基于室內(nèi)空間形態(tài)仿生節(jié)能低碳設(shè)計的研究

袁偉民

摘 要：基于仿生思維的角度，圍繞構(gòu)成室內(nèi)空間要素的不同實體物質(zhì)，如各界面維護結(jié)構(gòu)、家具設(shè)備、空間組織等，在材料特性、加工技術(shù)效果、空間尺度、人的視覺感知等方面，探究室內(nèi)空間中使用仿生思維節(jié)能創(chuàng)新的可操作形式。并通過節(jié)能化的仿生思維制約人們室內(nèi)空間中對物質(zhì)的視覺感知、功能使用、循環(huán)利用等方面的生活環(huán)節(jié)。這種切實可行的室內(nèi)空間設(shè)計操作模式，將為空間內(nèi)的物質(zhì)精神消費找到最佳的可持續(xù)平衡點，從而引導人們走上真正意義上的節(jié)能、生態(tài)化的可持續(xù)生活。

關(guān)鍵詞：仿生思維；室內(nèi)設(shè)計；節(jié)能

一、研究背景

隨著全球人口的持續(xù)增長與經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球生態(tài)遭到破壞、能源面臨匱乏等問題已經(jīng)威脅到人類的居住環(huán)境。鑒于此，國外許多國家從長遠發(fā)展的角度出發(fā)，投入了大量的精力與資金技術(shù)大力發(fā)展節(jié)能低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)。我國也逐漸意識到可持續(xù)發(fā)展的重要性，國務院辦公廳 2013年8月1日，正式印發(fā)的《國務院關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見》，提出環(huán)保節(jié)能設(shè)計是符合未來社會發(fā)展趨勢的。

由此可見，節(jié)能設(shè)計正推動著人類的生產(chǎn)生活走向可持續(xù)的發(fā)展道路。對于室內(nèi)設(shè)計而言，節(jié)能設(shè)計就是要按照簡潔、實用的原則進行設(shè)計，減少無謂的材料和能源的消耗，盡可能地利用綠色自然、生態(tài)環(huán)保的資源于空間中，以達到“可持續(xù)性”“良性生態(tài)循環(huán)”的生活方式。實現(xiàn)節(jié)能需要相應思維方法的輔助及引導，如圖1，一般思維是設(shè)計——反饋——生產(chǎn)——使用——報廢——垃圾，經(jīng)研究在仿生思維下則是反饋——設(shè)計——生產(chǎn)——使用——垃圾——回收——再生產(chǎn)。對比可知，仿生思維所秉承的是無限循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展策略，其所提倡的生物圈無廢料的運行模式、新陳代謝原理以及各仿生形態(tài)所蘊含的自然智慧將是節(jié)能低碳設(shè)計重要的靈感來源。因此，基于仿生思維的室內(nèi)空間節(jié)能設(shè)計將是最佳的操作模式。

二、仿生思維下室內(nèi)節(jié)能的應用探析

仿生設(shè)計思維以自然界中的萬物為靈感，進行創(chuàng)造性的思維活動。早在我國遠古時代人們在樹上營巢的生活方式就萌生了仿生設(shè)計思維，在數(shù)字化科技化的今天，同樣對人們生產(chǎn)生活具有強大的吸引力。仿生設(shè)計思維是在“比較-概括、分析-綜合、抽象-具體”等方法的指導下追求回歸自然、天人合一的環(huán)境氛圍。也就是對自然規(guī)律、生物結(jié)構(gòu)、功能組織、肌理質(zhì)感、意象效果等進行解析，模擬探尋生物圈中無廢料的運行方式運用與設(shè)計中，為人們的物質(zhì)精神生活提供最佳的生存模式與平衡點，從而實現(xiàn)可持續(xù)的生態(tài)設(shè)計理念。

（一）結(jié)構(gòu)仿生思維：合理空間設(shè)計

結(jié)構(gòu)仿生思維是模仿自然動物、植物的生存結(jié)構(gòu)，或能夠進行獨特任務的身體結(jié)構(gòu)。原于其在演化篩選中形成的完美結(jié)構(gòu)組織，由古至今不乏設(shè)計師們對其進行借鑒與學習，幾千年來這類仿生設(shè)計在為人類社會節(jié)約資源、材料、人力物力方面起到顯著成效。

