大數據環境下仿生方法在建筑結構設計中的應用

王希偉 唐璇

摘 要：大數據技術的發展為建筑結構設計提供了數字化模型。仿生方法在建筑結構設計中應用拓展建筑結構空間、豐富建筑結構設計元素，為人們提供了個性化的建筑。文章立足于大數據視角，分析仿生方法在現代建筑結構設計中的應用價值，分析仿生方法的應用種類，最后提出仿生方法在建筑結構設計中的具體應用策略，以此為建筑結構設計提供創新思路。

關鍵詞：大數據;仿生方法;建筑結構設計;BIM

0 引言

隨著大數據技術的不斷發展，尤其是BIM在現代建筑結構設計中的應用，建筑仿生成為新時代建筑學領域的新潮流。建筑仿生是根據自然與社會生態規律，結合生物學、美學以及信息學，將建筑結構、功能與自然生態環境進行綜合搭配，實現建筑工程的生態效益、經濟效益以及社會效益的有機結合。仿真建筑結構設計是“生態+科技+創意”的體現，基于社會對建筑工程多元化需求的不斷增長，仿生建筑設計理念成為現代建筑設計的內在創新驅動。

1 大數據環境下仿生方法在建筑結構設計中的應用價值

仿生方法顧名思義就是將大數據技術模仿自然生態環境中的景物等運用到建筑設計中。隨著大數據技術的發展，尤其是BIM技術為仿生設計提供了有力的技術支撐。例如位于江蘇昆山開發區的昆山電子展示館，是一座充滿科技感的場館，其設計就是充分融合了仿生技術，利用計算機技術將建筑工程的各項元素進行參數化調整^[1]。該建筑的造型以圓形為母題，通過運用BIM技術綜合環境分析、風速測試、陰影計算等對該建筑形態進行優化，從而形成科學的設計方案，通過BIM模型檢驗，該方案實現了與當地環境的有效搭配，尤其是規避了與周圍環境不相容的問題。

通過實踐調查，仿生方法在現代建筑結構設計中的應用具有重要的價值：首先隨著大數據技術的發展，利用仿生方法能夠有效地實現綠色設計理念。BIM技術環境下的建筑設計更加突出綠色理念，例如通過BIM技術可以將建筑結構設計的各項參數進行優化計算，以此達到最準確的設計方案，避免后期出現設計調整;其次將仿生方法運用到建筑設計中能夠體現虛擬設計的價值。近些年，隨著虛擬技術的發展，將虛擬技術應用到結構設計中能夠體現建筑設計的審美理念。而仿生方法則是借助虛擬技術，利用三維動畫的設計手段，將建筑功能與生態環境要素相結合，從而達到建筑工程綠化發展的要求。例如在建筑結構設計中通過引入PRIOVR可以讓人們通過自然行動體驗虛擬現實環境，讓人們按照自然環境的場景實施建筑結構設計。

2 大數據環境下仿生方法在建筑結構設計中的類型

基于大數據與仿生方法的融合催生建筑結構設計的數字化發展。仿生建筑主要通過研究有機生物生理、結構、行為作為建筑結構設計的靈感來源，其通過對大數據技術的運用力求實現建筑與外部多變環境因素的融合，以此滿足人類高品質的需求。例如歐洲最著名的斯圖加特大學Elytra展廳就是將甲蟲纖維結構轉化為建筑結構，以甲蟲的前翅結構為起點，將輕質生物纖維結構轉化為建筑結構，由自動化機器人制作，以編織的手法將其轉化為更強韌的結構單元體。一個個如細胞般的單體被串聯在一起，創造了造型獨特的Elytra展廳。結合調查在大數據技術的推動下，仿生方法在建筑結構設計中的應用類型主要包括：（1）筒體結構。筒體結構是建筑結構設計的重要內容，也是建筑工程最常見的構造。筒體結構的設計理念主要是來源于自然界竹子的特點。竹子在生長的過程中需要承受風載與自重荷載雙重壓力，但是其不容易被折斷，原因就是其內部空間的圓形結構能夠承受較高的壓力。因此將竹子的負載壓力引入建筑筒體結構中，能夠增強建筑工程結構的剛度。例如設計人員在設計時通過利用BIM平臺對建筑工程的受力元素進行優化，以此準確核算建筑筒體結構的空間布局與支柱布局位置。比如天津的津塔就是仿照竹子受力特點，利用BIM軟件系統設計混凝土支柱、剪力墻以及外伸臂相結合的結構。（2）懸索結構。懸索結構是源于蜘蛛網。蜘蛛網的結構比較強，尤其是能夠承受諸多應力的沖擊。蜘蛛網內部的受力點配置比較均勻。因此，在現代建筑設計中，設計人員通過虛擬技術對蜘蛛網的網狀張力進行參數優化，從而有效地提升了建筑結構的柔性度。德國著名建筑師和工程師奧托設計的德國奧運會的奧林匹克中心也是采用這種結構，由網索支撐的帳篷似覆蓋物覆蓋體育場、體育館、游泳館設施，使其成為整體，不但結構合理，而且取得了經濟和造型的雙贏。索網結構一般應用在大型臨時性建筑^[2]。（3）殼結構。自然界中薄殼狀的物質通常具備曲度均勻、質地輕盈的特點，此種弧狀曲面能夠有效分散外部的作用力，提高建筑物的承載力，同時在確保建設較大空間的基礎上減少建材的使用量，通常在設計大型場館時應采用薄殼結構的設計方法。例如，天津博物館便是應用了仿生方法，利用網殼體結構有效提高了建筑空間的使用率。（4）膜結構。植物細胞的泡狀結構原理也可以應用到建筑結構的設計中，膜結構主要應用了薄膜材料，將薄膜材料進行張拉進而形成一種能夠跨越較大空間的建筑結構。例如，德國的安聯球場便是應用了膜結構，該體育場的表面應用了2 874個膜結構，且膜結構的形狀為菱形，同時選擇網架結構為支撐。膜結構具有良好的防水防火、隔熱、自清潔的優點，并且在菱形膜結構中持續保持350 Pa的大氣壓，使得安聯球場的外觀看起來更像是一個橡皮艇，不僅滿足了體育場的基本建設功能，還提高了美觀度^[3]。

