仿生學在博物館建筑設計中的運用

李仁偉

攀枝花學院土木與建筑學院 四川 攀枝花 617000

博物館建筑是標志性很強的建筑，大到一個國家的象征，小到一個地區、一個城市的地標。一個地區的歷史的文物珍寶、文化精髓被收納其中，或者一個專業領域的文化精髓被收入其中，因而博物館建筑就成為一個濃縮了很多有深刻的內涵的、特殊的文化載體。

雖然早期人類人類的收藏的文物、珍寶、美術品往往保存在宮殿、修道院、教堂、大學和貴族府邸中，沒有專門收藏展出這些物品的建筑。其對博物館建筑的基本需要是提供一定的收納、鑒賞空間。

但人類歷史不斷向前發展,不同發展階段的人們對博物館建筑這一文化載體有不同的要求,例如在地域文化、民俗風情、精神內涵和經濟價值等方面有不同的要求。特別是科學技術發展使得博物館類型走向多元化、現代化，功能也不斷拓展，不僅收藏昨天、還展望未來。

故在傳統建筑風格、現代建筑等博物館建筑逐漸退出人類社會的歷史舞臺,博物館建筑開始追求建筑風格與自然相融合、建筑風格與人類社會科技發展相融合。設計者們開始將目光轉向最原始、最生態的自然界，并從其中尋找答案。

高速發展的科學技術是一把雙刃劍，其一方面推動人類社會的發展，一方面又在破壞自然環境。故設計師們通過科學的手段分析這熟悉而又陌生的自然界，運用科技來解決人們對博物館建筑多元化矛盾需求沖突。伴隨出現仿生學學科后,特別是仿生學學科理論引入到博物館建筑的創作時候，建筑行業有了可依賴的建筑設計理論，激發建筑師們新的創作設計激情。

1 仿生學與建筑

仿生學作為生物學、數學和工程技術學交叉結合而成的一門新興的邊緣學科，其主要任務是通過對生物系統的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優異的特征的研究分析，并為設計與建造新技術設備而提供了新原理、新方法和新途徑等。其將提供最可靠、最靈活、最高效、最經濟的、最接近于生物系統的技術系統來為人類造福是仿生學的光榮使命。

而建筑仿生學就是在建筑、規劃、營造之時，選擇一條與自然平衡發展之路。早期的人類，特別是東方文明利用仿生慢慢走近自然，尊重自然，回歸自然。但近代工業革命興起，工業文明科學研究一直在超越仿生。工業文明的影子深深留在博物館建筑上。

2 仿生學在博物館建筑設計中的探索

在博物館建筑的創作設計時運用仿生思維，其不但節省了時間，而且強化了博物館建筑的概念設計理念，同時建筑造型語言也大大豐富了。因為在大自然中，其具有豐富的形體結構、多維的變化層面、巧妙的色彩裝飾和圖形組織；同時通過觀察、分析、研究它們的生存方式、肢體語言、聲音特征、平衡能力等，建筑創作者能夠創新的仿生建筑設計理念、設計方法和總結出新的造美法則。

在當下新時代的審美標準和多元化的背景下，博物館建筑的造型設計語匯是有機的、多層次的。過去的或現在的歷史形式和藝術風格僅僅是建筑師的參照物之一。在一定程度上，建筑師擺脫了原有的思維模式影響，豐富了建筑設計語匯，增加了博物館建筑設計的復雜與趣味性，為創新設計提供源泉，為后工業時代的城市發展注入了新的潤滑劑。

2.1 建筑結構仿生

建筑仿生學的重要組成部分之一就是建筑結構仿生，其是對建筑形式仿生的有效反映。一般在建筑仿生結構設計的具體應用中，常用結構形式可分為殼體結構、膜結構、懸索結構、螺旋結構、筒體結構等，將仿生設計應用于建筑空間結構中，能夠保證結構形式的多變性、有效性和合理性[1]。

首先是殼體結構具有大方優美、整體性強等特點，而對于自然界的貝殼類與蛋殼類等物質形態而言，其壁薄且表面張力高，具備良好的受力性能，能夠有效分解外力。以上海自然新博物館為例。（見圖1）

上海自然博物館新館建筑總面積為45086平方米；其設計地上三層建筑高18米；地下建筑兩層深15米。新館陳列區設計按照括古動物史、人類發展史、動物的進化史和植物的進化史四大部分陳列內容分層布置。

其設計理念靈感來源于在地球上這一簡單而又經典的生物形式—鸚鵡螺的殼體形式，新館屋面的綠植從公園內盤旋向上升起，“綠螺”造型的新館靜動有致，使得“管理自然遺產、守護地球家園”的使命得以顯現。

