简论仿生理念在桥梁设计中的应用

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摘要：加强仿生理念在桥梁设计中的应用的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对仿生理念在桥梁设计中的应用进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词:仿生学；桥梁设计；创新设计；设计优化

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

桥梁工程是基础设施建设的重要组成部分。以1779年建成英国建成的IronBridge为开端，近现代桥梁工程发展至今己两百三十年。自工业革命以来，欧美现代桥梁工程的发展已历经数次变革，包括跨度的增加、新型结构的产生、新材料的运用等。如何利用最少的资源建造出最安全、合理、优美的桥梁一直工程师的首要任务。面对挑战，仅仅参考前人是远远不够的。于是，自然界就成为了人们去开发和利用的重要资源。经过亿万年演化所形成的生态协调体系正是当今社会发展生态环境协调、可持续发展技术的宝贵教材。仿生学正是探寻这一全新领域的重要学科，这个交叉学科将自然界作为人类取之不尽的知识泉源和技术方案选择的宝库。

2. 仿生理念在桥梁设计中的应用

仿生学主要是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特殊本领，包括生物体本身结构、原理、行为、各种器官功能、体力的物理和化学过程、能量的供给、记忆与传递等。从而为科学技术中利用这些原理，提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术科学。而当代仿生技术在桥梁建筑中的应用不再是单纯的模仿生物的生长状态，而是吸收生物的生长肌理，组织结构的特点，结合桥梁的自身特性，创造出新颖的桥梁形体，更好的解决桥梁的功能性和实效性，在功能、形式、结构等方面模仿自然界中某种生物的特性，使得桥梁更加适应环境、更加生态、可持续性更强，具有生命力。桥梁的起源与大自然有着密不可分的联系，人类自觉不自觉地利用了仿生学的理念。众所周知，梁桥、拱桥和吊桥三类体系都可以在自然界找到原型。在现代桥梁结构中，桥梁由整体和细部构造组成。基于仿生学宏观和微观的分类，仿生理念在桥梁设计中也分为宏观设计和微观设计，并可体现在整体和局部设计两方面。

2.1宏观仿生与桥梁设计

自然界中动植物的种群数目繁多、形态各异。经过亿万年的演变,不但结构形式愈加趋于合理,适应周围环境，而且在外形意象表达上也趋于美观。

2.1.1形态仿生与概念设计

在新式桥型的探索上设计者面对两个方面的挑战：个人经验的不足；理论与实际之间的差距。因此，对自然界精髓有选择性地吸收，能够协助工程师们创造出更加合理且新颖的桥梁。自然界四处可见这样一个理念：以最少的材料和最合理的形式，取得最大程度的效果。这也正是现代可持续设计的重要理念。

在桥梁造型仿生的实践里，西班牙著名设计师卡拉特拉瓦可谓是个先行者。他的很多设计灵感来源于对自然界的素描或是对人体骨骼以及动植物形态的研究。他对桥梁设计进行了自然主义的思考并借鉴了自己的前辈―――西班牙建筑师高迪。位于西班牙梅里达的卢西塔尼亚(Lusitania)桥是一座主跨189 m的拱桥，其桥面设计源于对牛头部合理构成的研究，如下图所示[1]。

2.1.2结构仿生与创新设计

自然界奇妙的造型需要人类去观察和发现。从植物枝叶到动物骨骼，都是自然选择的优化产物。比较解剖学的研究使人类逐步认识了自然界千变万化的结构。以人体骨骼为例，人体的全部重量是由脊柱、髋骨、股骨、胫骨和足骨这一条中轴支撑起来的。足骨通过足弓合理地将人体重量分散到地面上。同样，支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。从工程上来说，正是材料尽可能远离中性轴的有效截面形状。

