探讨仿生学在桥梁设计中的应用

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摘要：在现实桥梁的设计和建设工作中，建筑师与设计师需要将仿生理念很好的融合到建设过程中来。当然还可以将一些特定型仿生功能材料用于施工、规划以及监控中，可以起到避免自然灾害的作用。本文主要对仿生学在桥梁设计中的应用进行了分析探讨。

关键词：桥梁设计；仿生学理念；可持续发展；优化设计

中图分类号：K928文献标识码： A

引言

仿生学理念在桥梁设计上的成功运用，开启了桥梁设计新的大门。创意是无限的它推动了人类走向文明的进程。自然是孕育创新的摇篮，我只要不断的贴近自然、研究自然、利用自然才能实现社会的可持续发展，才能提高人们的生活质量。虽然仿生学理论在桥梁设计的应用中还存在着一些问题，其作用发挥的还不是很明显，但是随着设计水平和材料技术的不断提高仿生理念必然将会使桥梁设计迈入新的阶段。

一、桥梁设计中的仿生理念

许多工程建筑本身都是来自于自然，在自然界中都可以找到雏形，同样桥梁的起源与大自然也有着相当密切的关系，其实桥梁建筑本身就是在无形之中利用了仿生学的理念。人类在起初使用的是天然的桥梁，后来随着人类文明的不断进步，人们又开始从自然界吸取养分建造自己的桥梁。在现代的桥梁结构中，桥梁就是由整体和细部来构成的。仿生学理念在桥梁设计中的运用，彻底打破了桥梁工程师固有的设计思维，为桥梁设计提供了全新的设计方法和设计思路。仿生学在不同的角度有着不同的分类，本文主要把仿生理念分为两类即微观的仿生与宏观的仿生。宏观仿生主要包括力学仿生、意向仿生和形态仿生，微观仿生主要包括功能仿生、材料仿生和神经仿生。宏观与微观的仿生是统一的主要体现在桥梁设计的整体设计和局部设计两个方面。宏观的仿生设计注重形态，微观的仿生设计注重功能机理。宏观仿生设计也好，微观仿生设计也好都会使桥梁由本来的非生命工程体向有生命特征的工程体转变。

二、仿生学理念在桥梁设计中的使用现状

诚如大家所了解到的，自然生物界经过了上亿万年的不断发展进化，已经基本形成了相对科学合理的生命和生态结构，其高效性、敏感性以及小巧型等显著特征优势和使用价值都让人们惊叹不已。尤其是在大型建筑工程领域中，很多有明显影响的设计方案和桥梁建造技术的突破都或多或少地将生物仿生理念反映出来。例如，我们都了解的悬索桥六边形主缆截面的设计方式，就来自于蜂窝这类孔隙率最低的设计结构；而水立方的建筑灵感则来自于12和14边缘轻又非常薄的泡泡。目前使用仿生学的思维理念能够协助桥梁建筑和设计工程师们有效冲破传统定式思维的僵局，为他们源源不断的提供新的桥梁设计思路和方法。

1、桥梁建筑、设计者的研究方向

桥梁设计者研究主题分类有两个方面，即工程设计以及生物体设计理念。在研究和设计过程中二者是互逆的两方面，所以建筑设计师和建造工程师可以依据工程技术的设计目标，去运用生态系统中与此相类似的功能和生物体结构，亦或是通过生物学家所提供的相关基础研究成果来设计和建造桥梁，都给了工程师非常大的灵感和启发。

2、桥梁建筑、设计者的设计方法

在现实桥梁工程设计和建造过程中，设计师、建筑师都需要生态学基础理论进行研究和分析，对于这个阶段取得的生态学资料进行研究，最后再根据桥梁使用目的和仿生学结构功能，确定设计方案的可行性。设计师与建筑师在研究和分析过程中，应该建立相应基础理论模型以及数学模型，进一步阐述和分析特定范围的生态学规律和功能特点；再结合现代计算机软件计算结果，进行有效地模拟、分析、模仿生命系统，最后一步才能够设计成有效、具有实用性的工程结构。

