論仿生學在建筑設計中的應用

段 少 飛

(山西中方森特建筑工程設計研究院,山西 太原 030002)

改革開放以后，我國經濟加速發展，人們的生活質量也在不斷改善，人們對現代建筑設計提出了更高要求，不僅建筑質量要符合相關標準，其功能也要更為齊全，且在建筑藝術形態上也有著更新的要求。仿生學作為一門相對獨立的學科，隨著社會的進步其相關技術日趨成熟，將其與藝術設計融合起來，能夠更好的提升建筑美感，凸顯時代風格。

1 仿生學的含義

仿生學主要研究的是生物體的工作原理、功能以及結構特征等內容，屬于一種邊緣性科學。在現今工業快速發展中，通過仿生學的應用，能夠更好的進行技術創新，實現設備儀器的改良與優化，有效的改善生產質量和效率，增強我國的綜合競爭實力。將仿生學應用到設計領域中，能夠更好的開拓人們視野，增強設計作品的生命力，尤其在建筑設計領域中的應用，能夠將生物自身的結構、性能等特征引入其中，完善整體建筑的美觀性、功能性和實用性，并減少資源的過度浪費，實現建筑設計的優化改革。

2 仿生學與建筑設計的關系

仿生學同建筑設計之間是相輔相成，共同依存的關系。仿生學主要研究生物的一些體征、結構等內容，將這些特征應用到建筑設計中，能夠起到豐富和促進建筑設計發展的作用。同時仿生學具有一定的生命體征，能夠為建筑設計帶來新的活力，進而在滿足建筑基本要求的前提下，更好的提升其美學效果，優化建筑整體設計風格，符合時代發展特征。

在近幾年的發展中，一些城市的商業街建筑開始將仿生學應用其中，其不僅在外觀上能夠帶給人較大的視覺沖擊，在結構造型上，也能夠給人們一種耳目一新的感覺，提升整體的審美層次。另外，在建筑設計中應用仿生學概念，還能夠為仿生學的發展提供一個更好的平臺和方向，實現人、自然和社會三者之間的共同發展，為和諧社會的建設提供幫助。隨著社會節奏的加快，人們的生活壓力也逐漸增大，對于建筑的要求也更加趨向于同自然之間的連接方面，以緩解發展本身的壓力。而通過仿生學的應用，則能夠有效的實現這一目標，進而為仿生建筑的進步提供充足動力。

3 建筑設計中仿生學的應用

3.1 建筑形式仿生

現代建筑形式不再僅局限于對美學的表達，也更加追求對現代城市發展趨勢的闡述。通過仿生學的應用能夠為設計者們提供更多的創作靈感，豐富設計內容，在賦予建筑以靈魂的基礎上，給人們不同的視覺享受。從設計手法上來看，目前建筑形式中的仿生學類型，其實際主要可以分為以下兩種：

1)象形仿生設計。這種仿生設計方法對自然界的生物體外觀進行藝術加工，并將加工后的元素應用于現代建筑設計中。例如，北京的鳥巢體育場就是將自然界的鳥巢直接應用到現實中的典型例子；或者美國芝加哥的瑪麗娜城大廈，也是將自然界中玉米的形象應用其中，被人們譽為玉米樓。該類型仿生設計的優勢在于：一方面能夠加強建筑空間布局的靈活性，另一方面也豐富了建筑的造型設計，提升了建筑的美感，見圖1，圖2。

2)抽象仿生設計。抽象仿生設計是在確保建筑外形設計的基礎上，賦予建筑更深層次的內涵。可以說這些設計風格是將當地的文化風俗同建筑設計緊密的融合在了一起，進一步凸顯了城市的文化。例如，美國的自由女神像，就是直接利用人體藝術形態展現人們對自由、和平的向往；希臘的多利克柱式建筑集中展現了男性陽剛之美，愛奧尼克柱式建筑則體現了女性的陰柔之韻。

3.2 建筑結構仿生

建筑結構仿生設計的應用能夠為建筑設計提供更加多變、合理、有效的結構形式，為建筑空間布局和設計提供更多有利條件。現階段的建筑仿生發展中，建筑結構仿生設計主要有六種形式，分別為筒體結構、螺旋結構、懸索結構、網架結構、殼體結構和膜結構。以下就將對懸索、殼體以及膜結構予以簡要分析。

