結構仿生在大跨度建筑設計中的應用分析

魏曉華 田長河

（洛陽市規劃建筑設計研究院有限公司 河南洛陽 471000）

現階段，仿生設計學是以仿生學與設計學作為基礎，不斷發展的一門邊緣學科。而仿生建筑指的是把生物界一些生物體的形象構造和功能組織的規律當成研究對象，對于自然界中的建造規律進行有關的探索，并且通過研究成果，使用豐富并且完善的建筑處理手段，在建筑形體結構以及功能布局中進行實際的應用。結構仿生在建筑仿生學中屬于主要的研究內容。如何讓大跨度的建筑變得更加美觀實用，并且高效節能，是結構仿生研究的目的，結構仿生引進了自然界內簡單高效、美觀多樣、系統整合等特征，為大跨度的建筑設計提供了新的視角，增添了創新性。所以，對于大跨度建筑中結構仿生的應用進行相關的分析，從中探尋應用的方法和原則，在建筑領域是十分有必要的。

1 結構仿生方法的應用

現階段，結構仿生應用主要體現在三個方面，包含了仿生材料的研究、仿生結構的設計以及仿生系統的開發。

1.1 仿生材料的研究

仿生材料的研究在結構仿生中屬于一個重要的分支，指的是從微觀的角度上對于生物材料自身的結構特點、構造存在的關系進行研究，從而研發相似的或者優于生物材料的辦法。仿生材料的研究可以給人們提供具有生物材料自身優秀性質的材料。因為在建筑領域，對于材料的強度、密度、剛度等方面有著比較高的要求，而仿生材料滿足了這種要求，因此，仿生材料的研究成果在建筑領域也得到了廣泛的應用。現今，加氣混凝土、泡沫塑料、泡沫混凝土、泡沫玻璃、泡沫橡膠等內部有氣泡的呈現蜂窩狀的建筑材料已經在建筑領域大量使用，不到使建筑結構變得更加簡單美觀，還能夠起到很好的保溫隔熱的效果，并且成本比較低，有利于推廣應用。

1.2 仿生結構的設計

仿生結構的設計指的是將生物和其棲居物作為研究原型，通過對于結構體系進行有效的分析，給設計結構提供一個合理的外形參照。通過分析具體的結構性質，把其應用在建筑施工設計中，可以提出合理并且多樣的建筑結構形式。建筑對于結構有著各種不同的要求，例如建筑跨度、建筑強度、建筑形態等。仿生結構自身具有結構受力性能較好、形態多樣并且美觀等特點，因此，在建筑領域得到了比較廣泛的應用。在大跨度的建筑中，使用的網殼結構、拱結構、充氣結構、索膜結構等，都屬于仿生結構設計的良好示范。

1.3 仿生系統開發

仿生系統的開發是把生物系統作為原型，對于原型系統內部不同因素的組合規律進行研究，在理論的幫助下，開發各種不同的人造系統。仿生系統開發重點在如何處理好各個子系統與各個因素間的關系，使其可以并行，并且能夠相互促進。建筑屬于高度集成的一個系統。伴隨建筑行業的不斷發展，生態建筑將會不斷興起，在建筑中涵蓋的子系統也會越來越多，例如能耗控制系統等，系統的集成度也會越來越高。仿生系統有效良好的整合優勢，因此，其在建筑領域的使用的前景十分廣闊。

2 在大跨度的建筑設計中結構仿生的表征

2.1 形態設計

結構仿生有著多樣性、高效性、創新性等特點，能夠滿足建筑形態對于設計的要求，是形態進行設計的一個選擇。例如在里昂的機場和火車站就屬于一個例子。各種建筑構件和生物原型有著一定的并且相似性，并且通過材料與形態的變化，起到引導人群的作用，把旅行變成了一種令人難忘的體驗。

2.2 結構設計

因為大跨度的建筑設計，其跨度比較大，空間的形態較為多變，通常需要使用到許多的結構形式，因此，結構設計在大型的公共建筑設計中屬于重要的部分，其在很大程度上決定了建筑設計的效果。對于大自然的結構形態進行研究，是滿足建筑結構設計的有效途徑。將微生物、動植物、人類自身作為原型，能夠對于系統結構性質進行分析，借鑒多種不同的材料組合以及截面的變化，使用結構仿生的原理，對于建筑工程結構支撐件做仿生方面的設計，能夠對于功能、結構、材料進行優化配置，可以有效的提高建筑施工結構的效率，降低工程施工的成本，對于大跨度建筑有著十分重要的作用。

