仿生理念在橋梁設計中的應用探析

吳延輝

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730000）

0　引言

隨著我國橋梁建設的快速發展，目前已經有技術儲備可以建設各種難度的橋梁結構型式，但是我國橋梁設計方面的創新性仍顯不足。隨著現代橋梁不僅作為交通功能需要滿足安全性和使用性，重要的景觀標志還需要滿足美觀學設計理念，因此這幾年橋梁的美學設計也在不斷發展和得到重視。仿生理念是美學設計的重要思路，眾所周知自然生物界經歷了成千上百億萬年的進化，諸多生命結構具有突出的靈敏性和高效性，這些生物結構也具有高度的美學價值，因此是作為橋梁設計的重要參考標準，這一理念就是仿生設計[1]。

實際上，仿生理念已經無形中在橋梁設計中得到了應用和發展，例如懸索橋的發展由來就是因為藤蔓的超強跨越能力，懸索橋主纜的六邊形構造就是源于蜂窩構造特性。仿生學理念可以顯著地幫助設計師打破原有的設計瓶頸，不僅能夠保證結構設計的安全性和合理性，還能實現美學價值的突破，設計出具有獨特景觀價值的地標性建筑[2-3]。本文首先分析仿生理念及其與橋梁設計的結合，然后分別從宏觀仿生和微觀仿生兩個層次分析仿生理念在橋梁設計中的應用，最后總結我國橋梁仿生設計現狀及發展前景。

1　仿生學理念及其與橋梁的結合

1.1　仿生學理念

仿生學就是對生物體構造的外形進行“仿照”使得設計對象具有相同的特性，仿生理念幫助設計師打破傳統的設計瓶頸，為工程設計融入新的理念和方法，目前仿生設計具有不同程度的分類方法，包括宏觀仿生和微觀仿生兩個層次。

宏觀仿生是對生物的外部形狀、構造及紋理等進行研究設計，同時也包括對生物的行為規律、運動方式及外部意象所進行的研究設計，主要的內容涵蓋了形態仿生、意象仿生和力學仿生等方面。微觀仿生則是對生物體內部的微觀系統如構造系統、神經系統、循環系統等進行研究，研究內部系統的反應機理和信息傳遞方式，從而進行設計研究，主要內容包括功能的仿生、材料的仿生以及神經的仿生。

結構設計是一個龐大的系統，包含整體結構及構造型式上的設計，也涵蓋了局部構件及連接上的設計，仿生設計就是從結構整體和局部層次按照生物系統宏觀和微觀層次開展仿生設計，仿生研究就是采用互逆的方法將各階段所獲取的資料進行結合，從而形成仿生的工程結構系統。

1.2　仿生學與橋梁設計結合

橋梁的起源本身就是來源于大自然，梁橋、拱橋和吊橋都可以從大自然中找到原型，在現代橋梁設計的驅動下，可以更加科學地利用仿生學理論進行橋梁整體與局部的結構設計，這其中也主要是根據仿生學的宏觀和微觀設計理念進行橋梁的宏觀和微觀設計，兩者密不可分地共同形成綜合仿生設計，如圖1所示。

圖1　橋梁仿生設計內容

宏觀仿生設計就是從整體層次進行結構形態的仿生，根據自然界生物外部形狀特點進行橋梁的設計優化。微觀仿生設計就是從結構構造和細部紋理層次進行仿照設計。無論是宏觀和微觀仿生設計，都是將橋梁從非生命體向類生命體的轉化，通過應用仿生構造及設計理念，賦予橋梁靈動及生命特征。

2　仿生理念在橋梁設計中的應用探析

分別從宏觀仿生和微觀仿生兩個層次探析仿生理念在橋梁設計中的應用。

2.1　宏觀仿生橋梁設計

宏觀仿生包含了形態仿生、結構仿生和意象仿生三個層次，分別可以用于橋梁概念設計、結構設計及美學設計三個層面。

2.1.1形態仿生與橋梁概念設計

形態仿生就是仿照生物的形態結構進行設計，這對于新型結構設計具有重要的創新意義。由于傳統橋梁設計往往采用借鑒已有設計成果的方式，這使得橋梁結構形態無法進行創新，導致設計的橋梁結構型式千篇一律、缺乏美感。生物界各種千奇百怪的構造形態可以為橋梁設計提供美感，根據生物界的外在形態進行防生設計顯然可以加快橋梁設計的創新力度。生物界的諸多構造是經過大自然進化形成的成果，因此往往具有以最小的材料和最合理的型式形成結構構造的特點，而這正是吻合現代化結構設計的理念。

在橋梁形態仿生設計中，西班牙著名設計師卡拉特拉瓦就是很好的先行者，他的諸多設計靈感都來源于自然界動植物形態及人體骨骼構造，其設計的西班牙Lusitania Bridge，如圖2所示，其中橋面設計就是源自于對牛頭合理構造的研究形成的，設計的橋面結構型式不僅具有很好的受力性能，還具有較好的氣動特性。

卡拉特拉瓦另一個著名的設計就是其對西班牙Campo Votantin Bridge的設計，該橋梁是一座人行橋，通過模擬人體脊柱構造形成主梁結構體系，改變了傳統拱橋的設計思路，通過仿照這種形態使得橋梁具有很好的力學美感，如圖3所示。