1)懸索結構。這種結構主要應用柔性拉索承受建筑荷載，常用材料有鋼絲繩、鋼絲束和鋼索等，這些材料具有共同的特點，其受拉性較強，故而也可采用其他性能類似的材料。這種結構在體育館、廠房和橋梁的建設之中應用較為廣泛，如生米大橋等。通過拉索自身力學特征的發揮，可以承受橋梁所受到的所有荷載，以此保證橋梁的穩定性。而這一理念的設計靈感則來源于自然界中的蛛絲和藤條。2)殼體結構。殼體結構的靈感主要來源于自然界中蛋殼和貝殼等物質形態，由于這類材料具有壁薄、張力好等特征，在外力的作用下，能夠更好的將外力沿著不同方向進行分解，減少破損等問題的出現。將其應用在建筑設計中，能夠更好的提高建筑的整體性能和美觀度。例如，悉尼歌劇院，一個半徑在75 m左右的球面上就有近13個殼體群，這不僅帶給人們不一樣的視覺感受，還更好的提高了建筑的實用價值。同時，通過這些蛋殼和貝殼類材料的建筑造型，還可大大增強建筑的獨特性，更好的凸顯建筑的仿生設計。3)膜結構。由于自然界中存在較多的膜結構，如細胞膜、肥皂泡沫等，而這些膜結構在外力的作用下，能夠形成一種脹壓模式，保護自身結構的穩定性。將其應用在仿生建筑設計中，能夠更好的將外力予以化解，將力均勻的呈現在結構表面上。同時由于膜結構自身的重量較輕，使用的材料也較少，能夠有效降低其對地基的壓力，保證空間結構的質量。如北京水立方游泳館就是膜結構的代表性建筑。

3.3 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是對自然界中生物的功能原理進行研究，并將其應用在實際建筑中。例如，竹子是一種空心的植物形態，其自身的功能不僅僅是承受自身荷載的一種承重“構件”，也是運輸養分的“管道”，竹子的這種結構功能在筒體結構形式的建筑中應用相對廣泛。建筑功能仿生以自然界生物功能研究為基礎，科學地將原理應用于現代建筑設計中，如竹子是一種空心植物，竹子本身是能夠承重的構件，同時其也是運送養料的主要路徑。竹子的這種結構特點在建筑設計當中也有著較為廣泛的應用。與建筑結構仿生相比，建筑功能仿生起步晚，在仿生建筑設計方面還不夠完善，不過隨著社會發展以及人們生活質量的提升，其在建筑設計中也將得到更好的應用，而這對增強建筑功能性以及滿足人們對物質文化的需求有著顯著意義。例如，法國孚日山區朗香教堂的設計，其屋頂的設計靈感主要來源于蟹殼，通過降屋頂的設計，使屋頂像蟹殼一樣向上彎曲，讓薄材料自身的力學張力和堅韌性能得到延展，提升整個屋頂的效果。同時，該教堂的平面是通過對人耳的模擬來實現的，象征著上帝可以傾聽信徒的祈禱，該類型的設計結構可為人們營造一種神秘高貴的氛圍。

3.4 建筑材料仿生

在建筑行業快速發展的今天，建筑材料也得到了一定的進步。建筑材料仿生是通過對自然界中生物軀體結構以及物質形態的仿照，研究出的新型建筑材料，從而實現建筑節能效果。比如，通過對蟻穴等建筑形態的研究，創造出的加氣混凝土、泡沫混凝土等材料，將其應用在建筑墻體施工中，不僅能夠有效減輕隔墻自重，還起到了良好的保溫隔熱、降低噪聲污染的作用；而將這類材料應用在梁板結構施工中，除了可以減輕結構自重外，還可以減少混凝土的用量，實現資源節約的目的，減少成本支出。此外，將自然界中的纖維素類物質應用在建筑材料設計中，能夠創造出更多的高分子材料。這主要是由于纖維素自身具有較高的強度、質量輕、塑性韌性較好等特征，通過加工后，能夠使建筑材料具有較高的耐火和耐用性，有效提高建筑質量。例如，美國研制了一種玻璃纖維瓦，其結構材料是由有機纖維玻璃薄墊物構成的，故而有較好的耐用性及耐火性。

4 結語

將仿生學應用在建筑設計中，不僅可以為建筑設計提供更多的靈感和素材，還能充分展現建筑的美學效果，賦予建筑更多的內涵，促進建筑、人與自然之間的有效融合，從而實現城市的發展以及文化的傳承。雖然目前仿生學的應用還處在初級階段，不過相信在未來的發展中，其將會成為建筑設計的主流趨勢，為實現節能化、智能化、生態化的建筑目標貢獻力量。