建筑領域的數字化仿生設計探索

■ 鄭 莉 ZHENG Li

0 引言

伴隨著經濟危機、自然災害、人口密度增長等各類社會與經濟發展的逆向阻力，人們在當今社會發展中更多地從經濟性、實用性、高效性以及創造性上尋找正向的推動力。在數字技術和仿生學越來越緊密的互動中，交融誕生的數字化仿生設計將在未來的建筑領域中扮演著不可忽視的角色。通過數字化仿生設計來組織與糅合建筑理念，對生成新的建筑形態、建筑材料、建筑結構、建筑表皮等方面有著巨大促進作用，不僅可以響應新的功能需求，甚至可以激發出新的建筑美學。

1 仿生學的誕生與發展

在美國第一屆仿生學研討會上，仿生學（Bionics）的概念被首次提出。該理論的提出者，美國學者斯蒂爾將其定義為“仿效生物系統的原理，或使其具有與生物系統相似的特性的科學”，可將其運用于技術體系，改進現有的技術工程裝備，創造新的工藝流程、自動化設備等更接近于生物系統的技術體系[1]。

基于仿生學理論發展出的仿生設計是向自然之力致敬與借力的杰出的設計手法。人類的智慧能夠創造出諸多偉大發明，但卻永遠不可能比自然法則的構建更完美，更簡潔。越是與大自然接近，越是能夠發現蘊含在大自然中的真理、精密構造與美學。對大自然的學習和研究，可以給予我們許多問題的解答。例如，科學家們通過對鯊魚皮膚構造與特性的研究，研制出連體鯊魚服，因其材料中添加了“彈性皮膚”物質，能有效控制水流，使身體繃緊，從而防止皮膚和肌肉的抖動，降低運動員在水里的阻力，極大提升游泳速度。這件泳衣的問世，讓整個國際泳壇都發生了翻天覆地的變化，一項項世界紀錄接連不斷地被打破，以至于國際游泳協會不得不在2009 年世界錦標賽后，禁止運動員使用高科技泳衣參賽，由此可見，仿生設計的威力有多么強大。

2 仿生學與建筑設計

1960 年仿生學誕生后，德國學者勒伯多于1963 年出版《建筑與仿生學》，較為全面、系統地闡明了建筑仿生學的意義、建筑學應用仿生理論的方法、建筑仿生學與生態學的關系、建筑仿生學與美學的關系等，為仿生學的發展打下了堅實的基礎。德國學者卡爾·馮·弗里施在1973 年完成了一部名為《動物的建筑藝術》的作品，該作品充分展示了不同物種的“建筑師”在捕食、筑巢等方面所做的令人驚嘆的建筑行為，為建筑師們的仿生設計注入了靈感。從20 世紀80 年代以來，隨著建筑技術的發展，在國內外的建筑設計領域出現了一批以仿生學為基礎的建筑設計與研究。例如，崔悅君于2002 年出版《創新建筑》，通過對自然界設計法則的研究，應用類比的方法從自然界中吸取靈感進行建筑設計的創新,包括發展新建筑材料和方法，開創“進化建筑學”先河；西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦將仿生學與建筑美學相結合在他的建筑設計中，創造了一系列造型獨特而優美的建筑仿生設計作品。

3 數字化仿生設計與建筑設計

3.1 數字化仿生設計

仿生學和數字化設計是數字化仿生設計中相輔相成的2 個要素，前者為思維主體，后者是實施手段。隨著社會發展、人類進步以及人類對現實生活追求的不斷提高發展，仿生學引導和誘發靈感，最終形成一種創造性設計手法——模仿自然界中生物（包括人類）的特征，并通過數字化設計來完成這一系列思維方式的系統構建，我們將之稱為數字化仿生設計[2]。數字化仿生設計的誕生，對建筑領域的理論研究、技術手法、實踐探索等層面產生的輻射影響相當之廣闊。

3.2 建筑領域的數字化仿生設計發展

伴隨著數字化仿生設計的發展，產生了大量關于其運用于建筑領域的研究。最初對中國建筑領域產生影響的當數時任麻省理工學院建筑與設計院長的威廉·J·米切爾所著的《比特之城》。該書于1995 年問世，米切爾在本書中就信息社會對都市及建筑形式的沖擊進行了較為全面的探討，并指出利用信息技術構筑“軟城市”，營造更為合乎情理的都市格局。此外，米切爾還先后發表了《建筑的邏輯》《伊托邦：數字時代的城市生活》等著作，探討數字技術對城市與建筑的作用。

