仿生建筑學及其應用研究

陶 建 紅

(平煤神馬建工集團有限公司，河南 平頂山 467001)

仿生建筑學及其應用研究

陶 建 紅

(平煤神馬建工集團有限公司，河南 平頂山 467001)

基于仿生建筑學的應用現(xiàn)狀，從建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、材料四個方面闡述了仿生建筑的設計思路，指出現(xiàn)代生物是物競天擇、適者生存的優(yōu)勝者，仿生建筑必將成為未來建筑發(fā)展的趨勢。

仿生建筑，綠色建筑，智能建筑

隨著社會的發(fā)展和進步，人類對生存環(huán)境提出更高的要求，對自然環(huán)境的向往愈加強烈，現(xiàn)代科學技術(shù)的進步為人類探索居住環(huán)境與生物學的關(guān)系提供了可能。德國人勒伯多于1983年在其著作《建筑與仿生學》中，對仿生建筑學的意義、建筑學應用仿生學的方法、仿生建筑學與生態(tài)學、美學的關(guān)系等進行了詳細全面的闡述[1]。生物學中“物競天擇、適者生存”的規(guī)律告訴我們每種生命的存在都因其結(jié)構(gòu)、功能和形態(tài)達到最優(yōu)而繁衍生存，無不體現(xiàn)了生命對環(huán)境、資源、社會的適應性及存在合理性。仿生建筑學就是借鑒生物體的發(fā)展規(guī)律，解決人類建筑中所遇到的問題，以適應環(huán)境和滿足人類需求為目的，而逐漸興起的一門學問，是人與自然和諧統(tǒng)一的重要體現(xiàn)。

1 仿生建筑學的應用

仿生建筑學的內(nèi)容極其豐富，根據(jù)仿生建筑的表現(xiàn)形式和應用方法的不同，東南大學劉先覺教授將仿生建筑的設計內(nèi)容主要分為建筑功能仿生、形式仿生、結(jié)構(gòu)仿生、城市環(huán)境仿生等幾個方面[2]。下面分別從建筑的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、材料等方面論述仿生學在建筑領域中的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 建筑形態(tài)仿生

建筑形態(tài)仿生是人們在一般意義上對于仿生建筑的理解，并且利用其原理所建造的建筑不勝枚舉。傳統(tǒng)民居干闌建筑所采用的地下架空結(jié)構(gòu)，其原理就是受到鳥的筑巢位置的啟發(fā)，不僅防水防潮而且具有防禽的優(yōu)點；建造于美國的肯尼迪機場航站樓(見圖1)，屋蓋結(jié)構(gòu)酷似展翅飛翔的巨鷹，讓人身處其中不覺得就感受到現(xiàn)代空中交通工具的舒適與享受。

作為一個有機整體，生命皆是由器官各自的功能與形態(tài)按照相應的構(gòu)成規(guī)律組合而成，生命體的各器官要想相互協(xié)調(diào)的完成生命活動，適應周圍環(huán)境和自身內(nèi)部的荷載作用，就必須努力調(diào)整自身結(jié)構(gòu)以適應環(huán)境，例如鳥中空的骨骼就是通過減少自身骨骼重量以適應飛翔的需要，殊不知只有飛的快的鳥才能有最好的蟲子吃，才能更好的生存繁衍。大自然的生命繁衍生息無不體現(xiàn)著一條原則：以最優(yōu)的形式、最少的投入，取得最大的收益。形態(tài)仿生建筑將這一大自然中關(guān)于形態(tài)與構(gòu)成的發(fā)展規(guī)律應用到建筑學中，無論在形態(tài)還是質(zhì)量上都會使得建筑結(jié)構(gòu)的層次得到提高。中國國家體育館、悉尼歌劇院、天津博物館、魚舞餐廳等都是形態(tài)仿生建筑的代表之作[3]，見圖2～圖5。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)仿生

建筑結(jié)構(gòu)仿生是仿生建筑學發(fā)展的重要分支，建筑師們利用大自然的恩賜，結(jié)合現(xiàn)代科學技術(shù)，從生物體中不斷總結(jié)、深化、試驗、組織，經(jīng)過幾十年的努力，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)仿生已經(jīng)開辟了嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系[4]。這方面的事例舉不勝舉，從發(fā)現(xiàn)自由拋物線形曲面的張力的水滴到薄壁高強的性能的蛋殼，再到交叉網(wǎng)狀支撐組織機理的葉脈和類似拱形結(jié)構(gòu)的恐龍龐大的骨骼，無不給建筑結(jié)構(gòu)帶來新鮮的設計靈感[1，5]。很多正確的仿生建筑實例，其結(jié)構(gòu)形式或多或少都模仿了生物體的整體或部分合理結(jié)構(gòu)形式，同時還總能達到經(jīng)濟、美觀、耐用的設計目的，建筑結(jié)構(gòu)仿生已成為建筑學發(fā)展的重要方向。