2.3 節能設計

結構仿生方法指的是通過模擬不同生物體控制能量輸出輸入的手段，對于建筑能量狀況進行有效的控制。和生物類似，建筑可以有效適應環境，順應環境自身的生態系統，起到節能減耗的效果。充分地開發并且利用自身環境中的自然資源，例如風能、地熱、太陽能、生物能等，形成有效的自然系統，獲得通風、供熱、制冷、照明，在最大程度上減少人工的設施。使其具備自我調節、自我診斷、自我保護或維護、自我修復、形狀確定、自動開關等功能。和這個類似，建筑也能夠有著生命體的調整、感知、控制的功能，精確適應建筑結構外界環境與內部狀態的變化。建筑應該有反饋功能、信息積累功能、信息識別功能、響應性、預見性、自我維修功能、自我診斷功能、自動適應以及自動動態平衡功能等，有效進行自我調節，主動順應環境的變化，起到節能減耗的效果。

3 結構仿生在大跨度建筑設計中的設計手段

3.1 圖紙表達

3.1.1 構思草圖

建筑師進行建筑設計創作的時候，大多是從草圖構思開始，構思草圖指的是建筑師受到創作意念的驅動作用，將平日知識和經驗積累進行相互的結合，把復雜關系不斷抽象化，簡約成為有關的建筑知識，草圖構思指的是建筑師需要腦眼手相互協作，是建筑師集中體現創新的形式，因為仿生建筑的形體比較靈活，在開始構思草圖中起著十分重要的作用。

3.1.2 設計圖紙

設計圖紙指的是建筑師用來表達設計效果的一個常規工具，但在其中，也存在著一些比較有創意的手法，用來表現有效的設計思想，和以往的表達方法不一樣，現代表現方法中使用到的透視圖或者軸測圖一般是和實體聯結方式、大量的空間以及構造、結構、設備的分析圖一起使用的。

3.2 模型研究

模型設計在方案構思階段屬于不可缺少的一項工具，它自身的直觀性、真實性和可體驗性能夠有效彌補在三維表達上圖示語言存在的不足，模型研究對于建筑結構的形態以及各個細部處理有著十分重要的作用，模型能夠給人們帶來十分直觀的體驗，從各個視角去感受到設計的空間、設計的體量和設計的形態，能夠幫助人們比較全面地進行設計評估，避免設計存在的不確定性，與此同時，模型有著到位的細節設計和準確的形態比例關系，能夠方便和客戶進行交流溝通工作。

3.3 計算機模擬

現今，以計算機作為核心的信息技術在很大程度上增加了建筑師的創造能力，并且推動了計算機的圖形學技術發展，人們能夠在計算機模擬的虛擬環境內有效地落實頭腦中所呈現的建造活動，這屬于虛擬建造，動態的、逼真的模擬真實的情境，是計算機模擬的優勢。

4 結束語

在建筑中仿生手段有著比較久的發展歷史，但是仿生建筑的概念提出的時間卻不長。在建筑仿生學中，結構仿生屬于主要的一個研究內容，并且在大跨度的建筑中得到了有效的應用，取得了一定的進展，但與此同時，不可避免產生了一些問題，參考在以往建筑發展中出現的教訓經驗，相關人員在面臨建筑結構仿生的應用時，需要進行理性的準確的評判，只有通過這種方式，才可以使結構仿生更好的被使用在建筑領悟中，才能夠更好的促進建筑行業的發展。

[1]亞歷山大·佐尼斯，著.趙 欣，譯.圣地亞哥·卡拉特拉瓦.大連：大連理工大學出版社，2010（11）：69～71.

[2]岑海堂，陳五一.仿生學概念及其演變[J].機械設計，2014（7）：36～38.

[3]孫久榮，戴振東.仿生學的現狀和未來[J].生物物理學報，2012（4）：223～224.