■ 鄭 莉 ZHENG Li

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)危機(jī)、自然災(zāi)害、人口密度增長等各類社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的逆向阻力，人們在當(dāng)今社會發(fā)展中更多地從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、高效性以及創(chuàng)造性上尋找正向的推動力。在數(shù)字技術(shù)和仿生學(xué)越來越緊密的互動中，交融誕生的數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)將在未來的建筑領(lǐng)域中扮演著不可忽視的角色。通過數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)來組織與糅合建筑理念，對生成新的建筑形態(tài)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑表皮等方面有著巨大促進(jìn)作用，不僅可以響應(yīng)新的功能需求，甚至可以激發(fā)出新的建筑美學(xué)。

1 仿生學(xué)的誕生與發(fā)展

在美國第一屆仿生學(xué)研討會上，仿生學(xué)（Bionics）的概念被首次提出。該理論的提出者，美國學(xué)者斯蒂爾將其定義為“仿效生物系統(tǒng)的原理，或使其具有與生物系統(tǒng)相似的特性的科學(xué)”，可將其運(yùn)用于技術(shù)體系，改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)工程裝備，創(chuàng)造新的工藝流程、自動化設(shè)備等更接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)體系[1]。

基于仿生學(xué)理論發(fā)展出的仿生設(shè)計(jì)是向自然之力致敬與借力的杰出的設(shè)計(jì)手法。人類的智慧能夠創(chuàng)造出諸多偉大發(fā)明，但卻永遠(yuǎn)不可能比自然法則的構(gòu)建更完美，更簡潔。越是與大自然接近，越是能夠發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含在大自然中的真理、精密構(gòu)造與美學(xué)。對大自然的學(xué)習(xí)和研究，可以給予我們許多問題的解答。例如，科學(xué)家們通過對鯊魚皮膚構(gòu)造與特性的研究，研制出連體鯊魚服，因其材料中添加了“彈性皮膚”物質(zhì)，能有效控制水流，使身體繃緊，從而防止皮膚和肌肉的抖動，降低運(yùn)動員在水里的阻力，極大提升游泳速度。這件泳衣的問世，讓整個(gè)國際泳壇都發(fā)生了翻天覆地的變化，一項(xiàng)項(xiàng)世界紀(jì)錄接連不斷地被打破，以至于國際游泳協(xié)會不得不在2009 年世界錦標(biāo)賽后，禁止運(yùn)動員使用高科技泳衣參賽，由此可見，仿生設(shè)計(jì)的威力有多么強(qiáng)大。

2 仿生學(xué)與建筑設(shè)計(jì)

1960 年仿生學(xué)誕生后，德國學(xué)者勒伯多于1963 年出版《建筑與仿生學(xué)》，較為全面、系統(tǒng)地闡明了建筑仿生學(xué)的意義、建筑學(xué)應(yīng)用仿生理論的方法、建筑仿生學(xué)與生態(tài)學(xué)的關(guān)系、建筑仿生學(xué)與美學(xué)的關(guān)系等，為仿生學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。德國學(xué)者卡爾·馮·弗里施在1973 年完成了一部名為《動物的建筑藝術(shù)》的作品，該作品充分展示了不同物種的“建筑師”在捕食、筑巢等方面所做的令人驚嘆的建筑行為，為建筑師們的仿生設(shè)計(jì)注入了靈感。從20 世紀(jì)80 年代以來，隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)外的建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)了一批以仿生學(xué)為基礎(chǔ)的建筑設(shè)計(jì)與研究。例如，崔悅君于2002 年出版《創(chuàng)新建筑》，通過對自然界設(shè)計(jì)法則的研究，應(yīng)用類比的方法從自然界中吸取靈感進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,包括發(fā)展新建筑材料和方法，開創(chuàng)“進(jìn)化建筑學(xué)”先河；西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦將仿生學(xué)與建筑美學(xué)相結(jié)合在他的建筑設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造了一系列造型獨(dú)特而優(yōu)美的建筑仿生設(shè)計(jì)作品。

3 數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)

仿生學(xué)和數(shù)字化設(shè)計(jì)是數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)中相輔相成的2 個(gè)要素，前者為思維主體，后者是實(shí)施手段。隨著社會發(fā)展、人類進(jìn)步以及人類對現(xiàn)實(shí)生活追求的不斷提高發(fā)展，仿生學(xué)引導(dǎo)和誘發(fā)靈感，最終形成一種創(chuàng)造性設(shè)計(jì)手法——模仿自然界中生物（包括人類）的特征，并通過數(shù)字化設(shè)計(jì)來完成這一系列思維方式的系統(tǒng)構(gòu)建，我們將之稱為數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)[2]。數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)的誕生，對建筑領(lǐng)域的理論研究、技術(shù)手法、實(shí)踐探索等層面產(chǎn)生的輻射影響相當(dāng)之廣闊。

