生态仿生理念在建筑设计中的应用探析

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河南华地建筑设计有限公司 河南 郑州450000

摘要：21 世纪以来，我国建筑行业得到快速地发展，人们对建筑的艺术形态要求也日益上升。仿生学作为一名独立的学科逐渐成熟，仿生学在土木建筑领域也具有良好的应用前景。本文分析了生态仿生建筑设计中技术因素和人文因素，并详细阐述了声讨仿生理念在建筑设计中的应用。

关键词：生态仿生；建筑设计；薄壳结构；形态仿生；材料

中图分类号：TU2文献标识码： A

一、生态仿生建筑的概念

生态仿生建筑以生物界某些生物体的功能组织和形象构成规律为对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，并通过对这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成的建筑形式。

生态仿生建筑学暗示人们必须遵循和注重自然规律，重视生态环境、经济效益与新奇形式的有机结合，仿生创新需要学习和发挥新科技的特点，要做到这一点，建筑师必须善于应用类推方法，从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感，同时结合生物科学与现代建筑技术为建筑创新服务。[1]

二、生态仿生建筑设计中技术因素和人文因素

（一）技术因素――可持续发展建筑

建筑用能是能源消耗的“最大户”，在建筑设计中注重环保、可持续发展的观点，已经成为未来设计中越来越重要的话题。从可持续发展建筑的基本特征“绿色，节能，自洁、自净”中，可以看到对自然界的研究可能起到的重大启发。

首先，“绿色”指建筑本身从原材料、工艺手段、工业产品、设备选型到自然能源的利用，直至运营、使用时排出废物的二次利用，各个环节都对环境不构成威胁。“取之于自然，返回到自然”正是大自然维持其平衡的基本原则，每个生命都经历着出生、生长、死亡到分解、再循环的过程，并生生不息。

其次，“节能”是可持续发展建筑的最基本特征。包括建筑运营的低能耗和建造建筑(包括建筑材料)过程的低能耗。生物体在维持生命力又适应环境时的高效低能耗，以及对自然能源的利用(尤其是太阳能的利用)很值得人们在节能研究方面借鉴。

最后，“自洁、自净”的特性实际上就是遵循自然界中的生物特性而来，即强调建筑运营、使用全过程的无废、无污，要求建筑系统本身具有污水处理系统和再生系统，要求城市在结构上具有分层消化和继承的内在机理。[2]

（二）人文因素――回归自然的愿望

人类祖先在大自然森林山水中长大，有爱自然美的天性。现代社会崛起的都市，快节奏的生活，把人与自然的关系疏远了。城市环境人工化的现象日益加重。城市居民越来越渴望自然环境，人的天性在强烈地呼唤自然。

生态仿生建筑的特征之一就是具有生物体态特征的曲线自由体，在人们已经逐渐厌倦了现代主义带来的机械式建筑外表之后，不能不说这确实是繁荣建筑设计的新思路。在休#奥尔德西-威廉斯的《当代仿生建筑》一书中把这种追求自由形体的仿生设计命名为“非主观性仿生”。更有研究学者认为从更深的层面来讲，建筑师之所以受仿生设计这一领域的吸引就是因为人们本身都是相同生物体系的一部分。把建筑设计成更加亲近大自然的需求不仅仅是浪漫美观上的需求，而且是真正生理上的要求。

三、生态仿生理念在建筑设计中的应用

（一）结构仿生设计在建筑中的应用

1、薄壳结构在建筑中的应用

生物界有着各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳，它们都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的厚度虽然很薄，但非常耐压。薄壳结构就是指曲面薄壁的结构，按其曲面生成的形式可分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，在建筑领域中大多采用钢筋和混凝土作材料。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。在实际的工程中还可以利用对空间曲面的切削与组合，形成造型新颖奇特且能适应各种平面的建筑。薄壳结构的特点是可以把受到的压力均匀地通过曲面分散到物体的各个部分，减少受到的压力。

2、空心结构在建筑中的应用

空心的麦秆能承受比它重得多的麦穗而不折断，这是因为在横断面积相同的情况下，实心秆和空心秆的承压能力是一样的，但长长的空心杆在受压后并不会因断面压力过高而发生突然断裂的情况，而是在受压后茎秆先弯曲，最后因弯力过大而折断。而横断面积相同的空心秆外径要比实心秆大，因此空心秆承瘦压力之后其抵抗弯曲变形的能力要比实心秆大得多。麦秆的功能给建筑师以设计灵感，他们利用麦秆原理，把一些高大的柱体和秆件都设计成空心的，这样便大大的提高了它们的承压能力，起到了“重半功倍”的作用。另外所有秆茎类植物几乎都是下粗上细的轮廓，这样的造型既减轻了自重又加强了稳定性。

加拿大多伦多电视塔高553米，用400号温凝土浇筑成下粗上细，底翼宽约30.5米，可谓庞然大物，但它的平均细长比( 平均直径和高度之比) 约为1/10，而茎植物( 麦秆、甘蔗、竹等)的细长比可达1/100~1/200，可见人类的建筑远未达到大自然的神功。

