仿生方法在橋梁設計與優化的應用研究

蘇志祥 徐文濤

【摘要】近幾年來，人們生活質量不斷升高，使得人們對于生活和居住的觀念也在不斷產生變化和革新，特別是科學環保理念對于人民生活的影響巨大，同時對于國內的建筑工程單位和企業的影響也不容小覷，既包括基礎結構設計方面，也包括具體工程施工方面。為了使我國建筑工程行業得到良好的發展，為了使橋梁設計、橋梁優化更加完善，在橋梁的優化和設計中應用大量的仿生理念和方法，促進國內橋梁工程的良性發展。

【關鍵詞】橋梁設計；橋梁優化；仿生法

一、仿生法概述

本世紀以來，我國社會面臨著新的發展挑戰，建筑工程行業也遇到了新發展難題，為了解決這些難題，人們必須考慮出以最少資源建造出較好建筑工程的方法，橋梁設計中的仿生法便由此而誕生。自然界中的生物能夠在發展過程當中逐漸形成一個自我發展的系統，這就是所謂的生態系統。在這么一個系統當中的各部分都有著自我存在、自我發展的方式和規律。這些規律和方式所具有的穩定性和協調性，就是人類在發展過程當中應當予以借鑒的內容。

因此，仿生學的理念可以被橋梁設計所借鑒，成為后者的指導思想和原則。生物學告訴我們，生物圈在具備著各種需求的同時，也滿足著各種需求。但是，人類只是生物圈當中的一個很小的子集，自然界的競爭觀念和競爭緩解規則都能夠被我們借鑒起來。生物圈里有著許多合理系統和存在結構，具有小巧性、靈活性和高效性等特點，將它們仿生法運用到橋梁設計、橋梁優化當中，將會對建筑業有莫大好處。仿生法的基礎應用理念是仿生理念，它能夠使橋梁設計師的思維得以拓寬。仿生概念應當從以下方面來理解，一是宏觀仿生，它以生物或物體的外部構造、紋理、造型、運動規律、材料性能作為模仿的對象；二是微觀仿生，其模仿對象是生物體的內部，比如神經、循環和免疫等系統功能，通過模仿上述系統，確保橋梁設計的合理性。

二、橋梁設計和優化過程中對仿生法的應用

橋梁設計當中不少形式是受啟發于生物界或者大自然，不少能夠找到其原型。由于仿生法有宏觀與微觀之分，橋梁優化設計的應用中也有宏觀與微觀之分。然而，在細節上，宏觀與微觀兩者都會有各種的效仿細節，這些效仿細節能夠于新載體上形成全新整體。

1橋梁形態上的仿生

一個西班牙籍的設計師卡拉特拉瓦在對橋梁進行設計時，最初會現在形態上開始仿生，這種靈感來源始于效仿骨骼形態和植物形態，富含自然主義。他的設計也會對另一位西班牙籍的設計師高迪的思想進行借鑒，效仿牛頭結構和人體脊柱的骨骼結構等等。人們對其評價各異，有的人給予怪異、荒誕和施工難的評價。然而設計師自己則認為自身的仿生缺少較高的技術含量，只是單純地效仿自然系統，所需建筑材料就是鋼筋混凝土，這是最常見的材料之一。

然而應用仿生法可不能隨意進行，它必須結合橋梁的需求，對需要仿效的結構進行合理仿效。許多生物結構形態的仿效性較強，然而施工過程中可能會出現一系列問題，比如結構太復雜、自重過大或者沉降以致開裂等等。因此，設計過程中要做好合理性和可建造性的研究和規劃才能夠對仿生法進行運用。

2橋梁建筑材料的仿生

自然界是一個寶藏庫，不僅有各種礦石資源和自然資源，供人們生活和發展使用，人們還可以從自然界里獲取靈感和啟發。現代建筑行業也從大自然當中獲取了不少的啟發和靈感，日益強調綠色建筑，以及建筑資源的充分利用和可持續利用。因此，橋梁設計師應當把橋梁建筑材料的利用發揮到最大化。當今科技發展飛快，國內橋梁建筑業也獲得了較多的技術支持，出現不少新型的仿生材料，對當前現有的建筑材料有所改善和提高。比如水泥與貝殼相比其抗拉性要更弱，這是因為貝殼有高達九成以上的石灰石，啟發著人們要仿造貝殼的化學組成，以提高建筑物抗拉性。此外，橋梁還需要有防腐蝕性和防水性，吉林大學的一個仿生實驗對蝴蝶翅膀鱗片的防水性和自潔性有所發現，這也是可以被運用到橋梁的設計當中的。

