過去、現代和未來：未來城市發展構想
——基于高層動態仿生建筑的探討

陳子穎

（南京理工大學 設計藝術與傳媒學院，南京 210094）

引言

針對我國社會發展中存在著環境污染和人口住房擁擠兩大問題，國家已經將建設環境友好型社會作為一種未來的發展政策。尤其是在許多工業發達、人口密集的城市環境污染問題尤為突出。近年來冬季霧霾嚴重影響著城市發展和人們的日常生活。而且在中國大多數的中大型的城市，尤其在北上廣這種人口密集的地方，建筑密度大、住房老舊存在危險性。如何在這兩大問題的并集中尋找解決方法？我把目光投向了高層建筑，致力于增大城市垂直空間的使用密度。同時讓“動態”走進建筑，使縱向和橫向空間達到一個多維的和諧效果。

國內在高層動態仿生建筑領域的研究方面，許多設計師進行了富有成效的研究探索，典型作品之一是馬巖松作品“城市森林”項目。而在歷史上，柯布西埃在他的城市構想中提出：未來的城市必須集中，應該采用大量高層建筑來提高密度。今天我想說的也正是類似于柯布西埃的一種城市發展模式。未來的城市會變化成什么樣子的呢？我們又該何去何從呢？

非線性理論設計表現表達的方法之一就是仿生設計手法。所謂仿生設計就是一個從自然界中獲取元素并加以學習利用的過程，是對最原始傳統的回應。仿生設計，顧名思義，它涉及到的學科范圍也十分的廣泛，生物學與設計學占據著主導的地位，同時還有力學、材料學等等學科與之相輔相成。但是我之所以認定仿生設計方向的原因，是因為這些其他的表達方法反過來又能通過仿生設計體現出來。例如仿生動態建筑的一些空氣循環的功能需要借助建筑物的表皮去進行切換，以及在外部形態上做一些幾何的秩序排列和變形。所以說，我也擬用仿生設計體現出的這些表達方法去回應未來城市發展趨勢。

一、仿生建筑發展歷程概述

針對仿生建筑發展歷程，我把其分為傳統仿生和現代仿生兩個階段。

（一）傳統仿生：形式仿生+結構仿生+低層次的功能仿生

形式仿生是單純模仿自然形態。傳統仿生的開端是高迪的圣家族大教堂。圣家族大教堂的設計又是仿生建筑設計的一個開端。其所處的時代發展背景也對圣家族教堂的設計產生了許多影響，這些背景融合它的設計理念迸發出了圣家族大教堂的設計方案。他分析樹干的受力結構，將教堂里的柱子做成樹干的形態，在頂部以及其他的地方使用了許多海生植物（海葵為主）等自然主義的裝飾形式。此外，他還在建筑外立面做成適合鳥兒棲息的凹凸不平的形態，更多的考慮了與周圍環境之間的關系，已經初具建筑表皮的雛形。

結構仿生更具進步性，包括膜結構、薄殼結構、懸索結構、蜂巢結構、腔結構等等。日本代代木體育館的懸索結構就是模仿了蜘蛛結網的受力過程。我把功能仿生也歸類在傳統仿生建筑中，功能仿生主要是探究自然界物質存在的功能原理，并把原理運用到實踐中去。

（二）現代仿生：仿生動態建筑

結構仿生中的腔結構是仿生動態建筑的雛形。“造腔”指的是自然能量的應用，如風能、太陽能和雨水，是一種類似于生物腔，包括中庭、天井、通風口等。調節微氣候的內部空間。有些氣體含有—它具有內部調節功能，如肺腔，鼻、腸、胃。微結構腔，促進內部循環，消化，吸收和排泄—加強材料與能源的交換與循環利用。根據這一生物學特征，研究人員提出了建筑腔體的概念。這是類似于動態仿生建筑原理的一種結構仿生方法。仿生動態建筑在此基礎上變化、發展。

