橋梁設計過程中仿生理念的應用研究

周翠芳

(山西省公路局太原分局勘測設計所，山西太原 030012)

進入到21世紀以來，隨著我國國民經濟水平的高速發展，我國的公路交通行業也得到了非常快速的發展，其中橋梁在促進我國城市發展的作用也越來越突出，而作為現代城市化建設過程中最主要的基礎設施，橋梁工程還有很強的社會公共性，對其管理較為困難并且投資的規模也很大，而傳統的設計理念也已經無法滿足現代快速發展的社會需求了。作為一門新興的多元化學科，仿生學對我國公路交通行業也產生了較為深遠的影響，在橋梁的設計工作中如果能夠較好的應用仿生理念，那么就能夠很好的解決其設計過程中存在的種種問題，同時也大大的提升了橋梁設計方案的創新性。本文便對橋梁設計中的仿生理念、橋梁設計中微觀仿生的應用分析以及橋梁設計中宏觀仿生的應用分析3個方面的內容進行了詳細的分析和探討，從而詳細的論述了仿生理念在我國橋梁工程設計工作中的應用情況。

1 橋梁設計中的仿生理念

在我國的建筑行業中，有很多工程建筑的本身都是源于大自然的，在自然界中是可以找到建筑結構的原始雛形的，而橋梁工程項目也是如此，其與大自然也是有著緊密聯系的，而從橋梁工程項目的建設實質來看，實際上也是應用了仿生學的理念。在我國剛有橋梁工程出現的時候，基本上我們所采用的都是天然的橋梁，而隨著科學技術水平的不斷進步，人們才可以利用現代化的技術建設橋梁工程。通常情況下，橋梁的整體和細部兩大部分共同組成了橋梁的結構，而如果在設計橋梁時能夠較好的應用仿生理念，那么就可以創新橋梁工程的設計思路和設計方法。在這里我們將仿生學分為兩大類，即微觀的仿生和宏觀的仿生。而微觀的仿生又分為神經仿生、材料仿生以及功能仿生等內容，宏觀的仿生則包括形態仿生、意向仿生以及力學仿生等內容，從整體上來看它們應該是和諧統一的。無論是宏觀的仿生設計還是微觀的仿生設計，應用仿生理念進行橋梁設計工作的實質就是促使其從原本的非生命工程體逐步的轉向成為有生命特征的工程體，只不過宏觀的仿生更注重形態的設計工作，而微觀的仿生則更注重功能的設計工作。

2 橋梁設計中微觀仿生的應用分析

1)功能機理仿生與設計優化。在對橋梁整體結構進行設計的過程中，功能仿生一直是薄弱環節，而這也是設計過程中起重要作用的一個環節，在仿生學的研究過程中也占有重要的地位。自然界的生物都是具有生命的，而橋梁工程卻是無生命特征的，那么怎樣在無生命特征的工程中應用有生命體的特征。也是我們長久以來一直關注的問題。而功能仿生工作則是在研究自然界的生態規律和生長機理的基礎上，將研究的成果應用到建筑項目的設計工作中，不但達到了從無生命體向有生命體的轉變，也保證了建筑結構的新穎性和節能性。在我國進行這類課題的研究工作已經有一段時間了，并且取得了一定的成績，比如說通過研究蜻蜓翅膀上的翅痣，有效的解決了飛機機翼顫振這一問題;而通過研究天空飛鳥的翅膀，有效的解決了飛機機翼的問題。當然研究的進程肯定不是一帆風順的，橋梁結構的整體質量會受到風力和地震等自然災害的破壞，而隨著我國橋梁工程項目跨度越來越大，我們所面臨的最主要問題就是空氣動力穩定問題。因此，接下來在功能機理仿生這一課題中，我們應重點研究如何提高橋梁的調控能力和適應自然災害的能力，當自然災害到來時，橋梁可以通過自身結構的變形程度和載重量的變化情況，進行自我的預防和控制。