2.1.3意象仿生与桥梁美学

人类常常惊叹于生命体与自然界的和谐之美。生物领域的形态、比例、质感、色彩也是桥梁美学设计的源泉。仿生设计是一种自然美学理念的回归,赋予桥梁形态以生命的象征是当今人类对精神追求所达到的共识。现代建筑设计中，建筑师对建筑独一性所显示出的巨大热情，同样可以被用于蓬勃发展的现代桥梁设计领域。造型选择的景观融合或夜景照明渲染中，都可以借鉴自然美学意象。如山峦的起伏、水流的婉转。一座桥梁的成功不仅仅取决于它力学的合理性和材料的利用率，还应该具备着文化性、社会性甚至情感性。工程师不仅仅是一个计算者，也应该是充满人文情怀的艺术家。相反，过分追求造型奇异并不一定能得到美观的效果，反而却可能导致浮夸和浪费。追求造型美观也并不等同于浪费。

2.2微观仿生与桥梁设计优化

如果自然界中繁多结构可以给概念设计以启迪，那动植物其内部功能和机理也是结构设计优化的源泉。对于桥梁设计而言，在各种荷载的作用下安全性和耐久性是结构的首要因素。

2.2.1仿生材料与新功能桥梁

自然界是天然的材料库。沿用至今在桥梁设计领域产生了革命式转变的钢筋混凝土正是出自园丁对植物根部的观察，桥梁结构的发展与材料的发展密不可分，对于现代桥梁的可持续性而言，设计者应当认识到如何使建筑材料发挥它们最大的特质。当今仿生材料科学的发展，为桥梁工程领域开创了新的天地。这类材料不仅意味着对混凝土和钢材等大型材料的改良，还可以在一些设计中逐渐取代传统材料。比如：贝壳的抗拉强度远高于水泥，而成分却很简单(95%的石灰石+5%蛋白质)[2]。这种自然界的启迪正引导着科学家们寻找化学组成简单、工艺简化并节省能量，又减少环境污染的新型建材。

2.2.2功能机理仿生与设计优化

对动植物的功能机理研究是仿生学的核心，尤其是生物力学、行为以及能量转化等。在此方面，人类仿生的历史由来已久。飞机的机翼是模仿鸟类翅膀的剖面，之后对蜻蜓翅膀上翅痣的研究和模仿，又解决了机翼的颤振问题。

2.2.3神经系统仿生与类生命桥梁

生物在不断变化的环境中生存，必须适应外部环境的变化。人和动物神经系统的作用就是调节。多数桥梁在承受外部作用时，通常只能被动抵抗，并不能主动调控。于是，在一些桥梁设计中便增大尺寸和重量。这样不但增加了资源的浪费，同时也并不一定能起到有效的作用。比起这样的浪费，一些理念和发明，如实时监控和阻尼器都是桥梁具备神经系统的第一步。这些花费的资源在长远规划上可能远远小于传统的设计。

2.3生态观与桥梁设计

虽然不需要让桥梁像生态建筑一样进行“光合作用”，但无论在城市中还是郊外，它的生态地位都是不容忽视的，保护环境和节约资源的生态观应该深入到每个桥梁设计者的意识中去，一个成功的规划应该对未来的场地规划和环境保护起到良性的作用，否则就会造成不必要的资源浪费。应当尽可能使用地方材料，可回收可再生材料，甚至使用生产环节中剩余的材料；优先利用和改造已有桥梁而尽量减少拆建；规划中要考虑到全寿命期内的节能措施，比如在桥梁排水、通风和照明方面充分利用太阳能和风能，可以降低大量的能耗。

3. 总结

大自然是位出色的老师，蕴涵着无穷无尽的奥秘供人类学习。几乎找不到一门科学不受到大自然的启示。现在,从无意识的沿用到有意识运用仿生理念，取大自然之精华而舍其糟粕，将会推动桥梁设计迈入新的阶段。

参考文献:

[1] (英)马修・韦尔斯.世界著名桥梁设计[M].张慧,黎楠 译.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]高聚福.空间结构仿生工程学的研究(博士学位论文)[D].天津:天津大学,2002.