張宇 李雪

摘要：隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是BIM在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，建筑仿生成為新時代建筑學(xué)領(lǐng)域的新潮流。建筑仿生是根據(jù)自然與社會生態(tài)規(guī)律，結(jié)合生物學(xué)、美學(xué)以及信息學(xué)，將建筑結(jié)構(gòu)、功能與自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合搭配，實現(xiàn)建筑工程的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益的有機(jī)結(jié)合。仿真建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是“生態(tài)+科技+創(chuàng)意”的體現(xiàn)，基于社會對建筑工程多元化需求的不斷增長，仿生建筑設(shè)計理念成為現(xiàn)代建筑設(shè)計的內(nèi)在創(chuàng)新驅(qū)動。

關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu);放生建筑學(xué);策略

1 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用價值

仿生方法顧名思義就是將大數(shù)據(jù)技術(shù)模仿自然生態(tài)環(huán)境中的景物等運(yùn)用到建筑設(shè)計中。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是BIM技術(shù)為仿生設(shè)計提供了有力的技術(shù)支撐。例如位于江蘇昆山開發(fā)區(qū)的昆山電子展示館，是一座充滿科技感的場館，其設(shè)計就是充分融合了仿生技術(shù)，利用計算機(jī)技術(shù)將建筑工程的各項元素進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整[1]。該建筑的造型以圓形為母題，通過運(yùn)用BIM技術(shù)綜合環(huán)境分析、風(fēng)速測試、陰影計算等對該建筑形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，從而形成科學(xué)的設(shè)計方案，通過BIM模型檢驗，該方案實現(xiàn)了與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的有效搭配，尤其是規(guī)避了與周圍環(huán)境不相容的問題。

通過實踐調(diào)查，仿生方法在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用具有重要的價值：首先隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，利用仿生方法能夠有效地實現(xiàn)綠色設(shè)計理念。BIM技術(shù)環(huán)境下的建筑設(shè)計更加突出綠色理念，例如通過BIM技術(shù)可以將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算，以此達(dá)到最準(zhǔn)確的設(shè)計方案，避免后期出現(xiàn)設(shè)計調(diào)整;其次將仿生方法運(yùn)用到建筑設(shè)計中能夠體現(xiàn)虛擬設(shè)計的價值。近些年，隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，將虛擬技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計中能夠體現(xiàn)建筑設(shè)計的審美理念。而仿生方法則是借助虛擬技術(shù)，利用三維動畫的設(shè)計手段，將建筑功能與生態(tài)環(huán)境要素相結(jié)合，從而達(dá)到建筑工程綠化發(fā)展的要求。例如在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過引入PRIOVR可以讓人們通過自然行動體驗虛擬現(xiàn)實環(huán)境，讓人們按照自然環(huán)境的場景實施建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的類型

基于大數(shù)據(jù)與仿生方法的融合催生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字化發(fā)展。仿生建筑主要通過研究有機(jī)生物生理、結(jié)構(gòu)、行為作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈感來源，其通過對大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用力求實現(xiàn)建筑與外部多變環(huán)境因素的融合，以此滿足人類高品質(zhì)的需求。例如歐洲最著名的斯圖加特大學(xué)Elytra展廳就是將甲蟲纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)，以甲蟲的前翅結(jié)構(gòu)為起點(diǎn)，將輕質(zhì)生物纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)，由自動化機(jī)器人制作，以編織的手法將其轉(zhuǎn)化為更強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)單元體。一個個如細(xì)胞般的單體被串聯(lián)在一起，創(chuàng)造了造型獨(dú)特的Elytra展廳。結(jié)合調(diào)查在大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下，仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用類型主要包括：（1）筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容，也是建筑工程最常見的構(gòu)造。筒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念主要是來源于自然界竹子的特點(diǎn)。竹子在生長的過程中需要承受風(fēng)載與自重荷載雙重壓力，但是其不容易被折斷，原因就是其內(nèi)部空間的圓形結(jié)構(gòu)能夠承受較高的壓力。因此將竹子的負(fù)載壓力引入建筑筒體結(jié)構(gòu)中，能夠增強(qiáng)建筑工程結(jié)構(gòu)的剛度。例如設(shè)計人員在設(shè)計時通過利用BIM平臺對建筑工程的受力元素進(jìn)行優(yōu)化，以此準(zhǔn)確核算建筑筒體結(jié)構(gòu)的空間布局與支柱布局位置。比如天津的津塔就是仿照竹子受力特點(diǎn)，利用BIM軟件系統(tǒng)設(shè)計混凝土支柱、剪力墻以及外伸臂相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。（2）懸索結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)是源于蜘蛛網(wǎng)。蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)，尤其是能夠承受諸多應(yīng)力的沖擊。蜘蛛網(wǎng)內(nèi)部的受力點(diǎn)配置比較均勻。因此，在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，設(shè)計人員通過虛擬技術(shù)對蜘蛛網(wǎng)的網(wǎng)狀張力進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而有效地提升了建筑結(jié)構(gòu)的柔性度。德國著名建筑師和工程師奧托設(shè)計的德國奧運(yùn)會的奧林匹克中心也是采用這種結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)索支撐的帳篷似覆蓋物覆蓋體育場、體育館、游泳館設(shè)施，使其成為整體，不但結(jié)構(gòu)合理，而且取得了經(jīng)濟(jì)和造型的雙贏。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在大型臨時性建筑[2]。（3）殼結(jié)構(gòu)。自然界中薄殼狀的物質(zhì)通常具備曲度均勻、質(zhì)地輕盈的特點(diǎn)，此種弧狀曲面能夠有效分散外部的作用力，提高建筑物的承載力，同時在確保建設(shè)較大空間的基礎(chǔ)上減少建材的使用量，通常在設(shè)計大型場館時應(yīng)采用薄殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。例如，天津博物館便是應(yīng)用了仿生方法，利用網(wǎng)殼體結(jié)構(gòu)有效提高了建筑空間的使用率。（4）膜結(jié)構(gòu)。植物細(xì)胞的泡狀結(jié)構(gòu)原理也可以應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，膜結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用了薄膜材料，將薄膜材料進(jìn)行張拉進(jìn)而形成一種能夠跨越較大空間的建筑結(jié)構(gòu)。例如，德國的安聯(lián)球場便是應(yīng)用了膜結(jié)構(gòu)，該體育場的表面應(yīng)用了2 874個膜結(jié)構(gòu)，且膜結(jié)構(gòu)的形狀為菱形，同時選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為支撐。膜結(jié)構(gòu)具有良好的防水防火、隔熱、自清潔的優(yōu)點(diǎn)，并且在菱形膜結(jié)構(gòu)中持續(xù)保持350 Pa的大氣壓，使得安聯(lián)球場的外觀看起來更像是一個橡皮艇，不僅滿足了體育場的基本建設(shè)功能，還提高了美觀度[3]。