二、動態仿生建筑類型

動態建筑是指建筑或其局部進行物理行為的移動、改變、調整等，來應對使用者需求和周圍環境變化的需求。“動態建筑”與“仿生設計”相碰撞，產生了仿生動態建筑這個詞。我將仿生動態建筑分為外在和內在的兩類。（圖1）

建筑功能往往是復雜的，而且本質上是生物學的。有機組織為我們提供了成功的例子。這不僅僅是單功能元素的疊加，也包括集成多功能開發過程，導致在更高發展階段的新特點。未來，我們生活和工作的內部空間可以設計成作為活的有機體的功能，特別與環境相適應，并且能夠從周圍環境獲取我們對能量和水的需求。因為我認為外在的動態仿生更偏向形態、結構仿生，所以以下內容的陳述重點放在了對內在的動態仿生建筑的闡述上。

（一）太陽能仿生技術

太陽能是能量來源的一個重要途徑。只要地球還圍繞著太陽旋轉，太陽光就是取之不盡用之不竭的。如何高效的把太陽光利用在動態建筑上，成為我們思考的一個問題。太陽能的利用在現階段分為兩種形式。

1.被動式太陽能的利用

這種方式主要是利用葉片的趨光特性，合理安排樓層的布置并有效的收集太陽光。這里應用的一種自然規律是“葉序”，葉序是指葉在莖上排列的方式，植物體通過一定的葉序，使葉均勻地、適合地排列，充分地接受陽光，有利于光合作用的進行。受此影響葉子的排列呈現馬賽克的形態，許多精致而獨特的螺旋狀的摩天大樓被設計出來，并且每一個房間都有充足的陽光和新鮮的空氣。這就給“把景觀引進建筑”提供了一個很好的契合點。利用建筑整體的“葉序”原理加上每層的生態植物布置，整棟建筑就像一個大的景觀活體。使得仿生建筑的形式并非局限在外形和構造的仿生研究上，而是探索自然界物質存在的功能原理，更多的引入科學技術，更加綠色節能環保，并且在整體上與自然環境更加的適應。

荷蘭鹿特丹的城市仙人掌就是充分利用了“葉序”原理中的“互生”，設計師為每一位住戶增加了為毫無生氣的建筑增添了大自然的元素，真正實現了自我凈化、循環的效果。從外觀上看“城市仙人掌”，會發現建筑整體就像從莖上生長出來許多葉片，“葉片”其實是每一住戶擁有的向外伸出的綠色戶外空間（圖2）。不僅戶外空間中的植物能很好的進行光合作用，從而分解大氣中的二氧化碳，還能使得室內的空間獲得更多的太陽光。

2.主動式太陽能建筑

主動式太陽能建筑是指運用光熱、光電等可控技術利用太陽能資源實現收集、蓄存和使用太陽能，進而以太陽能為主要能源的節能建筑。最常見的形式就是太陽能板，通過太陽能光伏集成技術，與建筑表皮結合。美國的“樹紋塔”摩天大樓就在建筑外表面上大量的采用太陽能板，收集足夠多的太陽光供應建筑內部的使用。（圖3）

（二）自然通風和散熱仿生技術

通風在某種意義上來說是為了散熱；而在不需要任何空調體統系統的前提下實現散熱，通風無疑是一種最好的途徑。為了避開污染的室外環境，人們就更愿意呆在舒適的“空調屋”。如何讓仿生技術的應用取代空調系統，是又一個值得思考的問題。我用白蟻巢穴自循環系統和“鱗片”系統來分類兩種不同類型的通風技術。

1.白蟻巢穴自循環系統的運用

前面提到過的腔結構仿生其實就已經初具自然調節的雛形。這里我主要以白蟻巢穴的存在機理為研究重點闡述，主要有通風和散熱兩個特性，與煙囪效應相似。（圖4）

（1）通風

蟻穴既能適應寒冷，又能保持溫暖。其原理是，從地下水位以下的深層土壤用作冷卻源。同時，新鮮的空氣通過土堆的下部進入。并留在底部冷卻泥漿。環境與連續封堵通風控制或打開地面和地面通風口。這個精致的結構大大提高了蟻穴的內部溫度控制能力。通風，保證足夠的氧氣供應，并提供保暖隔熱，使土堆成為虛擬空氣。