圖2　西班牙Lusitania Bridge仿生設計

圖3　西班牙Campo Votantin Bridge仿生設計

2.1.2結構仿生與橋梁結構設計

除了模擬生物界的形態進行仿生設計，還可以根據生物界的結構構造進行仿生研究，自然界諸多生物具有奇怪的構造特點，但是都是結構自然界選擇的結果，因此有足夠理由相信存在就是必然的。隨著各種技術手段的發展，目前可以通過顯微技術更加精確地掌握各種生物的內在構造特點，這為仿生設計提供了很好的參考標準。例如人體脊柱通過解剖發現支撐人體運動的骨骼其密實的骨質其實分布在四周，內腔則是由柔軟的骨髓進行填充，這也為人們設計出各種組合結構提供了思路，例如鋼混管柱的設計等。在結構仿生方面卡拉特拉瓦為人們呈現了另一個設計作品，位于耶路撒冷的Chords Bri dge，就是基于對人體腿骨的仿生理念進行設計建設的，這座橋梁也成為城市的重要地標性結構。

2.1.3意象仿生與橋梁美學設計

意象仿生則是根據生物界的形態、比例、色澤、質感、紋理等進行設計，這是現代美學設計的源泉。正由于橋梁設計需要美學思路的打開，因此這種設計理念也被廣泛研究和采用。目前美學思想中的形態、比例、色澤和紋理等思路也在不斷地應用于橋梁的美觀設計中，例如斜拉橋和懸索橋的索塔就是考慮紋理問題采用清水混凝土或者其他美觀性外部粉飾形成景觀效果，橋梁的景觀照明就是根據色澤配合形成整體設計。

2.2　微觀仿生橋梁設計

微觀仿生就是利用生物界內部構造機理和功能提供橋梁設計的靈感，這也是橋梁美學設計的關鍵，橋梁設計應該在考慮結構安全性和耐久性的基礎上融合上述微觀仿生設計理念。微觀仿生設計應該包含材料的仿生、功能機理的仿生、神經系統的仿生，分別可以用于新功能橋梁材料、構造優化和類生命橋梁的設計。

2.2.1材料仿生與新功能橋梁材料

結構設計材料很多源自于自然界的想法，例如木材和石材就是自然界的材料類型，鋼筋混凝土的設計也是來自對植物根部的觀察，而橋梁的發展與材料的發展密不可分。自然界的各種材料特性不斷引領研究者對新型建造材料的研發和改進，包括對早期混凝土的各種加強和改造、對鋼材的加工與改造，形成了現代高性能混凝土和高性能鋼材。組合材料在自然界具有諸多的應用，通過挖掘組合材料的特點及受力構造，研發了現代組合橋梁結構例如鋼混組合、FRP組合等材料類型?？梢灶A見，如果能夠對自然生物界更多地鉆研相關生物的構造材料，可以形成越來越多的橋梁建設材料，應用到不同的建設場景中。

2.2.2功能機理仿生與橋梁構造優化

功能機理的仿生最典型的就是飛機機翼的設計，這是模仿鳥類翅膀的設計。此外，懸索橋和斜拉橋的主梁構造優化也正是基于對自然生物界的仿生研究成果，加勁梁的主要問題是風荷載作用下的結構振動響應問題，參照自然界鳥類的流線型翅膀構造，研發出具有流線型構造型式的加勁梁結構型式，結果表明其氣動穩定性能得到了顯著的改善。

2.2.3神經系統仿生及類生命橋梁設計

自然生物界的各種動物和植物都具有神經系統，這使得他們具有適應自然的能力，神經系統通過對外部環境的感知，通過神經系統的分析從而給出快速反應，以降低相關危害而保護自身?，F代結構控制理論也正是基于這種神經系統的研究建立起來的，通過安裝傳感器獲取環境作用及結構響應，從而建立自適應的調控機制；美學設計也一樣，可以通過相關的感知平臺獲取人類美學的認可，從而做出設計調整能力呈現橋梁的景觀效果。目前橋梁美學設計正向這一方向進行發展，例如借助“眼瞳”技術進行美學評價和優化等。

3　我國橋梁仿生設計現狀與前景

近年來我國開始注重橋梁的景觀設計，因此仿生設計理念也開始融入橋梁的設計中，例如天津海河的奉化橋就是充分利用微觀仿生里的功能仿生理念，通過將引力路徑和光發展到橋梁設計中，形成具有生命動感的橋梁結構。然而需要說明的是，我國橋梁的仿生設計都處于初級階段，相關方法和理論還沒形成系統，隨著現代仿生學的發展，相關理論和技術將更加成熟，橋梁的美觀設計也會成為重要要素被橋梁設計者考慮。

4　結語

美觀性是橋梁的重要設計要點，近年來隨著我國經濟快速發展而越來越被重視。本文分析了仿生理念在橋梁設計中的應用，闡述了仿生設計基本理念及與橋梁設計的結合，分別從宏觀仿真和微觀仿真兩個層面進行了詳細分析，最后闡述了我國橋梁仿生設計現狀及發展前景。