設計師們堅持“以人為本”的設計理念，繼承了傳統自然山水式園林設計理念，融合“山水花園”的設計風格：新館建筑參觀流線的中心焦點就是中心景觀區中巧妙圍合的橢圓形水池，其采用后現代主義手法—象征被71%的表面水覆蓋的地球水域。同時，橢圓形水池中水波紋、質感、動感、聲音和反射等，則自而然成為新館體驗的一部分。而呈島狀分布160多種植物，猶如“原始森林”一般，與五個大小不一的“水池”組成一座“山水花園”。入夜后，“原始森林”在燈光照亮下反射著燈光，故室外照明的燈柱數量大大減少了，節約了耗電。

同時，設計師采用“自然生態”的設計表現手法：新館鋪地和新館外墻表面由多方向的石頭圖案組成鸚鵡螺的殼體的地質構造層的。新館中部內墻表面由動植物的細胞結構的裝飾；新館東部墻由爬滿大量的地球表面天然植被綠化；新館北部墻由活動的地殼板塊石組成，以及屹立著被河流侵蝕的峽谷巖壁。

其次是膜結構。自然界中存在不同形態的膜結構物質，如肥皂泡膜和細胞膜等，該類物質形態主要是以內外壓力差為基礎，形成脹壓模式，從而在結構表面均勻分布傳來的荷載。

由于膜結構不需使用較多的材料，且質量相對較強，可使用在對地基承載力要求不高的建筑物中，保證建筑物的空間結構。如尼泰羅伊當代藝術博物館常常被人們稱為“飛碟”，其外形從遠處看就像剛剛著陸的外星飛船。

其坐落在懸崖邊的巖石上，四周被大海包圍。巴西建筑師奧斯卡·尼邁耶利用周圍較狹窄空間，將其巧妙地創建了一種環境的輕盈感，將其設計為一個優雅、彎曲的“上升形”結構，從地面不斷增長和蔓延到空中，像一朵從巖石上升起的花，俯瞰著瓜納巴拉灣和甜面包山的美景以及里約熱內盧市的全景。

再次是網狀結構，由大量的桿件通過節點連結并按照一定的網格形式而成的空間結構。其有空間受力小、變形小、質輕、剛度強、抗震性好等優點；構件采用是鉸接的，通常通過螺栓連接。可用作體育館、 影劇院、博物館廳、候車廳等建筑的屋蓋。缺點是交匯節點的桿件數量多，制作復雜，安裝成本高。以阿布扎比盧浮宮為例（見圖2來源網站）。

法國著名建筑師讓·努韋爾設計阿布扎比盧浮宮分館建筑占地2.45萬平方米，包括6000平方米的永久展廳和二千平方米的臨時展廳。其設計為一座漂浮于海上的博物館之城，有一個7000噸鋼材打造的超大穹頂——一個直徑180米的巨大銀色穹頂，8000顆獨特的金屬制作的星星，以復雜的幾何圖案綴滿穹頂。當陽光透過時，穹頂下會出現移動的“光雨”，游客就像穿梭在阿聯酋綠洲中層層疊疊的棕櫚樹叢中。

最后是鋼結構，其以鋼材制作為主，類似于平面鋼桁架結構，是主要的建筑結構類型之一。其具有強度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強，具有更加經濟、實用的特點，多采用剛性接頭，通常是焊接。特別適用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。以墨西哥的索瑪雅博物館為例（見圖3）。

其由墨西哥建筑設計公司FREE與弗蘭克·蓋里的合作設計，曾獲得2013年國際知名獎項—美國Architizer A+ Awards大眾評審獎。

其建筑規模的總面積為1.7萬平方米，共有6層，建筑立面上設計一個不規則的幾何體，索瑪雅博物館被從不同角度的幾道巨浪擊中，扭曲著升至45米高度。整個外立面是一個旋轉的菱形，由28根大小不同、形狀各異的彎曲鋼柱支撐著，墻體外層覆蓋著1.6萬塊六角形玻璃鋼，在陽光下閃著耀眼的光澤，并能隨著天氣、時間和參觀者的位置的變化而呈現出不同的外觀，立面造型設計參考了殖民時期墨西哥城的瓷磚建筑立面，即保留了傳統文化元素，又保證了建筑的持久性、耐用性。

2.2 建筑形式仿生

建筑形式是展現建筑美學的重要場所，能夠將建筑形式美的寓意和城市現代化的導向加以體現。建筑形式仿生主要是通過對自然界動植物的骨骼、外形、細胞構造等形式仿照，為建筑立面造型設計提供有效“模板”，創造視覺享受。一般而言，建筑形式仿生可分為抽象仿生設計和象形仿生設計，其中抽象仿生設計不僅需要設計建筑物的立面造型，還要賦予建筑物的深層內涵，將充分展示建筑物的藝術美，反映當地文化的發展趨勢[2]。

