建筑中的生物智慧

解笑棠

模仿自然界生物的運作方式，能夠為人類節約10倍、100倍甚至10000倍的資源。

蛛絲和火甲蟲

位于蜘蛛腹部的腺體可分泌出6種不同的細絲原料，編織在一起變成蛛絲。這種絲線具有獨特的高強度與延展性，比所有人造纖維都要強韌。一位材料學家形象地描述蛛絲的強度和韌性：“如果用鉛筆桿粗細的蛛絲來結張大網，這張網甚至可能攔截住一架飛行中的波音747。”

在人造纖維中，最接近蛛絲特性的纖維材料叫做芳綸纖維，雖然其韌性仍不及蛛絲，但強度可與蛛絲相媲美。然而，要造出芳綸纖維，需要極端的壓力和極高的溫度，會嚴重污染環境。而相比之下，蜘蛛卻能在再普通不過的環境中，在常溫常壓下利用死蒼蠅和水作原料輕松造出這類纖維。

一種黑色火甲蟲擁有不同尋常的“紅外探測器”。“探測器”薄薄的角質層中充滿了水，當外界溫度升高，角質層中的水會突然膨脹，膨脹帶來的壓力變化隨即會被高敏感的機械感覺細胞所感知。利用這個原理，火甲蟲可以探測到遠在80千米外的森林火災，功力大約是人造火災探測范圍的10000倍。更重要的是，這個小家伙不需要電線，不需要連接使用燃料的發電機，格外節省資源。

火箭、超級計算機、衛星、太空站、人工智能……盡管現在，人類科技已高度發達，但從蛛絲和火甲蟲的例子可看出，我們依然需要向大自然取經，達到提高基本資源使用率、循環利用資源的目的。

泡泡建筑

植物和動物細胞里充滿了氣體或液體，借鑒細胞這個原理，建筑師設計出了一系列新穎別致的充氣充液的體育建筑。這樣的建筑明亮透氣，結構曲線自然優美，且綠色環保。

與細胞原理類似的，還有肥皂泡的“泡泡建筑”。“泡泡建筑”不僅明亮透氣，還可以通過改變泡泡直徑，以適應任何凸凹不平的地面，擺脫地面形態的限制。也就是說，建筑師能夠在任何復雜地面上，“吹”出自己的“泡泡建筑”英國建筑設計師邁克爾·波林和伙伴們在“伊甸園計劃”中就發揮了泡泡不挑地面形態的優勢。

在“伊甸園計劃”項目中，建筑師們需要建立一個巨型溫室。溫室所處的建筑環境異常復雜，不僅不規則，而且還在不斷變化，因為當地仍在不斷開采當中，他們便采用了“泡泡建筑”。“泡泡”結構既能很好契合當地地形特點，減少地形不確定帶來的麻煩，又能保證建筑的采光設計達到最優。

不過，粗略地確定“泡泡”形狀遠遠不夠。真正的肥皂泡泡外表面是巨大的球面結構。總不能粗暴地用巨大的空心玻璃球吧？這在技術上幾乎無法實現。于是，他們將球狀曲面看成由若干個有規則“小泡泡單元”相加起來的組合。這樣一來，設計圓頂的問題就轉變為尋找支撐性更強的小部分的幾何圖形問題。

花粉、放射蟲和足球烯

究竟什么樣的多邊形拼起來才能夠組成一個巨大的、近乎完美的球形曲面呢？科學家把大自然看作樣本，參考一些生物精妙的結構設計來制定計劃，既方便，又靠譜。

在顯微鏡下，花粉顆粒是由六邊形組成的球體。足球烯也是這樣，足球烯是碳元素的一種同素異形體，分子結構為球形32面體，由60個碳原子通過20個六元環和12個五元環連接而成，像一只足球。放射蟲，一類渾身上下長滿骨針和偽足的海洋單細胞動物，它們外形結構十分精美靈巧，堪稱“天然的藝術形態”，同樣有五邊形和六邊形組成的球狀結構。

受這些自然生物的啟發，建筑師團隊選擇了正五邊形和正六邊形這兩種最簡單，拼合后最接近于球體的結構作為小泡泡單元。而計算機數值模擬也支持了這一結論。并且，善于觀察的建筑師又學習了蜻蜓透明翅膀的結構特點，成功解決了小泡泡單元之間的鏈接問題，極大地縮減了鋼材的使用數量，節約了資源。

意外收獲

不過，要想更高效使用資源和能源，必須重新考慮制造“小泡泡”單元的材料，因為玻璃延展性不高，無法將六邊形單位面積做到最大。同時，又考慮到溫室封閉式薄膜的特點，建筑師最終決定采用可替代玻璃的一種高強度聚合物材料ETFE。他們把這種材料做成三層，將邊緣處焊接起來，然后充氣。

這種多層材料的單元面積能夠達到玻璃的7倍大，重量卻僅為雙層玻璃的百分之一，所用材料也僅為雙層玻璃的百分之一。而且，新結構又進一步縮減了單元與單元連接處使用的鋼材數量。少一些鋼材，就多一些陽光進來。

巨型溫室收工時，建筑師欣喜地發現，溫室上方圓頂的總重量甚至低于室內空氣的重量，輕飄飄的，是個名副其實的“泡泡屋頂”。

從自然生物那里學到的技巧，不僅能實現同樣的功能，而且還可以達到事半功倍的效果。實際上，大自然有數不清的生物，都可以供建筑師參考。

動物骨架和大樹

20世紀30年代，一位西班牙建筑師曾在巴塞爾市的一次建筑任務中突發奇想，仿照動物身體的骨架，改造了咖啡廳天花板上的鋼架設計。這種模擬生物骨骼結構的建筑取得了良好的效果，不僅符合受力特性，而且還具有賞心悅目的外觀。

1992年國際博覽會的科威特展覽館，其屋頂是可自由閉合的結構，也是模仿動物關節設計而成的。在夜間，屋頂可以敞開，露出布滿繁星的天空，供人類進行各種聚會活動。

在結構設計生物模擬方面，樹狀結構也是建筑師常用來參考的結構，因為比較簡單。許多建筑師仿照樹狀結構的特點，在房屋中央設置主要的承重結構，四周則模仿樹杈的生長機理，設計成懸空的樓板，外表用幕墻裝飾，造出的建筑別有一番風味。

這個既美麗又高效的世界值得我們不斷探索。