會呼吸的建筑

摘要：仿生學(xué)作為新興學(xué)科，對設(shè)計學(xué)產(chǎn)生了很大的影響。仿生學(xué)在建筑學(xué)上又有怎樣的應(yīng)用，在如今最流行的綠色建筑和智能建筑的概念上又有什么啟發(fā)和可能性。本文擬設(shè)計一個可通過計算機控制的智能化建筑表皮，通過靈活地、自主地控制窗戶的開合，在將人工操作量降到最低的同時，保證室內(nèi)環(huán)境舒適度，且達到低能耗、充分利用自然環(huán)境條件的效果，構(gòu)想一個如同生物呼吸一般的會“自主呼吸”的仿生建筑。

關(guān)鍵詞：仿生建筑;呼吸系統(tǒng);智能系統(tǒng)

一、前言

從古到今，仿生學(xué)雖未被人們廣泛認識，卻在人類歷史中發(fā)揮了很重要的作用。正是仿生在各個領(lǐng)域的各式各樣的應(yīng)用，緊密聯(lián)系了人類社會和自然生態(tài)，使得人與自然和諧共處。

反觀當下，所謂“現(xiàn)代化”大行其道，人們被冷冰冰的“高科技”包圍。現(xiàn)代性帶給人類苦難的根源在于“工具理性”和“人類中心主義”思想意識，它們所造成的直接后果，就是對自然的無限制掠奪和肆意破壞。

不難發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代生活中，絕大多數(shù)建筑大量運用電能及機械作用以保證室內(nèi)舒適度，帶來大量能源消費，造成大規(guī)模資源浪費和環(huán)境污染。但我們認為，若能將建筑最大化還原自然形態(tài)，使建筑物與大自然成為一個有機和諧的整體，適度利用自然循環(huán)，起到節(jié)能減排，并提高室內(nèi)舒適度的作用。

對于新時代的我們，仿生建筑將不僅僅停留在形式仿生、結(jié)構(gòu)仿生等初級階段。仿生創(chuàng)新則需要將新興科技和自然生物科學(xué)機理進行有效結(jié)合，這就要求建筑師將自然界中的生物科學(xué)元素運用到創(chuàng)作設(shè)計之中。建筑仿生學(xué)是新時代的一種潮流，今后也仍然會成為建筑創(chuàng)新的源泉和保證環(huán)境生態(tài)平衡的重要手段。

本文將應(yīng)用仿生學(xué)原理，與現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，淺析仿生學(xué)在智能建筑與綠色建筑未來發(fā)展上的應(yīng)用。

二、理念

放眼建筑發(fā)展史，每每科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新或大發(fā)展總會帶來建筑形式大變革，如十九世紀后半期工業(yè)革命帶的裝配式建筑興起，和二十世紀鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使摩天大樓拔地而起，以及現(xiàn)如今隨著新材料新技術(shù)的發(fā)展，逐漸展露出建筑智能化、節(jié)能化的苗頭。

二十一世紀這個信息時代，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑未來的發(fā)展方向?qū)撵o態(tài)的建筑變成動態(tài)的交互式建筑，甚至建筑本身還能具有一定的“自我意識”，比如擁有“感覺”氣候的冷暖變化的能力，能夠自主改變開窗朝向、幅度，以改善室內(nèi)環(huán)境，降低冷熱負荷，減少能耗;或者擁有如同人體細胞般感知和修復(fù)“自身損傷”的能力，就像我們的身體細胞能夠探測到疼痛和傷口，并能自動修復(fù)一樣[1]。

而仿生學(xué)在其中起到的作用則不僅僅是通過“仿形”為未來建筑提供更科學(xué)的建筑外形，或“仿結(jié)構(gòu)”為新型建筑結(jié)構(gòu)提供思路，更是以仿生學(xué)為應(yīng)用原則為人類提供直接的居住感受：使人類生活舒適度更高，操作更簡便，生活和工作更輕松自如;同時能讓人們感到親切感、歸屬感，建筑通過自我調(diào)節(jié)，契合房屋主人的使用習(xí)慣，達到人與建筑物良性互生的狀態(tài)[2]。

下面將根據(jù)以上理念，設(shè)想一種未來的建筑形式。

三、會呼吸的建筑

我們設(shè)想未來仿生建筑的“皮膚”由一個個類似植物保衛(wèi)細胞的微單元組成，且建筑表皮內(nèi)附有溫濕傳感器、空氣質(zhì)量檢測器等多種“感受器”，將測得的室內(nèi)外環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)傳輸給中心控制系統(tǒng)，中心控制器可對建筑表皮的微單元發(fā)出指令，對環(huán)境做出相應(yīng)的反應(yīng)。比如靈活地控制房間門窗的開合，保證室內(nèi)通風(fēng)或保溫效果，同時將人工操作量和房間冷熱能耗降到最低。這樣不僅能在人多時保證空氣質(zhì)量以及室內(nèi)溫度的穩(wěn)定;又可在人少時，減少陽光、空氣對物品的損害。就好似生物的呼吸，在運動量大、熱量高時加快呼吸，在靜止不動、寒冷時減弱呼吸。

