仿生方法在橋梁設計與優(yōu)化的應用研究

蘇志祥 徐文濤

【摘要】近幾年來，人們生活質(zhì)量不斷升高，使得人們對于生活和居住的觀念也在不斷產(chǎn)生變化和革新，特別是科學環(huán)保理念對于人民生活的影響巨大，同時對于國內(nèi)的建筑工程單位和企業(yè)的影響也不容小覷，既包括基礎結(jié)構(gòu)設計方面，也包括具體工程施工方面。為了使我國建筑工程行業(yè)得到良好的發(fā)展，為了使橋梁設計、橋梁優(yōu)化更加完善，在橋梁的優(yōu)化和設計中應用大量的仿生理念和方法，促進國內(nèi)橋梁工程的良性發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】橋梁設計；橋梁優(yōu)化；仿生法

一、仿生法概述

本世紀以來，我國社會面臨著新的發(fā)展挑戰(zhàn)，建筑工程行業(yè)也遇到了新發(fā)展難題，為了解決這些難題，人們必須考慮出以最少資源建造出較好建筑工程的方法，橋梁設計中的仿生法便由此而誕生。自然界中的生物能夠在發(fā)展過程當中逐漸形成一個自我發(fā)展的系統(tǒng)，這就是所謂的生態(tài)系統(tǒng)。在這么一個系統(tǒng)當中的各部分都有著自我存在、自我發(fā)展的方式和規(guī)律。這些規(guī)律和方式所具有的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，就是人類在發(fā)展過程當中應當予以借鑒的內(nèi)容。

因此，仿生學的理念可以被橋梁設計所借鑒，成為后者的指導思想和原則。生物學告訴我們，生物圈在具備著各種需求的同時，也滿足著各種需求。但是，人類只是生物圈當中的一個很小的子集，自然界的競爭觀念和競爭緩解規(guī)則都能夠被我們借鑒起來。生物圈里有著許多合理系統(tǒng)和存在結(jié)構(gòu)，具有小巧性、靈活性和高效性等特點，將它們仿生法運用到橋梁設計、橋梁優(yōu)化當中，將會對建筑業(yè)有莫大好處。仿生法的基礎應用理念是仿生理念，它能夠使橋梁設計師的思維得以拓寬。仿生概念應當從以下方面來理解，一是宏觀仿生，它以生物或物體的外部構(gòu)造、紋理、造型、運動規(guī)律、材料性能作為模仿的對象；二是微觀仿生，其模仿對象是生物體的內(nèi)部，比如神經(jīng)、循環(huán)和免疫等系統(tǒng)功能，通過模仿上述系統(tǒng)，確保橋梁設計的合理性。

二、橋梁設計和優(yōu)化過程中對仿生法的應用

橋梁設計當中不少形式是受啟發(fā)于生物界或者大自然，不少能夠找到其原型。由于仿生法有宏觀與微觀之分，橋梁優(yōu)化設計的應用中也有宏觀與微觀之分。然而，在細節(jié)上，宏觀與微觀兩者都會有各種的效仿細節(jié)，這些效仿細節(jié)能夠于新載體上形成全新整體。

1橋梁形態(tài)上的仿生

一個西班牙籍的設計師卡拉特拉瓦在對橋梁進行設計時，最初會現(xiàn)在形態(tài)上開始仿生，這種靈感來源始于效仿骨骼形態(tài)和植物形態(tài)，富含自然主義。他的設計也會對另一位西班牙籍的設計師高迪的思想進行借鑒，效仿牛頭結(jié)構(gòu)和人體脊柱的骨骼結(jié)構(gòu)等等。人們對其評價各異，有的人給予怪異、荒誕和施工難的評價。然而設計師自己則認為自身的仿生缺少較高的技術(shù)含量，只是單純地效仿自然系統(tǒng)，所需建筑材料就是鋼筋混凝土，這是最常見的材料之一。

然而應用仿生法可不能隨意進行，它必須結(jié)合橋梁的需求，對需要仿效的結(jié)構(gòu)進行合理仿效。許多生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿效性較強，然而施工過程中可能會出現(xiàn)一系列問題，比如結(jié)構(gòu)太復雜、自重過大或者沉降以致開裂等等。因此，設計過程中要做好合理性和可建造性的研究和規(guī)劃才能夠?qū)Ψ律ㄟM行運用。

2橋梁建筑材料的仿生

自然界是一個寶藏庫，不僅有各種礦石資源和自然資源，供人們生活和發(fā)展使用，人們還可以從自然界里獲取靈感和啟發(fā)?，F(xiàn)代建筑行業(yè)也從大自然當中獲取了不少的啟發(fā)和靈感，日益強調(diào)綠色建筑，以及建筑資源的充分利用和可持續(xù)利用。因此，橋梁設計師應當把橋梁建筑材料的利用發(fā)揮到最大化。當今科技發(fā)展飛快，國內(nèi)橋梁建筑業(yè)也獲得了較多的技術(shù)支持，出現(xiàn)不少新型的仿生材料，對當前現(xiàn)有的建筑材料有所改善和提高。比如水泥與貝殼相比其抗拉性要更弱，這是因為貝殼有高達九成以上的石灰石，啟發(fā)著人們要仿造貝殼的化學組成，以提高建筑物抗拉性。此外，橋梁還需要有防腐蝕性和防水性，吉林大學的一個仿生實驗對蝴蝶翅膀鱗片的防水性和自潔性有所發(fā)現(xiàn)，這也是可以被運用到橋梁的設計當中的。

