桥梁设计过程中仿生理念的应用研究

周翠芳

(山西省公路局太原分局勘测设计所，山西太原 030012)

进入到21世纪以来，随着我国国民经济水平的高速发展，我国的公路交通行业也得到了非常快速的发展，其中桥梁在促进我国城市发展的作用也越来越突出，而作为现代城市化建设过程中最主要的基础设施，桥梁工程还有很强的社会公共性，对其管理较为困难并且投资的规模也很大，而传统的设计理念也已经无法满足现代快速发展的社会需求了。作为一门新兴的多元化学科，仿生学对我国公路交通行业也产生了较为深远的影响，在桥梁的设计工作中如果能够较好的应用仿生理念，那么就能够很好的解决其设计过程中存在的种种问题，同时也大大的提升了桥梁设计方案的创新性。本文便对桥梁设计中的仿生理念、桥梁设计中微观仿生的应用分析以及桥梁设计中宏观仿生的应用分析3个方面的内容进行了详细的分析和探讨，从而详细的论述了仿生理念在我国桥梁工程设计工作中的应用情况。

1 桥梁设计中的仿生理念

在我国的建筑行业中，有很多工程建筑的本身都是源于大自然的，在自然界中是可以找到建筑结构的原始雏形的，而桥梁工程项目也是如此，其与大自然也是有着紧密联系的，而从桥梁工程项目的建设实质来看，实际上也是应用了仿生学的理念。在我国刚有桥梁工程出现的时候，基本上我们所采用的都是天然的桥梁，而随着科学技术水平的不断进步，人们才可以利用现代化的技术建设桥梁工程。通常情况下，桥梁的整体和细部两大部分共同组成了桥梁的结构，而如果在设计桥梁时能够较好的应用仿生理念，那么就可以创新桥梁工程的设计思路和设计方法。在这里我们将仿生学分为两大类，即微观的仿生和宏观的仿生。而微观的仿生又分为神经仿生、材料仿生以及功能仿生等内容，宏观的仿生则包括形态仿生、意向仿生以及力学仿生等内容，从整体上来看它们应该是和谐统一的。无论是宏观的仿生设计还是微观的仿生设计，应用仿生理念进行桥梁设计工作的实质就是促使其从原本的非生命工程体逐步的转向成为有生命特征的工程体，只不过宏观的仿生更注重形态的设计工作，而微观的仿生则更注重功能的设计工作。

2 桥梁设计中微观仿生的应用分析

1)功能机理仿生与设计优化。在对桥梁整体结构进行设计的过程中，功能仿生一直是薄弱环节，而这也是设计过程中起重要作用的一个环节，在仿生学的研究过程中也占有重要的地位。自然界的生物都是具有生命的，而桥梁工程却是无生命特征的，那么怎样在无生命特征的工程中应用有生命体的特征。也是我们长久以来一直关注的问题。而功能仿生工作则是在研究自然界的生态规律和生长机理的基础上，将研究的成果应用到建筑项目的设计工作中，不但达到了从无生命体向有生命体的转变，也保证了建筑结构的新颖性和节能性。在我国进行这类课题的研究工作已经有一段时间了，并且取得了一定的成绩，比如说通过研究蜻蜓翅膀上的翅痣，有效的解决了飞机机翼颤振这一问题;而通过研究天空飞鸟的翅膀，有效的解决了飞机机翼的问题。当然研究的进程肯定不是一帆风顺的，桥梁结构的整体质量会受到风力和地震等自然灾害的破坏，而随着我国桥梁工程项目跨度越来越大，我们所面临的最主要问题就是空气动力稳定问题。因此，接下来在功能机理仿生这一课题中，我们应重点研究如何提高桥梁的调控能力和适应自然灾害的能力，当自然灾害到来时，桥梁可以通过自身结构的变形程度和载重量的变化情况，进行自我的预防和控制。

