聶延博

（中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

現(xiàn)階段，我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也日益提高。如今能源發(fā)布不均勻以及人均資源占有量低的情況非常明顯，公共交通、工業(yè)生產(chǎn)和建筑消耗的能源也比較多，就面臨著環(huán)境污染和能源消耗兩大問題。有相關(guān)的數(shù)據(jù)資料表明，我國現(xiàn)階段建筑消耗的能源占總能源消耗的25%，如果相關(guān)部門不大力氣發(fā)展建筑行業(yè)的節(jié)能環(huán)保，減少能源的消耗，則會因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使建筑行業(yè)能源消耗速度加快。所以，我國急需解決建筑方面對能源的消耗，創(chuàng)造出綠色節(jié)能的建筑方式。因而，相關(guān)的研究人員和建筑師應(yīng)該學(xué)習(xí)和探究相關(guān)的建筑理論，大力發(fā)展仿生建筑，學(xué)習(xí)和模仿生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能等，建造生態(tài)建造，為建筑行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。仿生建設(shè)設(shè)計“蟲洞圖書館”如圖1所示。

圖1 仿生建設(shè)設(shè)計“蟲洞圖書館”

1 仿生設(shè)計理念

仿生設(shè)計就是從人性化設(shè)計的角度出發(fā)進(jìn)行模仿設(shè)計的。仿生設(shè)計的主要內(nèi)容就是通過模仿自然界中的一些生物的獨(dú)特形態(tài)或特有的功能、結(jié)構(gòu)等等，隨后獲取設(shè)計的靈感，設(shè)計出符合人們需求的產(chǎn)品。仿生這個詞語大概是從20世紀(jì)60年代初才開始使用的，在希臘文中是有著生命的含義[1]。到目前為止，自然界中各類生物的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工智能技術(shù)生成的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)。這些生物是由自然界所創(chuàng)造的，與自然早已融為一體，選擇了最適合與自然共處的身體構(gòu)造。仿生學(xué)便是通過參考生物所具有的特點(diǎn)，利用施工材料進(jìn)行模仿刻制等，使所設(shè)計的產(chǎn)品與自然融為一體。仿生設(shè)計學(xué)是將仿生學(xué)和設(shè)計學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在二者基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。而且仿生設(shè)計學(xué)所涉及的學(xué)科還是比較多的，有電子學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)、控制論、美學(xué)等。其主要是從自然界中的生物形態(tài)、功能等來尋找設(shè)計思路，創(chuàng)造出新的技術(shù)等。近幾年，仿生設(shè)計學(xué)在建筑設(shè)計中不斷發(fā)展，應(yīng)用的地方也越來越多。在建筑領(lǐng)域中研究仿生設(shè)計學(xué)是有一定目的的，建筑設(shè)計可以應(yīng)用仿生設(shè)計帶來的靈感，創(chuàng)造出更符合現(xiàn)代發(fā)展的建筑方式，并且有利于創(chuàng)造出與自然和諧相處的環(huán)境，維持生態(tài)平衡。自然界中的各種生物是人類最好的導(dǎo)師，會給人類帶來無限的啟發(fā)和益處。建筑中仿生學(xué)的應(yīng)用不是簡單的進(jìn)行效仿，而是想要把動物以及植物的生長規(guī)律等與建筑設(shè)計想融合，與建筑自身的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)婚，讓建筑富有新意的同時能夠與環(huán)境適應(yīng)。因此，仿生學(xué)關(guān)鍵是對生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征等進(jìn)行科學(xué)研究，為建筑設(shè)計給予新的設(shè)計方案理念；將仿生學(xué)的相關(guān)原理應(yīng)用到建筑領(lǐng)域中，又把其稱為仿生建筑，通過模仿生物的結(jié)構(gòu)，形態(tài)，功能等來設(shè)計建筑，造就出更多外型新奇、構(gòu)造合理、特性優(yōu)質(zhì)的建筑。