3.2 建筑領(lǐng)域的數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)發(fā)展

伴隨著數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量關(guān)于其運(yùn)用于建筑領(lǐng)域的研究。最初對中國建筑領(lǐng)域產(chǎn)生影響的當(dāng)數(shù)時(shí)任麻省理工學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)院長的威廉·J·米切爾所著的《比特之城》。該書于1995 年問世，米切爾在本書中就信息社會對都市及建筑形式的沖擊進(jìn)行了較為全面的探討，并指出利用信息技術(shù)構(gòu)筑“軟城市”，營造更為合乎情理的都市格局。此外，米切爾還先后發(fā)表了《建筑的邏輯》《伊托邦：數(shù)字時(shí)代的城市生活》等著作，探討數(shù)字技術(shù)對城市與建筑的作用。

美國建筑師格雷格·林恩的思想譜系中“折疊”“滴狀物”“動畫形態(tài)”“復(fù)雜”等重要概念對建筑領(lǐng)域的數(shù)字設(shè)計(jì)起到推進(jìn)作用。林恩主張，在建筑的設(shè)計(jì)中，不僅要具備“自生”的內(nèi)在動機(jī)，還要對外在的環(huán)境作出反應(yīng)。他以德勒茲“游牧”和“褶皺”的哲學(xué)為基礎(chǔ)，在1999 年出版的作品集《動態(tài)形式》（Animate Form）等著作中探討利用數(shù)碼技術(shù)在動態(tài)的進(jìn)程中發(fā)掘建筑形式的設(shè)計(jì)理念。從某種意義上來說，該理念并非以仿生性為起點(diǎn)，但卻在某種意義上使得整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)過程帶有了“仿生”的趨勢[3]。

伴隨著生物等學(xué)科的發(fā)展，林恩的設(shè)計(jì)理念得到了越來越多建筑師的認(rèn)可，21 世紀(jì)初期，在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)有了許多關(guān)于仿生建筑設(shè)計(jì)的研究。與此同時(shí)，大量介紹與提倡計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助建造（CAM）、曲面建模技術(shù)（NURBS）、數(shù)控制造技術(shù)（CNC）等一系列建筑設(shè)計(jì)和建造輔助工具方面的數(shù)字化技術(shù)論著也在不斷涌現(xiàn)。布蘭科·克拉列維奇所著的《數(shù)字時(shí)代的建筑：設(shè)計(jì)與制造》闡述了CAD與CAM 技術(shù)對建筑設(shè)計(jì)與施工的影響；彼得·紹拉帕耶所著的《當(dāng)代建筑與數(shù)字化設(shè)計(jì)》，以及詹姆斯·斯蒂爾所著的《當(dāng)代建筑與計(jì)算機(jī)——數(shù)字設(shè)計(jì)革命中的互動》都有關(guān)于數(shù)字化技術(shù)的詳盡描述和大量的實(shí)際案例。美國建筑師弗蘭克·蓋里（Frank Owen Gehry）從生物形態(tài)出發(fā)，通過電腦輔助設(shè)計(jì)，對建筑的極限形態(tài)進(jìn)行了探索，通過航空建模軟件（CATIA），設(shè)計(jì)了巴塞羅那魚形雕塑，以及舉世聞名的畢爾巴鄂古根海姆博物館。

當(dāng)今元宇宙背景下，建筑領(lǐng)域孵化出參數(shù)化設(shè)計(jì)的分支，不論是虛擬世界的開發(fā)，還是真實(shí)世界的構(gòu)建，建筑師不再是造物世界中“自上而下”的人物，而是算法過程的控制者。建筑設(shè)計(jì)開始嘗試將工業(yè)流程集成到工作流程中，不少工業(yè)產(chǎn)業(yè)正在接受全新的戰(zhàn)略思維，計(jì)算機(jī)不再只是一種繪圖或者建模工具，而是改變我們對建筑物質(zhì)性和物化認(rèn)知的深層次技術(shù)開發(fā)工具，并且有可能逐步形成新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

4 建筑領(lǐng)域中數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)的運(yùn)用

數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域主要運(yùn)用在以下5 個(gè)方面：建筑形態(tài)的數(shù)字化仿生、建筑材料的數(shù)字化仿生、建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化仿生、建筑表皮的數(shù)字化仿生與建筑整體的數(shù)字化仿生。

4.1 建筑形態(tài)的數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)

