淺析自然結(jié)構(gòu)對(duì)建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新的啟示

陳丹陽　王遙　盧朗

摘要：文章簡(jiǎn)要總結(jié)了近代自然結(jié)構(gòu)的研究歷史，并且分析總結(jié)了自然結(jié)構(gòu)的理論發(fā)展與研究過程，以及其運(yùn)用于設(shè)計(jì)的諸多可能性，因其理論著重強(qiáng)調(diào)對(duì)能量結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理，故以其增加對(duì)設(shè)計(jì)在功能組織、形態(tài)設(shè)計(jì)問題解決的可能性。

關(guān)鍵詞：自然結(jié)構(gòu) 建筑設(shè)計(jì)

自然結(jié)構(gòu)是指針對(duì)在自然界中生長(zhǎng)的物體，其整體形成的組成部-分，用以保持物體的形態(tài)及使用功能，以抵抗外力的破壞，是物體構(gòu)造的主要部分。設(shè)計(jì)中自然結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，是人類主觀能動(dòng)性作用于自然的結(jié)果，人們通過觀察與分析自然結(jié)構(gòu)組織，學(xué)習(xí)并應(yīng)用于日常的生產(chǎn)生活中，改善、提高生活品質(zhì)。所以說自然結(jié)構(gòu)與人們生產(chǎn)生活中的人造物有著非凡的關(guān)系。

在自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅是模仿大自然外部的組織結(jié)構(gòu)，而且要學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)部的組織方式與運(yùn)行模式。大自然中存在世間的每一種自然形態(tài)都有自身巧妙的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，許多的動(dòng)物、植物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化與演變的過程中，會(huì)形成一種更為實(shí)用而合理的、完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能，以逐漸形成了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)，這些結(jié)構(gòu)的形成都與其生存的環(huán)境、生活的習(xí)慣密切相聯(lián)。然而，如果你稍加留意，便會(huì)發(fā)現(xiàn)我們周圍許多的建筑的結(jié)構(gòu)形式，大多數(shù)來源于對(duì)植物、動(dòng)物結(jié)構(gòu)的模仿?！霸S多以前認(rèn)為不合實(shí)際的、稀奇的、與生物關(guān)聯(lián)的哪些自由形式將使建筑藝術(shù)更加豐富多彩”。

在自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，先進(jìn)的工程師們?cè)俳畮啄陙硪讶〉梅欠驳某删?，如?947—1949年，意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利（Nervi and Bartoli）設(shè)計(jì)的意大利都靈展覽館的巨型拱頂?shù)膭?chuàng)作靈感就是來源于葉脈肌理的組成方式而建造起來的，并且在1957年，奈爾維和維特羅西（A.Vitelozzi）建造的羅馬奧運(yùn)會(huì)小體育宮內(nèi)部采用的鋼筋混凝土網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，就是受葵花排列結(jié)構(gòu)的啟友，不僅用材經(jīng)濟(jì)，受力合理，而且同時(shí)達(dá)到了內(nèi)部裝飾新穎的效果，小體育宮的外部則從人類腿骨的受力分析中得到啟示，創(chuàng)造了一圈Y形支撐體系，使得空間結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)形式的虛實(shí)結(jié)合達(dá)到了完美的統(tǒng)一。美國(guó)結(jié)構(gòu)工程師巴克明斯特，富勒是也是一位從自然中獲得靈感的工程師，他從自然中的結(jié)晶體與蜂窩的菱形結(jié)構(gòu)中獲得啟示，創(chuàng)造了一系列驚人的大空間結(jié)構(gòu)作品，如1958年，在美國(guó)巴圖魯日（Baton Rouge，LA）建造的聯(lián)合油罐車公司的巨大穹頂；1967年與塞道（Sadao）一起建造的加拿大蒙特利爾國(guó)際博覽會(huì)的美國(guó)館（圖1），他可能是受到了一中深海魚類的網(wǎng)狀骨骼和放射蟲的組織結(jié)構(gòu)（圖2）的影響。紐約環(huán)球航空公司航站樓不僅是外形設(shè)計(jì)源于自然，而且它的建筑設(shè)計(jì)師埃羅，薩里寧還和威廉·加德納（William Gardner）在結(jié)構(gòu)的建造上采用四瓣組合式薄殼，四瓣鮑克則是由下不得Y形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為形似。

其實(shí)，在建筑師中也并不缺少在自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的例子，如1931年勒·柯布西耶建造的薩伏伊別墅（Villa Savoye）中，他大量的使用的雞腿柱和框架懸挑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無疑是從動(dòng)物腿骨支撐所受到的啟示，就是對(duì)這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的體現(xiàn)，至今仍被人們所稱頌。為人們所熟知的建筑大師賴特，在1950年設(shè)計(jì)建造的威斯康星州約翰遜制蠟公司實(shí)驗(yàn)樓（Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc，）就是仿樹狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把主要承重結(jié)構(gòu)放在建筑中心，四周樓板懸挑形成幕墻，進(jìn)而產(chǎn)生了新穎奇妙的建筑藝術(shù)效果。