（2） 散熱

夜晚氣溫低，蟻穴上方的排氣孔關閉，讓暖空氣留在蟻穴中；穴外溫度開始上升，蟻穴內部循環加快；當溫度升高或外界下雨時，蟻穴上方的排氣孔打開，同時冷空氣經過土壤降溫，由于蟻穴內部氣壓降低被吸進蟻穴；當夜間溫度適宜時，蟻穴內部氣流與外界交換，直到低溫時關閉。在蟻穴中工蟻不斷的開挖和堵塞通氣孔，使得內部溫度保持恒定（圖5）。津巴布韋的東門中心同樣運用了白蟻巢穴的存在機理且更為典型。因其所在地的氣候條件屬熱帶草原氣候，晝夜溫差大。為不使用空調設備，設計師從自然界尋求解決之道（室內工作原理如圖6）。他曾說過：“就像我們血管里的血液流動一樣，在蟻穴里的空氣也是由外界的氣溫和壓力控制的。蟻穴就像我們的身體系統一樣。它自己可以智能地調節溫度，這是一種優秀的建筑模式。”

2.“鱗片”系統

還有一種通風的方式是依靠建筑表皮上的變化來實現的。最典型的例子就是韓國的DANCING DRAGON雙子塔，如塔的名字一樣，建筑表皮真的像是巨龍的鱗片，鱗片一樣的建筑表皮可開合，重疊面板間縫隙還設有通風孔，所以說其建筑表皮具有“可呼吸性”，空氣可以通過這些通道實現循環流通。這樣的實例還有許多。其實對于建筑表皮的研究與仿生動態建筑是不可分割的，例如仿造一些甲蟲的殼去收集冷凝水，以及結構仿生中的膜結構（水立方）作為建筑的外表皮，利用內外的受力關系極大發揮材料的抗拉性能等。

（三）仿生技術的集合-仿生代謝系統

新陳代謝的概念是一種在日本發展起來的建筑創作方法。新陳代謝強調成長、變化，它主張采用新技術來解決這個問題，其認為城市和建筑不是靜態的，而是動態的。我將仿生動態建筑中的仿生代謝系統定義為擁有太陽能仿生技術、自然通風和散熱仿生技術和風能發電技術等多種動態建筑在技術層面的仿生形式融合在一起的產物。

加拿大多倫多的樹塔大樓所呈現狀態是未來城市最純粹的單體狀態。建筑所呈現出的天然外觀，將常見的“建筑與城市”的關系轉化為“建筑與自然”的關系（圖7），丹麥“空中村莊”的垂直農業構想也印證了此觀點。

三、基于白蟻巢穴的行為仿生和未來整體城市構想

高層建筑+仿生動態建筑=？碰撞產生的結合點又該從哪找尋。基于人口密度和環境污染這兩個問題點，筆者大膽的假想未來城市整體運行模式，力求在新設計中解決這些現存的問題。

> 圖1 動態仿生建筑類型

> 圖2 城市仙人掌模型

> 圖3 美國樹紋塔

> 圖4 煙囪通風示意

> 圖5 蟻穴內部空氣交換

> 圖6 津巴布韋東門中心通風原理

> 圖7 空中村莊構想

> 圖8 柱廊空間系統

> 圖9 熱島效應

（一）思想來源

現代大樓的構造，多半都以框架結構的梁柱所組成。根據上個世紀初由密斯所提出的“通用空間”概念，由均質的梁柱構造涵括建筑內所有的機能，以及柯布西耶所提出的“多米諾系統”，亦即建筑還原了以柱子和地板，穿越上下樓層的階梯為最低必要限度的構成要素，所延伸出來的構造形式。