美國建筑師格雷格·林恩的思想譜系中“折疊”“滴狀物”“動畫形態”“復雜”等重要概念對建筑領域的數字設計起到推進作用。林恩主張，在建筑的設計中，不僅要具備“自生”的內在動機，還要對外在的環境作出反應。他以德勒茲“游牧”和“褶皺”的哲學為基礎，在1999 年出版的作品集《動態形式》（Animate Form）等著作中探討利用數碼技術在動態的進程中發掘建筑形式的設計理念。從某種意義上來說，該理念并非以仿生性為起點，但卻在某種意義上使得整個建筑的設計過程帶有了“仿生”的趨勢[3]。

伴隨著生物等學科的發展，林恩的設計理念得到了越來越多建筑師的認可，21 世紀初期，在數字設計領域已經有了許多關于仿生建筑設計的研究。與此同時，大量介紹與提倡計算機輔助技術（CAD）、計算機輔助建造（CAM）、曲面建模技術（NURBS）、數控制造技術（CNC）等一系列建筑設計和建造輔助工具方面的數字化技術論著也在不斷涌現。布蘭科·克拉列維奇所著的《數字時代的建筑：設計與制造》闡述了CAD與CAM 技術對建筑設計與施工的影響；彼得·紹拉帕耶所著的《當代建筑與數字化設計》，以及詹姆斯·斯蒂爾所著的《當代建筑與計算機——數字設計革命中的互動》都有關于數字化技術的詳盡描述和大量的實際案例。美國建筑師弗蘭克·蓋里（Frank Owen Gehry）從生物形態出發，通過電腦輔助設計，對建筑的極限形態進行了探索，通過航空建模軟件（CATIA），設計了巴塞羅那魚形雕塑，以及舉世聞名的畢爾巴鄂古根海姆博物館。

當今元宇宙背景下，建筑領域孵化出參數化設計的分支，不論是虛擬世界的開發，還是真實世界的構建，建筑師不再是造物世界中“自上而下”的人物，而是算法過程的控制者。建筑設計開始嘗試將工業流程集成到工作流程中，不少工業產業正在接受全新的戰略思維，計算機不再只是一種繪圖或者建模工具，而是改變我們對建筑物質性和物化認知的深層次技術開發工具，并且有可能逐步形成新的產業領域。

4 建筑領域中數字化仿生設計的運用

數字化仿生設計在現代建筑領域主要運用在以下5 個方面：建筑形態的數字化仿生、建筑材料的數字化仿生、建筑結構的數字化仿生、建筑表皮的數字化仿生與建筑整體的數字化仿生。

4.1 建筑形態的數字化仿生設計

建筑形態的數字化仿生是利用數字仿生技術進行建筑造型設計的方式，建筑師在學習生物的形態特點后，對其形態進行抽象和抽取，并結合環境保護原則，將其運用于建筑設計中。西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦，其作品的建筑風格以獨特的仿生形態而著稱。位于瓦倫西亞的藝術科學城是他設計的糅合了仿生特質，并進行了數字化抽象的大規模建筑群（圖1）。從其作品中可以看出，他的創作靈感大多來自大自然，動物、植物、羽毛、骨骼等都是他的老師，同時他的建筑設計也具有很鮮明的結構表現色彩。

圖1 藝術科學城

4.2 建筑材料的數字化仿生

建筑外立面是表現視覺沖擊最直接的展現載體，因而外墻常常使用新型智能材料來代替傳統建材。目前對智能材料的定義尚無統一的概念，一般來講，智能材料是指在不需要借助任何工具和能量的情況下，可以察覺到環境的改變并做出相應的反應的材料。因此，智能材料需要具備下列特性：①具有對外部刺激強度的認知能力；②具有對外部變化作出反應的驅動功能；③可利用材料自身性能特點，或設置的反饋方式，有選擇性的控制材料的響應方式；④反應更靈敏、更及時、更恰當；⑤在外界的刺激消除后，能夠很快地恢復到原來的狀態[4]。

德國斯圖加特大學的阿希姆·門格斯（Achim Menges）與 斯特芬·賴克特（Steffen Reichert）合作的“濕度計裝置:氣象感知形態學”（Hygroscope: Meteorosensitive Morphology）項目探索了基于材料固有行為和形態生成算法相結合的新型響應式架構模式。該模型懸掛在濕度受控的大型玻璃箱內，模型整體由多個木質窗口單元組成，每個窗口單元由數量不等的幾扇木片閉合而成。由于木材會因含水率變化而產生尺寸變化，模型利用二者之間的關系，構建氣候敏感的建筑形態。無需任何技術設備或能源，僅僅依靠相對濕度的波動就會觸發模型無聲的運動，形成可以根據空氣濕度變化做出反應的“會呼吸的木材”（圖2）。

圖2 Hygroscope 項目“會呼吸的木材”