除此之外，年輕的西班牙建筑史圣地亞哥，卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）也在自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有不可忽視的地位，他以自然結(jié)構(gòu)為靈感來源進(jìn)行設(shè)計(jì)并創(chuàng)造出許許多多讓人感嘆的建筑作品和家具產(chǎn)品，一直被人們所喜愛。他曾在西班牙的巴倫西亞的建筑學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)，后入瑞士蘇黎世大學(xué)土木系學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)工程，并且在1981年獲得該校建筑系技術(shù)科學(xué)博士學(xué)位。他的博士論文題目是《論空間結(jié)構(gòu)的可折疊性》，他通過這個(gè)研究來回答怎樣才能設(shè)計(jì)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，確切的說是框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠移動(dòng)，從而能夠變形，也就是從一種形狀變成另一種形狀而不是改變各部分連接在一起的方式。他以“空間結(jié)構(gòu)的可折疊性”為設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，并結(jié)合自然生物的奇妙結(jié)構(gòu)展開了折疊結(jié)構(gòu)于仿生結(jié)構(gòu)的實(shí)踐，他觀察狗的骨架和腿的活動(dòng)支撐，在1983年建造了瑞士盧塞恩市郵局前的大雨棚。在1986—1987年，他在巴塞爾市改建一座中世紀(jì)古建筑的改建中，將咖啡廳上的天花鋼梁架做成仿動(dòng)物骨架的自由曲線，即有著強(qiáng)烈的視覺沖擊力的同時(shí)，同時(shí)又是一種大膽的嘗試。從此以后，他在1987年為加拿大多倫多建造的BCE商業(yè)街（圖3、圖4），創(chuàng)造性地模仿了樹干分叉的生長(zhǎng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了兩遍支柱與頂?shù)幕⌒卫呒埽〉昧顺驳乃囆g(shù)效果。他在1992年西班牙塞利維亞國(guó)際博覽會(huì)設(shè)計(jì)的科威特展覽館，其屋頂是可自由開始、關(guān)閉的結(jié)構(gòu)，模擬著動(dòng)物關(guān)節(jié)的自由運(yùn)動(dòng)。在夜間，屋頂肋架會(huì)敞開，在下面平臺(tái)上便可舉行各種露天活動(dòng)，它在結(jié)構(gòu)與功能有機(jī)結(jié)合的同時(shí)，還帶給人們無限的遐想。1989—1993年他為法國(guó)里昂塞托拉斯機(jī)場(chǎng)（Satolas Airport）附近的鐵路車站設(shè)計(jì)建造中，完全應(yīng)用了動(dòng)物骨架結(jié)構(gòu)原理，造型新穎的同時(shí)，叉能節(jié)省材料的使用，令人刮目相看。此外，他在2001年設(shè)計(jì)的密爾沃基美術(shù)館，在仿生靜態(tài)動(dòng)物的同時(shí)，融入了“動(dòng)”的元素，它具有潔白色的外觀和別致的造型，猶如一只潔白的鳥，自由的飛翔在密執(zhí)安湖畔。

同時(shí)人類探索自然結(jié)構(gòu)的過程中，也產(chǎn)生了許多新的理論概念，而這一切的起因，是因查理·羅伯特·達(dá)爾文（Charles Robert Datwin）開啟了這一路線：這位英國(guó)的生物學(xué)家在《物種起源》中提出自然進(jìn)化的理論，認(rèn)為偶然性是生物構(gòu)造的關(guān)鍵——同一物種的個(gè)體形態(tài)可能會(huì)偶然產(chǎn)生一些差異，通過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，那些能適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體被自然選擇留下來，而其他的則無法獲得繁殖后代的機(jī)會(huì)而被淘汰。1917年，達(dá)西·湯普森（DArcy wentworth）在其著作《生長(zhǎng)與形態(tài)》中，對(duì)大量自然生物進(jìn)行了對(duì)比，還對(duì)物理現(xiàn)象與工程師地作品進(jìn)行了對(duì)比，他用幾何學(xué)的眼光觀察世界，在他看來，自然結(jié)構(gòu)的形成就是受到物理力學(xué)的作用限制的結(jié)果。

