論仿生學在建筑設計中的應用

段 少 飛

(山西中方森特建筑工程設計研究院,山西 太原 030002)

改革開放以后，我國經(jīng)濟加速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在不斷改善，人們對現(xiàn)代建筑設計提出了更高要求，不僅建筑質(zhì)量要符合相關標準，其功能也要更為齊全，且在建筑藝術形態(tài)上也有著更新的要求。仿生學作為一門相對獨立的學科，隨著社會的進步其相關技術日趨成熟，將其與藝術設計融合起來，能夠更好的提升建筑美感，凸顯時代風格。

1 仿生學的含義

仿生學主要研究的是生物體的工作原理、功能以及結構特征等內(nèi)容，屬于一種邊緣性科學。在現(xiàn)今工業(yè)快速發(fā)展中，通過仿生學的應用，能夠更好的進行技術創(chuàng)新，實現(xiàn)設備儀器的改良與優(yōu)化，有效的改善生產(chǎn)質(zhì)量和效率，增強我國的綜合競爭實力。將仿生學應用到設計領域中，能夠更好的開拓人們視野，增強設計作品的生命力，尤其在建筑設計領域中的應用，能夠?qū)⑸镒陨淼慕Y構、性能等特征引入其中，完善整體建筑的美觀性、功能性和實用性，并減少資源的過度浪費，實現(xiàn)建筑設計的優(yōu)化改革。

2 仿生學與建筑設計的關系

仿生學同建筑設計之間是相輔相成，共同依存的關系。仿生學主要研究生物的一些體征、結構等內(nèi)容，將這些特征應用到建筑設計中，能夠起到豐富和促進建筑設計發(fā)展的作用。同時仿生學具有一定的生命體征，能夠為建筑設計帶來新的活力，進而在滿足建筑基本要求的前提下，更好的提升其美學效果，優(yōu)化建筑整體設計風格，符合時代發(fā)展特征。

在近幾年的發(fā)展中，一些城市的商業(yè)街建筑開始將仿生學應用其中，其不僅在外觀上能夠帶給人較大的視覺沖擊，在結構造型上，也能夠給人們一種耳目一新的感覺，提升整體的審美層次。另外，在建筑設計中應用仿生學概念，還能夠為仿生學的發(fā)展提供一個更好的平臺和方向，實現(xiàn)人、自然和社會三者之間的共同發(fā)展，為和諧社會的建設提供幫助。隨著社會節(jié)奏的加快，人們的生活壓力也逐漸增大，對于建筑的要求也更加趨向于同自然之間的連接方面，以緩解發(fā)展本身的壓力。而通過仿生學的應用，則能夠有效的實現(xiàn)這一目標，進而為仿生建筑的進步提供充足動力。

3 建筑設計中仿生學的應用

3.1 建筑形式仿生

現(xiàn)代建筑形式不再僅局限于對美學的表達，也更加追求對現(xiàn)代城市發(fā)展趨勢的闡述。通過仿生學的應用能夠為設計者們提供更多的創(chuàng)作靈感，豐富設計內(nèi)容，在賦予建筑以靈魂的基礎上，給人們不同的視覺享受。從設計手法上來看，目前建筑形式中的仿生學類型，其實際主要可以分為以下兩種：

1)象形仿生設計。這種仿生設計方法對自然界的生物體外觀進行藝術加工，并將加工后的元素應用于現(xiàn)代建筑設計中。例如，北京的鳥巢體育場就是將自然界的鳥巢直接應用到現(xiàn)實中的典型例子；或者美國芝加哥的瑪麗娜城大廈，也是將自然界中玉米的形象應用其中，被人們譽為玉米樓。該類型仿生設計的優(yōu)勢在于：一方面能夠加強建筑空間布局的靈活性，另一方面也豐富了建筑的造型設計，提升了建筑的美感，見圖1，圖2。

2)抽象仿生設計。抽象仿生設計是在確保建筑外形設計的基礎上，賦予建筑更深層次的內(nèi)涵。可以說這些設計風格是將當?shù)氐奈幕L俗同建筑設計緊密的融合在了一起，進一步凸顯了城市的文化。例如，美國的自由女神像，就是直接利用人體藝術形態(tài)展現(xiàn)人們對自由、和平的向往；希臘的多利克柱式建筑集中展現(xiàn)了男性陽剛之美，愛奧尼克柱式建筑則體現(xiàn)了女性的陰柔之韻。

3.2 建筑結構仿生

建筑結構仿生設計的應用能夠為建筑設計提供更加多變、合理、有效的結構形式，為建筑空間布局和設計提供更多有利條件。現(xiàn)階段的建筑仿生發(fā)展中，建筑結構仿生設計主要有六種形式，分別為筒體結構、螺旋結構、懸索結構、網(wǎng)架結構、殼體結構和膜結構。以下就將對懸索、殼體以及膜結構予以簡要分析。

