仿生學在建筑空間結構中的應用

[摘要]首先闡釋建筑空間結構的概念，然后從形態仿生、力學仿生、材料仿生和功能仿生的角度論述仿生學理論在建筑空間結構中的應用。

[關鍵詞]仿生建筑學 空間結構 分類

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320108－01

力學仿生，是研究并模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程。信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。

一、空間結構

空間結構是指結構的形態呈三維狀態、在荷載作用下具有三維受力特性并呈空間工作的結構。他的結構體系一般分為框架結構、桁架結構、拱結構、殼體結構、懸索結構、網架結構、懸挑結構、膜結構、充氣式結構等。它們因各自的特點，適用范圍而有所不同。20世紀人類的活動更加走向開放，人們已不再閉關自守，而是不斷擴大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。這種需求必然會影響人類建設的格局。在各種交流活動中，體育比賽無疑是一種最激動人心的方式。因此，奧林匹克體育競賽館、世界杯足球比賽場就在世界各地崛起。學術、文化、藝術與商業上的交流促使一些大城市建成了規模龐大的會議展覽中心，此外，各種臨時性與永久性的博覽會，也要求提供上萬平方米的面積。為了進行交流，人們要更多地乘坐飛機旅行，20世紀是噴氣式客機的世紀，因而大規模的候機大廳與飛機庫就在本世紀誕生。

二、基于仿生學的建筑空間結構研究

（一）形態仿生。建筑形態仿生是創新的一種有效方法，它是通過研究生物千姿百態的規律后而探討在建筑上應用的可能性，這不僅需要使功能、結構與新形式有機融合，而且還應該是超越模仿而升華為創造的一種過程。這方面的例子舉不勝數。大自然有無窮多個優美的形態可供人類模仿，而我們也應該用心觀察生活，創造出打動人心的美好建筑。比如說，1973年10月揭幕的悉尼歌劇院，它的結構形式和結構做法并不一致，外觀看起來是殼體結構，實際上是鋼筋混凝土拱肋結構，是一件“昂貴”的形態仿生作品。再比如說，天津博物館在也是這樣一座出色的仿生建筑，這就是山磯琦新、川口衛等外國設計師設計的天津博物館。他不僅是師法大自然中的雞蛋和貝殼的薄殼結構，而且其神似天鵝的獨特造型也是這座建筑仿生原理的重要體現。

（二）力學仿生。在力學仿生方面，先進的工程師們在近幾年來已取得了非凡的成就，他們比建筑師更善于觀察自然界的一切生態規律，已應用現代技術創造了一系列嶄新的仿生結構體系。從一滴水珠和一個蛋殼看到了其自山拋物線型曲面的張力與薄壁高強的性能，從一片樹葉的葉脈發現了其交叉網狀的支撐組織機理，這些對建筑結構的創新設計都是十分有益的啟示。事實己經證明：凡是正確的模仿生物體構造的建筑，一定是用料省、強度高、剛度大、穩定性好而又具有藝術美的建筑結構。許許多多省料、耐力而又美觀的空間結構形式都是有意識的或潛意識的模仿生物體的部分、或主體結構、或其生存巢穴、或其生存的周圍環境的某些特征，構想設計出來的。例如沙利寧的環球航空公司航空站，在結構上建造四瓣組合式薄殼，中間有縫隙采光，四瓣薄殼則山下部的Y形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。其設計完全依據薄殼結構的本質：其造型沒有一處受到幾何形體的束縛，根本看不到圓、直角或拋物線。但每一條曲線、每一個細部都表現了力所遵循的秩序。屋頂是山雙向曲率的大曲面所組成，屋頂邊緣肋條斷面隨所負荷的增加而向支撐方向增大，同時使薄殼得以加強而不會變形。支柱形式也是依據其受力的合力情形而設計完成的。

（三）材料仿生。材料科學是當前最重要的高科技之一，已取得了長足的發展。目前，人們已經根據需要，設計和制造出多種多樣的材料來。迄今為止，一些與人類生活密切相關的材料，如天然哥、珍珠、蠶絲、貝殼等天然生物材料，人類還無法仿制出來。每年數以百萬計的哥病患者，還只能依靠金屬、陶瓷、復合材料等制成的人上哥來進行治療。現在，對天然生物材料的結構、性能和生長機理的分析，以及進行復制，是當今材料科學研究的重大前沿課題。一門新的學科仿生材料學正在興起。如加氣混凝土砌塊就是按仿生學原理模仿蜂巢結構設計，以水泥、砂、碎石和煤渣等為原材料，利用加氣劑的發泡作用，在混凝土初凝前形成許許多多微氣泡，采用離心脫水工藝，將細石混凝土放入鋼模內置于離心生產線上加速旋轉而成。經檢測，強度高于粘土磚，與同體積粘土磚相比質量減輕1/3，成本價比粘土磚便宜20％，并具有保溫、隔熱、防潮和替代模板的功能，是理想的替代粘土磚的產品。

（四）功能仿生。大自然精巧絕妙的設計必定忠實于功能，即生物的每一部分都能為功能服務。通過追隨自然，我們就能找到一個接近完全功能化的理想途徑。建筑的功能往往是錯綜復雜的，如何有機組織各種功能成為一種綜合的整體在自然界中生物也為我們提供了交織組合的范例，它不僅僅是單一功能元素的相加，而是多功能發展過程的綜合，因此產生了一個較高發展階段的新特性。當代集中式的建筑傾向已使巨型高層建筑與多功能建筑隨處可見，這就要求我們在有限的空間內要高效低耗地組織好各部分的關系，使得這些空間可以適應多種功能。位于英國的滑鐵盧國際火車站，偉大的維多利亞風格鐵路建筑，400m長的屋頂結構山36根鍛壓而成的三相弓弦式拱組成，它們的跨度在35m到50m之間不等。在西側，上部結構突出在建筑表皮之外，支撐著重疊搭接的玻璃板，透過玻璃板人們可以看到泰晤士河和國會大廈：在東面，包有不銹鋼外皮的結構翻轉到內部。其中每一塊玻璃板的一邊都通過可調節的支架懸掛在鋼制結構上，而另一邊可以自由山移動，下邊緣被一可折疊的熱圈垂自的封住，而附加的風擋刮水器形成了一個滑動的水平封條。這樣組合的結果在視覺和上作原理上都像極了穿山甲或披甲蜥蜴等動物的鱗片結構。

三、結論

仿生建筑學的研究意義既是為了建筑應用類比的方法從自然界中吸取靈感進行創新，同時也是為了與自然生態環境相協調，保持生態平衡。縱觀建筑結構的發展歷史，三維的空間結構是最能滿足以上要求的，往往成為眾多結構方案中的首選。這就使得這種大型公共空間建筑的節能成為房屋建筑節能中的重要分支。

參考文獻：

[1]劉錫良，現代空間結構[M].天津大學出版社，2003.

[2]陳志華、郭云，保溫螺栓的研究與應用[J].工業建筑，2004.

[3]陳志華、李陽，鋼結構板鉸支座[J].工業建筑，2004.

作者簡介：

馬永芬，女，浙江省海鹽縣人，本科，浙江省海鹽時代建筑設計有限公司，研究方向：結構設計。