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1、浅析仿生学在建筑设计中的应用赵志刚（湖南工业大学 科技学院，湖南 株洲 412000）摘要：为了启发建筑合理创新，以及使城市环境达到生态平衡和持续发展，建筑仿生是一种重要的手段。建筑仿生学是根据自然生态与社会生态规律，并结合建筑科学技术特点而进行综合应用的科学。它的主要研究内容包括：城市仿生，功能仿生，结构仿生，形式仿生等方面。建筑仿生学的应用范围很广，从城市总体到单体建筑，从居住环境到材料都可涵盖。建筑仿生已成为一种新时代潮流，也是建筑文化的新课题。未来的城市将是仿生与生态的城市。关键词：结构仿生、形态仿生、功能仿生、黑川纪章仿生学是一个范围广阔并具有多种含义的学科，在1960年的第一届仿生
2、学研讨会上，与会人员制定了仿生学就是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造系统具有或类似于生物系统特征的一门科学。它的目的是应用模拟的方法来改善现代技术设备并创造新的工艺技术。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，是模仿生物系统的结构、形体、功能原理来设计新技术系统的科学，建筑仿生则是科学技术与设计美学的有机结合。大自然是最好的创造者，优胜劣汰，生物都要经历一个漫长的进化过程中，在进化的过程中，生物本能的去选择能适宜自身生存的环境，亦或者使自己适应当下的生态环境。今天，我们所看到的一切生物，包括我们人类自己，哪一种不是经过漫长的你死我活的竞争和千辛万苦的进化而生
3、存到了现在。在这一过程中，生物进化出了最为科学的形体结构。在功能上，它们有着非常复杂和高度自动化的器官系统；在外形上，他们形状各异却又造型优美，色彩丰富让我们为之惊叹。1. 仿生设计在建筑中的运用由来已久来自中国的建造者们很早就有着“源于自然，高于自然”的理解，“构木为巢，以避群害”更是说明了早在三千年之前的祖先就已经开始懂得仿鸟营巢。当我们发现我们的创造无论多精巧，几乎都能在大自然中找到相对应的影子时，于是开始由无意识到有意识的对大自然进行模仿，从大自然中摄取营养，请大自然开垦拓路。在安徽宏村，建造者规划、建造的牛形村落和人工水系，是当今“建筑史上一大奇观”。统看全村，西头巍峨苍翠的雷岗宛如
4、“牛头”，村口两棵参天古木恰似“牛角”，前后四座横跨古阳水的桥梁象“牛腿”，村中数百幢错落有致的民居群宛如卧牛盘踞；一条近一米宽千米长的清澈水渠形似“牛肠”环绕全村，盘曲流经各家各户，村中一半月形池塘月沼和村南一较大水面南湖分别是“牛胃”和“牛肚”，整座村落就象一只昂首奋蹄的大水牛。这种别出心裁的科学的村落水系设计，不仅为村民解决了消防用水，而且调节了气温，为居民生产、生活用水提供了方便，创造了一种浣汲未防溪路远，家家门前有清泉的良好环境。如果说无意识的模仿是大自然造物的结果，那么有意识的模仿大自然则是人类真正认知到仿生的开始。1983年德国人勒伯多出版了建筑与仿生学，书中系统的阐述了建筑仿生
5、的意义。建筑应用仿生理论的方法，建筑仿生与生态的关系，建筑仿生与美术的关系等，为建筑仿生学奠定了理论基础而在此前后，许多远见的建筑大师都进行了有关建筑仿生的实践，使建筑仿生已逐渐形成为一种时代潮流。2. 仿生在建筑设计中的运用内容仿生学与建筑设计的相互交融结合成了新的建筑仿生设计，其研究的范围非常广泛，研究的内容也丰富多彩，特别是由于仿生学和建筑设计学涉及到自然科学和社会科学的许多科学，因此也就难以对建筑仿生设计的运用内容作详细划分，基于其对所模拟生物系统在建筑设计中的不同应用，建筑仿生设计的运用内容主要有：（1） 结构仿生：生物体和自然界物质存在的内部结构原理，是结构设计的一个重要元素。例：