約翰威金森設(shè)計的澳大利亞鱷魚旅館充分利用鱷魚形體結(jié)構(gòu)特點進行旅館內(nèi)功能分區(qū)，如鱷魚牙齒位置設(shè)置入口門柱、四肢設(shè)置樓梯通道、兩個眼睛部位是中央空調(diào)所在處、中間腹部被分割為150個旅館房間、腹部中央設(shè)置了配套設(shè)施游泳池和露天庭院餐廳等、尾部為廚房和后勤等功能區(qū)。這種基于結(jié)構(gòu)仿生思維的規(guī)劃設(shè)計，使旅館內(nèi)部功能區(qū)可相互聯(lián)系又可相對獨立，交通流線順暢運輸方便，不僅提高了空間利用率，節(jié)省了交通面積，還減少了裝修材料的浪費。日本設(shè)計師柴田文江從蜂巢結(jié)構(gòu)的特性中獲得靈感設(shè)計了9小時蜂巢旅社，專為因出差、加班或醉酒等原因不能回家的人們設(shè)計的。9H 旅館房間的鋪位像蜂巢結(jié)構(gòu)一樣整齊排列，看似窄小但設(shè)備齊全，功能布局特別合理，設(shè)施齊全艙體內(nèi)安裝了人性化的操作系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)光線、溫度、時鐘等，具有高彈性、透氣性、易清潔等特點。

（二）肌理仿生思維：蓄勢保溫設(shè)計

肌理仿生思維是通過分析與解讀自然界生物表皮的肌理特性，學習和模仿其生存演化中應對問題的智慧。如材料科學界對材料物理特性、微結(jié)構(gòu)特點研究十分關(guān)注，足以說明肌理仿生設(shè)計在材料方面的價值和作用。研究表明，白蟻巢穴內(nèi)部溫度不會因為外界氣候變化而改變，具有持久的恒溫性，這除了與其巢穴內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與筑巢材料有直接的關(guān)系。巢穴表面材料是白蟻使用酶解原理而生成的，且表面肌理凹凸不平，可蓄勢保溫，吸收熱量的混合材料，因此而研制出了生態(tài)混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料。如津巴布韋東門商業(yè)辦公綜合體的建筑材料及室內(nèi)天花吊頂均采用此生態(tài)混凝土，其良好的蓄勢保溫保持了室內(nèi)溫度的恒定，代替了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約了能源。再如墨爾本新市政廳的設(shè)計中，因采用預制生態(tài)混凝土樓板，炎熱夏季室內(nèi)溫度可以保持在20℃左右，運用于天花中，還可以反射燈光吸收室內(nèi)熱量，利于室內(nèi)降溫。

（三）新陳代謝原理：周期延長設(shè)計

新陳代謝就是自然界中任何有生命的物種，不斷蛻變生長和變化更新從而適應生存環(huán)境，保持生命力的持續(xù)旺盛。在此啟發(fā)下日本設(shè)計師菊竹清訓提出了其設(shè)計構(gòu)想，人類生活環(huán)境能否像自然生物一樣進行新陳代謝，滿足不同時代、年齡的生活需求。他親自實踐把新陳代謝原理運用于自宅設(shè)計中，從而改變了室內(nèi)環(huán)境不只滿足于一個時期的一種功能。其住宅空間被劃分為固定的客廳、臥室；廚房、浴室由可自由移動的成套設(shè)備組成；特別是兒童房的設(shè)計，設(shè)計了拆缷安裝的居住空間、活動空間、儲物空間，可根據(jù)孩子年齡增長重新組合代替購買。菊竹清訓做到這點主要是對空間組合以及家具設(shè)備進行未來化設(shè)計，不僅可根據(jù)個人需要改裝家具，可調(diào)節(jié)高低、大??；而且實現(xiàn)家具的標準化、模塊化，減少用材和其他配件的使用。這種設(shè)計通過延長室內(nèi)空間與家具設(shè)備使用周期，從而節(jié)省了能源，是當代室內(nèi)節(jié)能設(shè)計中必不可少的設(shè)計手法。

