jié)構(gòu)（如植物葉片的葉脈組織、昆蟲的翅膀、棕櫚樹的葉子）；具有特定形狀重復(fù)規(guī)律的迭代結(jié)構(gòu)；基于黃金分割比率的黃金分割螺旋結(jié)構(gòu)（廣泛存在于向日葵花朵、貝殼、蝸牛殼、多肉植物等生物體）等。

基于本文前面提出的研究目標(biāo)，在比較與分析后，蜂窩結(jié)構(gòu)（Montagu，Configurations，Deflection，Technologies，1993）形式原理在文中被采用。正六邊形的蜂巢可以使用最少的材料構(gòu)成最大的使用空間。蜜蜂在建設(shè)蜂巢時為了防止蜂蜜溢流，每個蜂房從內(nèi)室底部到外部均為13°上仰角度。蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的通風(fēng)散熱性，這是因?yàn)槿绻嵌群侠?，可以有效避免陽光直射造成的溫度上升。目前蜂窩結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于LED散熱、建筑散熱材料的開發(fā)等。

（二）尋找可自調(diào)整熱系統(tǒng)的有機(jī)體

為了創(chuàng)建最優(yōu)方案來解決室內(nèi)設(shè)計(jì)中舒適溫度調(diào)節(jié)的問題，在進(jìn)行了大量的建立在生物學(xué)家研究成果之上的探索之后，確定利用以下具有自調(diào)節(jié)熱系統(tǒng)的有機(jī)體進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

首先是人類的鼻腔結(jié)構(gòu)。人類鼻腔有兩個外部開口，內(nèi)部是較長的鼻腔通道，內(nèi)壁附著粘膜、纖毛和毛細(xì)血管等組織。在呼吸過程中，鼻腔內(nèi)壁的粘膜可以分泌粘性物質(zhì)將從外部吸入的空氣進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。當(dāng)外部空氣溫度較高時，粘膜可以適度冷卻空氣；反之，鼻腔內(nèi)壁的毛細(xì)血管可輔助升高空氣的溫度。此外，外部空氣進(jìn)入鼻腔后，內(nèi)壁的纖毛結(jié)構(gòu)會阻隔一部分空氣中的微粒，起到凈化空氣的作用。

其次，阿塔卡馬沙漠中的仙人掌熱處理原理（Mooney，Gulmon，Weisser，2017）在設(shè)計(jì)中將得到應(yīng)用。生活在干旱地區(qū)的仙人掌與太陽的方向有緊密關(guān)系，植物的生長方向使其表面大部分只接收到極低角度的高強(qiáng)度正午太陽直射。需要強(qiáng)調(diào)的是，其表面附著的白色類似蠟狀的涂層可以吸收霧和露水，起到較好的反射作用，而表皮下的溫度由于蒸發(fā)冷卻則會快速下降。

>圖4 窗體軸測圖

>圖5 窗體側(cè)視圖

>圖6 窗體俯視圖

可降低或提高自身溫度的生物有機(jī)體。生物有機(jī)體降低外部環(huán)境溫度的方式包括蒸發(fā)冷卻（如仙人掌植物的表面）和避免陽光直射（如蜂窩結(jié)構(gòu)利用合理角度避免陽光直射）。例如，熱帶地區(qū)的植物葉片表面長滿了絨毛狀物質(zhì)，從而減少陽光直射在植物表面；阿塔卡馬沙漠中的仙人掌葉片能根據(jù)太陽方向調(diào)整自身角度并利用其表面的刺狀物，有效避免陽光直射到植物表面。另一方面，生物有機(jī)體提高自身內(nèi)部溫度的方式主要是將光線轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ㄈ绫睒O熊的皮毛），能夠?qū)⒂邢薜年柟廪D(zhuǎn)化為熱量并傳遞到身體內(nèi)部，從而保持體內(nèi)溫度。

（三）從生物模型中提煉并分析其適用性

通過分析生物工作原理，結(jié)合本文的研究目標(biāo)，本設(shè)計(jì)方案在自然結(jié)構(gòu)造型上嘗試模擬蜂窩結(jié)構(gòu)，使用物理方式降溫。在有機(jī)體選擇上，模擬的是人類鼻腔結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施中需要先設(shè)計(jì)一個蜂巢結(jié)構(gòu)單元，蜂巢單元內(nèi)壁表面附著一層仙人掌表層提取物，同時內(nèi)置特定長度的動物纖毛。此結(jié)構(gòu)使室外空氣在穿過通道的過程中發(fā)生溫度變化，從而影響室內(nèi)溫度。考慮到中國北方冬夏兩季溫差較大，冬季需要密閉保暖，夏季需要遮陰通風(fēng)，在蜂巢單元兩側(cè)增加可以調(diào)整開合角度的小門。（圖1—3）

