略论仿生学和建筑设计

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1建筑形式仿生

在现代化的建筑浪潮中，建筑的形式不仅是建筑美学的完美表达，而且也体现城市现代化的导向和建筑物所表达的喻意。建筑形式仿生设计思想主要来自于自然界中的各种动植物外形，动物骨骼及细胞的构造等物质形态，为建筑的外形设计提供各种各样的“模板”。通过相应的艺术手法和处理措施将这些“模板”运用于建筑设计之中，赋予建筑新的生命力，给人以视觉上的享受。建筑形式的仿生设计按照其设计手法的不同，可以分为象形仿生设计和抽象仿生设计。

1．1象形仿生设计

所谓的象形仿生设计就是将自然界中物质存在的外部形态，通过相应艺术处理方法运用到建筑设计中。例如2008年北京奥运会主体育馆“鸟巢”，其主要的设计灵感来源于自然界中的鸟巢，位于美国芝加哥的“玛丽娜城”大厦形象的被当地人称为“玉米楼”，大厦外形设计与玉米果实的外部形态非常吻合，成为当地的标志性建筑之一。诸如此类的建筑不仅能在建筑的空间布局上灵活多变，而且极大的丰富了建筑的造型设计。

1．2抽象仿生设计

抽象仿生设计不仅仅只是停留在建筑物的外形设计，而且赋予了建筑物更为深层的含义。这种仿生设计方法不仅能够反映建筑物的艺术美，还能够体现当地的文化发展趋势。例如，位于美国的“自由女神像”直接利用人体的艺术形态，象征自由与和平。在古希腊，利用多利克柱式体现男性的阳刚之美，利用爱奥尼克柱式体现女性的柔情之美。

2建筑结构仿生

建筑结构仿生是建筑仿生学不可或缺的一部分，在一定的程度上也是对建筑形式仿生的反映。学者王雪松，王莉英认为，可以将建筑结构仿生按照模式分为:生长模式、编织模式、运动模式、胀压模式和表面模式等5种基本模式，这5种基本模式是对自然界中的生物物质形态的总结，也是对建筑结构模型的反映。再将这5种基本模式通过合理的设计，合理的施工运用到实际中。然而，在具体的建筑仿生结构设计应用中，常见的结构形式有:筒体结构、螺旋结构、悬索结构、网架结构、壳体结构和膜结构等结构形式。在具体的结构设计中，通过对建筑空间结构仿生设计，可以获得更多合理的，有效的，多变的结构形式，甚至为建筑大空间创造了有利的条件。本文就常用的悬索结构、壳体结构、膜结构作简要的阐述。

2．1悬索结构

悬索结构主要是由柔性拉索承受建筑物荷载的结构形式，悬索的材料可以采用钢丝绳、钢绞线、钢丝束、钢索以及其他受拉性能较好的材料。悬索结构不仅在体育馆，厂房等建筑中得到应用，而且在桥梁领域的发展更为广泛，例如位于江西南昌的“生米大桥”就运用了悬索，拉索来承受桥梁的自重荷载和桥上的活载，充分发挥了拉索的力学特性。在自然界中蛛丝，藤条的外在形态和受力模式是对悬索结构的基本反映。

2．2壳体结构

壳体结构是5种基本模式中的表面模式，其整体性强，优美大方。在自然界中的蛋壳类，贝壳类等物质形态的表面张力高壁薄，而且在外力的作用下，可以将外力沿各个方向分解，受力性能好。例如悉尼歌剧院在半径75m的球面上截取出13个壳体群，将各种不同的壳体组合在一起。与此同时，由于蛋壳类，贝壳类这类物质的特点为设计出形状各异的壳体结构创造前提，同时也与建筑形式仿生有异曲同工之处。

2．3膜结构

在自然界中存在着形态各异的膜结构物质，如细胞膜，肥皂泡膜等。这类物质形态通过内外的压力差形成一种胀压模式，使传来的荷载均匀分布在结构表面。由于膜结构所使用的材料少，质量轻，对地基承载力的要求比一般的建筑低，是一种良好的建筑空间结构，相对于传统的结构而言是一种大胆的尝试。例如位于中国北京的游泳馆“水立方”就是对这类结构使用的完美诠释。

3建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是探究自然界物质存在的功能原理，并把这些功能原理运用于实践中。例如，竹子是一种空心的植物形态，其自身的功能不仅仅是承受自身荷载的一种承重“构件”，也是运输养分的“管道”，竹子的这种结构功能形式在筒体结构形式的建筑中应用相对广泛。相对于建筑的结构，形式，材料仿生而言，建筑功能仿生起步相对较晚，是建筑仿生学中的一个相对较薄弱的环节。然而，随着人们生活水平的提高，为了满足人们对物质文化的需求，建筑功能仿生是解决建筑功能多样性的一种基本途径。例如慕尼黑BMW公司25层办公楼的四个结构圆筒作为整个建筑物的支撑并兼有竖向交通功能，使上层建筑与底层建筑有机的结合起来，美国芝加哥西尔斯大厦将9个方筒箍在一起，实现结构与功能的统一。再如，芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅高层公寓的平面设计就是仿照了蝴蝶的形态，将建筑的服务部分与卧室部分化作蝶身和蝴蝶翅膀，使其在空间布局上更加灵活多变，更具有美感。

4建筑材料仿生

随着建筑行业的发展，对建筑材料的要求也日益突出。建筑材料仿生主要是仿照生物躯体的组织结构(如生物的皮毛，化学成分)，生物物质形态(如动物巢穴)，从而研究出新型的建筑材料，从而在一定的程度上有助于建筑节能。例如人们利用蜂巢，蚁穴结构形态创造出加气混凝土，泡沫混凝土，泡沫橡胶，泡沫玻璃等。将加气混凝土，泡沫混凝土制作成混凝土砌块作为隔墙的填充物，不仅减轻了隔墙的自重，而且有良好的保温功能和隔声功能。如果将这种类型的混凝土运用于梁板结构中，不仅仅减轻了结构的自重，在一定程度上也减少了混凝土的用量，并节约了经济。在自然界中纤维素是构成植物细胞的必要化学成分，纤维素具有质量轻，强度高，塑性韧性好等物理特性。由于纤维素的这些物理特性，可以制成多种纤维素高分子材料，并将其运用于实践。在美国研制了一种玻璃纤维瓦，核心是由有机纤维玻璃薄垫物构成，有较好的耐用性及耐火性，在日本利用长纤维状分子添加剂添加到普通混凝土中，利用纤维分子的粘度特性包住混凝土，形成改良混凝土，从而使混凝土不易分散，便于施工。

5结语

大自然是一位优秀的建筑师，它所设计的每一个“音符”，每一种“旋律”都值得我们去探索，去实践。然而仿生建筑学的发展为我们提供许多去探索的理论依据，对于单体仿生建筑设计不仅仅局限于本文论述的几个方面，还有许多的理论值得我们去研究，去实践。在建筑设计多元化的今天，我们有理由相信，经过我们的努力，未来的建筑必将朝着节能化，生态化，智能化发展。

作者：邱荣文饶建锋韦经杰饶玮单位：南昌航空大学土木建筑学院