建筑設計中太陽能利用的仿生解析

[摘要] 本文針對太陽能在建筑設計中應用的各種形式、方法，結合建筑仿生學、生態學的相關研究，提出仿生解析建筑設計中太陽能的利用，提出了建筑中能量、物質的運行不是單一的體系，而是復合的“類生命系統”。

[關鍵詞] 建筑設計 太陽能利用 仿生研究

一、引言

人類文化的使命，歸結于與自然的對抗最終以生態平衡來達到一種和諧的秩序。太陽能是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，用太陽能替代常規能源，轉變能源開發、利用的方式，對建筑節能與和諧社會的建設具有十分重要的意義。

仿生設計，即從自然界獲取靈感，向生物行為方式學習，借鑒、模擬生物利用太陽能的方法，開發相應的建筑技術，完善建筑相關性能。研究生物體感知、調控的生命機理，應用于建筑，使建筑具有順應自然環境的生命行為，與自然環境融合。將生物與自然環境的共生策略轉化為建筑策略——建筑與自然環境共生的策略，使建筑具有對環境的動態適應性，能夠對自然環境起到改善、美化、豐富和調節的作用，維護地球系統的復雜性與秩序性，實現生物－建筑－自然的和諧發展。

二、概述

1.仿生學概述

仿生學作為一門獨立的學科，于1960年9月正式誕生。J.E.斯蒂爾將新興的學科命名為“Bionics”，希臘文的意思是研究生命系統功能的科學。斯蒂爾把仿生學定義為“模仿生物原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似于生物特征的科學”。

建筑仿生學，即研討以生物為模型的建筑學，它從仿生學的觀點出發來研究建筑，把建筑與人看作是一個統一的“生物體系”，在這個體系中，生物的和非生物的因素相互作用，并以共同功能為目的而達到統一，使建筑與自然和諧發展。

2.建筑設計中太陽能利用的概況

建筑中太陽能利用，一般有以下幾種形式:

(1)被動式太陽房，一種完全通過建筑朝向和周圍環境的合理布置、內部空間和外部形體的巧妙處理以及材料、結構的恰當選擇、集取、蓄存、分配太陽熱能的建筑。

(2)主動式太陽房，是以太陽集熱器、管道、風機或泵、散熱器及貯熱裝置等組成的太陽能采暖系統或與吸收式制冷機組成的太陽能供暖和空調的建筑。

(3)“零能房屋”，它利用太陽電池等光電轉換設備提供建筑所需的全部能源，完全用太陽能滿足建筑供暖、空調、照明、用電等一系列功能的要求。本文提出第四種方式——“生物體”房屋，即仿生利用太陽能，建筑不再是只消耗能源，破壞環境的人工構造物，而是自然生態鏈條中的一環，起著生產者、消費者、分解者的多重角色，成為人與自然和合的媒介，自然的生態因子，最終使人類社會與自然環境和諧相處。

三、自然界中生物的啟示

1.光合作用與建筑設計

植物、藻類和細菌都是依賴太陽而生存的，通過光合作用，它們將太陽能轉化為能夠存儲的化學能，支撐著自然界的能量循環，同時還影響著自然界各個方面的生命活動。盡管光合作用受到各種因素的調控，但其自身卻也具有一定的自組織能力，一般情況下能“逆來順受”，在不利的環境中也可避免遭到傷害并且還可保持相當的活性。這可以看作是生物整個生命體協調運作利用太陽能的過程。（如圖1）

建筑設計中太陽能的利用不應是附加的、零散的應用能源的形式（如為提供部分熱水而安裝的太陽能熱水器以及為提供建筑部分電耗而在屋頂鋪裝的光電板等），而應是與建筑融為一體的建筑生命的動力內核，如同植物的光合作用對植物的意義一樣。