（四）生物圈運作模式：無廢料設(shè)計

自然界中的每一個生物都是生物圈中的重要組成部分，相互依存，缺一不可。無論是生物本身還是排出廢物都為其它生物的生存提供了賴以生存條件，通過模擬生物圈無廢料的運行模式應用于室內(nèi)空間中，為室內(nèi)節(jié)能尋求更多的可操作模式。如2010年上海世博會零碳館，從無廢料運行模式的生物圈中獲得靈感，借助雨水轉(zhuǎn)變成可用能源。如圖 8利用屋頂1200平方米的面積作為雨水收集的場地，再借助紫外線消毒、深度過濾等程序后被儲存進一個大的容器中，最后再進行分質(zhì)供水的流程把處理后的雨水用于沖洗廁所、灌溉花園、洗車拖地、陽光房植物等等除飲用水這外的所有水源利用上。通過采用天然雨水循環(huán)使用的模式，大大減少了淡水資源的使用，同時也使得整個住宅用水節(jié)水系統(tǒng)合理有序，親近自然。據(jù)統(tǒng)計，收集的雨水和凈化的水量將大于建筑消耗的水量，是一種可持續(xù)的循環(huán)利用水資源模式。

三、基于仿生思維的室內(nèi)節(jié)能應對策略

（一）建筑與室內(nèi)一體化設(shè)計。自然生物離開了賴以生存的環(huán)境就會滅絕，生物圈斷了某一個生物鏈生態(tài)將會惡化。而室內(nèi)空間設(shè)計作為建筑設(shè)計的重要組成部分，是深化與再創(chuàng)造過程，建筑設(shè)計為又輔助于室內(nèi)設(shè)計，其整體規(guī)劃、戶型設(shè)計、維持界面設(shè)計直接關(guān)系著室內(nèi)布局、采光面積、通風系統(tǒng)、保溫隔熱等因素，二者是不可分割的，相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此，只有把建筑與室內(nèi)一體化來規(guī)劃，既可以減少重復作業(yè)，縮短工期，又可以整體規(guī)劃室內(nèi)保溫隔熱以及其它節(jié)能低碳設(shè)計。

（二）節(jié)能低碳材料的普及。一是材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料如木材等，如禾香板：具有綠色環(huán)保性、可再生性、可循環(huán)使用的特點；二是可以學習借鑒自然生物的材料肌理，研制出既可以高效使用又可以提升節(jié)能的力度，如生態(tài)混凝土、納米自清潔涂料等。仿生材料的使用及開發(fā)可以代替成本高、周期短、危害性大的材料，甚至為室內(nèi)蓄熱保溫、節(jié)約淡水資源起到顯著作用。

（三）高效快捷的施工方法。人們通過對自然界中的蟻群、蜂群、人工魚群、混合蛙跳、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、情感、遺傳等現(xiàn)象進行分析得出，能夠在復雜程度、因素多的系統(tǒng)中尋求盡可能優(yōu)化的解決方案。如在室內(nèi)空間中，若采用優(yōu)化算法可為室內(nèi)裝修施工找到最有效的低浪費、低污染、節(jié)能低碳的方法與措施，如簡化施工程度、采用工場預制施工，可以減少原料的浪費、垃圾產(chǎn)生量、水電能源的浪費、施工周期縮短等。

四、結(jié)語

通過對功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、肌理仿生、新陳代謝和生物圈原理在室內(nèi)節(jié)能中的應用研究，為室內(nèi)空間的節(jié)能設(shè)計找出了可持續(xù)發(fā)展思維，如建筑與室內(nèi)一體化設(shè)計、可持續(xù)能源的開發(fā)利用、節(jié)能低碳材料的普及、高效快捷的施工方法、仿生節(jié)能的技術(shù)手段等。此思維方法的實施與運用，將引導室內(nèi)空間中實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能，改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的價值觀念，為實現(xiàn)可持續(xù)化的未來之路奠定基礎(chǔ)。

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