現代仿生學在橋梁設計中的應用探討

李文強

摘要：在現代的橋梁設計與建造中，仿生學的理念已經深入解決了很多建筑學中的難題，仿生學設計就是要將工程建筑與生物工程完美地融合在一起。在闡述了橋梁設計和建造中的仿生學理念后，分別從建筑材料、功能、形態、力學結構和生態角度對橋梁建筑設計建造中的仿生學應用進行了探討。

關鍵詞：仿生學 橋梁設計 現代設計 建筑設計

中圖分類號：Q811文獻標識碼：A

現代仿生學已經不再是單純模仿自然界生物建造技術和裝置，而是吸收生物的自然建造機理，廣泛應用于各種學科，包括醫學、建筑學、遺傳學、機電一體化等。仿生建筑學也逐漸地興起并迅速地成長起來，不僅可以通過模仿生物組織形態和結構特點來不斷創造、設計出新型的橋梁結構、形體，同時也可以借鑒生物特性來改善建造材料的功能、形式及結構，進而完善橋梁的功能，增強橋梁的壽命。可以說，在現代橋梁的設計和建造中，仿生學的研究和應用都顯示了強大的生命力和創造力，對這個課題的研究也稱為當前建筑學的熱點。

1. 橋梁設計和建設中的仿生學理念

橋梁的設計和建造本身就是基于對大自然的感悟而得來的靈感，橋梁設計者在不知不覺中已經開始應用仿生學的設計理念。吊橋、梁橋、拱橋等橋梁形式都能在生物學中找到他們的靈感出處。在現代橋梁設計和建筑過程中，橋梁結構都包括細部與整體，宏觀與微觀兩方面。

2.1仿生學的宏觀設計與微觀設計

根據仿生學微觀與宏觀的設計思路，設計師仿生思維在設計過程中也分成了微觀橋梁設計以及宏觀橋梁設計。無論是哪一種形式的仿生設計，目的都是為了現代橋梁的設計，因此，我們更需要一種統一的、綜合仿生學設計，為建筑設計的形態、結構、功能等方面的創新和完善提供靈感。通過不斷地模仿和研究自然界中生命體的特征和表現，能夠幫助設計者們激發創作的思路，創造出更加新穎和完美的橋梁造型方案。

2.2仿生學設計優化自然結構

不論是從整體結構上講，還是局部構造方面的選擇和運用，在自然界中的經過優勝劣汰的優化結構能夠為設計師和建筑師們提供相應更廣闊的思路。在微觀仿生設計過程中所設計的橋梁建筑一定要能夠適應和自我調控，能夠承擔地震、狂風以及可能發生的自然環境的惡劣變化。無論是站在微觀仿生或是宏觀仿生角度上分析，設計師所設計的橋梁都是通過生命體向非生命體的重要轉變。

2橋梁建筑設計建造中的仿生學應用

橋梁建筑是建筑系統的重要分支，隨著人們對建筑功能和審美的需求越來越高，現代橋梁建筑的發展也需要不斷注入新的靈感和創意，仿生學與建筑學的完美結合必然給橋梁的設計和建造帶來無窮的活力。

2.1 仿生學在橋梁建筑材料的應用

建筑材料在橋梁的發展歷史中都一直占據著重要的地位，利用仿生學的理念來開發新材料也成為建筑學上一直研究的重點。實踐證明，自然界中的生物經過無數次進化，其很多功能和結構都可以給設計者們帶來靈感，提供無限的參考價值。仿生建材是通過模仿生物機體結構組成體的化學成分，來實現與其功能相似的建筑材料。這些建筑材料往往具有特殊韌性、強度或是具備其它生物特性。現代的橋梁建筑中，仿生學材料可以說無處不在，并引導著建筑學材料的發展趨勢。現代的橋梁建造中，鋼筋混凝土已成為建筑施工中不可或缺的結構，扮演著重要的角色。鋼筋混凝土的誕生就是仿生學在建筑材料應用的典范。法國設計師通過研究植物的根系，利用鐵絲網仿造植物的根系組織，再把水泥、砂石澆筑在一起，形成了堅固的鋼筋混凝土結構。日本科學家在木質材料的啟發下，在一般混凝土中摻加約1%的長纖維狀分子添加劑，開發出了新的建筑纖維材料，與木質材料的彈性韌性強，能抵抗相當的振動和沖擊效果類似。與此類似的是，在混凝土中加入網狀的纖維，增強了混凝土在水中的凝結能力，有助于橋梁的水下作業。

