現(xiàn)代仿生建筑設(shè)計的相關(guān)要點(diǎn)

譚海松 肖芬芬

摘要：仿生建筑因其高效、低耗、節(jié)省建筑材料和可再循環(huán)的特點(diǎn)而在世界上廣受歡迎，全球各地出現(xiàn)大量仿生建筑。中國古代的建筑結(jié)構(gòu)即存在大量仿生元素，現(xiàn)代建筑設(shè)計中更是在有意無意地借鑒使用仿生元素。本文說明了仿生設(shè)計在建筑中的分類，然后詳細(xì)闡述了現(xiàn)代仿生建筑設(shè)計的應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：仿生建筑；形態(tài)仿生；薄殼結(jié)構(gòu)；古典建筑；材料

中圖分類號：TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一、仿生建筑的概念

仿生建筑以生物界某些生物體的功能組織和形象構(gòu)成規(guī)律為對象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律，并通過對這些研究成果的運(yùn)用來豐富和完善建筑的處理手法，促進(jìn)建筑形體結(jié)構(gòu)以及建筑功能布局等的高效設(shè)計和合理形成的建筑形式。

仿生建筑學(xué)暗示人們必須遵循和注重自然規(guī)律，重視生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益與新奇形式的有機(jī)結(jié)合，仿生創(chuàng)新需要學(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的特點(diǎn)，要做到這一點(diǎn)，建筑師必須善于應(yīng)用類推方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感，同時結(jié)合生物科學(xué)與現(xiàn)代建筑技術(shù)為建筑創(chuàng)新服務(wù)。

二、仿生設(shè)計在建筑中的分類

（一）形態(tài)仿生

形態(tài)仿生被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)仿生最直接的方法。通過對自然物象的研究和觀察，模仿生物的形態(tài)，將其運(yùn)用在建筑設(shè)計上，這不僅需要使功能、結(jié)構(gòu)與新形勢的有機(jī)融合，而且還應(yīng)該是超越模仿而升華為創(chuàng)造的一種過程。

法國建筑大師保羅·安德魯設(shè)計的上海浦東國際機(jī)場，機(jī)場的外形就是模仿海鷗的形態(tài)，同時也寓意著上海航空事業(yè)的騰飛。這方面的例子舉不勝數(shù)，大自然有無窮多個優(yōu)美的形態(tài)，而我們也應(yīng)該用心觀察生活，創(chuàng)造出打動人心的美好建筑。

（二）結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生是建筑仿生中最為成熟的分支學(xué)科，也是運(yùn)用最廣泛的。結(jié)構(gòu)仿生是研究并模仿自然物象的力學(xué)特征、結(jié)構(gòu)關(guān)系和材料性能等，把它們應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。從一滴水和一個蛋殼看到自由拋物線型曲面的張力和薄壁高強(qiáng)的性能；從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，這些發(fā)現(xiàn)都會對建筑結(jié)

構(gòu)的創(chuàng)新得到啟示。

最具代表性的是西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦設(shè)計的美國威斯康星洲的密爾沃基藝術(shù)博物館，1950 年由著名大師賴特設(shè)計建造的美國威斯康星州約翰遜制蠟公司實(shí)驗(yàn)樓就是運(yùn)用了結(jié)構(gòu)仿生，模仿的是樹狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將主要的支撐結(jié)構(gòu)放在建筑中央，四周樓板懸挑，取得了新穎的效果，造型優(yōu)美，具有光彩悅目的時代魅力。

（三）功能仿生

功能仿生是比較薄弱的一環(huán)，但也被認(rèn)為是最有價值的仿生設(shè)計手法。功能仿生是研究自然物象存在的功能原理，并用這些原理去改進(jìn)現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。生物是有生命的，而建筑不具備，人類在研究生物的時候，比較容易就可以把握它的形態(tài)特征，也比較容易分

析出結(jié)構(gòu)特征，而對于復(fù)雜的功能只能是個逐步認(rèn)識的過程。

（四）材料仿生

材料是人類進(jìn)化史里的里程碑，現(xiàn)代文明的重要支柱，發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。材料仿生是指模仿生物體的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分，研究出新型的建筑材料，用于滿足人類對建筑材料性能和品種日益增長的需要。生物的特征是經(jīng)過億萬年不斷進(jìn)化而得來的，是人類取之不盡的源泉。只有具備良好的適應(yīng)性，才能保證生物能夠生存在任何環(huán)境條件下。

