高效率的建筑在路上

曹欣 張林 胡瑾

（河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，中國(guó) 天津 300401）

0 引言

人類大概是迄今為止地球上最智慧的生物，然而人類的住房卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是最智慧的。世界各地的建筑師和科學(xué)家們正在向大自然學(xué)習(xí)，試圖建造出更舒適、更節(jié)能、更智能的房屋。

人類無(wú)法在野外生活，所以需要避難所，因此我們修建了房屋。它們是我們文化的一個(gè)組成部分，但是它們并不是進(jìn)化的產(chǎn)物，因?yàn)榉孔硬粫?huì)自己長(zhǎng)出來(lái)，一旦棄而不用，它們就會(huì)坍塌。它們很少由太陽(yáng)提供能量，因此人類的建筑并不完美。

我們可以說(shuō)，植物就是大自然中的不動(dòng)產(chǎn)。就像人類一樣，它們會(huì)選擇合適的地點(diǎn)。它們不得不通過(guò)最佳生存策略找到最適合它們居住的地方。大自然就像一部活檔案，記錄下了大量的策略和解決方案。而這些策略和解決方案一代代的被傳承和完善。我們可以充分利用這些檔案，但首先我們必須理解和讀懂它們。我們可以觀察大自然中的巧妙方法和自然循環(huán)，然后對(duì)它們加以利用。

1 新型空調(diào)的靈感

人類的房子其實(shí)就是用來(lái)遮風(fēng)避雨的地方，傳統(tǒng)的建筑方法都會(huì)在一定程度上考慮周圍的環(huán)境。但在現(xiàn)代建筑中，空調(diào)的使用已經(jīng)變得越來(lái)越普及，這將消耗大量的化石燃料，并增加大氣中CO2的排放量。一些植物也許能夠教會(huì)我們?nèi)绾卫锰?yáng)，讓我們的房子變得涼爽。

在炎熱的正午，沙漠居民都會(huì)尋找躲避太陽(yáng)的陰涼，但是沙漠植物不得不接受太陽(yáng)的炙烤。沒(méi)有持續(xù)的水進(jìn)行冷卻，灌木三棱角黃岐的葉子可能會(huì)在撒哈拉沙漠烈日的炙烤下灼傷。但是在沙漠地區(qū)，水是非常缺乏的。盡管如此，在正午太陽(yáng)的照射下，這種植物能夠在正午沙漠的土壤中吸收大量的水汽。這一原理是否能夠加以利用，開發(fā)新的空調(diào)技術(shù)？仿生學(xué)家們希望能夠創(chuàng)立一種全新的裝置，就像三棱角黃岐一樣，不需要任何的機(jī)械部件，就能夠?qū)鉁剡M(jìn)行調(diào)節(jié)。一旦成功了，這將是開發(fā)新型空調(diào)關(guān)鍵性的一步。

植物循環(huán)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿Γ褪钦趄v拉力。白天在太陽(yáng)的照射下，水從葉子表面蒸發(fā)，吸力形成并一直作用到植物的根部，結(jié)果植物根部的水被吸了上去。這個(gè)蒸發(fā)的過(guò)程就會(huì)在葉子的表面產(chǎn)生冷卻效果。這一原理可以用于沙漠取水或者用于建筑物的冷卻。到目前為止，這不過(guò)是人們的夢(mèng)想而已。如果受植物啟發(fā)而設(shè)計(jì)的新型水泵得到廣泛應(yīng)用，那么未來(lái)的空調(diào)，將會(huì)以太陽(yáng)能為動(dòng)力。一種沙漠植物為人們開發(fā)新的空調(diào)技術(shù)提供了靈感。

2 新型墻面的探索

住宅更像一個(gè)有機(jī)體，但是在現(xiàn)代社會(huì)，建筑物更多的是從經(jīng)濟(jì)和文化視角來(lái)定位。對(duì)此，仿生學(xué)家們頗有微詞。他們認(rèn)為：這些建筑物也許看起來(lái)還不錯(cuò)，頗有美感，但是它們不能夠充分利用周圍的空氣流和能量源。

現(xiàn)代建筑師已經(jīng)越來(lái)越歡迎綠色環(huán)保策略。那些看起來(lái)非常現(xiàn)代的建筑，也可以像生物一樣有自己的生命并滿足自己的需求。它們能夠自己收集能源，凈化自己的水，并處理自身產(chǎn)生的垃圾。但是要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，我們的許多設(shè)計(jì)必須要做出改變，而仿生學(xué)將能幫我們的大忙。在某種意義上，自然界幾乎所有的生物都有第二層皮膚，這層皮膚就是它們的棲身地。這層皮膚也有它獨(dú)特的收集能量和通風(fēng)的方式，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

建筑物的正墻面最多可能導(dǎo)致建筑物內(nèi)50%的能量散失，因此這是仿生學(xué)建筑設(shè)計(jì)首先必須考慮的問(wèn)題。當(dāng)外墻已經(jīng)擁有了良好的隔熱性能時(shí)，建筑物內(nèi)的熱量就不會(huì)散失，但建筑物內(nèi)的氣味也無(wú)法散發(fā)出去。窗戶的作用就是為了便于室內(nèi)通風(fēng)換氣。如果將窗戶打開讓新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，那么在冬天人們通過(guò)努力在室內(nèi)產(chǎn)生的熱量也將散失，而這些熱量通常都是化石燃料產(chǎn)生的。這樣當(dāng)人們?cè)诮o建筑物通風(fēng)換氣時(shí)，就會(huì)將大量的熱量釋放到周圍環(huán)境中。因此，理想的墻面結(jié)構(gòu)，就是能夠?qū)⑽蹪岬目諝馀欧懦鋈ィ瑓s能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)的熱量保留。