2.2 仿生學在橋梁結構力學的應用

橋梁結構力學方面的仿生，是研究自然界生物結構及其組成部分的運動機能，通過模仿生物形體或其運動學性質，來構建各式各樣的橋梁結構形體。橋梁結構方面上的仿生實質也是力學方面上的仿生，其研究的方向主要是生物體的大體結構和精細結構具備的良好力學性能，進而設計出強度大、用料節省等橋梁結構。掏空梁的設計就是基于動物機體的研究，在充分利用材料的基礎上，采用空心板和箱梁等結構形式來提高材料的利用率，結構件仿生也是橋梁結構設計中仿生的重要表現形式。

2.3 仿生學在橋梁建筑形態方面的應用

形態仿生是最直觀和最容易理解的仿生學應用，通過對自然界中生命現象和生物特征的描繪和衍生，利用建筑美學的藝術表達來創設建筑形態，從而表現出具有生物形態象征的仿生學建筑構造。仿生學應用于橋梁建筑中不僅是基于生物系統的結構和動作原理的模仿，而是旨在總結生物形態的自然規律，進而在橋梁形態仿生設計中尋找科學原理和藝術美感。從自然界中的動態或靜態現象來激發靈感，創造出富有新穎造型、特色外表的橋梁構造，是仿生學在橋梁設計中最普遍的應用，發展到今天，已經從單純的模仿上升為藝術再創造的形態仿生應用。

2.4 仿生學在橋梁建筑功能上的應用

橋梁建筑的核心應用在其功能設計和完善，仿生學在建筑中最有升值價值的應用也在于此。然而，仿生學在橋梁功能的運用一直以來都是比較薄弱的環節，仍存在著巨大的潛力等待挖掘。自然界的生物通過機體來完成其生命特征，橋梁建筑的仿生設計理念也是基于生物體，但橋梁本身是無法具備生命體征的。因此，橋梁建筑的功能仿生是利用類推等方法來實現橋梁的耐久、節能等功能效果，并最終完成類生命建筑橋梁的設計和建造。建筑橋梁功能上的仿生要依靠生物學的規律，包括生物的新陳代謝及對自然界環境的適應特征等，從生命體的周期思維入手，建立起全壽命的橋梁建筑思想，從而設計出擁有類似生物體結構體系的橋梁建筑，并能夠使橋梁具備可修性、可控性、可檢性和可持續性等。

2.5橋梁建筑生態觀與仿生學

橋梁的設計與建造同時要關注其生態學地位與功能，成功的橋梁設計應該對周圍的環境保護與區域規劃起到良性的保護、促進作用，反之將對環境起到嚴重的負面影響。橋梁仿生雖然無法實現與動植物生命體一樣自身完成生物特征，但橋梁在生態中的地位是不容小視的。作為橋梁的設計者和建造者，應將資源節約和環境保護的生態理念深入到每一環節中，在橋梁建筑的用料上多采用地方性材料和可再生材料，減少運輸成本和資源；對施工中剩余的可利用材料優先使用，避免拆建建筑；此外，橋梁建筑設計可以充分發揮自然能源的利用，比如將太陽能與風能運用到橋梁建筑的排水、通風和照明方面，能夠更大程度上減少自然資源的損耗。

3 結語

仿生學的應用潛力在于自然界各種生物體和自然現象的不斷變化和適應，每一特征都可能給予建筑設計者們靈感，從而帶來新穎和特殊功能的橋梁建筑。當前研究仿生學并通過各種科學的類比、類推等設計手段，來設計建造出和諧生態環境并有效服務人類的優秀橋梁。自然界中的生物生長和其它自然現象的變化都會遵循一定的規律，其發生和發展都在不斷地適應環境和更好地生存，未來仿生學的應用也會沿著這個方向發展。

參考文獻：

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