2.動物器官與建筑支撐系統復雜的高等動物(如哺乳動物)，除了完善的表皮功能之外，還發展了一套精密的內部器官，形成了“內部腔體結構”，其腔體的內表面衍生出數以萬計的微結構，生命肌體中又延伸出數以萬計的分支、末梢，有效的擴大了接觸面、信息終端，最終形成了以表皮和內部腔體器官一起協同作用的調節機制，更重要的是有綜合處理的集成系統終端，增強了生物體的環境應變能力。

建筑的圍護結構與設備系統可看作是建筑的表皮與內部腔體器官，維護著建筑生命本體的活性，與太陽能利用這一建筑生命的動力內核融為一體。建筑與生物間存在著千絲萬縷的類比聯系。見表1

3.建筑的屬性

生命起源和進化的一個重要內容就是要建立和完善一個自成一體的物質流、能量流和信息流的獨立系統，從而構成一個生命個體化的相對穩定的內環境。在這個意義上，建筑也是一樣的。作為相對獨立的開放系統，建筑與周圍的環境建立了相應的物質和能量的輸入、輸出的路徑體系，正是在此路徑上的流動轉換對生態環境造成了不同的影響。仿生利用就是賦予此路徑以生態性，使其與自然環境共生，而不再是獨立的、附加于自然之上的人工系統，恢復建筑的自然屬性。

四、建筑設計中太陽能利用的仿生解析

1.太陽能利用的仿生淵源與理念

“樹上雨滴及風的喧鬧，以及從樹上枝葉間過濾下來的陽光，是人類復雜的刺激源，以最令人歡欣的方式鼓噪著。沒有比陽光更好的光，沒有比自然新鮮的空氣更好的空氣，為了獲得舒適，我們的建筑應該盡可能地利用外界的品質?！?/p>

建筑中太陽能的仿生利用：一是建筑自身仿生利用太陽能，從太陽能建筑一體化著手，包括對建筑設計理念的建構、圍護結構性能與功能的塑造、建筑能量運行的體系等。如旋轉式太陽能房如同向日葵，能夠在基座上轉動，即時跟蹤陽光，房屋的旋轉跟隨著太陽的進度，在太陽落山之后就回復到初始位置（如圖2）。二是將建筑視為仿生載體，即從太陽能利用系統的選擇入手，將太陽能利用設施與建筑有機結合。如楊經文設計的綠色摩天樓。將綠色植物與建筑融為一體，擁有類如植物光合作用的特征（如圖3）。正如賴特所說：有機建筑應該是自然的建筑。自然界是有機的。建筑師應該從自然中得到啟示。房屋應當像植物一樣，是地面上的一個基本的、和諧的要素，從屬于環境，從地里生長出來迎著太陽。

2.太陽能利用的仿生解析

一直以來生物出于生存的需要，不斷地使自己適應生存環境以利于自身發展，經過億萬年的自然選擇，自然界的生物大都是生態高效的生命有機體，蘊育著無數的奧妙，只有充分認識到這一點，建筑才能更好的實現人的愿望，使人的生活更美好。仿生利用太陽能就是這樣一種為了人類更美好的生活，結合建筑中太陽能的利用，探究“奧妙”的理念及方法。

(1)仿生原型

通過對仿生原型及對應的建筑技術形式和生態效應的研究得出建筑中仿生太陽能利用多集中在以下三個方面，即：仿自然界生物體的性能；仿生物的棲居物；直接利用自然界生物和生物能。

①仿生物體本身的性能

從仿生學的觀點出發，通過模仿生物系統的結構構造特征、能量轉換和信息處理方式等，可為建筑技術和太陽能應用研究提供思路，如植物對氣候的適應形態對建筑的啟示（如圖4）。

②仿生物的棲居物

自然界生物的棲居物往往有著優良的物理性能，出色應用太陽能的技巧，對材料的利用也十分節省、到位，具有很好的綜合生態效應，還能夠自然降解，如蟻穴（見圖5）。

③直接利用生物或生物能

這種方式往往演繹為直接以生物體為原料研制建筑材料，將其生態特性賦予建筑材料，從而利用太陽能（如選擇可透過性薄膜）；或直接將生物體引入建筑作為建材，成為建筑的有機因子，如綠色植被的遮陽、調解溫濕度，光合細菌的太陽能利用等。