3 大數據環境下仿生方法在建筑結構設計中的具體應用策略

仿生方法應用于建筑功能的主要目標是使建筑與環境形成一種良性的循環系統，同時將生物結構特點與建筑技術進行合理的融合，最終建設生態型建筑。

3.1 運用BIM軟件，修改仿生形態參數

將仿生方法運用到建筑結構設計中需要本著綠色、創新的理念，實現建筑工程與自然生態環境的和諧發展。由于仿生方法在建筑結構設計中的運用要求合理設計仿生對象的特點，實現高品質的建筑功能。無數案例表明仿生方法在建筑結構設計中的運用需要設計人員關注參數計算工作，保證設計方案的每項數據準確無誤。尤其是裝配式建筑的發展，設計人員在運用仿生方法時需要融合BIM軟件系統，利用BIM軟件系統對設計參數進行優化調整。在建筑結構仿生設計中，通過對有機生物結構的模仿可以有效提升建筑結構的質量。例如北京水立方體育館就是通過對大自然中常見水滴的分析，構建了一個三維立體空間，雖然從外面看屬于較為薄弱的結構體系，但是其內部有著科學的鋼結構作為支撐，有效地滿足了空間擴大的需求。而水立方體育館的設計主要是在運用仿生方法的同時通過BIM軟件系統進行虛擬模型，以此優化鋼結構的設置空間。

3.2 構建虛擬仿生系統，實現可視化設計

將仿生方法應用到建筑結構設計中的關鍵就是要實現仿生方法與信息技術的融合，通過對有機生物生理、結構以及行為的數字化處理，實現仿生方法與建筑結構設計的融合。在現代建筑結構設計中，必須要利用BIM技術實現對仿生方法設計過程的可視化操作。例如高層建筑結構的設計中，由于高層樓層越來越高，為了實現低碳、綠色的設計理念需要考慮高層樓高與周圍環境的沖突。例如樓層過高會導致高層樓受力較大，影響人們的居住。所以在具體的設計時需要利用BIM軟件對高層結構設計進行可視化模擬操作。例如可以將設計的建筑參數化計算，以此檢驗高層建筑對周圍環境的影響，以此不斷優化高層結構設計方案。

為了增強建筑結構的環保性，可以利用仿生方法設計建筑環保材料。現階段，建筑材料的研發與生物界有著密切的聯系，例如，模仿蜂巢的建造結構創造出了蜂窩板，使其具有了強度高、薄壁輕質、穩定性好等優點。并且在此基礎上又創新出了石材蜂窩板，將蜂窩建造的結構與石材相結合，有效降低了制作石材板所要消耗的材料，降低了建筑建設成本。除此之外，人們結合蜂巢的特點創造出了空心磚、泡沫混凝土等建筑材料，此類材料均具有良好的保溫、隔音性能，屬于環保綠色型的新型建材^[4]。

總之，基于大數據技術的不斷發展，仿生方法在建筑結構設計中主要應用于建筑的外觀、材料、結構以及工程方面，為了充分發揮仿生方法的應用價值，在運用仿生方法時需要融合大數據技術，依托BIM軟件系統實現建筑結構設計方案的科學化與合理化，達到建筑工程與生態環境的有效融合。

作者簡介：王希偉（1982— ），男，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士;研究方向：土木工程施工、設計和鑒定檢測。

[參考文獻]

[1]高峰，孫梅，任芊芊，等.生物仿生技術在建筑工程領域的應用與進展[J].科技視界，2019（8）：204-205.

[2]馬鯤飛.大數據環境下仿生方法在建筑結構設計中的應用[J].江西建材，2019（7）：82.

[3]王立防.仿生設計在商業展示空間中的應用研究[D].徐州：中國礦業大學，2020.

[4]王磊.基于BIM技術在建筑工程結構設計中的推展應用分析[J].建筑技術開發，2020（8）：14-15.

（編輯?王永超）

Application of bionic method to building structure design

in Big Data environment

Wang Xiwei¹， Tang Xuan²

（1. Harbin Vocational and Technical College， Harbin 150000， China; 2. Heilongjiang University， Harbin 150000， China）

Abstract：The development of Big Data technology provides a digital model for architectural structure design. The application of bionic method to architectural structure design expands architectural structure space， enriches architectural structure design elements， and provides people with personalized architecture. Based on the perspective of Big Data， this paper analyzes the application value of bionic method in modern architectural structure design， analyzes the application types of bionic method， and finally puts forward specific application strategies of bionic method in architectural structure design， so as to provide innovative ideas for architectural structure design.

Key words：Big Data; bionic method; architectural structural design; BIM