3橋梁結構上的仿生

橋梁設計可以大量借鑒和應用生物界當中的骨骼組成結構形態，比如人類的骨骼結構，主要由髖、足、脛、股等組成，人體自重量是由足骨來分解的，需要承受體重的骨骼，其骨質都因此而比較密實，這樣的生物形態可以被運用到橋梁設計當中，對于設計師思考橋梁承載力分散方式的問題有很大的啟示，也是能夠保證橋梁持續性和使用功能的一個重要原因。卡拉特拉瓦的設計作品科茲橋，就是對人體骨骼進行效仿較為成功的一個橋梁工程作品，該橋建造于耶路撒冷，在2010年開始投入使用。

4橋梁功能機理的仿生

仿生學的研究對象主要為自然界動植物的機理和功能，比如行為、能力轉化以及力學等等。這些方面人類已很早開展了仿生應用，例如飛機模仿了鳥類翅膀原理和技能。然而，最初的機翼在運用過程中又出現的新的問題，比如震顫問題，于是人們由從大自然和生物界當中去尋找新的解決方案和啟發，最終從蜻蜓身上找到了啟發--模仿了蜻蜓翅膀的翅痣，以獲得平衡性，很好地使震顫問題得以解決。橋梁壽命會受到自然氣象與災害的影響，比如地址、狂風和洪水等。橋梁的跨度也越建越大，其自身的重量越來越大，橋梁的結構必須要達到合理性才能夠保障自身的平衡性和穩定性。為了保障橋梁的穩定性和安全性，需要對自然界中的動植物保持穩定性原理進行借鑒。德國某大學研究室長期研究稻目類和楔葉類的植物，最終發現巴西一種巨型的木賊草和木賊的細胞能夠自行調節剛度，使得自身能夠對外界壓力有所適應。這種結構和機理可以被借鑒于跨橋的橋塔和橋墩的設計當中，使得該種橋梁能夠具備與生命體質相似的特征，以保持自身的穩定性與安全性。

5對生物神經系統的仿生

生物所生活的環境是千變萬化的，各生物為了保持自身對環境的較強適用性，都有各自神奇的辦法，有生命的生物具備神經系統，因此可以依據外部環境變化對自身進行調整，以適應變化和發展。然而橋梁并沒有生命，不能夠運用神經系統來自我調節，對于外界的壓力也只能被動地接受。因此，為了減少建筑資源浪費的現象，提高橋梁對環境的適應能力，阻尼器等等的仿生發明也開始運用到橋梁建筑工程當中，為橋梁建造出"神經系統"。電子信息時代使得效仿動植物建造神經系統的難度大大降低了，信息技術能夠使人們更輕易地為橋梁建造出自己的神經系統。工作人員能夠利用計算機，感知、記錄橋梁所受的外部環境，并分析數據，得出調整的方案和計劃。這不僅能夠確保河道能夠正常通行，還能提升橋梁的壽命和安全性，使其在遭受自然災害、外部風險時也能像生物那樣自我調節、適應環境。

三、結束語

大自然中，事物間的聯系是普遍存在的，建筑學和生物學間的聯系其實并沒有我們想象中那么遠。當今社會，創新理念和借鑒學習能力已越來越重要，仿生法對于建筑行業、對于橋梁的優化和設計所發揮的作用也越來越重要和明顯。仿生法對于橋梁壽命的提高、橋梁穩定性的提升也有重要意義。本文從五個角度對仿生法進行了介紹和分析、闡述，，期望能夠填補相關研究空白。

參考文獻：

[1]沙莎，王強，賴疆.仿生學在橋梁建筑中的應用及前景展望[J].科技資訊，2007，（27）.