在無生命的建筑形式和有生命的生物形態間，仿生可視為一個微觀層面上的交匯平臺，也從另一個角度詮釋了我國古代哲學中“天人合一”的思想，《管子》指出：“凡人之生也，天出其精，地出其形，合此以為人。和乃生，不和不生?！?。

(2)建筑構成

生物體在長期的自然選擇下，進化出了高效低耗、自覺應變的生命保障及調節系統，這對建筑的發展具有積極的啟示意義。建筑是人的家園，必然與自然界物種間有著結構上的普遍共同之處，這是由類生命的特性所決定的。生物形式與建筑構成之間的關系，不是簡單的視覺效果聯想，而是以相似性為基礎，探索同等價值的形式再創造的鏈條。

①建筑存在的解析

建筑與人作為一個“生物體系”是仿生解析的基礎。太陽能利用并不是直接為人們營造舒適環境的能源方式，而是借鑒植物對自然環境的生態效用，維護地球大系統的穩定、復雜、秩序意義的同時，為人們營造相對穩定的環境條件及各種可能的選擇，從而使得建筑與自然環境間的交流變的有機。

植物對氣候的應變是天然的、生態而高效的。對建筑而言，這是能在大自然中直接獲取和借用的，不輸入能量就能自動完成的應變界面。所以植物可以與建筑相結合成為建筑對外界氣候敏感應激的“毛發”（如圖6）。

“建筑物常?？梢钥醋鞔罅康臒o生命物質的堆積……植被化的目標就是將有機的、富有生命力的物質與無機的、無生命的物質融為一體?！薄Ｄ７伦匀坏男问绞欠律某跫夒A段，最終的仿生是要介入自然的進程，與自然共生。

②技術構成

人們建造建筑的過程，實際上表現為“人—建筑—環境”系統的行為過程，人們使用建筑并不是消耗建筑本身，而是用它來調節控制建筑以外的東西。仿生利用太陽能就是這樣一種調解控制的手段，它賦予建筑若干“生物特性”，使建筑以整體有機的形態應用太陽能，從而成為生態系統的有機組成部分。

生物生理機能的實質是以多樣化的生存方式，有機整體的主動適應、改善其生存的環境從而獲得低能耗和低材耗。在建筑中通過材料的不同組合和空間變化來形成可調節的界面，要比單一材料截面擁有更多更復雜的應變方式。（如圖7）。

③解析的意義人們營造建筑的一個直接目的，就是有

效的抵御和緩解外部氣候的不利影響，保障生命，調節能量運行，從而生活的更美好。人離不開自然，建筑也不能離開自然?，F今的能源問題、環境問題、甚至社會問題，都與人不同程度的離開自然有關。

從仿生角度解析的初衷是加深人們對利用太陽能的認識，轉變研究、開發、利用太陽能的思路。太陽能是地球上任何一種生命賴以生存的能量來源和基礎，地球因太陽而誕生，并只能依賴太陽而生存，利用太陽能不只是產更多的能，供人消耗，而是拉近人與自然的關系，賦予建筑以生命意義，促使建筑與自然共生，從根源上解除能源、環境問題，實現天人合一。

五、結 語

通過建筑設計中太陽能利用的仿生解析，提出建筑——自然與社會能量網絡體系中的結點，它不僅僅是人工構筑物，還是人雙重屬性——自然屬性與社會屬性的媒介，從而對整個生態系統起補償、調節、維護的作用，而不再是能量傳輸、消耗的終端，促進人與自然的和諧，推進建筑的可持續發展。

參考文獻:

[1]呂愛民著:應變建筑—大陸性氣候的生態策略[M].上海：同濟大學出版，2003.9

[2]倉力佳:生態建筑的生態研究[D].武漢：華中科技大學，2005.6

[3]徐君輝:高層建筑的生態設計手法——解讀楊經文生態摩天樓的實踐[J].建筑，2006.3

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。