翻譯自然的設計

張辰燕

世間萬物千姿百態，都是經過漫長的、優勝劣汰的競爭和千辛萬苦的進化，致使在結構、形態和功能三方面達到最優設計而流傳于世。所以，大自然的精妙建筑確是人類建筑師和設計師的最好老師。我們可以發現，人類的創造不管多么精巧，幾乎都能在大自然的創造物中找到對應的影子。于是，人們開始對大自然進行有意識地模仿，從大自然汲取營養，請大自然開拓思路，一門新興的綜合學科——仿生學便應運而生了。

仿生設計并不是單純地模仿照抄，它是吸收動物、植物的生長機理，以及一切自然生態的規律，結合設計的自身特點，而適應新環境的一種創造。

蛋殼與體育館

生物為了存在和發展，最起碼的條件是：必須平衡地心引力，防御一切外力，適應自然環境，在長期的進化進程中自然而然地形成最合理、最穩定、最經濟的結構形態。羽茅草和禾本科植物的長葉往往卷曲成筒形或殼形，香蒲植物的葉子又構成螺旋狀，帽狀蘑菇的輻射密肋，以及弧形的貝殼和殼面之波、空心的葦稈和稈間之節，都啟發人類去探索空間結構的奧秘。

人們已經發覺，傳統建筑的梁板支撐體系實際上是一種不經濟的結構形式，而且不能滿足現代社會對大跨度空間的需求。仿生空間結構則幫助建筑師和工程師解決了難題。

蛋類的外殼雖然很薄，卻能耐受相當大的外力。這是因為，這類結構具有彎曲的表面，殼體在外力作用下，內力是沿著整個表面擴散和分布的，因而殼體單位面積上所受的力就小了許多。

據統計，“二戰”以來，各國為舉辦奧運會而建造的體育館，有60％以上采用薄壁空間結構。法國夏蒙尼先斯滑雪山北區體育中心由9個三角形薄殼所組成，覆蓋面積達6000平方米。1980年建成的香港太空館是一個典型的蛋殼形，23米直徑的半球形天象廳酷似雞蛋的核心部分——蛋黃。雞蛋殼厚約0.5毫米，一只普通雞蛋縱向直徑按照7厘米計算，兩者之比約為1：140，可見人類仿生工程的巨大意義。

更有趣的是，國外有人模仿雞蛋設計了一種特殊的抗震房屋，“蛋殼”是用鋼鐵制造的，“蛋白”用耐高溫玻璃、石棉等制造，人住在相當于“蛋黃”的部分。這種房屋能抵抗強烈地震，即使被震翻了，也能像雞蛋一樣滾過來復原。屋內貯有空氣、水和食物，在與外界完全隔絕的情況下，7個人可在里面生活1個星期。住在這種房屋里，即使遇到強烈地震，也會安然無恙。

麥稈與電視塔

中空的麥稈能承受比它重得多的麥穗而不倒伏，這是因為，在橫斷面積相同的情況下，實心稈和空心稈的承壓能力雖然一樣，但長長的莖受壓后，往往不會因斷面壓力過高而發生突然斷裂的情形，而是在受壓后莖稈先彎曲，最后因彎力過大而折斷。而斷面積相同的空心稈外徑要比實心稈大，因此空心稈承壓后抵抗彎曲變形的能力要比實心稈大得多。麥稈的功能給建筑師以設計靈感，他們利用麥稈原理，把一些高大的柱子和稈件都設計成空心的。這樣可以大大提高它們的承壓能力，起到“重半功倍”的作用。

另外，所有稈莖支承植物幾乎都是下粗上細的，既減輕了自重，又加強了穩定性。因此，不管任何方向吹來的風，很容易沿著稈莖圓面的切線方向掠過，從而減小對植物的影響。反之，如果稈莖是平面的，毫無疑問，平面比圓面上的一點受風力都大大增加。這樣，植物就有可能被風刮歪，甚至倒斃。

加拿大多倫多電視塔高533米，用400號混凝土澆筑成下粗上細的形狀，底翼寬約30.5米，可謂龐然大物。但它的平均細長比(平均直徑和高度之比)約1／10，而稈莖植物(麥稈、甘蔗、竹等)的細長比可達l／100～1／200。兩相比較，人類的建筑遠未達到大自然的神功。

王蓮葉與展覽廳

薄薄的王蓮葉最多能夠承重70千克。這是因為，王蓮葉背面有許多粗大的葉脈，其問連以鐮刀形的橫筋，構成了一種網狀骨架，縱橫交錯，又粗又壯，可以承受很大的負荷。

于是，有位花匠模仿王蓮葉脈的構造，用鋼材和玻璃成功地建造了一座漂浮在水面上的美麗“水晶宮”。

后來，意大利設計師建造了一座跨度為95米的都靈展覽大廳，其屋頂采用了王蓮的網狀葉脈結構，在拱形的縱肋之間連以波浪形的橫隔，不僅保證了大跨度屋頂有足夠的強度和剛度，而且美觀大方，輕巧堅固。

“春筍建筑法”

應該指出，人類在結構仿生方面還停留在靜態階段，仔細觀察一下生物的生長過程，恐怕對人類工程會有更大的借鑒意義。例如，十丈青松，挺拔矗立；勁細翠竹，輕巧剛直，都是從地面寸寸長起，自己“建造”自己。

那么，人類的建筑可否如青松生長、雨后春筍一般，把自己一節節“長”上去呢?