1.3 建筑功能仿生

建筑結(jié)構(gòu)一定體現(xiàn)了某種設計功能，如何將自然界的生命體功能如實的體現(xiàn)到建筑結(jié)構(gòu)中去便是建筑功能仿生的目的所在。大自然是人類創(chuàng)作靈感的寶庫，從空心的竹子想到支撐與傳輸“管道”功能的結(jié)合，從甘蔗的生命周期與使用周期想到“薄壁承重結(jié)構(gòu)”和“輕質(zhì)填充物”，它們都是結(jié)構(gòu)與功能完美結(jié)合的生命體，類似的功能建筑結(jié)構(gòu)也已得到廣泛的應用，慕尼黑BMW公司辦公樓就是采用圓筒結(jié)構(gòu)，將電梯樓梯布置其內(nèi)，起到建筑物支撐與豎向交通的功能，慕尼黑BMW大樓見圖6。從竹子的節(jié)理與生長高度的關(guān)系到110層美國芝加哥西爾斯大廈的方筒套箍結(jié)構(gòu)(見圖7)，再到芝加哥60層第一聯(lián)邦銀行大樓的竹節(jié)的水平結(jié)構(gòu)層(見圖8)，其建造原理均是生命體功能與結(jié)構(gòu)的完美統(tǒng)一的體現(xiàn)[3]。

1.4 建筑材料仿生

根據(jù)生物體的結(jié)構(gòu)、成分、色彩與生命特征，結(jié)合現(xiàn)代化的科技手段，對天然生物材料的組成結(jié)構(gòu)、材料性能和生長機理的分析，并對其進行仿生復制，研制出高效的新型建筑材料，不斷滿足人們對建材性能日益提高和增長的需求，即為建筑材料仿生。

借助仿生學原理，建筑材料仿生也已取得很多成就。首先是利用蜜蜂構(gòu)筑的蜂巢創(chuàng)造發(fā)明了泡沫建材結(jié)構(gòu)，不僅保溫隔熱，而且結(jié)構(gòu)輕巧美觀；其次是建筑師制作的蜂窩隔墻，中間填充了樹脂和尿素甲醛泡沫，起到了結(jié)構(gòu)輕巧、冬暖夏涼的作用[4]。

2 仿生建筑學的發(fā)展

將仿生技術(shù)應用于建筑學并非簡單的合并與拼接，而是建筑師們在遵循和敬重自然界規(guī)律的前提下，運用邏輯推理方法，從自然界汲取創(chuàng)作靈感，同時注意保護人與自然的和諧統(tǒng)一，避免不必要的浪費，使建筑學與仿生技術(shù)完美的融合，從而為人類的生活提供服務。作為仿生建筑學所采用的主流形式，綠色節(jié)能建筑、標準化建筑、智能建筑和多維空間建筑必將成為21世紀建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。

2.1 綠色節(jié)能建筑

綠色節(jié)能是當今社會最為提倡的生活方式，因為社會的和諧發(fā)展無不受到環(huán)境破壞和能源危機的制約，人類想要繼續(xù)繁衍生存就不得不尋求最為合適的生態(tài)建筑環(huán)境，以社會、自然、人的協(xié)調(diào)發(fā)展為目標。我國是能源大國，然而總量上的優(yōu)勢并不能掩蓋其結(jié)構(gòu)不合理、資源分配不均勻的缺點，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，建筑所占用的能耗百分比從25%上升到35%以上。如果不盡快加大綠色節(jié)能建筑研發(fā)力度，降低建筑能耗百分比，必將帶來環(huán)境社會經(jīng)濟發(fā)展的新問題。相反采用綠色節(jié)能建筑不僅可以采用自然光達到建筑節(jié)能的目的，而且研究表明在綠色建筑中員工的工作效率可得到增進。可見建筑節(jié)能有很大的空間，綠色節(jié)能建筑對于社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。專家預測未來5年內(nèi)，綠色節(jié)能建筑將成為建筑行業(yè)的主流設計思想。

2.2 標準化建筑

標準化建筑是指建筑空間結(jié)構(gòu)的功能也不再僅僅局限于承載傳力，而是像生命器官那樣具有多重功能，用于組成建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進一步標準化，結(jié)構(gòu)空間效用將大幅度提高。節(jié)約與合理利用能源也將成為建筑結(jié)構(gòu)功能的一項重要內(nèi)容，同時也是一個國家、民族穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。解決能源問題不僅在于空間的組織與設計，采光技術(shù)、通風技術(shù)、保溫技術(shù)、照明技術(shù)等現(xiàn)代科技手段也具有極大的可操作性。