現(xiàn)代仿生建筑設(shè)計應(yīng)用

（一）結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計在建筑中的應(yīng)用

1、薄殼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

生物界有著各種蛋殼、貝殼、烏龜殼、海螺殼，它們都是一種曲度均勻、質(zhì)地輕巧的“薄殼結(jié)構(gòu)”。這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的厚度雖然很薄，但非常耐壓。薄殼結(jié)構(gòu)就是指曲面薄壁的結(jié)構(gòu)，按其曲面生成的形式可分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，在建筑領(lǐng)域中大多采用鋼筋和混凝土作材料。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。在實(shí)際的工程中還可以利用對空間曲面的切削與組合，形成造型新穎奇特且能適應(yīng)各種平面的建筑。薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可以把受到的壓力均勻地通過曲面分散到物體的各個部分，減少受到的壓力。

據(jù)統(tǒng)計，二次大戰(zhàn)以來，各國舉辦奧林匹克運(yùn)動會而建造的體育館，有60％以上采用薄璧空間結(jié)構(gòu)。法國夏蒙尼先斯滑雪山北區(qū)體育中心由9個三角形的薄殼所組成，覆蓋面積達(dá)6000平方米。中國國家大劇院是世界屈指可數(shù)的巨型鋼結(jié)構(gòu)殼體，其長達(dá)212米，寬143米，高至45米，由一組頂環(huán)梁、148榀弧形梁架和內(nèi)外各42道環(huán)桿組成，重逾6000噸，巨大的穹頂內(nèi)部沒有一根立柱，卻包含著歌劇院、戲劇院和音樂廳三幢混凝土建筑。當(dāng)然我們需要知道的是中國國家大劇院的巨型鋼架結(jié)構(gòu)采用的是如仿分子結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，正是不同仿生設(shè)計的融合才造就了這個龐然大物。

2、空心結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

空心的麥稈能承受比它重得多的麥穗而不折斷，這是因?yàn)樵跈M斷面積相同的情況下，實(shí)心稈和空心稈的承壓能力是一樣的，但長長的空心桿在受壓后并不會因斷面壓力過高而發(fā)生突然斷裂的情況，而是在受壓后莖稈先彎曲，最后因彎力過大而折斷。而橫斷面積相同的空心稈外徑要比實(shí)心稈大，因此空心稈承瘦壓力之后其抵抗彎曲變形的能力要比實(shí)心稈大得多。麥稈的功能給建筑師以設(shè)計靈感，他們利用麥稈原理，把一些高大的柱體和稈件都設(shè)計成空心的，這樣便大大的提高了它們的承壓能力，起到了“重半功倍”的作用。另外所有稈莖類植物幾乎都是下粗上細(xì)的輪廓，這樣的造型既減輕了自重又加強(qiáng)了穩(wěn)定性。

加拿大多倫多電視塔高553米，用400號溫凝土澆筑成下粗上細(xì)，底翼寬約30.5米，可謂龐然大物，但它的平均細(xì)長比(?平均直徑和高度之比)?約為1/10，而莖植物(?麥稈、甘蔗、竹等)的細(xì)長比可達(dá)1/100~1/200，可見人類的建筑遠(yuǎn)未達(dá)到大自然的神功。

3、懸索結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

蜘蛛是懸索結(jié)構(gòu)的天才創(chuàng)建者，蛛絲直徑不到幾微米，但編織的蜘蛛網(wǎng)的直徑可達(dá)到十余米，這是因?yàn)槠鋸?qiáng)度是同等鋼材的數(shù)倍。有些蜘絲由幾股構(gòu)成，形成絲索，長度可達(dá)十余米，蜘蛛網(wǎng)教會人們設(shè)計出最經(jīng)濟(jì)的懸索結(jié)構(gòu)和帳蓬結(jié)構(gòu)，為人類以最少的材料創(chuàng)造最大的空間提供了模式。

