建筑設計中仿生設計元素的應用研究

聶延博

（中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

現階段，我國的經濟快速發展，人們對生活質量的要求也日益提高。如今能源發布不均勻以及人均資源占有量低的情況非常明顯，公共交通、工業生產和建筑消耗的能源也比較多，就面臨著環境污染和能源消耗兩大問題。有相關的數據資料表明，我國現階段建筑消耗的能源占總能源消耗的25%，如果相關部門不大力氣發展建筑行業的節能環保，減少能源的消耗，則會因為經濟的快速發展使建筑行業能源消耗速度加快。所以，我國急需解決建筑方面對能源的消耗，創造出綠色節能的建筑方式。因而，相關的研究人員和建筑師應該學習和探究相關的建筑理論，大力發展仿生建筑，學習和模仿生物的結構、形態和功能等，建造生態建造，為建筑行業的發展做出貢獻。仿生建設設計“蟲洞圖書館”如圖1所示。

圖1 仿生建設設計“蟲洞圖書館”

1 仿生設計理念

仿生設計就是從人性化設計的角度出發進行模仿設計的。仿生設計的主要內容就是通過模仿自然界中的一些生物的獨特形態或特有的功能、結構等等，隨后獲取設計的靈感，設計出符合人們需求的產品。仿生這個詞語大概是從20世紀60年代初才開始使用的，在希臘文中是有著生命的含義[1]。到目前為止，自然界中各類生物的結構和功能特點遠遠超過人工智能技術生成的機械設備結構。這些生物是由自然界所創造的，與自然早已融為一體，選擇了最適合與自然共處的身體構造。仿生學便是通過參考生物所具有的特點，利用施工材料進行模仿刻制等，使所設計的產品與自然融為一體。仿生設計學是將仿生學和設計學進行有機結合，在二者基礎上發展而來的。而且仿生設計學所涉及的學科還是比較多的，有電子學、生物學、工程學、數學、控制論、美學等。其主要是從自然界中的生物形態、功能等來尋找設計思路，創造出新的技術等。近幾年，仿生設計學在建筑設計中不斷發展，應用的地方也越來越多。在建筑領域中研究仿生設計學是有一定目的的，建筑設計可以應用仿生設計帶來的靈感，創造出更符合現代發展的建筑方式，并且有利于創造出與自然和諧相處的環境，維持生態平衡。自然界中的各種生物是人類最好的導師，會給人類帶來無限的啟發和益處。建筑中仿生學的應用不是簡單的進行效仿，而是想要把動物以及植物的生長規律等與建筑設計想融合，與建筑自身的特點進行結婚，讓建筑富有新意的同時能夠與環境適應。因此，仿生學關鍵是對生物系統的結構和特征等進行科學研究，為建筑設計給予新的設計方案理念；將仿生學的相關原理應用到建筑領域中，又把其稱為仿生建筑，通過模仿生物的結構，形態，功能等來設計建筑，造就出更多外型新奇、構造合理、特性優質的建筑。

2 我國建筑設計中仿生元素的運用

建筑仿生，是通過利用自然界中生物的生命特征或者組織結構來進行模仿設計建筑，運用這類原理進行工程建筑設計，提供更多的設計理念，可以加快建筑行業的蓬勃發展。仿生學也為建筑設計行業提供了新的活力和動力，它是在科學合理的基礎上設計建筑結構，更加注重當代的藝術美學和獨特的結構設計[2]。近些年，在我國仿生建筑學的，一些商業步行街和小區都選用了仿生建筑的核心理念，設計出與眾不同的造型設和強有力的視覺沖擊，帶給人們不一樣的美感。而建筑設計也帶給了仿生學一個新的發展前景和發展平臺，也提升和完善了建筑方面的設計，能夠與自然和諧相處，建設出一個和諧發展的社會。隨著時代的變遷和科技的進步，人們已經慢慢擺脫了傳統式大廈結構的設計，向更具時代感和活力的角度來發展建筑。仿生學與建筑設計密切相關，一同推動了仿生建筑的發展。建筑仿生設計所研究的具體內容非常的多，其研究范圍也較廣，因為仿生學和建筑設計內容與很多學科課程均有聯系，所以建筑仿生設計的內容也是劃分得比較具體詳細的。根據建筑設計中的對不同生物系統的模擬應用，將建筑仿生設計的具體內容進行劃分，主要有3個方面，即結構仿生、形態仿生和功能仿生。結構仿生，就是通過模仿自然界中生物的內部結構系統來進行建筑設計，這建筑結構設計的關鍵元素，比如模仿植物的莖葉結構，動物身體結構，肌肉結構等進行設計；形態仿生，是通過模仿自然界中生物的外部形態以及象征寓意等，并且讓其經過相關技術處理之后運用于建筑設計；功能仿生，是通過對自然界生物系統的功能園林進行模仿，并運用這種基本原理改善目前的建筑方式或創建新的工藝技術，進而推動建筑技術的更新發展。仿生建筑“貝殼酒店”如圖2所示。

圖2 仿生建筑“貝殼酒店”