6、植物的根茎叶，动物的形体、骨骼与肌肉以及自然届中矿物质的结构。（2） 形态仿生：运用生物体和自然界物质存在的外部形态及其象征意义，通过相应的艺术处理手法将之应用。（3） 功能仿生：运用生物体和自然界物质存在的功能原理。将这些原理应用到现有的科学技术系统以保持技术的更新换代或新科学技术的开发。（4）视觉仿生：生物体的视觉器官对图象的识别、对视觉信号的分析与处理，以及相应的视觉流程。3. 结构仿生设计在建筑中的应用结构仿生。生物在生存与发展的过程中，经过长期的自然进化，形成了最为合理、稳定、经济的结构形态。羽茅草和禾本科植物的长叶往往卷曲成筒形或壳形，香蒲植物的叶子又构成螺旋状，伞状蘑菇的辐射密肋
7、等等，都启发着人类去探索空间结构的奥秘。人们已经发现，传统建筑的梁板支撑体系实际上是一种并不经济的结构形式，且不能满足现代社会对大跨度空间的需求。于是仿生空间的结构帮助建筑师和工程师们解决了所要面对的难题。3.1 薄壳结构在建筑中的应用生物界有着各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳，它们都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的厚度虽然很薄，但非常耐压。薄壳结构就是指曲面薄壁的结构，按其曲面生成的形式可分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，在建筑领域中大多采用钢筋和混凝土作材料。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。在实际的工程中还可以利用对空间曲面
8、的切削与组合，形成造型新颖奇特且能适应各种平面的建筑。薄壳结构的特点是可以把受到的压力均匀地通过曲面分散到物体的各个部分，减少受到的压力。以鸡蛋为例，其蛋壳厚约0.5 毫米，但却很少有人能将其握破。鸡蛋壳是由外蛋壳膜、石灰质蛋壳、内蛋壳膜和蛋白膜构成，外蛋壳膜是一种无定形的透明可溶性粘蛋白,在蛋壳外层上呈霜状。外蛋壳膜能透过气体,可防止微生物的侵入和阻止蛋内水分的蒸发，一只普通鸡蛋纵向直径按照7 厘米计算，蛋壳厚度与其直径之比约为1 140，其可见人类仿生工程的巨大意义。据统计，二次大战以来，各国举办奥林匹克运动会而建造的体育馆，有60以上采用薄璧空间结构。法国夏蒙尼先斯滑雪山北区体育中心由9
9、个三角形的薄壳所组成，覆盖面积达6000平方米。中国国家大剧院是世界屈指可数的巨型钢结构壳体，其长达212米，宽143米，高至45米，由一组顶环梁、148榀弧形梁架和内外各42道环杆组成，重逾6000吨，巨大的穹顶内部没有一根立柱，却包含着歌剧院、戏剧院和音乐厅三幢混凝土建筑。当然我们需要知道的是中国国家大剧院的巨型钢架结构采用的是如仿分子结构的节点构造，正是不同仿生设计的融合才造就了这个庞然大物。3.2 空心结构在建筑中的应用空心的麦秆能承受比它重得多的麦穗而不折断，这是因为在横断面积相同的情况下，实心秆和空心秆的承压能力是一样的，但长长的空心杆在受压后并不会因断面压力过高而发生突然断裂的情
10、况，而是在受压后茎秆先弯曲，最后因弯力过大而折断。而横断面积相同的空心秆外径要比实心秆大，因此空心秆承瘦压力之后其抵抗弯曲变形的能力要比实心秆大得多。麦秆的功能给建筑师以设计灵感，他们利用麦秆原理，把一些高大的柱体和秆件都设计成空心的，这样便大大的提高了它们的承压能力，起到了“重半功倍”的作用。另外所有秆茎类植物几乎都是下粗上细的轮廓，这样的造型既减轻了自重又加强了稳定性。加拿大多伦多电视塔高553米。用400号温凝土浇筑成下粗上细，底翼宽约30.5米，可谓庞然大物，但它的平均细长比( 平均直径和高度之比) 约为1/10，而茎植物( 麦秆、甘蔗、竹等)的细长比可达1/1001/200！见人类的
11、建筑远未达到大自然的砷功。3.3 悬索结构在建筑中的应用蜘蛛是悬索结构的天才创建者，蛛丝直径不到几微米，但编织的蜘蛛网的直径可达到十余米，这是因为其强度是同等钢材的数倍。有些蜘丝由几股构成，形成丝索，长度可达十余米，蜘蛛网教会人们设计出最经济的悬索结构和帐蓬结构，为人类以最少的材料创造最大的空间提供了模式。日本明石海峡大桥，是目前世界上跨径最大的桥梁，这座建成于1998年的悬索大桥全长3911米，其主桥跨度达到了1991米。明石海峡大桥首次采用1800MP级超强钢丝，是支持这一大跨径桥梁能够实现的主要因素之一。大桥两条主要钢缆，长约4000米，由290根细钢缆组成，重约5万吨，其直径仅为1.1
