會呼吸的建筑

摘要：仿生學作為新興學科，對設計學產生了很大的影響。仿生學在建筑學上又有怎樣的應用，在如今最流行的綠色建筑和智能建筑的概念上又有什么啟發和可能性。本文擬設計一個可通過計算機控制的智能化建筑表皮，通過靈活地、自主地控制窗戶的開合，在將人工操作量降到最低的同時，保證室內環境舒適度，且達到低能耗、充分利用自然環境條件的效果，構想一個如同生物呼吸一般的會“自主呼吸”的仿生建筑。

關鍵詞：仿生建筑;呼吸系統;智能系統

一、前言

從古到今，仿生學雖未被人們廣泛認識，卻在人類歷史中發揮了很重要的作用。正是仿生在各個領域的各式各樣的應用，緊密聯系了人類社會和自然生態，使得人與自然和諧共處。

反觀當下，所謂“現代化”大行其道，人們被冷冰冰的“高科技”包圍。現代性帶給人類苦難的根源在于“工具理性”和“人類中心主義”思想意識，它們所造成的直接后果，就是對自然的無限制掠奪和肆意破壞。

不難發現在現代生活中，絕大多數建筑大量運用電能及機械作用以保證室內舒適度，帶來大量能源消費，造成大規模資源浪費和環境污染。但我們認為，若能將建筑最大化還原自然形態，使建筑物與大自然成為一個有機和諧的整體，適度利用自然循環，起到節能減排，并提高室內舒適度的作用。

對于新時代的我們，仿生建筑將不僅僅停留在形式仿生、結構仿生等初級階段。仿生創新則需要將新興科技和自然生物科學機理進行有效結合，這就要求建筑師將自然界中的生物科學元素運用到創作設計之中。建筑仿生學是新時代的一種潮流，今后也仍然會成為建筑創新的源泉和保證環境生態平衡的重要手段。

本文將應用仿生學原理，與現代信息科學技術相結合，淺析仿生學在智能建筑與綠色建筑未來發展上的應用。

二、理念

放眼建筑發展史，每每科學技術的創新或大發展總會帶來建筑形式大變革，如十九世紀后半期工業革命帶的裝配式建筑興起，和二十世紀鋼結構的產生使摩天大樓拔地而起，以及現如今隨著新材料新技術的發展，逐漸展露出建筑智能化、節能化的苗頭。

二十一世紀這個信息時代，隨著人工智能技術的不斷發展，建筑未來的發展方向將會從靜態的建筑變成動態的交互式建筑，甚至建筑本身還能具有一定的“自我意識”，比如擁有“感覺”氣候的冷暖變化的能力，能夠自主改變開窗朝向、幅度，以改善室內環境，降低冷熱負荷，減少能耗;或者擁有如同人體細胞般感知和修復“自身損傷”的能力，就像我們的身體細胞能夠探測到疼痛和傷口，并能自動修復一樣[1]。

而仿生學在其中起到的作用則不僅僅是通過“仿形”為未來建筑提供更科學的建筑外形，或“仿結構”為新型建筑結構提供思路，更是以仿生學為應用原則為人類提供直接的居住感受：使人類生活舒適度更高，操作更簡便，生活和工作更輕松自如;同時能讓人們感到親切感、歸屬感，建筑通過自我調節，契合房屋主人的使用習慣，達到人與建筑物良性互生的狀態[2]。

下面將根據以上理念，設想一種未來的建筑形式。

三、會呼吸的建筑

我們設想未來仿生建筑的“皮膚”由一個個類似植物保衛細胞的微單元組成，且建筑表皮內附有溫濕傳感器、空氣質量檢測器等多種“感受器”，將測得的室內外環境狀況的數據傳輸給中心控制系統，中心控制器可對建筑表皮的微單元發出指令，對環境做出相應的反應。比如靈活地控制房間門窗的開合，保證室內通風或保溫效果，同時將人工操作量和房間冷熱能耗降到最低。這樣不僅能在人多時保證空氣質量以及室內溫度的穩定;又可在人少時，減少陽光、空氣對物品的損害。就好似生物的呼吸，在運動量大、熱量高時加快呼吸，在靜止不動、寒冷時減弱呼吸。