更進一步設(shè)想，依托網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在全城范圍內(nèi)也許可以形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。不同的建筑物之間可以自主共享數(shù)據(jù)信息，共同作用，改善城市大環(huán)境，形成更綠色、更智能的城市體系。

（一）細胞

形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一是各類生物所共同遵循的基本原則[3]。在自然法則的選擇下，細胞及生命的細胞形式為了適應(yīng)不同的生存環(huán)境，已經(jīng)形成了最優(yōu)化的答卷[4]。

保衛(wèi)細胞存在于植物莖、葉等的表皮上，保衛(wèi)細胞之間的空隙就是氣孔。根據(jù)外部環(huán)境的光照強度、溫度和自身的新陳代謝程度，保衛(wèi)細胞通過膨脹和壓縮，控制氣孔開合大小，以增強或減弱光合作用和蒸騰作用。建筑表皮的“呼吸”理論在植物保衛(wèi)細胞上得到了靈感和借鑒。

首先，建筑表皮將會是由數(shù)個單體組成的“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)中的這些單體就是建筑內(nèi)部、外部用于信息交往調(diào)節(jié)的通道，對應(yīng)植物保衛(wèi)細胞中運用于物質(zhì)交換和自我調(diào)節(jié)部分的功能。因此，引入保衛(wèi)細胞（新月形）作為“呼吸”建筑表皮單元的原型。

為了能更好地將這個單體應(yīng)用于建筑中，這些單體需根據(jù)建筑需求進行變形適應(yīng)，其中一種方式就是將細胞從新月形演變成中空狀的菱形。通過菱形開口方向不同，進行對比取舍。最終形成兩種代表方式：一種為正面平面上的開口，構(gòu)件通過左右伸縮控制“氣孔”開合;另一種為側(cè)面上的開口，構(gòu)件通過前后伸縮控制“氣孔”開合（圖一）。確定了“呼吸”的基本單元后，再進一步對它進行不同形式的組合。

由于不同建筑空間采光需求的不同，需要采取不同的組合形式。如對陳列館、劇院等采光要求不高的空間，采取側(cè)面開合的方式，滿足通風(fēng)要求時不對室內(nèi)產(chǎn)生光照影響;對居室、辦公、教學(xué)等采光要求高的空間，采取平面開合的方式，彈性材料的膨脹或收縮可使得“氣孔”的大小達到采光和通風(fēng)要求。同時，應(yīng)結(jié)合建筑所在區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)、建筑本身立面設(shè)計的要求以及能源上的消耗，組合出相應(yīng)的最優(yōu)表皮形式。

（二）器官

確定了建筑表皮“細胞”的基本形態(tài)，接下來需要探討對其功能的設(shè)定。通過賦予其特定的功能，形成多種“器官”。這些“器官”就像一個個的感受器，能夠感知到外界環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境的狀態(tài)和變化。

外界環(huán)境和人的活動往往會對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響，反過來，室內(nèi)環(huán)境也會影響人們的身體狀況。例如，在較封閉的室內(nèi)環(huán)境中，溫度升高，蒸發(fā)量變大，濕度隨之升高，一般來講，健康濕度環(huán)境為45%到65%，超出健康濕度范圍，人體呼吸系統(tǒng)和黏膜會產(chǎn)生不適，免疫力下降。另外，當濕度高于65%、低于38%時，病菌繁殖滋生最快。

智能“器官”的目標就是當檢測到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)超出舒適范圍值時，可以通過調(diào)整開窗面積、朝向（被動式）或者控制設(shè)備設(shè)施（主動式）來調(diào)整室內(nèi)環(huán)境，將環(huán)境溫度控制在18℃到25℃，相對濕度在40%到70%之間。

另一方面，智能“器官”還能通過收集環(huán)境數(shù)據(jù)，合理調(diào)整空調(diào)、人工照明等電器的使用時間和功率大小，以節(jié)約能耗。

“器官”功能仿照人體感官，分為“看”“聽”“聞”和“感受”四大模塊，對應(yīng)到監(jiān)測室內(nèi)人口密度、室內(nèi)外噪音、室內(nèi)外空氣質(zhì)量和室內(nèi)外溫濕度、太陽光輻射量等建筑環(huán)境物理特征。

為達到上述功能，可使用紅外傳感器——熱成像系統(tǒng)，產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，從而判斷室內(nèi)人口密度高低，或利用OpenCV機器視覺處理庫的實時人臉識別技術(shù)[6]，識別和分析室內(nèi)人員的行為、情緒;噪聲傳感器——實時監(jiān)測外界噪聲聲壓級，判斷室外噪聲的影響程度;運用各種分光光度法和內(nèi)置微電腦激光粉塵儀，檢測空氣成分濃度和粉塵濃度，通過快速，準確的室內(nèi)氣體分析以及室外靠壁氣體環(huán)境分析，反饋室內(nèi)外空氣質(zhì)量;風(fēng)道管溫濕度傳感器——將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換電信號，能夠自動化地反饋室內(nèi)溫濕度狀況。