1)懸索結構。這種結構主要應用柔性拉索承受建筑荷載，常用材料有鋼絲繩、鋼絲束和鋼索等，這些材料具有共同的特點，其受拉性較強，故而也可采用其他性能類似的材料。這種結構在體育館、廠房和橋梁的建設之中應用較為廣泛，如生米大橋等。通過拉索自身力學特征的發(fā)揮，可以承受橋梁所受到的所有荷載，以此保證橋梁的穩(wěn)定性。而這一理念的設計靈感則來源于自然界中的蛛絲和藤條。2)殼體結構。殼體結構的靈感主要來源于自然界中蛋殼和貝殼等物質(zhì)形態(tài)，由于這類材料具有壁薄、張力好等特征，在外力的作用下，能夠更好的將外力沿著不同方向進行分解，減少破損等問題的出現(xiàn)。將其應用在建筑設計中，能夠更好的提高建筑的整體性能和美觀度。例如，悉尼歌劇院，一個半徑在75 m左右的球面上就有近13個殼體群，這不僅帶給人們不一樣的視覺感受，還更好的提高了建筑的實用價值。同時，通過這些蛋殼和貝殼類材料的建筑造型，還可大大增強建筑的獨特性，更好的凸顯建筑的仿生設計。3)膜結構。由于自然界中存在較多的膜結構，如細胞膜、肥皂泡沫等，而這些膜結構在外力的作用下，能夠形成一種脹壓模式，保護自身結構的穩(wěn)定性。將其應用在仿生建筑設計中，能夠更好的將外力予以化解，將力均勻的呈現(xiàn)在結構表面上。同時由于膜結構自身的重量較輕，使用的材料也較少，能夠有效降低其對地基的壓力，保證空間結構的質(zhì)量。如北京水立方游泳館就是膜結構的代表性建筑。

3.3 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是對自然界中生物的功能原理進行研究，并將其應用在實際建筑中。例如，竹子是一種空心的植物形態(tài)，其自身的功能不僅僅是承受自身荷載的一種承重“構件”，也是運輸養(yǎng)分的“管道”，竹子的這種結構功能在筒體結構形式的建筑中應用相對廣泛。建筑功能仿生以自然界生物功能研究為基礎，科學地將原理應用于現(xiàn)代建筑設計中，如竹子是一種空心植物，竹子本身是能夠承重的構件，同時其也是運送養(yǎng)料的主要路徑。竹子的這種結構特點在建筑設計當中也有著較為廣泛的應用。與建筑結構仿生相比，建筑功能仿生起步晚，在仿生建筑設計方面還不夠完善，不過隨著社會發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的提升，其在建筑設計中也將得到更好的應用，而這對增強建筑功能性以及滿足人們對物質(zhì)文化的需求有著顯著意義。例如，法國孚日山區(qū)朗香教堂的設計，其屋頂?shù)脑O計靈感主要來源于蟹殼，通過降屋頂?shù)脑O計，使屋頂像蟹殼一樣向上彎曲，讓薄材料自身的力學張力和堅韌性能得到延展，提升整個屋頂?shù)男ЧＭ瑫r，該教堂的平面是通過對人耳的模擬來實現(xiàn)的，象征著上帝可以傾聽信徒的祈禱，該類型的設計結構可為人們營造一種神秘高貴的氛圍。

3.4 建筑材料仿生

在建筑行業(yè)快速發(fā)展的今天，建筑材料也得到了一定的進步。建筑材料仿生是通過對自然界中生物軀體結構以及物質(zhì)形態(tài)的仿照，研究出的新型建筑材料，從而實現(xiàn)建筑節(jié)能效果。比如，通過對蟻穴等建筑形態(tài)的研究，創(chuàng)造出的加氣混凝土、泡沫混凝土等材料，將其應用在建筑墻體施工中，不僅能夠有效減輕隔墻自重，還起到了良好的保溫隔熱、降低噪聲污染的作用；而將這類材料應用在梁板結構施工中，除了可以減輕結構自重外，還可以減少混凝土的用量，實現(xiàn)資源節(jié)約的目的，減少成本支出。此外，將自然界中的纖維素類物質(zhì)應用在建筑材料設計中，能夠創(chuàng)造出更多的高分子材料。這主要是由于纖維素自身具有較高的強度、質(zhì)量輕、塑性韌性較好等特征，通過加工后，能夠使建筑材料具有較高的耐火和耐用性，有效提高建筑質(zhì)量。例如，美國研制了一種玻璃纖維瓦，其結構材料是由有機纖維玻璃薄墊物構成的，故而有較好的耐用性及耐火性。

4 結語

將仿生學應用在建筑設計中，不僅可以為建筑設計提供更多的靈感和素材，還能充分展現(xiàn)建筑的美學效果，賦予建筑更多的內(nèi)涵，促進建筑、人與自然之間的有效融合，從而實現(xiàn)城市的發(fā)展以及文化的傳承。雖然目前仿生學的應用還處在初級階段，不過相信在未來的發(fā)展中，其將會成為建筑設計的主流趨勢，為實現(xiàn)節(jié)能化、智能化、生態(tài)化的建筑目標貢獻力量。