12、2米。3.5 薄膜结构在建筑中的应用许多生物对自然环境的变化有很大的适应性，例如通过生物表皮的毛细管渗透，使生物具有散热、排湿或吸温，达到冷热干湿自动平衡以适应各种环境的能力。但是人工建筑物对自然环境还缺乏自动适应的装置，讲究一些房屋也只有依靠机械强制调控，是否可能利用建筑物围护结构的毛细渗透类似生物的微循环来自动调节室内的温湿度呢？这是我们值得探讨的。虽然这一难题以现有科学技术还无法达到，但是对这一课题的研究，建筑师们从没放弃过。细胞膜具有保护性与渗透性，以控制机能的交换运转，树叶失去液压而枯萎，鱼鳔失去气压而瘫软。这里薄膜成了主要建筑材料，薄膜结构与现代化纤塑料工艺相结合，己广泛应用于现代
13、充气或充液建筑。国家游泳中心水立方，其框架部分采用钢网架，通过钢筋的不同连接，共同形成了一个立方体的笼子。坚实的钢架结构支撑了“水立方”的充气薄膜，使之看起来弱不禁风，实际外柔内刚。“水立方”的薄膜是ETFE膜，是一种轻质新型的建筑材料，不同国际上常用的PTFE材料，ETFE膜具有有效的热学性能和透光性，冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。3.4 蜂巢结构在建筑中的应用蜜蜂一昼夜能建造几千间住房，而且每间的形状大小相同，体积几乎都是0.25立方厘米。底边三个平面锐角都是7023。蜂窝是一种组合式
14、系列化的薄壁空间结构， 既有数学曲严密规律， 又有诗意般的美。“蜂窝形”用于图案、 用于构造，人们已司空见惯。建筑材料科学应用蜂窝形可取得最大最轻的实体城市规划学应用蜂窝形使交通又减少一半。近来有人提出蜂窝形住宅，在建筑工业化方面进行若干探索。日本建筑师黑川纪章设计的舱体楼，实际上也是一种蜂窝体系的派生。该建筑由170个批量生产的像“小豆”或“胶囊”似的方盒子组成，每个盒子都是一个独立的居住空间。随着时代的发展，人口的不断增加，土地的紧缺将让我们面临一个严重的问题，为了缓解土地资源的有限和人口的日益增长之间的矛盾，大量的蜂巢建筑设计将充分地把土地资源转换成空间资源，让一寸地发挥到极致的功效。需
15、要知道的是，现如今人类在结构仿生方面还停留在静态阶级，即静态模仿，如果我们仔细观察一下生物结构的生长过程，会发现这种动态模仿对人类工程有着更大的意义。例如:十丈青松，挺拔矗立，劲细翠竹，轻巧刚直，都是从地平寸寸长起，自己“建造”着自己，那么人类的建筑是否可以如青松生长、雨后春笋一般“活”过来，把自己一节节“长”上去？4. 建筑中的形态仿生设计的应用形态仿生。结构仿生往往从形态上反映出来，如水滴形油罐、卵形建筑、海豚式火车头。都是以结构的合理性为前提创造现代简洁明快的美学形式。但这类仿生形态和形态仿生一一比拟，模仿或隐喻大自然某种优美的生物形态是完全不同的。4.1 美国肯尼迪机场TWA候机大厅美
16、国纽约约翰菲茨杰拉德肯尼迪国际机场是纽约市的主要国际机场，也是全世界最大机场之一。机场1942年开建，TWA机场候机大厅于1962年开放使用，是美国20世纪建筑大师埃罗沙利宁代表作之一，大师以浪漫优美的曲线造出一只展翅欲飞的混凝土大鸟，这种仿生形态与飞行功能相吻合，寓意与形象珠联璧合，成为一代杰作，在当时来说将这种庞大而复杂的拱形结构塑造出来着实不易。TWA机场候机大厅被评为美国125年来六大最佳建筑之一，后因空间大厅已无法容纳日益增多的人流而停止使用，现如今经过对“大鸟”的修复，已经重新复活了这座经典建筑的往日辉煌。4.2 澳大利亚悉尼歌剧院澳大利亚悉尼歌剧院坐落在悉尼港，于1959年动工直
17、到1973年才落成，整个建筑用了14年的时间花了12亿美元才最终建成。剧院占地184公顷，总建筑面积为88258平方米，坐落在距海平面19米高的花岗岩台阶上，长183米，宽118米，高67 米。建筑造型犹如一支扬帆出海的船队，也像一枚枚屹立在海难上的洁白大贝壳。自1973年建成以来，它独特的形象使路人过目难忘，已取代悉尼大桥成为澳大利亚的象征。悉尼歌剧院在外观整体上看，有由十对壳体组成的3组白色壳状屋顶，两个剧院占用两组大的壳体，另外一组小壳体为餐厅，其中歌剧厅、音乐厅与休息厅并排而立，各由四块巨大的壳状屋顶覆盖，这些壳状屋顶依次排列，前三个一个盖着一个，面向海湾依抱，最后一个则背向海湾侍立。