有人曾提出一種不用腳手架、不用大型起重機，而是由建筑自身的屋面開始從地面一節節“長”上去的“春筍建筑法”，1星期可建成1幢4層高的住宅樓。

這種方法把每一層墻板從高度上分成三四段預制好，然后用液壓頂以1米的行程，反復頂升，可以很快“長”成設計的建筑。

車前子與向陽屋

車前子原本是一種無足輕重的野草，近年來，卻受到了建筑師們的青睞，成為他們的珍寶。

建筑師們仔細觀察了車前子葉子的結構，發現它們是按螺旋狀排列的，每兩片葉子之間豹夾角都是137°30′，不僅結構合理，而且每片葉子都能得到充足的陽光。

建筑師仿照車前子的奇特結構，建造了螺旋狀排列的樓房。這種新型住宅改變了“向南背北”的傳統建筑朝向，一年四季，每間房子都陽光燦爛，空氣清爽，舒適宜人。

海貍與攔河壩

海貍是一種水陸兩棲獸類，它們的“家”修筑在湖岸或水流緩慢的河岸邊。這些屋頂圓圓的“小房”修得非常堅固，墻壁有2尺多厚，用黏泥修飾。每座“小房”分為二至三層，上層比較干燥，作為“臥室”；下層在水下，作為倉庫，堆積食物、樹皮和木柴。“小房”有兩個出口，一個通陸地，一個通水下。

令人驚奇的是，為了控制需要的水位，海貍還在靠河處筑起了堅固的堤壩。建壩時，它們總是選擇河流狹窄、可以就地取材(木料、石子)的地方為壩址。

海貍所建造的堤壩，正是人類建造的巨大攔河壩的雛形，它給水利建筑提供了有益的啟示。

菌膜與防水材料

建筑物的防水是一個“老大難”問題。不過，另一方面，在自然界中，動物和人的皮膚具有良好的防水性能，外面的水滲透不進去，里面的汗液卻能滲出來，保溫性能也很好，堪為建筑物防水所借鑒。

科學家們正在探索一種能夠

形成菌膜的菌類(如紅茶菌)物質，把它們制成像人的皮膚一樣的膜狀防水材料。人們設想，把這種材料覆蓋在建筑物上以后，它能緩慢生長，出現破損時，又能自行修復；外部的雨水滲不進去，內部的潮氣卻能散發出來。

這對于改善建筑物的防水、保溫、隔熱性能以及節約能源，將會有重大意義。

蟻穴與恒溫辦公樓

在澳大利亞西部有一種白蟻巢穴，盡管穴外溫度一年四季變化很大(氣溫在3～42℃)，但巢穴內不論是白天還是夜晚，也不論是夏季還是冬季，溫度始終保持在30～32℃。這種白蟻巢穴調節溫度的能力簡直可以和現代化的空調系統媲美。

為了弄清白蟻為什么有如此高的本領，科學家仔細研究了白蟻巢穴的構造。他們發現，這種白蟻巢穴分為地上、地下兩部分。地下部分是白蟻的生活區，巢穴的地上部分則有個約3米高的泥塔，泥塔內有一些空氣通道通到白蟻的地下生活區。泥塔斷面呈楔形，總是像羅盤一樣準確地指向北方。因此，科學家把這種白蟻稱為“羅盤白蟻”。

泥塔的側壁皺巴巴的，表面積很大，在早晨和午后陽光斜射時能最大限度地吸收陽光的熱量，泥塔頂部呈尖錐形，表面積較小。這樣一來，在正午熾熱的陽光下，泥塔吸收的熱量就減少了。

“羅盤白蟻”建造這種特殊的泥塔，就是為巢穴創造恒溫條件。泥塔在陽光下受熱后，塔內空氣通道之中的氣溫也隨之上升，空氣體積膨脹而向上升騰，這就產生了像煙囪一樣的抽氣作用，把新鮮空氣通過白蟻進出的通道抽吸到塔頂，形成一股風，吹過白蟻巢穴的生活區。

