基于仿生的建筑暖通空調設計理念

譚 暢 田文濤 孫美玲 張莉紅

（鄭州大學，河南 鄭州450001）

仿生學是指“模仿生物系統的原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有類似于生物系統特征的學科”[2]。仿生學的理念，其一是“回歸”——細心觀察自然生物的生命活動特征，摒棄“以人為本”的思想，樹立“以自然為本”的信念，使人類回歸自然；其二是“提升”——分析自然現象內在本質，找出其與建筑暖通空調設計的融合點。暖通空調仿生設計是設計師們實踐創新的一個突破口，是未來暖通行業發展努力的方向。

1 建筑仿生歷史回顧

1.1 早期建筑仿生現象

早期建筑的仿生大都體現在生物形態的模仿上。早在16世紀，喬吉奧·瓦薩里（Giorgio Vasari）就提出了一個理想宮殿的初步設計方案——建筑正面模仿人的臉部，庭院模仿人的軀體，樓梯模仿人的四肢。這一理論將宮殿建筑各部分的布局與在自然規律變化條件下創造出來的人類形體進行類比，體現了仿生的理念[3]。

1.2 仿生學的誕生

盡管建筑仿生有了一些進展，但“仿生”這一概念卻遲遲未定。直到1949年，控制論創始人，美國科學家維納（N.Wiener）《控制論》的提出[4]，帶給人類無限的思考，工程技術的創新可從生物科學的角度去尋找發展。仿生學再一次的轉折點發生在1960年9月13日到15日，在美國俄亥俄州達頓城（Payton）的一個空軍基地里，第一屆仿生學討論會召開，正式將這一跨領域的學科命名為“仿生學”[4]。

1.3 建筑仿生的推進

從建筑仿生的提出到20世紀70年代，這一科學領域受到社會廣泛關注。我國仿生學研究工作始于1964年前后。1975年-1976年，中國科學院召開了我國第一次仿生學座談會。不久之后，在全國自然科學學科規劃會議上制定了我國關于仿生學的研究規劃。直到1983年，德國人勒伯多（J.S.Lebedew）著寫的《建筑與仿生學》，才從理論上將建筑仿生與生態學，與美學等關聯起來，并在仿生建筑的應用方面進行了深入的探索[4]。

1.4 現代建筑仿生學

1990年代晚期，畢爾巴鄂古根海姆博物館的設計，運用計算機技術使建筑在非線性空間具體成型，受到人們廣泛關注[5]。從早期的自然形式上的模擬提升到生物技術的模擬，再到生命原理的模擬，仿生建筑逐漸成熟。

2 暖通設計中仿生學應用的新思路

2.1 巴黎建設對暖通空調設計仿生的啟發

城市環境仿生是人類利用仿生學的理念和特征來改造環境，從而創造出高度人工化的生存環境。例如，1853年法國皇帝拿破侖第三任命賽納區行政長官歐思曼（G.E.Haussmann）執行的巴黎建設計劃，把整個巴黎模擬成人的生態系統，在巴黎的東西郊建立兩座森林公園仿照人體兩肺，將巴黎各處的綠化帶與塞納河模擬成人體呼吸管道，環形和放射形的道路模仿人體的血管系統[6]。

換一個思考的角度，巴黎仿生改造的理念也可以運用到空調制冷機房設計中來。將整個制冷系統模擬哺乳動物，制冷機組中的冷凝器和蒸發器分別模擬哺乳動物心臟的左心房和右心房，壓縮機則模擬其肺部，各部分管道設計仿照哺乳動物的血管分布。將哺乳動物身體各部分之間的聯系合理運用到空調系統中，使制冷機組部分與管路部分更具有整體性。

2.2 暖通空調功能設計仿生

將自然生物的某些生存功能運用到建筑暖通空調設計中，即為功能設計仿生。例如，建筑大師丹下建三設計的日本山梨縣文化館，由4行16根5米長直徑的圓筒結構做主要支撐體，模仿了植物的新陳代謝功能。在圓筒內設樓梯，廁所等，圓筒之間架設播音室，印刷廠和辦公室，這充分考慮了功能上使用的特點，使報社和電臺的辦公、印刷、出版和播音空間四者之間既相互聯系又各自獨立[7]。

由植物新陳代謝系統推想到建筑布置，大師的設計理念充分體現了仿生的靈活性。例如，人類根據螢火蟲的發光原理制造出的人工冷光，提高了發光率，降低了熱量消耗。從生物體的生命現象推想暖通空調設備的設計，有利于改善設備外觀并提升其功能。

2.3 暖通設計形式仿生

1958年埃羅·薩里寧（Eero Saarinen）設計的美國耶魯大學冰球館，仿自一只暢游海洋的海龜，建筑師薩巴（FariburzSahba）在1975年-1987年設計建成的印度新德里母親廟仿佛一朵圣潔而高貴的荷花，英國伯明翰塞福瑞吉百貨大樓外型輪廓猶如女性的身體，這些建筑仿生的成功案例啟發建筑設備設計形式朝多樣化方向發展。

如今市面上的空調機組大都造型單一，對家用空調室內機進行外觀上的仿生設計，能使其外觀構造更加生動活潑，成為家庭裝飾品的一部分，與整個家庭環境相融合。但要避免出現簡單模仿生物外觀的作品，一味夸張和新奇，毫無美感和創新可言。這類設計帶給人們的是“驚訝”而非“驚喜”，任何設計形式上的改變，都要在保證其功能正常使用的基礎上進行。