過去，人們對博物館建筑設計的要求只注意優異的功能，而當今的信息時代，人們追求清新、淳樸的建筑形式；注重返樸歸真與探討區域性特性的建筑形式。建筑形式仿生設計風格回歸自然，進而與之融為一體。同時，賦予建筑生命的象征形態是建筑設計師對精神共識需求。故除了考慮各種生物的自然屬性外，還需設計師們考慮建筑形式仿生設計的靈活性與社會屬性，從而達到宜人性的目的故建筑形態仿生設計是在與建筑材料、建筑技術的發展是相輔相成的，設計師每一次汲取建筑設計靈感、分析建筑造型，都需要與之相應的建筑技術來支撐。而每一次仿生形態設計的向前一步的縱深發展都要求與之相應的技術的進步，其促使設計者們去探索生命的本質意義。攀枝花市三線建設博物館也采用了類似的想法。

攀枝花市三線建設博物館其位于攀市花城新區干壩塘村，其占地面積59畝，建筑總面積為24023平方米，地下四層，高度22.5米，建筑主要出入口地面升起1米，地上三層高度23.5米，建筑總高度46米。

建筑一層平面設計的攀枝花歷史展廳、多功能廳、臨展廳，展廳面積為1200平方米；而建筑平面二三層設計三線建設展廳、序廳布置在地上展廳面積為5300平方米，都圍繞通高的三層通高的中庭布置，共計7個展廳，展廳面積6500平方米。

在建筑立面造型采用攀枝花的形狀進行仿生設計（見圖4），其闡述當年來之五湖四海的三十萬具有“艱苦創業、勇于創新、團結協作、無私奉獻”的三線建設建設者建設攀枝花城市，并見證這座建市只有八戶人家的偏僻山區到“花是一座城，城是一朵花”的百萬人口城市的崛起，彰顯著英雄攀枝花的獨特氣質。

2.3 注重生態節能的材料仿生

中國的城市化推動建筑行業的發展，建筑材料作為建筑行業的基礎，又為建筑的靈魂，故催生注重生態節能的材料仿生設計。建筑材料仿生基本上是對自然界生物的組織結構( 如生物的外表皮毛) ，生物物質形態( 如動物的穴巢)基礎上進行仿生研究，從而推出新型的生態節能建材，其有助于綠建節能設計。人們對蜂巢，蟻穴等結構形態長期的觀察、實驗，研制出加氣混凝土，泡沫混凝土，泡沫橡膠，泡沫玻璃等新型生態節能建材。運用加氣混凝土，泡沫混凝土等建材制作成混凝土砌塊，將其砌筑成隔墻，隔墻具有自重輕、保溫好功能、隔聲強優點，同時，減少混凝土的用量[3]。

在自然界中，構成植物細胞的纖維素具有質量輕，強度高，塑性好、韌性好等物理特性。運用纖維素的這些良好物理特性，其可被制成多種纖維素合成高分子材料，并將其運用于人類生活。美國的科研人員通過長期研究有機纖維玻璃薄墊物，研制出一種具有有較好的耐用性、耐火性的玻璃纖維瓦建材；日本的科研人員通過做大量的纖維狀分子添加劑運用到普通混凝土中進行改良混凝土實驗，總結出其纖維分子的特性—良好粘度特性。將其運用在混凝土，使得混凝土不易分散，有助于建筑施工的特性。

故材料仿生的可設計性是其最大特點，而人們通過觀察、分析自然界的生物原型，從中研制出提取符號，并在其基礎上設計出能夠有效感知外界環境刺激且做出快速反應新型功能材料；其通常具有輕質量、高強度、強可塑性等特點，不需外界的工具支撐和消耗能源的優點。如“生物巖館”（BioRock Pavilion）是探索建筑為小型禮堂設計運用。

2.4 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是探索自然界物質存在的功能原理，并將這些功能原理付諸于實踐中。例如，空心的植物形態的竹子其本身不僅僅承受自身荷載，還是輸送養分的“管道”。

故在高層建筑中的結構選型中廣泛選用仿竹子的這種結構功能形式的筒體結構形式，但相比建筑的結構仿生、形式仿生、材料仿生等，建筑功能仿生起步晚，是建筑仿生學中較薄弱的一個環節。但隨著人類文明程度提高，為了不斷滿足人們對多元文化的需求，建筑功能仿生設計可能成為一種解決建筑形式多樣性的設計方法[4]。

例如南荷蘭省的烏赫斯特海斯特建造了全球第一座“人體博物館”。其建筑外形設計成了一個巨人的模樣，而游客從博物館進去后就是參觀的巨人身體內部。“人體博物館”展現了人體知識的同時，還結合了很多有趣的東西，讓參觀者能對人體內部結構產生好奇的心理。

3 結語

未來博物館建筑面向更加多元化需求的人群，而設計者們都在試圖利用自然的智慧，通過仿生多要素進行了博物館建筑的設計創新。故博物館建筑應該逐漸改變當前各自為政的狀態，融入社會、傳播文化功能和提高效率；同時，研制新仿生材料、研究新建筑技術使得轉變建筑自身的空間形態、建筑形式以及承擔社會責任，博物館建筑才真正的落地，融入多元化社會。