（二）工作原理

1. 建筑單體發展設想

單體建筑的概念雛形可以用上海的“無人駕駛飛行汽車塔”來歸納。目前還只是概念建筑，其主打綠色建筑（引入了景觀）：大樓頂層利用太陽能，中間層利用風力，最下層利用水力。最重要的一點，也是我為什么把它作為未來城市中單體建筑基本形式的原因：建筑內部利用了模仿白蟻巢穴的自循環系統。在其中心結構上裝有多個二氧化碳提取器，從頂上的煙囪里排出處理過的二氧化碳。這樣，一個建筑單體滿足了所有的功能整合和生態需要。但是基于對仿生動態建筑不同特質的研究，我們可以利用也有混沌、分形、表皮藝術、網絡交織等等方法表現建筑的整體形態。

2. 建筑群發展設想

關于單體建筑之間的關聯性和連接性，我用伊東豐雄用于仙臺傳媒中心的其中兩點設計理念，綜合我的設想闡述具體構思。

（1）管狀柱管子仿造竹子的形態

每根單管相當于柱子，利用“力流”原理，起到分力和承重的作用。同時管狀柱子是一個“通用空間”，也運用了“煙囪效應”。每根柱子周圍都形成以柱為中心的同心圓空間，多顆柱子的同心圓就像波紋一樣相互交錯重疊，描繪出場所內的一組組等壓線。如果空間連續的話，柱子也會產生流動性的“場所”。我認為在未來城市中，每一個仿生動態建筑的單體就相當于一根柱子，竹節就是建筑間的連接方式，而相當于“連廊”的水平面起著連接單個建筑建筑的作用，整個空間是連續的，城市像是被絲帶串聯，增加了人與人互動交流的機會。城市整體好似森林里的竄天大樹，依靠空中連廊連接在一起。縱向、橫向空間交錯發展，形成一個龐大的生態系統。（圖8）

（2）表皮

1）形態、結構仿生思路在未來高層仿生建筑群中的應用

在建筑群表皮的表達上，我們運用形態和結構仿生的設計方法，采用膜結構、剝殼結構、懸索結構的物理學優勢做分解、重組、重復的變形。在外觀看起來千篇一律的高層仿生建筑群中“存異”，尋找特點和辨識度。

2）表皮的透明性和邊界的模糊

表皮在仙臺中心的作用于視覺和節能有關，正是伊東將表皮弱化，模糊了室內外的邊界，使建筑的獨特結構被推到視覺前臺。這同樣適用于建筑與建筑之間關系的處理上，邊界的模糊致使整片仿生建筑群不再冰冷、孤立，使得建筑間的流動性加強。

3. 整體城市狀態

城市中現存的熱島效應現象近乎白蟻巢穴的散熱原理。未來城市構想中建筑單體的熱空氣也是向上排出。仿生動態建筑的特性之一就是把景觀引進建筑，利用植物的光合作用消耗部分的二氧化碳，同時也能加強建筑間氣流的流動，達到自循環的平衡效果，緩解熱島效應。（圖9）

（三）計算機輔助在未來城市中的應用

在未來城市的構建中，利用VR技術模擬城市的整體狀態。讓人們在視覺、聽覺、觸覺等方面對未來城市有真實的體驗和感受。同時，在未來城市規劃中也有更大程度的應用，例如用在城市的整體規劃、在植物引入方面虛擬不同季節等。扎哈、蓋里等非線性大師慣用的設計方法，利用計算機內部程序生成建筑形體。但是要注意，在利用計算機手段生成建筑的同時注意與內部秩序相結合，讓設計理念和過程引導其過程，不要用計算機來“做”設計。

四、結語

本文基于現存的的社會問題，結合現在常用的仿生設計手法以及高層動態建筑的發展現狀，創新性的提出未來城市發展趨勢的假想。但是這種新思路也存在如下問題：（1）安全問題，安全需求在馬斯洛需求理論中占第二位，仿生動態建筑可能因層高過高，比如地震發生時的逃生問題，以及如何保證較高樓層內部人員日常的安全問題。（2）煙囪效應帶來的負面影響。（3）底層和高層溫差大。在以后的研究中，我會繼續從運用仿生設計理論和計算機技術，去尋求這些問題的解決方案。因本文提出的個人觀點較多，如有錯誤，還請各位讀者和研究者批評指正！在此表示衷心的感謝！■