2.4 建筑暖通空調結構設計仿生

結構組織仿生即研究生物內部結構，類比建造出與生物體或其某部分相仿的機械裝置。1957年，奈爾維和維特羅西建造的羅馬奧運會小體育館，其內部鋼筋混凝土網格結構系統，就是受葵花的啟發，該結構不僅用材經濟，受力合理，而且內部裝飾新穎。

對于向日葵，最顯著的特征便是其向陽生長，其原理是向日葵的頂部富含有生長素，受到陽光的刺激使生長素分布不均勻，從而出現向陽生長的現象。仿照向日葵的原理，在設計空調系統的送風口時，在其周圍安裝溫度感應裝置相當于生長素的作用，受到周圍環境溫度的感應，適當調節各個方向的送風量，使整個房間氣流組織形式更合理。

20世紀70年代，德國科學家發明了毛細管平面輻射式空調末端系統，這種模仿人體毛細血管散熱的新型空調末端系統被視為一次“末端革命”。這種系統的毛細管中充滿具有高效傳熱功能的介質與傳統對流式空調系統相比，在冬季，供水水溫只需30℃-35℃，即能滿足室溫20℃±2℃的要求；在夏季毛細管輻射供冷工況下，輔以置換新風的除濕系統，供水水溫只需18℃，即能使室溫達到26℃±2℃。而且由于毛細管末端系統換熱面積大、傳熱速度快，因此它傳熱效率更高，向房間輻射冷量和熱量更加柔和，房間溫度分布更加均勻[8]。

在津巴布韋的哈拉雷，矗立著一座體型龐大的辦公及購物群——約堡東門購物中心。該購物中心并沒有安裝空調，但卻涼爽宜人，它所消耗的能量只是與其同等規模常規空調的十分之一。它的設計靈感來源于非洲的白蟻，這些小生物們能夠在其塔樓巢穴中維持一個恒定的溫度。它們經常開啟和關閉自己塔樓巢穴中的氣口，使得巢穴內外的空氣得以對流——冷空氣從底部的氣口流入塔樓，與此同時熱空氣從頂部的煙囪流出，這一發現被建筑大師麥克·皮爾斯運用到建筑中去。這項仿生科技的應用，不僅節能增效，而且省下的空調設備的成本匯聚成了涓涓細流，造福了該建筑的租賃者，他們所付出的租金比周邊建筑的租賃者要少了20%。

日本夏普公司推出仿生型空調扇葉，在室內機送風板的設計上采用了類似鳥類羽毛的渦流器，使空調風輪送風效率調高30%，最大風速比以往提高14%，在送風量不變的前提下，鳥翼形狀的風扇比傳統風扇節電10W[9]。

3 結論與展望

暖通空調的仿生應用這一概念提出較晚，一方面說明在現階段其仍不太成熟，而另一方面也說明它是社會經濟發展的產物，是一種新思想，新理念。將仿生學運用到暖通空調行業的發展中，主要目的即實現建筑環境的節能環保以及創新。這也是目前解決城市環境污染，人們生活品質下降問題的一種新思路。然而，暖通空調仿生涉及多個領域，多種學科，目前缺乏系統性研究，成功案例鮮見。其主要原因是因為“生物體普遍存在以較大的密度和較高強度的材料配置在高應力區，并以最少的結構材料來承受最大的外力。而且，根據外界條件的變化，部分地調整和改變組織結構，并具有再生的能力”。而建筑設備或系統是一個無生命體，不可能時時對外界的改變做出相應的改變。

此外，建筑暖通空調設計模仿的是生物的獨特性，而這些優良的特征都是經過長期歷史的演變才形成的，在這個仿生成為潮流的時代，對于暖通空調的設計過程或許可以模仿生物的進化史。盡管自然界進化過程比較緩慢，但每一步都是適應自然環境的正確選擇。因此，暖通空調設計師們不要一味求快，優秀的作品都是在汲取前人的經驗并不斷地改進之下才形成的。并且，當代建筑暖通空調仿生設計的產品層出不窮，如何進一步優化仿生產品，使其功能更加完善，也是在未來仿生設計中值得思考的問題。

模仿海鷗的風扇和模仿蜻蜓的胡風輪

［1］王立福，單欣，李堯.仿生學在建筑設計中的應用［J］.山西建筑，2008，34（9）:78-80.

［2］賈賢，等.天然生物材料及其仿生工程材料［M］.北京:化學工業出版社，2007.

［3］Hugh Aldersey-Williams.當代仿生建筑［M］.盧昀偉，等，譯.大連:大連理工大學出版社，2004.

［4］徐曉琳.淺談建筑仿生文化的發展趨勢［J］.四川建材，2006，（2）:71-73.

［5］何炯德.新仿生建筑［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［6］史蒂芬·柯克蘭.巴黎的重生［M］.鄭娜，譯.北京:社會科學文獻出版社，2014.

［7］馬國馨.丹下建三（國外著名建筑叢書）［M］.北京:中國建筑工業出版社，1989（3）.

［8］楊曦，黃磊.基于暖通空調的設計分析［J］.北京科技資訊，2014.

［9］李保峰.仿生學的啟示［J］.建筑學報，2002（9）:24-26.