白蟻中的工蟻在巢穴內“監測”(感受)各處的溫度，并根據溫度的變化，阻斷或擴大巢穴內的通道，以調節氣流。這就像人類用開、閉窗戶來調節室內溫度一樣。

因此，無論外界氣溫如何變化，白蟻巢穴地下生活區的溫度，都保持在30～32℃。

建筑學家從白蟻巢穴的構造得到極大啟示，認為人類也可以模仿白蟻，建造有自然通風系統的辦公樓。雖然安裝了空調系統的大廈可以做到溫度恒定，但因門窗封閉，空氣不流通，長時間呆在里面的人很容易患上空調綜合征。

1994年，英國建筑師在諾丁漢興建了7幢仿白蟻巢穴的辦公樓，排成一個弧形面向北面，每幢大樓的角上都有一個17米高的圓柱形玻璃塔，其作用相當于白蟻巢穴上的泥塔，當陽光照射時，玻璃塔內的空氣溫度升高，膨脹上升，起煙囪的抽氣作用，形成一個自然通風系統。玻璃塔頂部還可用液壓方式升降，用來調節上升的空氣流量，由于塔中的空氣通道和辦公樓的各房間相通，上升氣流可以帶走多余的熱量并吸入新鮮空氣。在大樓內有一個計算機能量管理系統，它的作用相當于白蟻巢穴中的工蟻，負責管理室內的溫度調節系統，控制玻璃塔頂的升降，以調節空氣流量，在寒冬還可啟動熱風機，在夏夜可啟動風扇，將清新的空氣引入室內。

蘑菇與傘屋

所有的植物都呈啞鈴形，這是一種很好的建筑結構，它使植物利用最小的占地面積，就獲得了適度體積的地上部分，得到了大面積的陽光，而向下生長出的根系，能夠牢牢抓住土壤。利用這種結構，植物還能夠立體享受陽光：森林群落中喬木層以下有灌木層，灌木層以下還有草本層。模擬植物的仿生建筑可以更好地利用太陽能。

以蘑菇為例。蘑菇由3部分構成：菌蓋、菌柄、菌絲。菌蓋離地有一定高度，菌絲呈放射狀向地下擴散，菌柄把兩者連接起來。這也是一個啞鈴結構。

依照蘑菇的外形，人類可以設計、建造仿生建筑，其“菌絲”部分(仿生建筑的根基)可以采用植物根的形態，將幾根長度與直徑都適宜的鋼管呈放射狀地打入地下，與巖石緊緊咬合，以產生的摩擦力來支持地上部分。這樣，可以大大減少地基部分的工程量。仿生建筑的“菌柄”部分(支柱)采用鋼筋混凝土結構，它的底部膨大。以便和根基連接為一體。仿生建筑的“菌蓋”部分(居住體)則采用鋼架結構，從支柱向四周輻射出許多鋼梁，屋頂做成拱形的鋼網架，并與鋼梁相銜接，共同形成一個籠狀的整體結構。

由于采用啞鈴結構，這種仿生建筑所占地面只有傳統建筑的10％，而屋頂可以貼上大面積的太陽能電池。從遠處看，整個建筑就像一把大雨傘，因此取名叫“傘屋”。

小腿骨與埃菲爾鐵塔

人體骨架形態、結構之精巧、合理和美妙，往往使建筑師們贊嘆不已。堂堂七尺之軀全靠骨骼支撐，這與高聳入云的摩天大樓憑借鋼架支撐幾乎一模一樣。

人坐著的時候，體重是依靠從骨盆側面延伸出來的骨頭來支撐的。這種簡單而有效的結構啟發了建筑師。建筑師由此設計了一種空間支架模型，建筑物的重量由斜柱支撐著，再傳到幾個支持點，所有與重量負擔無關的材料，一概省去。這就為建筑物提供了一種既強有力又經濟合理的支撐結構。

人體的大腿骨要支撐全身的重量，又要前后左右擺動，因此，它“選用”了一種最合理的結構形式——既輕又堅固。一般成年人的大腿骨能夠承受260～400千克的壓力，小腿骨吃力更大，比相同斷面的花崗巖還要堅固10多倍，它的剛度可以和熟鐵相比，但比重只有熟鐵的1/5。

巴黎埃菲爾鐵塔高327.7米，猶如巨人般聳入云天。一些建筑師研究之后得出結論：這座鐵塔的結構并不新穎，只是一座重復著人體小腿骨的建筑；甚至兩者的表面角度都相符。

建筑仿生是一門妙趣橫生的新興科學，是科學與美學的有機結合。生物是人類工程設計的最好老師。正如著名仿生設計師L·科拉尼所說：“仿生設計是一個揭示自然界生命體的設計領域，也可以稱為一項‘翻譯自然的事業?！?/p>

可以預見，在不遠的將來，人類必將從表面的靜態仿生走向內部的、動態的仿生，從而大大豐富人類的創造。

[責任編輯]趙菲