18、约翰伍重的想法十分独到，这一想法便是“第五立面”，即在满足东、南、西、北四立面需要漂亮的基础上，还应当有一个从上面看下来也十分优美的“第五立面”于是约翰伍重按照这一理念设计了壳形的屋顶与巨大的基座，在设计之初，约翰伍重是考虑了屋顶的结构问题，按照其原始想法，屋顶厚度当在10厘米到50厘米之间，在班尼朗岬这个三面环海的狭长基地上，通过薄壳结构形成的贝壳或者帆状的屋顶表达了建筑师对于这一基地的特殊理解与感受力，尽管后来由于结构上的原因，将壳结构改为拱体结构，但依然表达了设计将形式与结构相统一的设计理念。4.3 中国古典建筑的仿生设计应用在中国建筑史上，小小的庭园再现大自然的山水情趣，层层的屋檐装饰
19、着飞禽走兽，大门口的雄狮，石栏杆的云龙，直至近代虎皮墙、鱼鳞不板，都是东方世界造型仿生的生动例证。“源于自然，高于自然”大自然的美是无穷的，是高雅的，形态仿生给造型艺术带来了新的活力、新的天地。5. 建筑设计中的功能仿生功能仿生。大自然精巧绝妙的设计必定忠于功能。有些“部件”还具有“多功能”的作用。竹竿是空心的，它既是自身的支承体，也是养料的输送“管道”。甘蔗是一年生植物，“施工期和使用年限”都很短。因此，甘蔗周边是薄瞳承重结构，而秆心是一种“轻质填充物”。这种结构与功能密切结合的形成在建筑和工程中早已普遍应用。5.1 黑川纪章和他的设计黑川纪章与矶崎新、安藤忠雄并称日本建筑界三杰，其创作生涯
20、可分为“新陈代谢”和“共生思想”两个时代。城市和建筑不是静止的，而是像生物新陈代谢那样处于动态过程中。黑川纪章这基础之上提出了“变形”和“点式刺激法”的概念。1972年黑川纪章设计的中银舱体大楼引起世界轰动，这一蜂窝鸟巢式的建筑几乎成了他的商标。黑川纪章采用的新陈代谢方法分为两个部分：先建造永久性的结构，然后插入居住舱体，后者可以随时更换。这一不对称的中分式楼体，传达了黑川纪章对新陈代谢建筑的前卫理解。黑川纪章从70年代中期以后开始提倡“共生”思想，异质文化的共生、人类与技术的调和、部分与整体的统一，内与外的交融、历史与现代的共存、自然与建筑的连续，这一思想是即将到来的生命时代的基本理想。19
21、89年，黑川纪章在一次博览会的“住宅环境展”中提交的一份设计方案。他将银行、书店和事务所组成了海岸住宅区的一部分。在一个以玻璃锥体为中心的中央，其周围分散着不同的弧形、直线形和不规则的实体，建筑的屋顶形状也各不不同。黑川纪章试图能通过不同的元素之间的关联与分离来唤起一种多义的、含糊的意义。他期望自己的设计能以不同的表情来适应不同的人，叙述不同的故事。6. 结语建筑仿生可以是多方面的，也可以是综合性的，如能成功应用仿生原理就能创造出新奇和适应环境生态的建筑形式。同时仿生建筑学也给人们暗示着必须遵循和注重许多自然界的规律，它告诉我们建筑仿生应该注重环境生态、经济效益与形式新奇的有机结合，仿生创新更
22、需要学习和发挥新科技的特点，要做到这一点，建筑师必须善于应用类推的方法，从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感，同时学习生物科学的肌理并结合现代建筑技术来为建筑创新服务。建筑仿生学是新时代的一种潮流，今后也仍然会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。不得不说的是建筑设计师与结构工程师在功能仿生的道路上还有很长的路要走。现有科学技术的支持，让我们对功能设计的模仿仅停留在静态模仿，而仿“生”必然是要走向一个动态的道路，让建筑“活”过来。也许我们看不到建筑能生长，但是我相信在未来的有一天，建筑就像生物一样的循环生态系统，而这正是“人与自然和谐相处”的一天。参考文献：1戴志中，杨震，熊
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