當(dāng)然，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，大自然也提供了幾乎唾手可得的解決方案。一種蒼蠅的蟲卵便很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。空氣通過(guò)兩個(gè)微小的氣孔通過(guò)兩個(gè)方向進(jìn)入，暖空氣吹出來(lái)讓這些蟲卵皮膚上的小血管變熱，而冷空氣吹進(jìn)來(lái)吸收熱輻射，并進(jìn)入提前預(yù)熱的蟲卵中。CO2從這些氣孔溢出，離開卵殼，這一過(guò)程中產(chǎn)生的熱量都儲(chǔ)存在這些微小結(jié)構(gòu)中，因此溢出的CO2不會(huì)帶走任何的能量。在相反的過(guò)程中，當(dāng)O2進(jìn)入卵殼供蟲卵呼氣的時(shí)候，之前儲(chǔ)存的能量將從卵殼的外部進(jìn)入卵殼的內(nèi)部。卵殼外部和內(nèi)部的氣孔承擔(dān)了完全不同的任務(wù)。這種蒼蠅卵殼墻面，現(xiàn)在唯一的缺陷就是缺乏成功的實(shí)踐案例。

3 流動(dòng)建筑的大膽設(shè)想

高層建筑所面臨的問(wèn)題之一就是必須使用大量的材料將基礎(chǔ)固定。830米高的哈利法塔是世界第一高樓，為了抵御強(qiáng)風(fēng)，人們用了11萬(wàn)多噸混凝土澆筑了某些地方的深達(dá)70多米的基礎(chǔ)。在植物王國(guó)中就不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。在多風(fēng)的地區(qū)，也許我們的建筑是隨著風(fēng)在搖晃，而不是能夠抵抗巨大的風(fēng)力，但大自然中的草類卻擁有良好的柔韌性。仿生學(xué)家們認(rèn)為流線墻面可以對(duì)不同的風(fēng)做出反應(yīng)，為此他們開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠在不同的高度對(duì)建筑物的幾何特征進(jìn)行調(diào)整，這樣建筑便可對(duì)不同的風(fēng)力做出不同的反應(yīng)。符合模擬的外墻能夠讓建筑符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。在安全性能不打任何折扣的前提下，更具有流線型的塔狀結(jié)構(gòu)可以使沉重而高耗能的地基變輕許多。在這個(gè)模擬建筑物的內(nèi)部，各樓層也沒(méi)有傳統(tǒng)摩天大樓晃得厲害。這是因?yàn)檫@個(gè)建筑被分成了好幾個(gè)部分。在各個(gè)部分之間，是起緩沖作用的部分。它們能夠降低建筑物的晃動(dòng)程度。這個(gè)建筑的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自竹子。不管竹子在生長(zhǎng)過(guò)程中呈現(xiàn)如何不對(duì)稱的狀態(tài)，這種不平衡都將在生長(zhǎng)中得到抵消。這個(gè)模擬的摩天大樓就像野草一樣，能夠針對(duì)不同的風(fēng)向進(jìn)行自我調(diào)整。不過(guò)迄今為止，這種設(shè)計(jì)仍然只存在于圖紙上和模型中。目前我們?nèi)狈Φ氖强駸岬慕ㄔ煺吆陀赂业耐顿Y者。

4 會(huì)變形的建筑材料

要將這樣的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，除了投資者，我們必須具有相關(guān)性能的材料。在代爾夫特大學(xué)，建筑師夏洛特·樂(lè)利維爾德已經(jīng)開發(fā)出了一種當(dāng)電流通過(guò)時(shí)就會(huì)變形的建筑材料，在電流停止后，這種材料又會(huì)恢復(fù)它本來(lái)的形狀。這樣我們的建筑墻面將能夠?qū)諝饬魍ɑ蛘哒陉?yáng)罩的不同情況做出反應(yīng)。它將能夠根據(jù)用戶的需要或者環(huán)境狀況做出相應(yīng)的調(diào)整。不難想象，在不久的將來(lái)，墻面的組成部件將具有一定的思維能力，它們將根據(jù)需要濾過(guò)光線和空氣。可持續(xù)發(fā)展和可適應(yīng)性墻面技術(shù)目前仍處于起步階段，不過(guò)它們已經(jīng)激發(fā)起了年輕的建筑師和工程師豐富的想象。這些墻面已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的墻面，它們更像是窗簾或者覆蓋物。

5 結(jié)語(yǔ)

生物體不得不想辦法滿足自身的需求，它們制造材料，構(gòu)建家園，照顧后代，為自己和后代創(chuàng)造有利的生存條件，它們不得不打造自己的棲息地，在長(zhǎng)達(dá)38億年的漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程中，它們一定找到了非常完美的解決方案，也許我們現(xiàn)在遇到的正是和它們已經(jīng)找到了解決方案的相同的難題，這些知識(shí)也許能夠幫助人們應(yīng)對(duì)未來(lái)建筑所面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)我們想象著那些成本適中節(jié)能高效的建筑的時(shí)候，當(dāng)我們想象著那些也能夠不斷學(xué)習(xí)、不斷優(yōu)化和自我修復(fù)的建筑的時(shí)候，也許我們的想象并不是不著邊際的空中樓閣，因?yàn)槲覀兡茉诖笞匀恢姓业剿麄兊嫩櫽啊?/p>