1、也谈仿生学在建筑设计中的应用摘 要仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科学。仿生建筑学是仿生学的一个分支。仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律。并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。仿生建筑是绿色建筑。仿生建筑学的意义是为了运用建筑类比的办法从大自然中汲取创意灵感，与大自然相适应。根据建筑仿生学的表现与应用方法一般分为城市环境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑结构仿生、建筑形式仿生等五个部分。 关键词仿生建筑学；建筑设计；应用实例； 中图分类号：TU 文献标识码：
2、A 文章编号：1009-914X（2016）11-0079-02 随着建筑行业的飞速发展，仿生建筑学作为一门独立的学科已日臻成熟，并在土木工程建设中的应用愈加广泛。仿生建筑在建筑结构设计中是一次大的尝试，成为建筑发展的新趋势。仿生建筑学理论的出现及应用为仿生建筑的空间结构设计提供了价值性较强的依据。本文主要探讨仿生建筑学在建筑结构设计中的具体应用。 1 城市环境仿生 城市环境仿生就是利用仿生学原理使城市布局和结构优化，使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界，使城市结构功能改善。北京最近规划的五条通风通道及即将推行的街区制就是城市仿生的实践。最具有代表性的例子是 1853 年巴黎改建规
3、划，当时在巴黎东、西郊规划建设的两座森林公园，东郊维星斯公园和西郊布伦公园的巨大绿化面积，就象征着人的两肺，环形绿化带与赛纳河就象是人的呼吸管道，这样就使新鲜空气可以输入城市的各个区域。巴黎市区内环形和放射的各种主干与次要道路网就象是人的血管系统，使血流能够循环畅通。这种城市环境仿生思想，不仅在当时已起到了积极的作用，解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题，使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例，其城市环境仿生理论至今仍然值得借鉴 。 2 材料仿生 随着生活水平的提高，人们对保温隔热隔音及高强轻质的使用功能要求尤为强烈，这就对建筑材料提出了更高的要求。材料仿生重点模仿自然界生物体的身体结构（如鸟
4、类的羽毛） 、生物体的天然“建筑”环境（如蜂窝） ，进而开发出能体现现代节能环保理念的建筑材料。例如，建筑师模从蚁穴、蜂巢的结构中获得有益启发，设计出了加气混凝土，泡沫橡胶、树脂混凝土等，把泡沫混凝土、加气混凝土改造为具有隔墙功能的填充物，不但能起到吸收噪声和保温的作用，还可以减少隔墙自重。若把陶粒混凝土应用到梁板结构中，结构自重减轻了，混凝土量的投入也会更少。国家游泳中心水立方设计中不仅利用水的装饰作用，同时还利用其独特的微观结构。采用在整个建筑内外层包裹的 ETFE 膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避免
5、建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的是，如果 ETFE 膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过一段时间就会恢复原貌，参观过该馆的人都会留下深深的印象。 3 建筑功能仿生 大自然精彩绝伦的设计势必忠实于功能，建筑设计贴近于自然，才能探寻到一个近乎彻底功能化的良好路径。建筑的功能异常繁多，自然界的生物提供了将各种功能有效组织起来成为一个完整的整体的成功范例，既离不开单一化功能元素的累积，也依赖多功能发展中的整合。当代建筑的集中化倾向使得超高层多功能建筑层出不穷，这便要求设计者在有限的范围内高效率地组织每个部分的关系，以使这些空间发挥更多的功能。 比如：蜜蜂的巢房是一个
6、无数正六边形紧密排列的空间薄膜组合体，一个个紧密排列。我国建筑界的元老级人物唐璞唐老先生早在 80 年代初期就开始了对六边形结构在住宅中运用的研究，他将这种住宅称为“工业化蜂窝原件的组合体” 。他通过分析发现蜂窝体系房间具有很多特点：隔声方面，由于该体系的相邻两房间之间的公共墙体面积比一般体系要少 1/3 一 23/，因此在隔声措施上所需要的隔声材料得以节省；采光方面，由于蜂窝体系的房间具有多面采光，采光口多，采光面积也大，而且由于六面体内墙的面也比一般房间要多，因此其光反射次数也多，这些都可以提高住宅的采光效果；通风方面，由于蜂窝元件的房间都是 120 度的钝角，室内气流可以比较通畅无阻，不
