建筑與仿生學

管玥

（廣州市設計院 廣東廣州 510620）

1 仿生學

1.1 仿生學的概念

仿生學是指從技術可用性的角度研究動物有機體的機制和功能的科學學科。有人將其定義為一門測量自然形態的學科（從宏觀到微觀再到納米結構），也就是自然選擇評估機制適應其他領域的結果。在文獻中，生物模擬也被用來描述這個跨學科的主題。仿生學這個名詞來源于希臘人的“bios”（自然、生命的意思）和字尾“nlc”（具有……的性質的意思）。

1.2 仿生學在工程中

據科學家研究，工程和仿生學之間存在著很多聯系。這些聯系顯示了無論是微觀的還是宏觀的領域，最終仿生學都能幫助工程實現可持續發展，并可導向綠色設計，優化結構和智能，適應性建筑等等分支。

某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的機械都優越得多，仿生學就是要在工程上實現并有效地應用生物功能的一門學科。例如關于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經功能）、自動控制系統等，這種生物體的結構與功能在機械設計方面給了很大啟發。可舉出的仿生學例子，如將海豚的體形或皮膚結構（游泳時能使身體表面不產生紊流）應用到潛艇設計原理上。

2 仿生學在建筑中

2.1 仿生學在原始時期建筑中

在茹毛飲血的時期，建筑處于最早期階段，我們的祖先開始建造一些庇護及居住場所，后來演變為建造永久性的房屋。主要目標是防御自然環境中的危險，比如惡劣天氣和野生動物。最古老的建筑形式至今仍然可以在世界的許多地方看到，例如非洲的土著居民建筑。除了建筑形式的些許變化之外，其建造居所使用的建筑材料以及建造方式仍與古老的時期一致。此時，建筑仿生學也出現在當地的建筑中，在那里不僅建筑材料是受自然啟發的，居住建筑的結構也可以顯示出結構仿生的跡象。梅薩維德，阿納薩齊印第安人的社區之一，其居所的形態結構均顯示出與沙馬丁鳥窩的相似之處，它們是由于防御原因而進化的。

2.2 仿生學在歷史建筑中

在歷史建筑中，自然的靈感以多種形式出現。建筑仿生學可以在大型石結構建筑中觀察到，比如埃及的低格調大廳，其中一個典型的仿生結構是柱狀石結構。大約在公元前13世紀時期建造的卡爾納克的地下大廳里，圓柱上一個有趣的特征顯示了仿生學的存在。圓柱的底部較窄，不可能由結構上的考慮而造成，因為更大的底部圓柱規模會帶來更多的穩定性。這個特征來自一個更古老的建筑時期，埃及人使用紙莎草紙堆的時代。更值得注意的是，上面的大廳有一個空間結構被稱為“長方形教堂”。那里的中殿比過道高，因此墻上的窗戶很高，為整個空間提供照明。窗戶上的柱子有開花形柱頭，而在過道較暗的部分的柱子則是方形柱頭。這體現出適應了太陽的生命的微觀和宏觀特征的仿生學水平。

在建筑歷史上，裝飾是同時存在的。在不同的建筑風格中，表面裝飾是最引人注目的部分，在這個部分仿生學同樣可以被觀察到。例如在拜占庭式建筑中，花卉圖案被用來覆蓋在柱頭表面。關于類似的結構，也應該提到哥特式建筑。哥特建筑的框架結構，建造者一直在延伸石頭的邊界，這種風格帶來了一套全新的架構解決方案。通過時間的推衍，結構體系變得越來越像骨骼，達到了材料運用的極限。因此，曾有一些塔和教堂在建設中倒塌。但有一個美麗的例子，這是一種華麗的結構，哥特式的扇狀拱頂，非常類似于貝類或棕櫚葉的形狀，在宏觀層面上向自然靠攏，這是一種杰出的創新風格，它與之前的古董被區分開。

中世紀的傳統，是新藝術。在匈牙利，興起的分裂風格被稱為一種與眾不同的風格，仍然深受人們的喜愛。帶著色彩斑斕的花朵裝飾的建筑物具有強烈的吸引力和獨特性。匈牙利的藝術博物館，是這一風格中最著名的作品之一。然而，匈牙利的分裂主要是用植物和動物的類比作為裝飾品，并沒有達到像高迪那樣杰出的模仿自然的水平，這是一個真實的例子，結構仿生，已經出現在20世紀初。加泰羅尼亞建筑師安東尼高迪創造了一個完全獨立的新風格被稱為新藝術，他的模仿水平不僅包含了裝飾品層面，還有建筑結構層面，使用仿生學作為復雜形式的呈現手段。高迪意識到，自然形態能夠提供比裝飾更多的東西。自然結構不僅美觀，而且在各個方面都優化了功能單元。他的建筑中的柱子模仿了人類的骨骼或樹葉的形式，實現了結構比例最小化。