2.3 智能建筑

當今新型空間結(jié)構(gòu)型式、智能材料、多功能材料、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)飛速發(fā)展，21世紀是智能建筑的時代。人類的生存環(huán)境日趨惡劣，所建建筑必須朝著降低能耗，減小占地空間，一體多用的方向發(fā)展，所用建筑材料不僅要輕質(zhì)、高強，而且要多效、節(jié)能。例如現(xiàn)有的許多建筑隔墻在具有保溫、隔熱等基礎功能前提下，同時具有防輻射、高強度、多效的性能。不僅如此建筑物還應向著進行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復的方向發(fā)展。在知識經(jīng)濟高速發(fā)展的當代，城市規(guī)劃、建筑設計必須以經(jīng)濟、安全為前提，同時兼顧節(jié)能、高效和生態(tài)平衡，追求人與自然的和諧統(tǒng)一，智能建筑是實現(xiàn)上述目標的重要途徑。

2.4 多維空間建筑

隨著21世紀人口增長的大爆發(fā)，世界建筑業(yè)也進入了建筑大膨脹時代。人類吃、穿、住、用、行樣樣離不開土地，地球只有一個，耕地面積又不能一再減少，因此，人們考慮將建筑物向空間、海洋和地下等多維方向發(fā)展，仿生建筑學將發(fā)揮更大作用。

建筑向空間的發(fā)展起步較早，如今世界各國早已是高樓林立，建筑物高度像大樹一樣一個勁往上長，但是人們必須注意物極必反的道理，如果這種增長，毫無規(guī)律節(jié)制，后果將十分嚴重，交通堵塞，地基塌陷，熱島效應，環(huán)境污染將比比皆是。為此，建筑向空間的發(fā)展，應在遵循科學、原則、規(guī)律的前提下進行。大自然中的森林樹木茂密高度相差很多，然而各種樹木都能找到適合自己的生存空間，不僅層次分明而且營養(yǎng)分配均勻，將其引入現(xiàn)代城市規(guī)劃設計中，必將給人們帶來更加舒適的生存環(huán)境。

建筑向海洋的發(fā)展勢在必行，地球上1/3是陸地，2/3是海洋，建筑向海洋的發(fā)展必將成為21世紀乃至22世紀建筑發(fā)展的重中之重，那么學習海洋生物是如何適應海底環(huán)境而堅強生存下來，并將其中原理應用到建筑學中就變的十分急需。

建筑向地下的發(fā)展是適應土地資源不斷減少的大勢所趨，地下資源的開發(fā)利用如雨后春筍般悄然出現(xiàn)。地下商場、娛樂中心，地下隧道、鐵道以及地下工廠的建設已經(jīng)為促進世界各國經(jīng)濟、社會發(fā)展，方便人民生活等各方面發(fā)揮了積極作用。這方面當然也要向地下生物效仿，研究蚯蚓為何能在堅硬的泥土中自由穿行，各種穴居生物的筑穴本領，無疑我們將獲益匪淺。

3 結(jié)語

隨著社會資源能源環(huán)境的變化，仿生建筑學成為當今建筑發(fā)展的主流。人們在不斷從大自然汲取靈感的過程中，將自然界動植物的生存本領、生長機理和生態(tài)規(guī)律與建筑物自身的特點和功能相融合，該過程并非簡單的模仿照搬，而是有繼承也有發(fā)展的創(chuàng)新過程。將自然生物體的存在合理性運用于建筑物結(jié)合自身特點而適應新環(huán)境的需求中去，這無疑是建筑物最具有生命力的詮釋。仿生建筑學為人們提供了這樣的機遇與可能，這無疑將極大的改善人們的生存環(huán)境，在促進建筑學發(fā)展的過程中起到舉足輕重的作用。

[1] 楊小峰，羅文媛.仿生建筑淺析[J].青島理工大學學報,2005,26(6):67-70.

[2] 劉先覺.仿生建筑文化的新趨向[J].世界建筑,1996(4):67-68.

[3] 祝玉龍，蔣歡軍.我國鋼結(jié)構(gòu)仿生建筑的應用與展望[J].結(jié)構(gòu)工程師,2014,30(2):64-69.

[4] 周 立.仿生建筑學在空間結(jié)構(gòu)中的應用[J].消費導刊,2007(10):207-208.

[5] 李建華，張 龍，黃錦源.淺談結(jié)構(gòu)仿生在大跨度建筑中的應用分析[J].科技信息,2013(23):220.

[6] 高福聚.空間結(jié)構(gòu)仿生工程學的研究[D].天津:天津大學,2002.

[7] 沈麗虹.淺談仿生建筑[J].山西建筑,2006,32(22):45-46.

The bionic architecture and its application research

Tao Jianhong

(PingmeiShenmaConstructionEngineeringGroupLimitedCompany,Pingdingshan467001,China)

Based on the application status of bionic architecture, from architectural form, structure, function, material four angles elaborated the design idea of bionic architecture, pointed out that modern biology was survival of the fittest in natural selection, survival of the fittest winners, the bionic architecture would become the future development trend of architecture.

bionic architecture, green architecture, intelligent architecture

2015-01-28

陶建紅(1968- )，女，工程師

1009-6825(2015)10-0005-03

TU-02

A