三、仿生方法在桥梁设计与优化的应用

1、桥梁形态上的仿生

西班牙的一个设计师在桥梁设计过程中最先从形态上进行仿生，其主要灵感是来自于对植物和骨骼的形态进行的仿效，在卡拉特拉瓦的设计中充分体现了很多自然主义，同时，其在设计中也充分借鉴了西班牙的另一位著名建筑设计师高迪的设计理念，在他的设计中有的是对牛的头部结构的仿效，也有的是对人体脊柱骨骼进行的仿效，也正是因为有这样的作品存在，所以，人们对他的设计产生了很多不同的声音，或者认为荒诞、形状怪异，施工难度大。但是对于该设计者自身而言，其认为自己的仿生设计并没有技术含量，而是单纯的对自然形态的仿效，所需要的施工材料是最常见的钢筋混凝土。

图1桥梁设计中的仿生法应用

但是对于仿生法的应用来说，并不是随意进行的，其需要对仿效结构与桥梁的实际需求进行结合，虽然很多生物形态结构具有较强的仿效性，但是在实际施工中很有可能就会出现自重过大、结构过于复杂、沉降导致开裂等问题，所以，在实际设计中虽然需要应用仿生法，要充分分析其可建造性和合理性。

2、桥梁结构上的仿生

在自然界和生物界中有很多骨骼和组成结构是桥梁设计中可以应用到的，生物学的发展也让大众认识到了在自然界中存在着如此之多的结构形态，就比如我们最熟悉的人体骨骼结构，其主要是由其中的脊柱;髋、股、胫、足等骨骼构成的，其中人体自重量是通过足骨来进行分解的，而需要承重的骨骼的骨质都是比较密实的。这样的生物结构形态在桥梁设计中就可以充分得到应用，任何一个桥梁结构的产生都不是设计师的凭空想象结果，而是设计师以合理的设计理念从自然界中获得的灵感体验。在桥梁结构中也需要具有完整的承载力分散方式，这是保证桥梁使用功能和持续性的重要因素，如果所设计的结构并不能很好的进行力量的分散，那么，这就证明了该桥梁结构不能进行建造，是不合理的。对于人体骨骼仿效效果相对较好的桥梁工程要属卡拉特拉瓦所设计的科兹桥，因为该桥乔高119m，在桥塔上辐射出了66个拉索，其在2010年正是投入使用，到现在为止其也是耶路撒冷的一座城市风景线。

3、桥梁功能机理的仿生

在仿生学中，研究的主要对象就是自然界中各种动植物的功能机理，常见的就是力学、能量转化、行为等等。在该方面的仿生应用，人类从很早就开始进行了，比如飞机的机翼就是对鸟类翅膀功能机理的仿效，但是，最初的机翼会出现震颤问题，这时人们又回归到了生物界去寻找解决方式，最后通过对蜻蜓翅膀上的翅痣进行研究和模仿成功的解决了飞机的问题。在桥梁的寿命总是会受到来自自然界中的地震、洪水、狂风等的影响，同时随着当前桥梁建筑的跨度在不断增大，桥梁自身所承受的风险也在增大，为了保证桥梁的安全使用性，在设计过程中要积极寻找办法规避这些风险因素所带来的危害。那么，在自然界中的生物在经历了地震、洪水、狂风等之后都会很自然的存在着，其中的功能机理是桥梁设计需要借鉴的。在德国一所大学的生物研究人员对楔叶类植物和稻目类植物的变刚度进行的深入研究，发现，在巴西生长的一种巨型木贼以及木贼草这两种植物的细胞就会通过自我调整来改变植物体系的刚度来适应外界带给植物的压力。这种生物功能性的机理就可以应用在大跨度桥梁中的桥墩和桥塔上，从而让该桥梁具有类似于生命的体质特征。

结束语

在自然界中各种事物之间都存在着普遍联系，生物学和建筑学之间存在的联系更是非常明显，因此，在创新理念不断发展的今天，人们强烈要求用仿生法来进行桥梁的设计和优化，以提高桥梁的各种性能。

参考文献

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