2.3 仿生學在當代建筑中

當下，通過使用基于軟件的計算機建模和結構設計，更多新的廣泛的可能性已經打開。在圣地亞哥卡拉特拉瓦的建筑是最為大家熟知額，他的作品強烈的暗示生物形態的形成。他的建筑形式使用人類或動物骨骼的類比，展示了建筑的美學訴求——結構仿生。世界上第一座摩天大樓“旋轉軀干”是在瑞典的馬爾姆斯建造的。正如這座大樓的名字一樣，其最初的設計靈感來自于一個扭曲的人體。這幢54層的建筑扭曲了90℃，提供了超越以往的全景視野。里斯本火車站也是一個例子，盡管建造了近百年，依然生動完好。在人類的建筑歷程中，卡拉特拉瓦在西班牙的天文館是最杰出的，是一個里程碑式的仿生建筑，由眼球的草圖形成。卡拉特拉瓦在他的建筑中創造了一種獨特的，完全創新的造型形式。這些建筑都是在他30年的工作中建造的，包括40座橋梁和10個車站，都成為了標志性建筑。然而他的投資者也會遇到一些麻煩，這些仿生建筑的造價通常遠遠超過預算。

國際知名的匈牙利建筑師Makovecz經常也會遇到類似的問題。他設計的建筑在全世界范圍內備受推崇，但在他的案例中，成本和結構性問題也經常出現。匈牙利的有機建筑作為一種風格被貼上標簽，但這位建筑師的仿生工作只做了一半，他的建筑更傾向于形式主義，與深奧的象征主義更緊密地聯系在一起。自然的模仿主要用于裝飾或作為象征但不是主要的結構形式。在他早期的作品中，殯儀館很引人注目，其中的天花板設計讓人聯想到人的胸部，暗示著這種形式之間的有趣關系。在Makovecz后來的建筑中，象征主義和形式主義更加強調。

在當代建筑的情況下，分析仿生學并不僅僅意味著測量其形態。建筑物、公共空間組成和裝置也是這個主題的一部分。其中一個很了不起的想法是“TREEPOD”，盡管還沒有實現，但它是一種樹形結構的裝置，模仿著一個真正的樹。類似結構可以使它從二氧化碳中產生氧氣，像空氣清潔器一樣。它的樹枝在下面的人行道上起到了遮陽的作用。安裝在樹枝上的太陽能光伏板可以發電。使用電來推動空氣凈化裝置，而空氣凈化裝置則隱藏在結構中。此外，這個結構由回收的PET瓶制成，使其更加環保。

3 結論

本文對建筑中仿生學運用進行了短暫的回顧。仿生學和建筑是緊密相關的，因為建筑行為和人類文明一樣古老——利用周圍的自然環境是仿生建筑的主要靈感來源。一些民間建筑仍然保留著一些幾千年的建筑傳統，使用自然的形式和材料。通過建筑的歷史推進，每一種風格都從大自然中汲取了靈感。但隨著技術的進步，建筑逐漸遠離自然，直到最近人們才開始再一次意識到，自然進化是一項偉大的成就，應妥善加以學習和利用。隨著材料科學的進步，不僅是仿生建筑歷程中革命性的解決方案，而且使得現代科技材料是易于獲得，并可使得在節約成本的同時，獲得高性能結構體系。智能系統，作為一個活動的生態系統或組織的模仿監視系統，可以同步建筑信息，甚至是同步整個地區的信息和管理。

在古代建筑中，可以觀察到宏觀的仿生學，通過模仿自然的形式和結構。然而，作為物質科學領域，隨著工程學的發展，微觀層面的仿生學越來越有潛力。自然現象作為一種模仿的來源，人類可以創造出智能的系統，甚至是優于自然的系統。全球變暖的威脅也促使人類走向可持續發展和保護環境和諧共生的理念方案。通過使用當代計算機建模，新技術新方法可以模仿復雜的自然形態和結構。在現代技術發展條件下，建筑師和建設方也需要改變思維和方法，才能更有效地利用仿生學的方法。在大學教育中，必須加強這個分支的學科研究，新的仿生教學體系結構的發展需要被重視，更加鼓勵創新。當代和未來的建筑需要創新仿生學，以創造可持續發展的建筑和城市。