建筑形態(tài)的數(shù)字化仿生是利用數(shù)字仿生技術(shù)進(jìn)行建筑造型設(shè)計(jì)的方式，建筑師在學(xué)習(xí)生物的形態(tài)特點(diǎn)后，對其形態(tài)進(jìn)行抽象和抽取，并結(jié)合環(huán)境保護(hù)原則，將其運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)中。西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦，其作品的建筑風(fēng)格以獨(dú)特的仿生形態(tài)而著稱。位于瓦倫西亞的藝術(shù)科學(xué)城是他設(shè)計(jì)的糅合了仿生特質(zhì)，并進(jìn)行了數(shù)字化抽象的大規(guī)模建筑群（圖1）。從其作品中可以看出，他的創(chuàng)作靈感大多來自大自然，動物、植物、羽毛、骨骼等都是他的老師，同時(shí)他的建筑設(shè)計(jì)也具有很鮮明的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)色彩。

圖1 藝術(shù)科學(xué)城

4.2 建筑材料的數(shù)字化仿生

建筑外立面是表現(xiàn)視覺沖擊最直接的展現(xiàn)載體，因而外墻常常使用新型智能材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)建材。目前對智能材料的定義尚無統(tǒng)一的概念，一般來講，智能材料是指在不需要借助任何工具和能量的情況下，可以察覺到環(huán)境的改變并做出相應(yīng)的反應(yīng)的材料。因此，智能材料需要具備下列特性：①具有對外部刺激強(qiáng)度的認(rèn)知能力；②具有對外部變化作出反應(yīng)的驅(qū)動功能；③可利用材料自身性能特點(diǎn)，或設(shè)置的反饋方式，有選擇性的控制材料的響應(yīng)方式；④反應(yīng)更靈敏、更及時(shí)、更恰當(dāng)；⑤在外界的刺激消除后，能夠很快地恢復(fù)到原來的狀態(tài)[4]。

德國斯圖加特大學(xué)的阿希姆·門格斯（Achim Menges）與 斯特芬·賴克特（Steffen Reichert）合作的“濕度計(jì)裝置:氣象感知形態(tài)學(xué)”（Hygroscope: Meteorosensitive Morphology）項(xiàng)目探索了基于材料固有行為和形態(tài)生成算法相結(jié)合的新型響應(yīng)式架構(gòu)模式。該模型懸掛在濕度受控的大型玻璃箱內(nèi)，模型整體由多個(gè)木質(zhì)窗口單元組成，每個(gè)窗口單元由數(shù)量不等的幾扇木片閉合而成。由于木材會因含水率變化而產(chǎn)生尺寸變化，模型利用二者之間的關(guān)系，構(gòu)建氣候敏感的建筑形態(tài)。無需任何技術(shù)設(shè)備或能源，僅僅依靠相對濕度的波動就會觸發(fā)模型無聲的運(yùn)動，形成可以根據(jù)空氣濕度變化做出反應(yīng)的“會呼吸的木材”（圖2）。

圖2 Hygroscope 項(xiàng)目“會呼吸的木材”

當(dāng)模型內(nèi)溫度和濕度增加時(shí)，木材會產(chǎn)生卷曲并翹起，中間的窗口張開，原來封閉的窗口變成小型風(fēng)口，促進(jìn)空氣流動，通過空氣流動作用使模型內(nèi)部溫度下降；當(dāng)模型內(nèi)空氣溫度、濕度改變，木材含水率降低時(shí)，木材會恢復(fù)原有形態(tài)，變得平展和挺直，孔洞又將重新恢復(fù)封閉。因而，在不同的光照強(qiáng)度下，建筑表皮將會呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，以維持相對穩(wěn)定的室內(nèi)熱環(huán)境。在不消耗其他能源的前提下，智能材料可以主動對氣候產(chǎn)生反饋機(jī)制，從而提升建筑空間帶給使用者的體感舒適度[5]。類似這樣的智能材料與建筑環(huán)境相結(jié)合的仿生設(shè)計(jì)，在未來建筑生態(tài)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，必然可以給予無數(shù)新的可能性。

4.3 建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化仿生

建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化仿生是通過對建筑結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)關(guān)系等進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)能、舒適、環(huán)保的目的。國家體育場的設(shè)計(jì)是受自然界中鳥兒的巢穴啟發(fā)而設(shè)計(jì)的。自2008 年北京奧運(yùn)會舉辦之后，國家體育場為世人所熟知，它被親切地稱為“鳥巢”（圖3）。合理的仿生結(jié)構(gòu)既能達(dá)到設(shè)計(jì)必要的強(qiáng)度，又能充分展現(xiàn)設(shè)計(jì)理念，呈現(xiàn)出震撼的視覺效果，成為北京的又一張新名片。