更進一步設想，依托網絡通信技術，在全城范圍內也許可以形成網絡系統。不同的建筑物之間可以自主共享數據信息，共同作用，改善城市大環境，形成更綠色、更智能的城市體系。

（一）細胞

形態結構與功能的統一是各類生物所共同遵循的基本原則[3]。在自然法則的選擇下，細胞及生命的細胞形式為了適應不同的生存環境，已經形成了最優化的答卷[4]。

保衛細胞存在于植物莖、葉等的表皮上，保衛細胞之間的空隙就是氣孔。根據外部環境的光照強度、溫度和自身的新陳代謝程度，保衛細胞通過膨脹和壓縮，控制氣孔開合大小，以增強或減弱光合作用和蒸騰作用。建筑表皮的“呼吸”理論在植物保衛細胞上得到了靈感和借鑒。

首先，建筑表皮將會是由數個單體組成的“網狀”結構，而結構中的這些單體就是建筑內部、外部用于信息交往調節的通道，對應植物保衛細胞中運用于物質交換和自我調節部分的功能。因此，引入保衛細胞（新月形）作為“呼吸”建筑表皮單元的原型。

為了能更好地將這個單體應用于建筑中，這些單體需根據建筑需求進行變形適應，其中一種方式就是將細胞從新月形演變成中空狀的菱形。通過菱形開口方向不同，進行對比取舍。最終形成兩種代表方式：一種為正面平面上的開口，構件通過左右伸縮控制“氣孔”開合;另一種為側面上的開口，構件通過前后伸縮控制“氣孔”開合（圖一）。確定了“呼吸”的基本單元后，再進一步對它進行不同形式的組合。

由于不同建筑空間采光需求的不同，需要采取不同的組合形式。如對陳列館、劇院等采光要求不高的空間，采取側面開合的方式，滿足通風要求時不對室內產生光照影響;對居室、辦公、教學等采光要求高的空間，采取平面開合的方式，彈性材料的膨脹或收縮可使得“氣孔”的大小達到采光和通風要求。同時，應結合建筑所在區域的地理信息數據、建筑本身立面設計的要求以及能源上的消耗，組合出相應的最優表皮形式。

（二）器官

確定了建筑表皮“細胞”的基本形態，接下來需要探討對其功能的設定。通過賦予其特定的功能，形成多種“器官”。這些“器官”就像一個個的感受器，能夠感知到外界環境和內部環境的狀態和變化。

外界環境和人的活動往往會對室內環境產生影響，反過來，室內環境也會影響人們的身體狀況。例如，在較封閉的室內環境中，溫度升高，蒸發量變大，濕度隨之升高，一般來講，健康濕度環境為45%到65%，超出健康濕度范圍，人體呼吸系統和黏膜會產生不適，免疫力下降。另外，當濕度高于65%、低于38%時，病菌繁殖滋生最快。

智能“器官”的目標就是當檢測到室內環境數據超出舒適范圍值時，可以通過調整開窗面積、朝向（被動式）或者控制設備設施（主動式）來調整室內環境，將環境溫度控制在18℃到25℃，相對濕度在40%到70%之間。

另一方面，智能“器官”還能通過收集環境數據，合理調整空調、人工照明等電器的使用時間和功率大小，以節約能耗。

“器官”功能仿照人體感官，分為“看”“聽”“聞”和“感受”四大模塊，對應到監測室內人口密度、室內外噪音、室內外空氣質量和室內外溫濕度、太陽光輻射量等建筑環境物理特征。

為達到上述功能，可使用紅外傳感器——熱成像系統，產生整個目標紅外輻射的分布圖像，從而判斷室內人口密度高低，或利用OpenCV機器視覺處理庫的實時人臉識別技術[6]，識別和分析室內人員的行為、情緒;噪聲傳感器——實時監測外界噪聲聲壓級，判斷室外噪聲的影響程度;運用各種分光光度法和內置微電腦激光粉塵儀，檢測空氣成分濃度和粉塵濃度，通過快速，準確的室內氣體分析以及室外靠壁氣體環境分析，反饋室內外空氣質量;風道管溫濕度傳感器——將溫度量和濕度量轉換電信號，能夠自動化地反饋室內溫濕度狀況。