當模型內溫度和濕度增加時，木材會產生卷曲并翹起，中間的窗口張開，原來封閉的窗口變成小型風口，促進空氣流動，通過空氣流動作用使模型內部溫度下降；當模型內空氣溫度、濕度改變，木材含水率降低時，木材會恢復原有形態，變得平展和挺直，孔洞又將重新恢復封閉。因而，在不同的光照強度下，建筑表皮將會呈現出不同的形態，以維持相對穩定的室內熱環境。在不消耗其他能源的前提下，智能材料可以主動對氣候產生反饋機制，從而提升建筑空間帶給使用者的體感舒適度[5]。類似這樣的智能材料與建筑環境相結合的仿生設計，在未來建筑生態設計領域，必然可以給予無數新的可能性。

4.3 建筑結構的數字化仿生

建筑結構的數字化仿生是通過對建筑結構的生物力學特性、結構關系等進行設計，從而達到節能、舒適、環保的目的。國家體育場的設計是受自然界中鳥兒的巢穴啟發而設計的。自2008 年北京奧運會舉辦之后，國家體育場為世人所熟知，它被親切地稱為“鳥巢”（圖3）。合理的仿生結構既能達到設計必要的強度，又能充分展現設計理念，呈現出震撼的視覺效果，成為北京的又一張新名片。

圖3 國家體育場

4.4 建筑表皮的數字化仿生

建筑表皮的數字化仿生是新的熱點研究方向，利用參數化、智能化等技術，設計可以響應外界變化的智能建筑表皮，為人類創造更好的居住和工作環境。智能的建筑表皮將建筑內部與外部聯系起來，如同人體的皮膚，能夠有效地將光線與空氣隔離開來，從而達到最佳的室內熱舒適性，節省建筑物的能源消耗，同時也為人們提供了更好的居住環境。

讓·努維爾設計的阿拉伯世界文化中心，其智能建筑表皮的仿生原理靈感來自人的眼睛：人類的眼睛可以通過調整瞳孔來控制人的光線，從而防止眼睛受到強烈光線刺激而造成損傷。智慧皮膚裝置利用該原理，通過調節中央空腔的尺寸，來調節入射室內的太陽光輻射（圖4）。在滿足室內合理光照的前提下，智慧皮膚可以有效地減少建筑的制冷能耗，維持舒適的室內熱環境。

圖4 阿拉伯世界文化中心智慧皮膚裝置

4.5 建筑整體的數字化仿生

建筑整體的數字化仿生往往不僅僅是采用了單項技術，而是一系列仿生技術的結合與運用，對建筑形態、建筑材料、建筑結構和建筑表皮等多種因素予以綜合考慮，通過仿生設計與數字技術，統籌設計，從而達到降低建筑能耗的目的。例如，青島的東方影都大劇院的設計靈感來自海生軟體動物鸚鵡螺，鸚鵡螺的外殼由一個個彎曲的腔室構成，不斷盤旋腔室形成了一條完美的對數螺線。大劇院的建筑形態設計借鑒了鸚鵡螺的螺旋曲線模型；其建筑結構的設計靈感源于鸚鵡螺的腔體結構特征，形成可隨著人數變化而調整的功能空間；同時，在建筑表皮和建筑結構上，該項目采用BIM 技術輔助設計完成了建筑設計、幕墻設計、結構設計等，并且通過施工4D 模擬，保證了施工的進度和質量。

5 總結

在日新月異的建筑與科技的融合中，運用好仿生學理論對生成建筑的新組合、新形式和新結構有著重要意義。在建筑學領域，數字化仿生設計是在達爾文進化學上更前一步的發展，它通過對自然界的理性創造法則的理解和運用，使建筑物進入了物競天擇的模式。數字技術為數據采集和場景仿真提供了更多的設計可能性，較之仿生學傳統的直觀形態模仿方式，數字化仿生建筑設計更注重對自然與環境進行深入研究與高度抽象，以創造出一個全新的、融合了人類和自然共同智慧的原生型作品。現今社會中，經濟危機、能源危機、自然和人為災害都在呼喚著更多的創造、融合，以及各種正向的可能性。數字技術與仿生學融合而成的數字化仿生技術，必將在未來的建筑發展中起到不容忽視的重要作用。

“計算”一詞源于拉丁語“computare”，其本源之意是“共同思考”。因此，計算也涵蓋了一定哲學意義，不論是計算本身還是模擬世界，都是密不可分的，如影隨形的。現實中的我們，其實是在將虛擬空間進行實體化，通過對設計實現的現實進行反饋和評價，進而對設計本身進行完善與提升。數字化轉型，在建筑學領域，可運用數字化技術將設計成分加入大型的高效的建造中，以期為產業升級的建筑工業化領域注入創新血液，為數字化仿生設計的市場維度拓展出廣闊前景的新世界。