最終運用ZigBee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將各種傳感器的信息匯總，能夠更全面、更系統(tǒng)地反饋室內(nèi)外環(huán)境狀況。[5]

（三）系統(tǒng)

1、建筑系統(tǒng)

在生物體中能夠完成一種或幾種生理功能而組成的多個器官的總和，叫作系統(tǒng)。

建筑表皮上多種功能的“器官”，也需要一個完整的系統(tǒng)對采集到的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時的分析整理，通過中央處理器智能算法，算出最合理的反應(yīng)方式;并對建筑表皮發(fā)出反應(yīng)命令;最終，建筑表皮通過接收到的命令進行自我調(diào)整，從而保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度，并達到建筑節(jié)能的最大化。

同時智能系統(tǒng)也可根據(jù)室內(nèi)人們的行為反饋，或連接至智能手環(huán)等能夠檢測人體狀況的設(shè)備，自我完善算法，形成針對不同人的定制方案，達到人與建筑物良性互生的狀態(tài)。

2、城市系統(tǒng)

生物界中，系統(tǒng)不僅有單個生物體中完成生理功能的系統(tǒng)，還有整個人類環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)。

這里的建筑系統(tǒng)也包含了微觀和宏觀兩個方面：除了單個建筑體自身的系統(tǒng)，還有多個建筑之間，甚至整座城市之間的系統(tǒng)。

當建筑與建筑之間的環(huán)境狀態(tài)信息庫能夠共享交流時，整個城市將形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這將有利于進行城市規(guī)劃、城市建設(shè)和城市管理。充分利用建筑的多元化和層次化，讓人們更加全面、直觀地了解、整合環(huán)境信息，從而提高城市服務(wù)水平，加強城市資源利用以及能源和各類信息管理，更合理地改善人類的整體居住環(huán)境。[7]

在一定程度上，這樣的城市網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適當調(diào)節(jié)城市的小氣候，緩解城市化“熱島效應(yīng)”，降低城市與郊區(qū)的溫差，減少建筑群對自然環(huán)境的影響。

就像自然界的植物在遇到蟲害等災(zāi)害時，會向周圍的植物發(fā)出化學(xué)信號，讓周圍的植物做好防護準備，如分泌毒素等，及時抵御蟲害，避免大范圍損傷。同樣，在自然災(zāi)害突發(fā)時，城市網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也能夠做出最快速、最全面的反應(yīng)，盡可能地將城市整體的損失降到最低。（圖三）

四、總結(jié)

本文以建筑設(shè)計結(jié)合仿生節(jié)能的視角，初步探討了建筑設(shè)計仿生方法在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的發(fā)展趨勢。在科技快速發(fā)展的今天，建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料都有許多創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等概念也開始應(yīng)用于建筑上。當今的仿生建筑應(yīng)該不僅僅停留在形式仿生和結(jié)構(gòu)仿生，而應(yīng)更加傾向于功能仿生和更多的創(chuàng)新仿生。建筑依照自然形態(tài)、自然生態(tài)系統(tǒng)的原理，更好地使建筑物與大自然成為一個有機和諧的整體。這樣不僅能提高人們生活空間的舒適度、為未來建筑設(shè)計帶來更多的靈感，還能推進人與自然、人與建筑、建筑與自然的和諧相處，持續(xù)發(fā)展。

會呼吸的建筑的理念就是通過仿生呼吸系統(tǒng)，使得建筑內(nèi)部形成自我調(diào)節(jié)系統(tǒng);再結(jié)合城市，形成城市網(wǎng)絡(luò)循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種仿生策略能夠使得未來的建筑可以更好地、更自主地應(yīng)對室內(nèi)外環(huán)境的變化，尋求各種環(huán)境條件下的平衡，為人類創(chuàng)造更好的生活空間。

同時會呼吸的建筑也旨在結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)庫和建筑物聯(lián)網(wǎng)，使得建筑內(nèi)外的環(huán)境信息得到最合理、最充分的利用，最終達到高效低耗，綠色持續(xù)的發(fā)展狀態(tài)。

參考文獻：

[1]張河山.新科技推動建筑革新[J].科學(xué)導(dǎo)報，2015，58.

[2]陳芬.仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的體現(xiàn)和應(yīng)用[J].中華民居，2011（06）：15-16.

[3]翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]類細胞仿生建筑設(shè)計方法研究[J].新建筑，2016（01）：112-115.

[5]程靖淇.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的住宅空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù)，2018，35（09）：93-95.

[6]吳延峰.基于OpenCV的實時人臉識別系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].華北電力大學(xué)，2016.

[7]何炯德.新仿生建筑[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.