圖3 國家體育場

4.4 建筑表皮的數(shù)字化仿生

建筑表皮的數(shù)字化仿生是新的熱點(diǎn)研究方向，利用參數(shù)化、智能化等技術(shù)，設(shè)計(jì)可以響應(yīng)外界變化的智能建筑表皮，為人類創(chuàng)造更好的居住和工作環(huán)境。智能的建筑表皮將建筑內(nèi)部與外部聯(lián)系起來，如同人體的皮膚，能夠有效地將光線與空氣隔離開來，從而達(dá)到最佳的室內(nèi)熱舒適性，節(jié)省建筑物的能源消耗，同時(shí)也為人們提供了更好的居住環(huán)境。

讓·努維爾設(shè)計(jì)的阿拉伯世界文化中心，其智能建筑表皮的仿生原理靈感來自人的眼睛：人類的眼睛可以通過調(diào)整瞳孔來控制人的光線，從而防止眼睛受到強(qiáng)烈光線刺激而造成損傷。智慧皮膚裝置利用該原理，通過調(diào)節(jié)中央空腔的尺寸，來調(diào)節(jié)入射室內(nèi)的太陽光輻射（圖4）。在滿足室內(nèi)合理光照的前提下，智慧皮膚可以有效地減少建筑的制冷能耗，維持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

圖4 阿拉伯世界文化中心智慧皮膚裝置

4.5 建筑整體的數(shù)字化仿生

建筑整體的數(shù)字化仿生往往不僅僅是采用了單項(xiàng)技術(shù)，而是一系列仿生技術(shù)的結(jié)合與運(yùn)用，對建筑形態(tài)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)和建筑表皮等多種因素予以綜合考慮，通過仿生設(shè)計(jì)與數(shù)字技術(shù)，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低建筑能耗的目的。例如，青島的東方影都大劇院的設(shè)計(jì)靈感來自海生軟體動物鸚鵡螺，鸚鵡螺的外殼由一個(gè)個(gè)彎曲的腔室構(gòu)成，不斷盤旋腔室形成了一條完美的對數(shù)螺線。大劇院的建筑形態(tài)設(shè)計(jì)借鑒了鸚鵡螺的螺旋曲線模型；其建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感源于鸚鵡螺的腔體結(jié)構(gòu)特征，形成可隨著人數(shù)變化而調(diào)整的功能空間；同時(shí)，在建筑表皮和建筑結(jié)構(gòu)上，該項(xiàng)目采用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)完成了建筑設(shè)計(jì)、幕墻設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并且通過施工4D 模擬，保證了施工的進(jìn)度和質(zhì)量。

5 總結(jié)

在日新月異的建筑與科技的融合中，運(yùn)用好仿生學(xué)理論對生成建筑的新組合、新形式和新結(jié)構(gòu)有著重要意義。在建筑學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)是在達(dá)爾文進(jìn)化學(xué)上更前一步的發(fā)展，它通過對自然界的理性創(chuàng)造法則的理解和運(yùn)用，使建筑物進(jìn)入了物競天擇的模式。數(shù)字技術(shù)為數(shù)據(jù)采集和場景仿真提供了更多的設(shè)計(jì)可能性，較之仿生學(xué)傳統(tǒng)的直觀形態(tài)模仿方式，數(shù)字化仿生建筑設(shè)計(jì)更注重對自然與環(huán)境進(jìn)行深入研究與高度抽象，以創(chuàng)造出一個(gè)全新的、融合了人類和自然共同智慧的原生型作品?，F(xiàn)今社會中，經(jīng)濟(jì)危機(jī)、能源危機(jī)、自然和人為災(zāi)害都在呼喚著更多的創(chuàng)造、融合，以及各種正向的可能性。數(shù)字技術(shù)與仿生學(xué)融合而成的數(shù)字化仿生技術(shù)，必將在未來的建筑發(fā)展中起到不容忽視的重要作用。

“計(jì)算”一詞源于拉丁語“computare”，其本源之意是“共同思考”。因此，計(jì)算也涵蓋了一定哲學(xué)意義，不論是計(jì)算本身還是模擬世界，都是密不可分的，如影隨形的?，F(xiàn)實(shí)中的我們，其實(shí)是在將虛擬空間進(jìn)行實(shí)體化，通過對設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行反饋和評價(jià)，進(jìn)而對設(shè)計(jì)本身進(jìn)行完善與提升。數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在建筑學(xué)領(lǐng)域，可運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)將設(shè)計(jì)成分加入大型的高效的建造中，以期為產(chǎn)業(yè)升級的建筑工業(yè)化領(lǐng)域注入創(chuàng)新血液，為數(shù)字化仿生設(shè)計(jì)的市場維度拓展出廣闊前景的新世界。