因此，我們可以得出這樣的結(jié)論——自然生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的秘密可能就隱藏在它們生長(zhǎng)過程之中。它們的優(yōu)異結(jié)構(gòu)形態(tài)特征也許只是為了適應(yīng)大自環(huán)境，從而進(jìn)行不斷的調(diào)整自身機(jī)制的結(jié)果。結(jié)構(gòu)不是通過分裂形成的，而是通過建構(gòu)和優(yōu)化形成的。任何自然系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)都不是被預(yù)先設(shè)計(jì)好的，而是通過結(jié)構(gòu)內(nèi)部由小到大的環(huán)節(jié)之間逐步發(fā)生大量的局部相互作用而逐漸形成的。所以在自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要學(xué)習(xí)與模仿大自然外部的結(jié)構(gòu)，更要深入研究他們自身內(nèi)部的組織方式與變化機(jī)制。人類的智慧來源于自然，并且一直將自然界當(dāng)作示范，努力塑造環(huán)境以適合自身的需要。如埃羅·沙里寧，它們極具自身的建筑創(chuàng)作能力和空間想象力構(gòu)思結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)，并將結(jié)構(gòu)形態(tài)的特征與建筑整體的特征貫穿和統(tǒng)一。它們知識(shí)結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)就是對(duì)結(jié)構(gòu)概念的深入理解和靈活運(yùn)用，作為建筑師，他們主導(dǎo)著設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的全過程，決定了結(jié)構(gòu)的形態(tài)。紐約肯尼迪機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓就是這類建筑師的創(chuàng)作杰作之一，如同大鳥一般充滿想象力的結(jié)構(gòu)形態(tài)，給人以強(qiáng)烈的雕塑感和有機(jī)感，其兩翼殼體結(jié)構(gòu)的懸挑使形態(tài)的整體更富張力。同時(shí)還有一類人，他們通過對(duì)結(jié)構(gòu)體系的嚴(yán)密思考，針對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行創(chuàng)新研究、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，同時(shí)他們樂于主動(dòng)在結(jié)構(gòu)體系上、結(jié)構(gòu)的形態(tài)上和結(jié)構(gòu)概念的理解上尋找突破點(diǎn)，敢于深入結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿，探尋結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)新的途徑。如巴克明斯特·富勒的富勒球體模型與張力結(jié)構(gòu)、蓋勒的穹頂體系、奧托的樹形結(jié)構(gòu)與懸掛結(jié)構(gòu)、奈爾維的V行支座結(jié)構(gòu)以及貝爾蒙德的Informal結(jié)構(gòu)思想等等。

自然結(jié)構(gòu)不僅僅把自然界的信息傳遞給人類，更啟蒙了人類的智慧，引導(dǎo)人類邁出創(chuàng)造性的第一步。設(shè)計(jì)融合自然結(jié)構(gòu)是通過對(duì)生物體的特殊結(jié)構(gòu)的分析與研究，如纖維、植物的莖稈、動(dòng)物的骨骼組織，進(jìn)而運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要途徑。從_滴水珠看到了其拋物線性的曲面的張力；通過蛋殼發(fā)現(xiàn)了薄壁高強(qiáng)的性能；從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理以及將蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系運(yùn)用到索膜結(jié)構(gòu)中，將蜂巢開發(fā)成蜂窩結(jié)構(gòu)運(yùn)用到飛機(jī)制造上等等，這些對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)都是十分有益的啟示。尤其是動(dòng)物的巢穴更是建筑仿生學(xué)主要的研究對(duì)象之一。對(duì)于動(dòng)物來說，它們的巢穴也就是動(dòng)物界地建筑物，擔(dān)負(fù)著避風(fēng)擋雨、儲(chǔ)存食物、繁衍后代的功能，這些巢穴都有著有兩的物理性能，對(duì)建筑材料的利用也是十分到位和節(jié)省，所以它們利用天然的材料造出的“房子”是真正意義上的可持續(xù)發(fā)展建筑。蜘蛛網(wǎng)就是利用纖維體的受拉特征而建造“房屋”，蜘蛛把網(wǎng)用輻分成若干等分扇形，每對(duì)相鄰的輻所交成的角度都是相等的，蜘蛛通過它獨(dú)特的織網(wǎng)方式將纖維結(jié)構(gòu)的受拉特征充分發(fā)揮，使整個(gè)網(wǎng)呈現(xiàn)巨大的張力。人們將蜘蛛網(wǎng)的建造原理運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生了索膜結(jié)構(gòu)，值得一提的是德國(guó)建筑師奧托是該領(lǐng)域的佼佼者，但與富勒、奈爾維所不同的是，奧托開展他的研究注重從自然中，而不是從純技術(shù)中尋求靈感。在他眼中，技術(shù)只是—種工具，建筑藝術(shù)的目的不是為了炫耀技術(shù)，而是更好的表現(xiàn)自然。

自然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)也是多方面、綜合性的，同時(shí)也暗示著人們必須遵循和注意大自然的規(guī)律，它告訴我們?cè)O(shè)計(jì)更加要注意環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益與形式新穎的有機(jī)結(jié)合，這就要求人們?cè)趯W(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的同時(shí)，更要注意觀察、理解自然，從自然中汲取一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感來源，把自然因素與現(xiàn)代科技相融合為現(xiàn)代建筑創(chuàng)新服務(wù)。在設(shè)計(jì)建造過程中，要充分學(xué)習(xí)發(fā)揮自然生物體節(jié)約、美觀的優(yōu)秀品質(zhì)和內(nèi)部存在的動(dòng)力機(jī)制，使得建筑在擁有形式上創(chuàng)新的同時(shí)更能節(jié)約材料應(yīng)用，并與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。