譚海松 肖芬芬

摘要：仿生建筑因其高效、低耗、節(jié)省建筑材料和可再循環(huán)的特點而在世界上廣受歡迎，全球各地出現(xiàn)大量仿生建筑。中國古代的建筑結(jié)構(gòu)即存在大量仿生元素，現(xiàn)代建筑設(shè)計中更是在有意無意地借鑒使用仿生元素。本文說明了仿生設(shè)計在建筑中的分類，然后詳細闡述了現(xiàn)代仿生建筑設(shè)計的應(yīng)用要點。

關(guān)鍵詞：仿生建筑；形態(tài)仿生；薄殼結(jié)構(gòu)；古典建筑；材料

中圖分類號：TU2文獻標識碼： A

一、仿生建筑的概念

仿生建筑以生物界某些生物體的功能組織和形象構(gòu)成規(guī)律為對象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律，并通過對這些研究成果的運用來豐富和完善建筑的處理手法，促進建筑形體結(jié)構(gòu)以及建筑功能布局等的高效設(shè)計和合理形成的建筑形式。

仿生建筑學(xué)暗示人們必須遵循和注重自然規(guī)律，重視生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟效益與新奇形式的有機結(jié)合，仿生創(chuàng)新需要學(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的特點，要做到這一點，建筑師必須善于應(yīng)用類推方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感，同時結(jié)合生物科學(xué)與現(xiàn)代建筑技術(shù)為建筑創(chuàng)新服務(wù)。

二、仿生設(shè)計在建筑中的分類

（一）形態(tài)仿生

形態(tài)仿生被認為是實現(xiàn)仿生最直接的方法。通過對自然物象的研究和觀察，模仿生物的形態(tài)，將其運用在建筑設(shè)計上，這不僅需要使功能、結(jié)構(gòu)與新形勢的有機融合，而且還應(yīng)該是超越模仿而升華為創(chuàng)造的一種過程。

法國建筑大師保羅·安德魯設(shè)計的上海浦東國際機場，機場的外形就是模仿海鷗的形態(tài)，同時也寓意著上海航空事業(yè)的騰飛。這方面的例子舉不勝數(shù)，大自然有無窮多個優(yōu)美的形態(tài)，而我們也應(yīng)該用心觀察生活，創(chuàng)造出打動人心的美好建筑。

（二）結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生是建筑仿生中最為成熟的分支學(xué)科，也是運用最廣泛的。結(jié)構(gòu)仿生是研究并模仿自然物象的力學(xué)特征、結(jié)構(gòu)關(guān)系和材料性能等，把它們應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。從一滴水和一個蛋殼看到自由拋物線型曲面的張力和薄壁高強的性能；從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，這些發(fā)現(xiàn)都會對建筑結(jié)

構(gòu)的創(chuàng)新得到啟示。

最具代表性的是西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦設(shè)計的美國威斯康星洲的密爾沃基藝術(shù)博物館，1950 年由著名大師賴特設(shè)計建造的美國威斯康星州約翰遜制蠟公司實驗樓就是運用了結(jié)構(gòu)仿生，模仿的是樹狀結(jié)構(gòu)的特點，將主要的支撐結(jié)構(gòu)放在建筑中央，四周樓板懸挑，取得了新穎的效果，造型優(yōu)美，具有光彩悅目的時代魅力。

（三）功能仿生

功能仿生是比較薄弱的一環(huán)，但也被認為是最有價值的仿生設(shè)計手法。功能仿生是研究自然物象存在的功能原理，并用這些原理去改進現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。生物是有生命的，而建筑不具備，人類在研究生物的時候，比較容易就可以把握它的形態(tài)特征，也比較容易分

析出結(jié)構(gòu)特征，而對于復(fù)雜的功能只能是個逐步認識的過程。

（四）材料仿生

材料是人類進化史里的里程碑，現(xiàn)代文明的重要支柱，發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。材料仿生是指模仿生物體的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分，研究出新型的建筑材料，用于滿足人類對建筑材料性能和品種日益增長的需要。生物的特征是經(jīng)過億萬年不斷進化而得來的，是人類取之不盡的源泉。只有具備良好的適應(yīng)性，才能保證生物能夠生存在任何環(huán)境條件下。