2 我國建筑設(shè)計中仿生元素的運(yùn)用

建筑仿生，是通過利用自然界中生物的生命特征或者組織結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模仿設(shè)計建筑，運(yùn)用這類原理進(jìn)行工程建筑設(shè)計，提供更多的設(shè)計理念，可以加快建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展。仿生學(xué)也為建筑設(shè)計行業(yè)提供了新的活力和動力，它是在科學(xué)合理的基礎(chǔ)上設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，更加注重當(dāng)代的藝術(shù)美學(xué)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。近些年，在我國仿生建筑學(xué)的，一些商業(yè)步行街和小區(qū)都選用了仿生建筑的核心理念，設(shè)計出與眾不同的造型設(shè)和強(qiáng)有力的視覺沖擊，帶給人們不一樣的美感。而建筑設(shè)計也帶給了仿生學(xué)一個新的發(fā)展前景和發(fā)展平臺，也提升和完善了建筑方面的設(shè)計，能夠與自然和諧相處，建設(shè)出一個和諧發(fā)展的社會。隨著時代的變遷和科技的進(jìn)步，人們已經(jīng)慢慢擺脫了傳統(tǒng)式大廈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，向更具時代感和活力的角度來發(fā)展建筑。仿生學(xué)與建筑設(shè)計密切相關(guān)，一同推動了仿生建筑的發(fā)展。建筑仿生設(shè)計所研究的具體內(nèi)容非常的多，其研究范圍也較廣，因?yàn)榉律鷮W(xué)和建筑設(shè)計內(nèi)容與很多學(xué)科課程均有聯(lián)系，所以建筑仿生設(shè)計的內(nèi)容也是劃分得比較具體詳細(xì)的。根據(jù)建筑設(shè)計中的對不同生物系統(tǒng)的模擬應(yīng)用，將建筑仿生設(shè)計的具體內(nèi)容進(jìn)行劃分，主要有3個方面，即結(jié)構(gòu)仿生、形態(tài)仿生和功能仿生。結(jié)構(gòu)仿生，就是通過模仿自然界中生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來進(jìn)行建筑設(shè)計，這建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵元素，比如模仿植物的莖葉結(jié)構(gòu)，動物身體結(jié)構(gòu)，肌肉結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計；形態(tài)仿生，是通過模仿自然界中生物的外部形態(tài)以及象征寓意等，并且讓其經(jīng)過相關(guān)技術(shù)處理之后運(yùn)用于建筑設(shè)計；功能仿生，是通過對自然界生物系統(tǒng)的功能園林進(jìn)行模仿，并運(yùn)用這種基本原理改善目前的建筑方式或創(chuàng)建新的工藝技術(shù)，進(jìn)而推動建筑技術(shù)的更新發(fā)展。仿生建筑“貝殼酒店”如圖2所示。

圖2 仿生建筑“貝殼酒店”

2.1 結(jié)構(gòu)仿生

生物為了更好地生活以及在自然界中發(fā)展，就必須做到去抵御會帶來干擾的外力，努力融入所賴以生存的自然環(huán)境中，所以生物在長久的發(fā)展歷程中自然就產(chǎn)生最有效、最平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)。羽茅草和禾本科植物的長葉往往卷曲成筒形或殼形，香蒲植物的葉是螺旋狀等，都在不斷啟示人類去探索空間結(jié)構(gòu)的奧秘[3]。傳統(tǒng)建筑的梁板支撐體系已不是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的結(jié)構(gòu)形式，而且不能滿足現(xiàn)代社會對大跨度空間的需求。于是仿生空間結(jié)構(gòu)幫助建筑設(shè)計師解決了難題。據(jù)統(tǒng)計，二次大戰(zhàn)以來，各國舉辦奧林匹克運(yùn)動會而建造的體育館，有60%以上采用薄壁空間結(jié)構(gòu)。

2.2 形態(tài)仿生

建筑的形態(tài)仿生多以合理的結(jié)構(gòu)作為前提條件，如海豚式的火車頭、水滴型油罐等，的是以合理的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，創(chuàng)造出簡約輕快的美學(xué)形態(tài)。在仿生生物形態(tài)的同時，也有可能與其唯美形態(tài)引喻聯(lián)絡(luò)在一起。例如，美國肯尼迪候機(jī)場的設(shè)計，就是通過仿生殼體，但設(shè)計者并不是簡易地開展形態(tài)仿生，而是將幾個殼體進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造出展翅翱翔的鵬鳥。這類形態(tài)的仿生與飛機(jī)飛行相符合，其包含著深刻的喻意，也是一個優(yōu)秀的建筑設(shè)計作品。美國肯尼迪候機(jī)場如圖3所示。