日本明石海峽大橋，是目前世界上跨徑最大的橋梁，這座建成于1998年的懸索大橋全長3911米，其主橋跨度達(dá)到了1991米。明石海峽大橋首次采用1800MP級超強(qiáng)鋼絲，是支持這一大跨徑橋梁能夠?qū)崿F(xiàn)的主要因素之一。大橋兩條主要鋼纜，長約4000米，由290根細(xì)鋼纜組成，重約5萬噸，其直徑僅為1.12米。

（二）建筑中的形態(tài)仿生設(shè)計的應(yīng)用

1、美國肯尼迪機(jī)場TWA候機(jī)大廳

美國紐約約翰·菲茨杰拉德·肯尼迪國際機(jī)場是紐約市的主要國際機(jī)場，也是全世界最大機(jī)場之一。機(jī)場1942年開建，TWA機(jī)場候機(jī)大廳于1962年開放使用，是美國20世紀(jì)建筑大師埃羅沙利寧代表作之一，大師以浪漫優(yōu)美的曲線造出一只展翅欲飛的混凝土大鳥，這種仿生形態(tài)與飛行功能相吻合，寓意與形象珠聯(lián)璧合，成為一代杰作，在當(dāng)時來說將這種龐大而復(fù)雜的拱形結(jié)構(gòu)塑造出來著實(shí)不易。TWA機(jī)場候機(jī)大廳被評為美國125年來六大最佳建筑之一，后因空間大廳已無法容納日益增多的人流而停止使用，現(xiàn)如今經(jīng)過對“大鳥”的修復(fù)，已經(jīng)重新復(fù)活了這座經(jīng)典建筑的往日輝煌。

2、中國古典建筑的仿生設(shè)計應(yīng)用

在中國建筑史上，小小的庭園再現(xiàn)大自然的山水情趣，層層的屋檐裝飾著飛禽走獸，大門口的雄獅，石欄桿的云龍，直至近代虎皮墻、魚鱗不板，都是東方世界造型仿生的生動例證。“源于自然，高于自然”大自然的美是無窮的，是高雅的，形態(tài)仿生給造型藝術(shù)帶來了新的活力、新的天地。

（三）建筑設(shè)計中的功能仿生設(shè)計的應(yīng)用

黑川紀(jì)章與磯崎新、安藤忠雄并稱日本建筑界三杰，其創(chuàng)作生涯可分為“新陳代謝”和“共生思想”兩個時代。

城市和建筑不是靜止的，而是像生物新陳代謝那樣處于動態(tài)過程中。黑川紀(jì)章這基礎(chǔ)之上提出了“變形”和“點(diǎn)式刺激法”的概念。1972年黑川紀(jì)章設(shè)計的中銀艙體大樓引起世界轟動，這一蜂窩鳥巢式的建筑幾乎成了他的商標(biāo)。黑川紀(jì)章采用的新陳代謝方法分為兩個部分：先建造永久性的結(jié)構(gòu)，然后插入居住艙體，后者可以隨時更換。這一不對稱的中分式樓體，傳達(dá)了黑川紀(jì)章對新陳代謝建筑的前衛(wèi)理解。

黑川紀(jì)章從70年代中期以后開始提倡“共生”思想，異質(zhì)文化的共生、人類與技術(shù)的調(diào)和、部分與整體的統(tǒng)一，內(nèi)與外的交融、歷史與現(xiàn)代的共存、自然與建筑的連續(xù)，這一思想是即將到來的生命時代的基本理想。1989年，黑川紀(jì)章在一次博覽會的“住宅環(huán)境展”中提交的一份設(shè)計方案。他將銀行、書店和事務(wù)所組成了海岸住宅區(qū)的一部分。在一個以玻璃錐體為中心的中央，其周圍分散著不同的弧形、直線形和不規(guī)則的實(shí)體，建筑的屋頂形狀也各不不同。黑川紀(jì)章試圖能通過不同的元素之間的關(guān)聯(lián)與分離來喚起一種多義的、含糊的意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]林麗芳.淺析建筑造型的仿生設(shè)計[J].藝術(shù)與設(shè)計(理論)，2010.10.