3、悬索结构在建筑中的应用

蜘蛛是悬索结构的天才创建者，蛛丝直径不到几微米，但编织的蜘蛛网的直径可达到十余米，这是因为其强度是同等钢材的数倍。有些蜘丝由几股构成，形成丝索，长度可达十余米，蜘蛛网教会人们设计出最经济的悬索结构和帐蓬结构，为人类以最少的材料创造最大的空间提供了模式。

日本明石海峡大桥，是目前世界上跨径最大的桥梁，这座建成于1998年的悬索大桥全长3911米，其主桥跨度达到了1991米。明石海峡大桥首次采用1800MP级超强钢丝，是支持这一大跨径桥梁能够实现的主要因素之一。大桥两条主要钢缆，长约4000米，由290根细钢缆组成，重约5万吨，其直径仅为1.12米。

（二）建筑中的形态仿生设计的应用

1、美国肯尼迪机场TWA候机大厅

美国纽约约翰・菲茨杰拉德・肯尼迪国际机场是纽约市的主要国际机场，也是全世界最大机场之一。机场1942年开建，TWA机场候机大厅于1962年开放使用，是美国20世纪建筑大师埃罗沙利宁代表作之一，大师以浪漫优美的曲线造出一只展翅欲飞的混凝土大鸟，这种仿生形态与飞行功能相吻合，寓意与形象珠联璧合，成为一代杰作，在当时来说将这种庞大而复杂的拱形结构塑造出来着实不易。TWA机场候机大厅被评为美国125年来六大最佳建筑之一，后因空间大厅已无法容纳日益增多的人流而停止使用，现如今经过对“大鸟”的修复，已经重新复活了这座经典建筑的往日辉煌。

2、中国古典建筑的仿生设计应用

在中国建筑史上，小小的庭园再现大自然的山水情趣，层层的屋檐装饰着飞禽走兽，大门口的雄狮，石栏杆的云龙，直至近代虎皮墙、鱼鳞不板，都是东方世界造型仿生的生动例证。“源于自然，高于自然”大自然的美是无穷的，是高雅的，形态仿生给造型艺术带来了新的活力、新的天地。

（三）建筑设计中的功能仿生设计的应用

黑川纪章与矶崎新、安藤忠雄并称日本建筑界三杰，其创作生涯可分为“新陈代谢”和“共生思想”两个时代。

城市和建筑不是静止的，而是像生物新陈代谢那样处于动态过程中。黑川纪章这基础之上提出了“变形”和“点式刺激法”的概念。1972年黑川纪章设计的中银舱体大楼引起世界轰动，这一蜂窝鸟巢式的建筑几乎成了他的商标。黑川纪章采用的新陈代谢方法分为两个部分：先建造永久性的结构，然后插入居住舱体，后者可以随时更换。这一不对称的中分式楼体，传达了黑川纪章对新陈代谢建筑的前卫理解。

黑川纪章从70年代中期以后开始提倡“共生”思想，异质文化的共生、人类与技术的调和、部分与整体的统一，内与外的交融、历史与现代的共存、自然与建筑的连续，这一思想是即将到来的生命时代的基本理想。1989年，黑川纪章在一次博览会的“住宅环境展”中提交的一份设计方案。他将银行、书店和事务所组成了海岸住宅区的一部分。[3]在一个以玻璃锥体为中心的中央，其周围分散着不同的弧形、直线形和不规则的实体，建筑的屋顶形状也各不不同。黑川纪章试图能通过不同的元素之间的关联与分离来唤起一种多义的、含糊的意义。

（四）建筑材料仿生

随着建筑行业的发展，对建筑材料的要求也日益突出。建筑材料仿生主要是仿照生物躯体的组织结构( 如生物的皮毛，化学成分) ，生物物质形态( 如动物巢穴) ，从而研究出新型的建筑材料，从而在一定的程度上有助于建筑节能。例如人们利用蜂巢，蚁穴结构形态创造出加气混凝土，泡沫混凝土，泡沫橡胶，泡沫玻璃等。将加气混凝土，泡沫混凝土制作成混凝土砌块作为隔墙的填充物，不仅减轻了隔墙的自重，而且有良好的保温功能和隔声功能。如果将这种类型的混凝土运用于梁板结构中，不仅仅减轻了结构的自重，在一定程度上也减少了混凝土的用量，并节约了经济。

在自然界中纤维素是构成植物细胞的必要化学成分，纤维素具有质量轻，强度高，塑性韧性好等物理特性。由于纤维素的这些物理特性，可以制成多种纤维素高分子材料，并将其运用于实践。在美国研制了一种玻璃纤维瓦，核心是由有机纤维玻璃薄垫物构成，有较好的耐用性及耐火性，在日本利用长纤维状分子添加剂添加到普通混凝土中，利用纤维分子的粘度特性包住混凝土，形成改良混凝土，从而使混凝土不易分散，便于施工。

参考文献

[1]周晓儒，徐宏.仿生设计在建筑艺术中的运用[J].南京艺术学院学报(美术与设计版)，2005.4.

[2]张敏，薛圣言.浅谈仿生设计在建筑中的运用[J].山西建筑，2011.10.

[3]林丽芳.浅析建筑造型的仿生设计[J].艺术与设计(理论)，2010.10.