圖3 美國肯尼迪候機(jī)場

2.3 功能仿生

自然界中的生物對結(jié)構(gòu)等進(jìn)行巧妙的設(shè)計，其最終就是為了功能的實(shí)現(xiàn)而服務(wù)的。甚至有的生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是有多種功能的。竹子的結(jié)構(gòu)是空心的，它既需要支撐起自身，還需要成為輸送營養(yǎng)物質(zhì)的管道。甘庶是一年生植物，它的生命周期是比較短的，因此甘庶的周邊是薄壁承重結(jié)構(gòu)，而莖芯是填充物[4]。通過以上可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系是非常緊密的，而這些生物的特點(diǎn)也可以將其運(yùn)用于房屋建筑和工程項(xiàng)目中的施工中。近些年，摩天大樓如雨后春筍般在各國不斷涌現(xiàn)，許多都是選用薄壁圓筒做為承重結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)布局電梯或者是樓梯例如，第一聯(lián)邦銀行的大樓有60樓，從外觀設(shè)計上可以看得出，多層建筑高樓中帶有竹節(jié)的結(jié)構(gòu)，這類層級水平結(jié)構(gòu)可以和設(shè)備層結(jié)構(gòu)，把功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一。

3 建筑中應(yīng)用仿生元素的意義

3.1 在建筑中應(yīng)用仿生設(shè)計可帶動文化經(jīng)和濟(jì)的發(fā)展及有保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用

很多著名科學(xué)家推測，21世紀(jì)之后全球的文化中心將會轉(zhuǎn)移到我國，因?yàn)橹袊兄鴰浊甑臍v史和悠久的文化。因而，相關(guān)的學(xué)者和建筑設(shè)計師是需要擔(dān)負(fù)起承繼和弘揚(yáng)華夏文明中出色的建筑理念的重大責(zé)任，其中仿生建筑就是一個有效的表現(xiàn)方式。建筑仿生學(xué)就是建筑設(shè)計師通過學(xué)習(xí)和模仿生物系統(tǒng)的方法，通過此來搭建綠色生態(tài)建筑，更好地與自然環(huán)境融合。我國目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較快，能源分布不均勻，并且公共交通、工業(yè)生產(chǎn)和建筑行業(yè)消耗的能源比較多，面臨著能源短缺和環(huán)境污染的問題。相關(guān)資料表明，我國現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域中所消耗的能源占比較大，如果不大力推廣環(huán)保建筑的方式，那么隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的持續(xù)增加，建筑領(lǐng)域的能源消耗也會不斷增加?，F(xiàn)階段，在我國各地科研單位和設(shè)計單位等都在積極開展環(huán)保節(jié)能建筑的研究，努力推動和發(fā)展環(huán)保節(jié)能建筑。

3.2 在建筑中應(yīng)用仿生元素可以為設(shè)計師提供靈感和思路

對于建筑設(shè)計師來說，仿生元素在建筑行業(yè)的應(yīng)用為其提供了新思維方式和靈感。建筑設(shè)計師可以從生物上獲得設(shè)計靈感，更好地進(jìn)行建筑外觀、構(gòu)造、功能等各個方面的設(shè)計，或者將生物象征的意義作為設(shè)計思路。

4 建筑設(shè)計中仿生元素運(yùn)用的發(fā)展前景

仿生元素是建筑設(shè)計進(jìn)行創(chuàng)造的一個源泉，在模仿中進(jìn)行創(chuàng)造，以此設(shè)計出更為美觀實(shí)用的設(shè)計，滿足人們對建筑的精神和物質(zhì)上的需求。到現(xiàn)在為止經(jīng)過科學(xué)研究，人類已經(jīng)看到了很多生物的奧秘，并會將其應(yīng)用到建筑的設(shè)計創(chuàng)造時。當(dāng)仿生學(xué)變成一門課程后，更多的生物原理被使用到設(shè)計和創(chuàng)造中[5]。大自然中存在許多未被發(fā)掘的奧秘，人類每發(fā)覺一個奧秘，其就有可能變成新設(shè)計，或是發(fā)現(xiàn)給人類提供更好的生活一種方法。自然界是在不斷變化的，其中的生物體也在不斷的進(jìn)化，存在于生物體的很多奧秘都有待人類探索。所以，就目前來說，人類對于自然界中生物體的研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要更多的專業(yè)人士去探索和研究，為建筑設(shè)計提供新的設(shè)計思路，，創(chuàng)造出新設(shè)計，使建筑更好地與自然融合，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。海膽仿生木質(zhì)亭如圖4所示。

圖4 海膽仿生木質(zhì)亭

5 結(jié)語

從上文的論述中可以看出，仿生建筑在建筑設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用前景十分寬闊，仿生設(shè)計元素在建筑設(shè)計中的運(yùn)用會使建筑行業(yè)變得更加豐富。伴隨著建筑工程技術(shù)的不斷發(fā)展和建筑設(shè)計水平的不斷提高，仿生建筑在建筑領(lǐng)域會得到蓬勃發(fā)展。