7、象矩形房间的 90 度墙角易于产生较大的空气涡流，影响换气效果：朝向方面，蜂窝住宅的开窗朝向的选择性比一般住宅要多，在设计时可根据具体情况选择对每个房间日照都有利的朝向开窗。蜂窝住宅具有不言而喻的经济性、元素设计的统一性和平面布置的灵活性，在 80 年代的时代背景下具有很积极的意义，虽然如今住宅市场的发展状况与 20 多年前大为不同，但蜂窝住宅基于六边形的设计理念对当今的建筑设计仍具参考意义。又如：位于英国的滑铁卢火车站，铁路建筑延续了维多利亚的风格，其屋顶由 36 根三弦弓式拱组合而成，其跨度在 33m-55m 之间。在东侧，选用不锈钢包裹的结构翻转到内侧，每块玻璃板的一侧可经可移动的支架悬
8、挂于钢制结构上；在西侧，上部的结构独立于建筑表皮以外，玻璃板重叠搭接，游客可观赏到英国国会大厦和泰晤士河的秀丽风光，这种组合效果很像蜥蜴或穿山甲等爬行动物的鳞片组织。 4 建筑结构仿生 长期以来，工程师很多时候比建筑师更擅长利用大自然的生态规律，借助新材料技术成果创造仿生结构体系。透过一滴水珠窥探出其自由落体的张力和薄壁高强的特点；观察树叶的叶脉组织可从中发现其网状支撑结构，这些均给建筑设计提供了广阔的思路。但凡成功模仿生物体结构的建筑，必定是轻质高强、耐久、刚度大，其所用建材少而有具备美学价值的建筑体。不少节省建筑原材料而又独具美学价值的结构样式，均是模仿生物体的组织结构或其周边生存环境而设
9、想出来。 例如， “薄壳结构”在生物界中早就存在，比如龟壳、蛋壳、贝壳、海螺壳以及动物的头骨等都是这种结构。这种曲度均匀，质地轻巧的材料虽然会很薄，但是在同等质地的不同造型材料对比可以看出，他的耐压能力更强。因为模仿这种曲度设计的物体在收到外力作用后，可以使力量均匀的沿着表面分布并扩散。这种力学特征，在建筑学中广泛应用，悉尼大剧院就是以贝壳为造型的最著名的建筑。他的曲线流畅，与大海融为一体，是无数艺术家梦寐以求的地方。沙利宁的环球航空站，其结构上拥有四瓣集合式薄壳，中部有可供采光的缝隙，四瓣薄壳呈 Y 形支撑，与人头盖骨的外观形态基本相似。其设计灵感全部根据薄壳的本质：其造型不受几何形体的约束
10、，几乎没有任何抛物线、圆形或直角的痕迹，然而，每条曲线均能凸显物理学中的“力”的内涵特点。屋顶由大曲面构成，屋顶侧边肋条的断面随着外部负载的增加而扩大支撑范围，同时，薄壳的力量得以进一步强化而不致于产生任何形变现象。支柱的样式也是依照自身承受外力的大小所设计的。 5 建筑形式仿生 建筑学十分注重美学价值和艺术观赏性，同时也体现人类城市的现代化进程。建筑形式的仿生学设计灵感来源于大自然中每类动植物的外形，生物体的细胞及骨骼架构，为建筑的外形设计提供了非常丰富的外观模型。依照仿生设计的手段差异，可将建筑形式的仿生划分为抽象仿生和象形仿生。 5.1 抽象仿生 抽象仿生不拘泥于建筑物的外观设计，而是使
11、建筑物表现更强烈的含义。这类仿生设计办法不但能彰显当地的文化发展趋势，更能直接反映建筑物的美学内涵。例如，位于美国纽约的“自由女神像” ，将人体的艺术形态展现的淋漓尽致，彰显自由与和平的艺术设计主旨。 “看到教堂宏伟的基址，我的心中产生了诗人般的冲动。 ”柯布西耶称朗香教堂为“纯粹的精神创作” 。于是，我们看到的教堂布局就宛如人的耳朵，在这里祈祷诵经都更容易让上帝听到。 5.2 象形仿生 象形仿生是把大自然中生物体生存的外部状态借助一定的艺术手法，并将其反映到建筑作品中。建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。例如，
12、为迎接 2008 北京奥运所建造的国家体育场“鸟巢” ，其设计思想来源于大自然中的鸟类的住所；蛋壳呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有 2 mm 的厚度，但使用手握很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。 6 结束语 仿生建筑学奉大自然为“总建筑宗师” ，它所创作的每个“旋律”和“音符”均值得建筑师们不懈摸索和效仿。仿生建筑学发展到今天，已积累了大量成功的建筑实践经验，同时，仿生建筑学随着建筑理念的演变和发展，已不再单纯地追求设计的多元化，而是更注重建筑结构的实用价值。本文所列举的城市环境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑结构仿生、建筑形式仿生等类型，已不再拘泥于单体仿生设计，必定在其它建筑设计领域有着更为广泛的用途。在仿生建筑学的启发和建筑师的不懈努力下，未来仿生建筑将更具新颖性和生态性，更加宜居环保，具有可持续性。 参考文献 1潘健，陈飞. 仿生建筑学在景观桥梁设计中的应用与展望J. 交通科技，2013，13（S1）：8-10. 2邱荣文，饶建锋，韦经杰等. 仿生学在建筑设计中的应用探究J.山西建筑，2013，10（33）：4-5. 3王立福，单欣，李尧. 仿生学在建筑设计中的应用J. 山西建筑，2008，7（09）：78-80.
