歷史悠久的建筑仿生學(xué)

鳥兒是我們?nèi)祟惖呐笥眩坏絮r艷的羽毛，

婉轉(zhuǎn)的歌聲，還有被譽為“藝術(shù)品”的鳥巢，是名副其

實的天才建筑師，其實不只是鳥巢，動物的骨骼、外殼

等都是人類建筑構(gòu)思時取之不盡的創(chuàng)作源泉，形成了

一門邊緣科學(xué)——仿生建筑學(xué)。

有巢氏——最早的仿生學(xué)家

提起“有巢氏”，同學(xué)們可能比較陌生，但是“三皇

五帝”大家都知道，“三皇”指“巢皇”、“燧皇”和“羲

皇”，“有巢氏”正是“三皇”中的第一皇——“巢皇”!

“有巢氏”是傳說發(fā)明巢居的人，上古時人類少而

兇猛禽獸多，人類從山洞來到地面上，經(jīng)常遭受風(fēng)吹

雨打和禽獸的攻擊，每時每刻都存在著傷亡危險，在

極其惡劣的環(huán)境下，“有巢氏”出現(xiàn)了!他受鳥類在樹

上筑巢的啟發(fā)，最先發(fā)明了“巢居”，他指導(dǎo)人們用樹

枝和藤條在高大的樹干上建造房屋，房屋的四壁和屋

頂都用樹枝葉遮擋得嚴(yán)嚴(yán)實實，既能夠擋風(fēng)避雨，又

可防止禽獸的攻擊，人們從此不再過那種擔(dān)驚受怕的

日子，意義實在太大了。

人們非常感激這位發(fā)明巢居的人，便推選他為部

落酋長，尊稱他為“巢皇”。

“鳥巢”——仿生建筑的代表作

2008年北京奧運會主場館之一“鳥巢”(如圖1)，

是現(xiàn)代仿生建筑在中國的成功代表作，“鳥巢”建筑的

多支架結(jié)構(gòu)，具有很高的穩(wěn)固性，“鳥巢”凌空的屋頂

氣勢不凡，支撐它的24根巨大鋼柱腳更是壯觀雄偉，

高低起伏的波動形基座緩和了建筑對地面的壓力，而

且給了它戲劇化的弧形外觀，體育場的各個結(jié)構(gòu)之間

相互支撐，匯聚成網(wǎng)格狀——就如同一個由樹枝編織

成的鳥巢，建筑物的立面、樓梯、碗狀看臺和高高的屋

頂融合為一個整體，如同鳥兒會在它們用樹枝編織的

鳥巢問加一些軟充填物，為了使屋頂防水，體育場結(jié)

構(gòu)間的空隙被透光的膜填充。

巨大的“鳥巢”空間效果新穎激進，簡潔古樸，是

偉大的仿生建筑代表，可以說是對祖先“有巢氏”的最

好紀(jì)念!它見證的不僅僅是人類21世紀(jì)在仿生建筑領(lǐng)

域的不懈追求，也見證著中國這個東方文明古國不斷

走向開放的歷史進程。

埃菲爾鐵塔的空心結(jié)構(gòu)

歷史上最著名的仿生建筑，當(dāng)屬法國的埃菲爾鐵

塔!埃菲爾鐵塔是巴黎人的驕傲，如果說，巴黎圣母院

是古代巴黎的象征，那么，埃菲爾鐵塔就是現(xiàn)代巴黎

的標(biāo)志。

埃菲爾鐵塔是空心的，這是仿生學(xué)的一大功績，

生物體往往在省料、結(jié)實方面比人類的創(chuàng)造物要高明

得多，一根蘆葦一般高2 m，而它的直徑只有1 cm，高

度和直徑之比為200：1，為什么高而細(xì)的蘆葦不容易倒

呢?因為蘆葦是中空的，鋸開一根新鮮的動物骨骼研

究一下，你會看到，骨骼的外層是致密的骨密質(zhì)，里層

是一些結(jié)構(gòu)稀疏的像蜂窩一樣的骨松質(zhì)，再里面充滿

了具有造血功能的骨髓，原來動物的骨骼也是中空

的!

空心結(jié)構(gòu)不但可以承受更大的力，而且省料省

工，埃菲爾空心鐵塔高300 m，塔身重達(dá)9000 t，只用了

27個半月就安裝完畢，如果是實心鐵塔，那么塔身質(zhì)

量將大大增加，不但會加大成本，而且對于塔基的要

求也必將增高。安裝時間自然就要延長。

空心結(jié)構(gòu)在建筑上經(jīng)常使用，如果我們能到工地

上看看，一定會看到空心水泥樓板和工字梁，工字梁

是管子的變形，它的中間層做得特別薄，可以節(jié)省材

料，減輕質(zhì)量，但是必須指出，同樣多的材料制成空心

管和實心管，空心管承受的力大，實心管承受的力小，

是個很復(fù)雜的理論力學(xué)問題，需要精確的計算和反復(fù)

的試驗；空心管的厚度也很重要，絕非越薄越好。

烏龜殼和薄殼建筑

烏龜是人們常見的動物，屬爬行類，它的樣子很

笨，行動極其緩慢，但生命力極強，它有一副特殊的

“鐵甲”——龜殼，當(dāng)遇到危險時，可以把頭和四肢縮

入龜殼內(nèi)，龜殼的結(jié)構(gòu)和形狀特殊，十分堅固。

龜殼由拱起的背甲和扁平的腹甲構(gòu)成，背甲呈拱

形，由角板和骨板組成，角板的連接縫和骨板的連接

縫交錯排列，互相咬合得很緊，腹甲也由角板和骨板

組成，但結(jié)構(gòu)比較簡單一些，烏龜殼雖然很薄，可是一

個成年人站在上面也壓不碎，即使用鐵錘敲，也不容

易把它砸碎，烏龜殼不僅薄而牢。跨度也很大，包含許

多合理的力學(xué)原理，是設(shè)計薄殼結(jié)構(gòu)建筑物的好樣

板。

薄殼結(jié)構(gòu)的建筑優(yōu)點是什么呢?首先因為它很

薄，相比較而言，同樣跨度的其他結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要比它

大得多，也就可以節(jié)約很多材料，其次薄殼結(jié)構(gòu)是整

體連續(xù)的屋蓋結(jié)構(gòu)，比用小塊材料砌成的拱券結(jié)構(gòu)整

體性要強得多，防震性也大得多，更重要的是，它的跨

度大，中間沒有柱子遮擋視線。

許多建筑工程中設(shè)計有各種類型的薄殼建筑物，

悉尼歌劇院(如圖2)就是其中的代表，那優(yōu)美的造型

既像一組海灘上的貝殼，又像兩艘巨型白色帆船，漂

蕩在蔚藍(lán)色的海面上!

現(xiàn)代社會對于建筑提出了更高的要求，建筑仿生

領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，現(xiàn)代仿生建筑學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、

美學(xué)和自然界中的科學(xué)規(guī)律，利用新材料、新技術(shù)，把

人類的建筑結(jié)構(gòu)、建筑功能和自然生態(tài)環(huán)境進行了有

機結(jié)合，建筑仿生學(xué)作為一門邊緣科學(xué)，通過對自然

界各種生物體的功能、結(jié)構(gòu)和形象的研究與運用，不

僅有助于建筑和城市規(guī)劃等方面某些具體問題的有

效解決，對于協(xié)調(diào)建筑與自然界之間的相互關(guān)系也有

著重要的影響。

責(zé)任編輯 程哲