現(xiàn)代仿生建筑設(shè)計應(yīng)用

（一）結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計在建筑中的應(yīng)用

1、薄殼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

生物界有著各種蛋殼、貝殼、烏龜殼、海螺殼，它們都是一種曲度均勻、質(zhì)地輕巧的“薄殼結(jié)構(gòu)”。這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的厚度雖然很薄，但非常耐壓。薄殼結(jié)構(gòu)就是指曲面薄壁的結(jié)構(gòu)，按其曲面生成的形式可分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，在建筑領(lǐng)域中大多采用鋼筋和混凝土作材料。殼體能充分利用材料強度，同時又能將承重與圍護兩種功能融合為一。在實際的工程中還可以利用對空間曲面的切削與組合，形成造型新穎奇特且能適應(yīng)各種平面的建筑。薄殼結(jié)構(gòu)的特點是可以把受到的壓力均勻地通過曲面分散到物體的各個部分，減少受到的壓力。

據(jù)統(tǒng)計，二次大戰(zhàn)以來，各國舉辦奧林匹克運動會而建造的體育館，有60％以上采用薄璧空間結(jié)構(gòu)。法國夏蒙尼先斯滑雪山北區(qū)體育中心由9個三角形的薄殼所組成，覆蓋面積達6000平方米。中國國家大劇院是世界屈指可數(shù)的巨型鋼結(jié)構(gòu)殼體，其長達212米，寬143米，高至45米，由一組頂環(huán)梁、148榀弧形梁架和內(nèi)外各42道環(huán)桿組成，重逾6000噸，巨大的穹頂內(nèi)部沒有一根立柱，卻包含著歌劇院、戲劇院和音樂廳三幢混凝土建筑。當然我們需要知道的是中國國家大劇院的巨型鋼架結(jié)構(gòu)采用的是如仿分子結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造，正是不同仿生設(shè)計的融合才造就了這個龐然大物。

2、空心結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

空心的麥稈能承受比它重得多的麥穗而不折斷，這是因為在橫斷面積相同的情況下，實心稈和空心稈的承壓能力是一樣的，但長長的空心桿在受壓后并不會因斷面壓力過高而發(fā)生突然斷裂的情況，而是在受壓后莖稈先彎曲，最后因彎力過大而折斷。而橫斷面積相同的空心稈外徑要比實心稈大，因此空心稈承瘦壓力之后其抵抗彎曲變形的能力要比實心稈大得多。麥稈的功能給建筑師以設(shè)計靈感，他們利用麥稈原理，把一些高大的柱體和稈件都設(shè)計成空心的，這樣便大大的提高了它們的承壓能力，起到了“重半功倍”的作用。另外所有稈莖類植物幾乎都是下粗上細的輪廓，這樣的造型既減輕了自重又加強了穩(wěn)定性。

加拿大多倫多電視塔高553米，用400號溫凝土澆筑成下粗上細，底翼寬約30.5米，可謂龐然大物，但它的平均細長比(?平均直徑和高度之比)?約為1/10，而莖植物(?麥稈、甘蔗、竹等)的細長比可達1/100~1/200，可見人類的建筑遠未達到大自然的神功。

3、懸索結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

蜘蛛是懸索結(jié)構(gòu)的天才創(chuàng)建者，蛛絲直徑不到幾微米，但編織的蜘蛛網(wǎng)的直徑可達到十余米，這是因為其強度是同等鋼材的數(shù)倍。有些蜘絲由幾股構(gòu)成，形成絲索，長度可達十余米，蜘蛛網(wǎng)教會人們設(shè)計出最經(jīng)濟的懸索結(jié)構(gòu)和帳蓬結(jié)構(gòu)，為人類以最少的材料創(chuàng)造最大的空間提供了模式。