最終運用ZigBee系統網絡，將各種傳感器的信息匯總，能夠更全面、更系統地反饋室內外環境狀況。[5]

（三）系統

1、建筑系統

在生物體中能夠完成一種或幾種生理功能而組成的多個器官的總和，叫作系統。

建筑表皮上多種功能的“器官”，也需要一個完整的系統對采集到的各種環境數據進行實時的分析整理，通過中央處理器智能算法，算出最合理的反應方式;并對建筑表皮發出反應命令;最終，建筑表皮通過接收到的命令進行自我調整，從而保證室內環境的舒適度，并達到建筑節能的最大化。

同時智能系統也可根據室內人們的行為反饋，或連接至智能手環等能夠檢測人體狀況的設備，自我完善算法，形成針對不同人的定制方案，達到人與建筑物良性互生的狀態。

2、城市系統

生物界中，系統不僅有單個生物體中完成生理功能的系統，還有整個人類環境中的生態系統。

這里的建筑系統也包含了微觀和宏觀兩個方面：除了單個建筑體自身的系統，還有多個建筑之間，甚至整座城市之間的系統。

當建筑與建筑之間的環境狀態信息庫能夠共享交流時，整個城市將形成一個巨大的網絡系統，這將有利于進行城市規劃、城市建設和城市管理。充分利用建筑的多元化和層次化，讓人們更加全面、直觀地了解、整合環境信息，從而提高城市服務水平，加強城市資源利用以及能源和各類信息管理，更合理地改善人類的整體居住環境。[7]

在一定程度上，這樣的城市網絡系統，能夠適當調節城市的小氣候，緩解城市化“熱島效應”，降低城市與郊區的溫差，減少建筑群對自然環境的影響。

就像自然界的植物在遇到蟲害等災害時，會向周圍的植物發出化學信號，讓周圍的植物做好防護準備，如分泌毒素等，及時抵御蟲害，避免大范圍損傷。同樣，在自然災害突發時，城市網絡系統也能夠做出最快速、最全面的反應，盡可能地將城市整體的損失降到最低。（圖三）

四、總結

本文以建筑設計結合仿生節能的視角，初步探討了建筑設計仿生方法在大數據環境下的發展趨勢。在科技快速發展的今天，建筑結構和建筑材料都有許多創新，大數據、物聯網等概念也開始應用于建筑上。當今的仿生建筑應該不僅僅停留在形式仿生和結構仿生，而應更加傾向于功能仿生和更多的創新仿生。建筑依照自然形態、自然生態系統的原理，更好地使建筑物與大自然成為一個有機和諧的整體。這樣不僅能提高人們生活空間的舒適度、為未來建筑設計帶來更多的靈感，還能推進人與自然、人與建筑、建筑與自然的和諧相處，持續發展。

會呼吸的建筑的理念就是通過仿生呼吸系統，使得建筑內部形成自我調節系統;再結合城市，形成城市網絡循環調節系統。這種仿生策略能夠使得未來的建筑可以更好地、更自主地應對室內外環境的變化，尋求各種環境條件下的平衡，為人類創造更好的生活空間。

同時會呼吸的建筑也旨在結合互聯網的大數據庫和建筑物聯網，使得建筑內外的環境信息得到最合理、最充分的利用，最終達到高效低耗，綠色持續的發展狀態。

參考文獻：

[1]張河山.新科技推動建筑革新[J].科學導報，2015，58.

[2]陳芬.仿生學在建筑設計中的體現和應用[J].中華民居，2011（06）：15-16.

[3]翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]類細胞仿生建筑設計方法研究[J].新建筑，2016（01）：112-115.

[5]程靖淇.基于ZigBee無線傳感器網絡的住宅空氣品質監控系統[J].通信電源技術，2018，35（09）：93-95.

[6]吳延峰.基于OpenCV的實時人臉識別系統研究與實現[D].華北電力大學，2016.

[7]何炯德.新仿生建筑[M].中國建筑工業出版社，2009.