2.1 結構仿生

生物為了更好地生活以及在自然界中發展，就必須做到去抵御會帶來干擾的外力，努力融入所賴以生存的自然環境中，所以生物在長久的發展歷程中自然就產生最有效、最平穩的結構。羽茅草和禾本科植物的長葉往往卷曲成筒形或殼形，香蒲植物的葉是螺旋狀等，都在不斷啟示人類去探索空間結構的奧秘[3]。傳統建筑的梁板支撐體系已不是一種經濟實惠的結構形式，而且不能滿足現代社會對大跨度空間的需求。于是仿生空間結構幫助建筑設計師解決了難題。據統計，二次大戰以來，各國舉辦奧林匹克運動會而建造的體育館，有60%以上采用薄壁空間結構。

2.2 形態仿生

建筑的形態仿生多以合理的結構作為前提條件，如海豚式的火車頭、水滴型油罐等，的是以合理的結構作為基礎，創造出簡約輕快的美學形態。在仿生生物形態的同時，也有可能與其唯美形態引喻聯絡在一起。例如，美國肯尼迪候機場的設計，就是通過仿生殼體，但設計者并不是簡易地開展形態仿生，而是將幾個殼體進行結合，構造出展翅翱翔的鵬鳥。這類形態的仿生與飛機飛行相符合，其包含著深刻的喻意，也是一個優秀的建筑設計作品。美國肯尼迪候機場如圖3所示。

圖3 美國肯尼迪候機場

2.3 功能仿生

自然界中的生物對結構等進行巧妙的設計，其最終就是為了功能的實現而服務的。甚至有的生物系統的結構還是有多種功能的。竹子的結構是空心的，它既需要支撐起自身，還需要成為輸送營養物質的管道。甘庶是一年生植物，它的生命周期是比較短的，因此甘庶的周邊是薄壁承重結構，而莖芯是填充物[4]。通過以上可以發現，結構與功能的聯系是非常緊密的，而這些生物的特點也可以將其運用于房屋建筑和工程項目中的施工中。近些年，摩天大樓如雨后春筍般在各國不斷涌現，許多都是選用薄壁圓筒做為承重結構，圓筒內布局電梯或者是樓梯例如，第一聯邦銀行的大樓有60樓，從外觀設計上可以看得出，多層建筑高樓中帶有竹節的結構，這類層級水平結構可以和設備層結構，把功能與結構進行統一。

3 建筑中應用仿生元素的意義

3.1 在建筑中應用仿生設計可帶動文化經和濟的發展及有保護生態環境的作用

很多著名科學家推測，21世紀之后全球的文化中心將會轉移到我國，因為中國有著幾千年的歷史和悠久的文化。因而，相關的學者和建筑設計師是需要擔負起承繼和弘揚華夏文明中出色的建筑理念的重大責任，其中仿生建筑就是一個有效的表現方式。建筑仿生學就是建筑設計師通過學習和模仿生物系統的方法，通過此來搭建綠色生態建筑，更好地與自然環境融合。我國目前經濟發展比較快，能源分布不均勻，并且公共交通、工業生產和建筑行業消耗的能源比較多，面臨著能源短缺和環境污染的問題。相關資料表明，我國現階段建筑領域中所消耗的能源占比較大，如果不大力推廣環保建筑的方式，那么隨著經濟發展速度的持續增加，建筑領域的能源消耗也會不斷增加。現階段，在我國各地科研單位和設計單位等都在積極開展環保節能建筑的研究，努力推動和發展環保節能建筑。

3.2 在建筑中應用仿生元素可以為設計師提供靈感和思路

對于建筑設計師來說，仿生元素在建筑行業的應用為其提供了新思維方式和靈感。建筑設計師可以從生物上獲得設計靈感，更好地進行建筑外觀、構造、功能等各個方面的設計，或者將生物象征的意義作為設計思路。

4 建筑設計中仿生元素運用的發展前景

仿生元素是建筑設計進行創造的一個源泉，在模仿中進行創造，以此設計出更為美觀實用的設計，滿足人們對建筑的精神和物質上的需求。到現在為止經過科學研究，人類已經看到了很多生物的奧秘，并會將其應用到建筑的設計創造時。當仿生學變成一門課程后，更多的生物原理被使用到設計和創造中[5]。大自然中存在許多未被發掘的奧秘，人類每發覺一個奧秘，其就有可能變成新設計，或是發現給人類提供更好的生活一種方法。自然界是在不斷變化的，其中的生物體也在不斷的進化，存在于生物體的很多奧秘都有待人類探索。所以，就目前來說，人類對于自然界中生物體的研究是遠遠不夠的，需要更多的專業人士去探索和研究，為建筑設計提供新的設計思路，，創造出新設計，使建筑更好地與自然融合，實現可持續發展。海膽仿生木質亭如圖4所示。

圖4 海膽仿生木質亭

5 結語

從上文的論述中可以看出，仿生建筑在建筑設計行業的應用前景十分寬闊，仿生設計元素在建筑設計中的運用會使建筑行業變得更加豐富。伴隨著建筑工程技術的不斷發展和建筑設計水平的不斷提高，仿生建筑在建筑領域會得到蓬勃發展。