3 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用策略

仿生方法應(yīng)用于建筑功能的主要目標(biāo)是使建筑與環(huán)境形成一種良性的循環(huán)系統(tǒng)，同時將生物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建筑技術(shù)進(jìn)行合理的融合，最終建設(shè)生態(tài)型建筑。

3.1 運(yùn)用BIM軟件，修改仿生形態(tài)參數(shù)

將仿生方法運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要本著綠色、創(chuàng)新的理念，實現(xiàn)建筑工程與自然生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。由于仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用要求合理設(shè)計仿生對象的特點(diǎn)，實現(xiàn)高品質(zhì)的建筑功能。無數(shù)案例表明仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用需要設(shè)計人員關(guān)注參數(shù)計算工作，保證設(shè)計方案的每項數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。尤其是裝配式建筑的發(fā)展，設(shè)計人員在運(yùn)用仿生方法時需要融合BIM軟件系統(tǒng)，利用BIM軟件系統(tǒng)對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計中，通過對有機(jī)生物結(jié)構(gòu)的模仿可以有效提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。例如北京水立方體育館就是通過對大自然中常見水滴的分析，構(gòu)建了一個三維立體空間，雖然從外面看屬于較為薄弱的結(jié)構(gòu)體系，但是其內(nèi)部有著科學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)作為支撐，有效地滿足了空間擴(kuò)大的需求。而水立方體育館的設(shè)計主要是在運(yùn)用仿生方法的同時通過BIM軟件系統(tǒng)進(jìn)行虛擬模型，以此優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)置空間。

3.2 構(gòu)建虛擬仿生系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化設(shè)計

將仿生方法應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵就是要實現(xiàn)仿生方法與信息技術(shù)的融合，通過對有機(jī)生物生理、結(jié)構(gòu)以及行為的數(shù)字化處理，實現(xiàn)仿生方法與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的融合。在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須要利用BIM技術(shù)實現(xiàn)對仿生方法設(shè)計過程的可視化操作。例如高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，由于高層樓層越來越高，為了實現(xiàn)低碳、綠色的設(shè)計理念需要考慮高層樓高與周圍環(huán)境的沖突。例如樓層過高會導(dǎo)致高層樓受力較大，影響人們的居住。所以在具體的設(shè)計時需要利用BIM軟件對高層結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行可視化模擬操作。例如可以將設(shè)計的建筑參數(shù)化計算，以此檢驗高層建筑對周圍環(huán)境的影響，以此不斷優(yōu)化高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

總之，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要應(yīng)用于建筑的外觀、材料、結(jié)構(gòu)以及工程方面，為了充分發(fā)揮仿生方法的應(yīng)用價值，在運(yùn)用仿生方法時需要融合大數(shù)據(jù)技術(shù)，依托BIM軟件系統(tǒng)實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的科學(xué)化與合理化，達(dá)到建筑工程與生態(tài)環(huán)境的有效融合。

參考文獻(xiàn)

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