2)仿生材料与新功能桥梁。随着科学技术水平的不断进步，相继出现了多种新型的材料，对于保证桥梁结构设计的有效性有着非常重要的意义。所谓的材料仿生是指在充分研究生物体内部化学成分和组织结构的基础上，模仿制造出具有较高实用性、强度和韧性的新型材料。自然界中的材料种类成千上万，只要我们大力的研究和探索，就一定能研发出性能更佳的施工材料。举例来说，我们都很熟悉的钢筋混凝土材料就来源于自然，其是在观察植物根部时发现并开始逐步应用的。在现阶段科学技术水平不断进步的大背景下，行业中也出现了很多的新型材料。在研究贝壳时我们发现，其抗拉强度要比水泥的抗拉强度高几百倍，而其组成的原料却只有95%的石灰石和5%的蛋白质两种，可见，自然界中还有着众多的结构简单并且不对环境产生影响的新型材料。因此，在桥梁工程的设计过程中，设计师们将不断应用新型的仿生材料，这些材料的应用也将大大提升桥梁结构的使用性能。

3 桥梁设计中宏观仿生的应用分析

1)结构仿生与创新设计。要想准确的发现自然界中万物的精髓，那么我们就必须大胆的创新，同时不断进行研究和探索，并且将研究的成果逐步应用到桥梁工程的设计工作中。结构仿生也就是力学仿生，其研究的重点为自然界中的各种物质和生物体的力学性能和精细结构，如果能够将有益的研究内容应用到设计工作中，那么就能够大幅度的提升桥梁结构的稳定性和强度。而我们所提倡的大胆创新并不是凭空想象，而是要在认真总结物种发展史和桥梁发展史的基础上得出，桥梁工程的设计结构在不断更新，在更新过程中其与自然界是密切相关的。举例来说，竹子、秸秆以及动物的骨骼的共同优点是都有较强的抗弯力和抗折力，并且它们也都是空心的，而以此为基础人们就相继的研究出了箱梁和空心板等空心截面，大大提升桥梁结构的使用性能。

2)形态仿生与概念设计。在探索和研究新型桥梁结构的过程中，设计师们经常会遇到两类问题，其一是理论知识与实际的应用情况有着较大的差异，而另一个问题则是设计师们的设计经验还不是十分丰富，因此，要想进一步丰富设计师们的创作空间，设计出更具适应性和创新性的方案，那么就必须不断吸收和利用自然界的精髓。在自然界的很多事物中，我们发现它们都能够用最科学的形式和最节省的材料得到最佳的应用效果，而这实际上就是可持续设计理念的内涵。卡拉特拉瓦是世界上非常有名的建筑设计师，其很多素材的灵感来源都是自然界中的事物，比如说其设计的坎波博兰廷步行桥，跨度达到75 m，而这就是在观察人体脊柱结构后所得到的灵感，另外还有其设计的主跨为190 m的卢西塔尼亚拱桥，就是在对牛头进行研究的过程中得到灵感的。当然针对他的这些设计方法，评论也是褒贬不一，有人认为其设计太过怪异，并且成本太高;有人也称赞他能够从自然界中找到灵感，作品也具有创新性，而他自己却认为这些作品在建造的过程中只需应用钢筋和混凝土就可以了。自然界中有太多事物的机构和功能都是优于人造事物的，但是却无法将它们都应用到桥梁的设计工作中，我们应在模仿自然界中事物的基础上进行升华，从而选择最为经济可行并且最合理的设计方案。

通过以上的论述，我们对桥梁设计中的仿生理念、桥梁设计中微观仿生的应用分析以及桥梁设计中宏观仿生的应用分析3个方面的内容进行了详细的分析和探讨。在桥梁工程的设计过程中应用仿生理念，对整个桥梁行业无疑起到了非常重要的推动作用。自然界是孕育万物的摇篮，而在今后桥梁工程的设计过程中，我们应充分的研究自然并贴近自然，面对着桥梁设计工作中应用仿生理念时存在的几大问题，我们针对其原因应进行认真的分析并制定出妥善的解决措施，利用自然实现社会的可持续发展，从而真正的提升广大人民群众的生活水平。

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