2)仿生材料與新功能橋梁。隨著科學技術水平的不斷進步，相繼出現了多種新型的材料，對于保證橋梁結構設計的有效性有著非常重要的意義。所謂的材料仿生是指在充分研究生物體內部化學成分和組織結構的基礎上，模仿制造出具有較高實用性、強度和韌性的新型材料。自然界中的材料種類成千上萬，只要我們大力的研究和探索，就一定能研發出性能更佳的施工材料。舉例來說，我們都很熟悉的鋼筋混凝土材料就來源于自然，其是在觀察植物根部時發現并開始逐步應用的。在現階段科學技術水平不斷進步的大背景下，行業中也出現了很多的新型材料。在研究貝殼時我們發現，其抗拉強度要比水泥的抗拉強度高幾百倍，而其組成的原料卻只有95%的石灰石和5%的蛋白質兩種，可見，自然界中還有著眾多的結構簡單并且不對環境產生影響的新型材料。因此，在橋梁工程的設計過程中，設計師們將不斷應用新型的仿生材料，這些材料的應用也將大大提升橋梁結構的使用性能。

3 橋梁設計中宏觀仿生的應用分析

1)結構仿生與創新設計。要想準確的發現自然界中萬物的精髓，那么我們就必須大膽的創新，同時不斷進行研究和探索，并且將研究的成果逐步應用到橋梁工程的設計工作中。結構仿生也就是力學仿生，其研究的重點為自然界中的各種物質和生物體的力學性能和精細結構，如果能夠將有益的研究內容應用到設計工作中，那么就能夠大幅度的提升橋梁結構的穩定性和強度。而我們所提倡的大膽創新并不是憑空想象，而是要在認真總結物種發展史和橋梁發展史的基礎上得出，橋梁工程的設計結構在不斷更新，在更新過程中其與自然界是密切相關的。舉例來說，竹子、秸稈以及動物的骨骼的共同優點是都有較強的抗彎力和抗折力，并且它們也都是空心的，而以此為基礎人們就相繼的研究出了箱梁和空心板等空心截面，大大提升橋梁結構的使用性能。

2)形態仿生與概念設計。在探索和研究新型橋梁結構的過程中，設計師們經常會遇到兩類問題，其一是理論知識與實際的應用情況有著較大的差異，而另一個問題則是設計師們的設計經驗還不是十分豐富，因此，要想進一步豐富設計師們的創作空間，設計出更具適應性和創新性的方案，那么就必須不斷吸收和利用自然界的精髓。在自然界的很多事物中，我們發現它們都能夠用最科學的形式和最節省的材料得到最佳的應用效果，而這實際上就是可持續設計理念的內涵。卡拉特拉瓦是世界上非常有名的建筑設計師，其很多素材的靈感來源都是自然界中的事物，比如說其設計的坎波博蘭廷步行橋，跨度達到75 m，而這就是在觀察人體脊柱結構后所得到的靈感，另外還有其設計的主跨為190 m的盧西塔尼亞拱橋，就是在對牛頭進行研究的過程中得到靈感的。當然針對他的這些設計方法，評論也是褒貶不一，有人認為其設計太過怪異，并且成本太高;有人也稱贊他能夠從自然界中找到靈感，作品也具有創新性，而他自己卻認為這些作品在建造的過程中只需應用鋼筋和混凝土就可以了。自然界中有太多事物的機構和功能都是優于人造事物的，但是卻無法將它們都應用到橋梁的設計工作中，我們應在模仿自然界中事物的基礎上進行升華，從而選擇最為經濟可行并且最合理的設計方案。

通過以上的論述，我們對橋梁設計中的仿生理念、橋梁設計中微觀仿生的應用分析以及橋梁設計中宏觀仿生的應用分析3個方面的內容進行了詳細的分析和探討。在橋梁工程的設計過程中應用仿生理念，對整個橋梁行業無疑起到了非常重要的推動作用。自然界是孕育萬物的搖籃，而在今后橋梁工程的設計過程中，我們應充分的研究自然并貼近自然，面對著橋梁設計工作中應用仿生理念時存在的幾大問題，我們針對其原因應進行認真的分析并制定出妥善的解決措施，利用自然實現社會的可持續發展，從而真正的提升廣大人民群眾的生活水平。

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