（四）設(shè)計(jì)“生態(tài)窗”方案

本文的“生態(tài)窗”方案更適合中國大陸北方地區(qū)。炎熱多雨的夏季為利用仙人掌表面蠟質(zhì)涂層物通過蒸發(fā)水分達(dá)到降溫提供了天然條件；而干燥嚴(yán)寒的冬季則需要較密閉的窗戶，雙層密閉的通道內(nèi)部可將陽光轉(zhuǎn)化為熱量提高室內(nèi)溫度（圖4—6）。具體工作原理如下：

夏季，將每個蜂巢單元的開合結(jié)構(gòu)打開，打開的角度可人為設(shè)定。例如，開合結(jié)構(gòu)與窗體接近垂直角度，可有效地遮蔽陽光。蜂巢內(nèi)部表面的仙人掌提取物可以凝結(jié)空氣中的水氣并蒸發(fā)冷卻，從而降低室內(nèi)溫度，并保證合理的空氣流通。

冬季，可關(guān)閉蜂巢單元的開合結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的纖毛可以吸收微弱的陽光并轉(zhuǎn)化為熱量，提高室內(nèi)溫度。同時，封閉的蜂巢結(jié)構(gòu)可以有效隔絕冷空氣，達(dá)到保溫效果。用戶可以打開一些蜂巢結(jié)構(gòu)，為室內(nèi)通風(fēng)。

五、結(jié)論

本研究為模擬生物有機(jī)體功能原理進(jìn)行整體設(shè)計(jì)提供了較為科學(xué)的程序和方法參考。本文中設(shè)計(jì)的“生態(tài)窗”方案具備以下功能：夏季反射強(qiáng)光增加遮陽效果，利用仙人掌冷卻原理降低室內(nèi)溫度；冬季吸收太陽光以提高室內(nèi)溫度。因此，“生態(tài)窗”設(shè)計(jì)方案有助于解決室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)問題，可降低人均能源消耗量，是有利于生態(tài)環(huán)境的綠色設(shè)計(jì)。仿生學(xué)設(shè)計(jì)的目的是在規(guī)劃設(shè)計(jì)產(chǎn)品時模擬和整合生物的自然系統(tǒng)，以降低能源消耗、材料浪費(fèi)和環(huán)境污染，其有助于設(shè)計(jì)出符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品，并使人類和自然的聯(lián)系更加緊密。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師應(yīng)該避免形式主義的設(shè)計(jì)目的，并通過良好的仿生設(shè)計(jì)鼓勵人們對自然環(huán)境產(chǎn)生更新的感受。基于生態(tài)系統(tǒng)模擬視角的仿生設(shè)計(jì)為我們未來的建筑設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域提供了新的靈感來源，而不再局限于生物結(jié)構(gòu)和外觀模擬。

六、研究的局限性和今后研究的方向

盡管如此，該研究也存在不足之處。該“生態(tài)窗”的設(shè)計(jì)考慮到中國北方的大風(fēng)等天氣特點(diǎn)，使用了玻璃、木材或竹子制作主要結(jié)構(gòu)。除此以外，還使用了仙人掌表面蠟質(zhì)提取物、細(xì)的絨毛纖維、動物纖毛等物質(zhì)。其中仙人掌表面蠟質(zhì)提取物和纖毛、纖維均為有機(jī)材料，不會對環(huán)境造成威脅。玻璃材料也是可以回收的，這一過程也會產(chǎn)生污染。筆者曾考慮過使用有機(jī)材料來代替木竹材料來制作生態(tài)窗的主體結(jié)構(gòu)，比如燒制陶器的專用黏土等。但遺憾的是，由于中國北方春季的大風(fēng)天氣對材料的強(qiáng)度要求較高未能實(shí)現(xiàn)。另一方面，竹結(jié)構(gòu)或者木結(jié)構(gòu)顯然不會對環(huán)境造成壓力，但會提高“生態(tài)窗”的制作成本，不利于大范圍推廣。最后，本方案目前仍處于理論探索階段，因此除了以上提到的不足之處需要得到解決，下一步的研究需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證與評價。