日本明石海峽大橋，是目前世界上跨徑最大的橋梁，這座建成于1998年的懸索大橋全長3911米，其主橋跨度達到了1991米。明石海峽大橋首次采用1800MP級超強鋼絲，是支持這一大跨徑橋梁能夠?qū)崿F(xiàn)的主要因素之一。大橋兩條主要鋼纜，長約4000米，由290根細鋼纜組成，重約5萬噸，其直徑僅為1.12米。

（二）建筑中的形態(tài)仿生設(shè)計的應(yīng)用

1、美國肯尼迪機場TWA候機大廳

美國紐約約翰·菲茨杰拉德·肯尼迪國際機場是紐約市的主要國際機場，也是全世界最大機場之一。機場1942年開建，TWA機場候機大廳于1962年開放使用，是美國20世紀建筑大師埃羅沙利寧代表作之一，大師以浪漫優(yōu)美的曲線造出一只展翅欲飛的混凝土大鳥，這種仿生形態(tài)與飛行功能相吻合，寓意與形象珠聯(lián)璧合，成為一代杰作，在當時來說將這種龐大而復(fù)雜的拱形結(jié)構(gòu)塑造出來著實不易。TWA機場候機大廳被評為美國125年來六大最佳建筑之一，后因空間大廳已無法容納日益增多的人流而停止使用，現(xiàn)如今經(jīng)過對“大鳥”的修復(fù)，已經(jīng)重新復(fù)活了這座經(jīng)典建筑的往日輝煌。

2、中國古典建筑的仿生設(shè)計應(yīng)用

在中國建筑史上，小小的庭園再現(xiàn)大自然的山水情趣，層層的屋檐裝飾著飛禽走獸，大門口的雄獅，石欄桿的云龍，直至近代虎皮墻、魚鱗不板，都是東方世界造型仿生的生動例證?！霸从谧匀?，高于自然”大自然的美是無窮的，是高雅的，形態(tài)仿生給造型藝術(shù)帶來了新的活力、新的天地。

（三）建筑設(shè)計中的功能仿生設(shè)計的應(yīng)用

黑川紀章與磯崎新、安藤忠雄并稱日本建筑界三杰，其創(chuàng)作生涯可分為“新陳代謝”和“共生思想”兩個時代。

城市和建筑不是靜止的，而是像生物新陳代謝那樣處于動態(tài)過程中。黑川紀章這基礎(chǔ)之上提出了“變形”和“點式刺激法”的概念。1972年黑川紀章設(shè)計的中銀艙體大樓引起世界轟動，這一蜂窩鳥巢式的建筑幾乎成了他的商標。黑川紀章采用的新陳代謝方法分為兩個部分：先建造永久性的結(jié)構(gòu)，然后插入居住艙體，后者可以隨時更換。這一不對稱的中分式樓體，傳達了黑川紀章對新陳代謝建筑的前衛(wèi)理解。

黑川紀章從70年代中期以后開始提倡“共生”思想，異質(zhì)文化的共生、人類與技術(shù)的調(diào)和、部分與整體的統(tǒng)一，內(nèi)與外的交融、歷史與現(xiàn)代的共存、自然與建筑的連續(xù)，這一思想是即將到來的生命時代的基本理想。1989年，黑川紀章在一次博覽會的“住宅環(huán)境展”中提交的一份設(shè)計方案。他將銀行、書店和事務(wù)所組成了海岸住宅區(qū)的一部分。在一個以玻璃錐體為中心的中央，其周圍分散著不同的弧形、直線形和不規(guī)則的實體，建筑的屋頂形狀也各不不同。黑川紀章試圖能通過不同的元素之間的關(guān)聯(lián)與分離來喚起一種多義的、含糊的意義。

參考文獻

[1]周曉儒，徐宏.仿生設(shè)計在建筑藝術(shù)中的運用[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報(美術(shù)與設(shè)計版)，2005.4.

[2]張敏，薛圣言.淺談仿生設(shè)計在建筑中的運用[J].山西建筑，2011.10.

[3]林麗芳.淺析建筑造型的仿生設(shè)計[J].藝術(shù)與設(shè)計(理論)，2010.10.