3橋梁結(jié)構(gòu)上的仿生

橋梁設計可以大量借鑒和應用生物界當中的骨骼組成結(jié)構(gòu)形態(tài)，比如人類的骨骼結(jié)構(gòu)，主要由髖、足、脛、股等組成，人體自重量是由足骨來分解的，需要承受體重的骨骼，其骨質(zhì)都因此而比較密實，這樣的生物形態(tài)可以被運用到橋梁設計當中，對于設計師思考橋梁承載力分散方式的問題有很大的啟示，也是能夠保證橋梁持續(xù)性和使用功能的一個重要原因。卡拉特拉瓦的設計作品科茲橋，就是對人體骨骼進行效仿較為成功的一個橋梁工程作品，該橋建造于耶路撒冷，在2010年開始投入使用。

4橋梁功能機理的仿生

仿生學的研究對象主要為自然界動植物的機理和功能，比如行為、能力轉(zhuǎn)化以及力學等等。這些方面人類已很早開展了仿生應用，例如飛機模仿了鳥類翅膀原理和技能。然而，最初的機翼在運用過程中又出現(xiàn)的新的問題，比如震顫問題，于是人們由從大自然和生物界當中去尋找新的解決方案和啟發(fā)，最終從蜻蜓身上找到了啟發(fā)--模仿了蜻蜓翅膀的翅痣，以獲得平衡性，很好地使震顫問題得以解決。橋梁壽命會受到自然氣象與災害的影響，比如地址、狂風和洪水等。橋梁的跨度也越建越大，其自身的重量越來越大，橋梁的結(jié)構(gòu)必須要達到合理性才能夠保障自身的平衡性和穩(wěn)定性。為了保障橋梁的穩(wěn)定性和安全性，需要對自然界中的動植物保持穩(wěn)定性原理進行借鑒。德國某大學研究室長期研究稻目類和楔葉類的植物，最終發(fā)現(xiàn)巴西一種巨型的木賊草和木賊的細胞能夠自行調(diào)節(jié)剛度，使得自身能夠?qū)ν饨鐗毫τ兴m應。這種結(jié)構(gòu)和機理可以被借鑒于跨橋的橋塔和橋墩的設計當中，使得該種橋梁能夠具備與生命體質(zhì)相似的特征，以保持自身的穩(wěn)定性與安全性。

5對生物神經(jīng)系統(tǒng)的仿生

生物所生活的環(huán)境是千變?nèi)f化的，各生物為了保持自身對環(huán)境的較強適用性，都有各自神奇的辦法，有生命的生物具備神經(jīng)系統(tǒng)，因此可以依據(jù)外部環(huán)境變化對自身進行調(diào)整，以適應變化和發(fā)展。然而橋梁并沒有生命，不能夠運用神經(jīng)系統(tǒng)來自我調(diào)節(jié)，對于外界的壓力也只能被動地接受。因此，為了減少建筑資源浪費的現(xiàn)象，提高橋梁對環(huán)境的適應能力，阻尼器等等的仿生發(fā)明也開始運用到橋梁建筑工程當中，為橋梁建造出"神經(jīng)系統(tǒng)"。電子信息時代使得效仿動植物建造神經(jīng)系統(tǒng)的難度大大降低了，信息技術(shù)能夠使人們更輕易地為橋梁建造出自己的神經(jīng)系統(tǒng)。工作人員能夠利用計算機，感知、記錄橋梁所受的外部環(huán)境，并分析數(shù)據(jù)，得出調(diào)整的方案和計劃。這不僅能夠確保河道能夠正常通行，還能提升橋梁的壽命和安全性，使其在遭受自然災害、外部風險時也能像生物那樣自我調(diào)節(jié)、適應環(huán)境。

三、結(jié)束語

大自然中，事物間的聯(lián)系是普遍存在的，建筑學和生物學間的聯(lián)系其實并沒有我們想象中那么遠。當今社會，創(chuàng)新理念和借鑒學習能力已越來越重要，仿生法對于建筑行業(yè)、對于橋梁的優(yōu)化和設計所發(fā)揮的作用也越來越重要和明顯。仿生法對于橋梁壽命的提高、橋梁穩(wěn)定性的提升也有重要意義。本文從五個角度對仿生法進行了介紹和分析、闡述，，期望能夠填補相關(guān)研究空白。

參考文獻：

[1]沙莎，王強，賴疆.仿生學在橋梁建筑中的應用及前景展望[J].科技資訊，2007，（27）.