仿生建筑学及其应用研究

陶 建 红

(平煤神马建工集团有限公司，河南 平顶山 467001)

仿生建筑学及其应用研究

陶 建 红

(平煤神马建工集团有限公司，河南 平顶山 467001)

基于仿生建筑学的应用现状，从建筑形态、结构、功能、材料四个方面阐述了仿生建筑的设计思路，指出现代生物是物竞天择、适者生存的优胜者，仿生建筑必将成为未来建筑发展的趋势。

仿生建筑，绿色建筑，智能建筑

随着社会的发展和进步，人类对生存环境提出更高的要求，对自然环境的向往愈加强烈，现代科学技术的进步为人类探索居住环境与生物学的关系提供了可能。德国人勒伯多于1983年在其著作《建筑与仿生学》中，对仿生建筑学的意义、建筑学应用仿生学的方法、仿生建筑学与生态学、美学的关系等进行了详细全面的阐述[1]。生物学中“物竞天择、适者生存”的规律告诉我们每种生命的存在都因其结构、功能和形态达到最优而繁衍生存，无不体现了生命对环境、资源、社会的适应性及存在合理性。仿生建筑学就是借鉴生物体的发展规律，解决人类建筑中所遇到的问题，以适应环境和满足人类需求为目的，而逐渐兴起的一门学问，是人与自然和谐统一的重要体现。

1 仿生建筑学的应用

仿生建筑学的内容极其丰富，根据仿生建筑的表现形式和应用方法的不同，东南大学刘先觉教授将仿生建筑的设计内容主要分为建筑功能仿生、形式仿生、结构仿生、城市环境仿生等几个方面[2]。下面分别从建筑的形态、结构、功能、材料等方面论述仿生学在建筑领域中的发展现状。

1.1 建筑形态仿生

建筑形态仿生是人们在一般意义上对于仿生建筑的理解，并且利用其原理所建造的建筑不胜枚举。传统民居干阑建筑所采用的地下架空结构，其原理就是受到鸟的筑巢位置的启发，不仅防水防潮而且具有防禽的优点；建造于美国的肯尼迪机场航站楼(见图1)，屋盖结构酷似展翅飞翔的巨鹰，让人身处其中不觉得就感受到现代空中交通工具的舒适与享受。

作为一个有机整体，生命皆是由器官各自的功能与形态按照相应的构成规律组合而成，生命体的各器官要想相互协调的完成生命活动，适应周围环境和自身内部的荷载作用，就必须努力调整自身结构以适应环境，例如鸟中空的骨骼就是通过减少自身骨骼重量以适应飞翔的需要，殊不知只有飞的快的鸟才能有最好的虫子吃，才能更好的生存繁衍。大自然的生命繁衍生息无不体现着一条原则：以最优的形式、最少的投入，取得最大的收益。形态仿生建筑将这一大自然中关于形态与构成的发展规律应用到建筑学中，无论在形态还是质量上都会使得建筑结构的层次得到提高。中国国家体育馆、悉尼歌剧院、天津博物馆、鱼舞餐厅等都是形态仿生建筑的代表之作[3]，见图2～图5。

1.2 建筑结构仿生

建筑结构仿生是仿生建筑学发展的重要分支，建筑师们利用大自然的恩赐，结合现代科学技术，从生物体中不断总结、深化、试验、组织，经过几十年的努力，现代建筑结构仿生已经开辟了崭新的仿生结构体系[4]。这方面的事例举不胜举，从发现自由抛物线形曲面的张力的水滴到薄壁高强的性能的蛋壳，再到交叉网状支撑组织机理的叶脉和类似拱形结构的恐龙庞大的骨骼，无不给建筑结构带来新鲜的设计灵感[1，5]。很多正确的仿生建筑实例，其结构形式或多或少都模仿了生物体的整体或部分合理结构形式，同时还总能达到经济、美观、耐用的设计目的，建筑结构仿生已成为建筑学发展的重要方向。

1.3 建筑功能仿生

建筑结构一定体现了某种设计功能，如何将自然界的生命体功能如实的体现到建筑结构中去便是建筑功能仿生的目的所在。大自然是人类创作灵感的宝库，从空心的竹子想到支撑与传输“管道”功能的结合，从甘蔗的生命周期与使用周期想到“薄壁承重结构”和“轻质填充物”，它们都是结构与功能完美结合的生命体，类似的功能建筑结构也已得到广泛的应用，慕尼黑BMW公司办公楼就是采用圆筒结构，将电梯楼梯布置其内，起到建筑物支撑与竖向交通的功能，慕尼黑BMW大楼见图6。从竹子的节理与生长高度的关系到110层美国芝加哥西尔斯大厦的方筒套箍结构(见图7)，再到芝加哥60层第一联邦银行大楼的竹节的水平结构层(见图8)，其建造原理均是生命体功能与结构的完美统一的体现[3]。

1.4 建筑材料仿生

根据生物体的结构、成分、色彩与生命特征，结合现代化的科技手段，对天然生物材料的组成结构、材料性能和生长机理的分析，并对其进行仿生复制，研制出高效的新型建筑材料，不断满足人们对建材性能日益提高和增长的需求，即为建筑材料仿生。

借助仿生学原理，建筑材料仿生也已取得很多成就。首先是利用蜜蜂构筑的蜂巢创造发明了泡沫建材结构，不仅保温隔热，而且结构轻巧美观；其次是建筑师制作的蜂窝隔墙，中间填充了树脂和尿素甲醛泡沫，起到了结构轻巧、冬暖夏凉的作用[4]。

2 仿生建筑学的发展

将仿生技术应用于建筑学并非简单的合并与拼接，而是建筑师们在遵循和敬重自然界规律的前提下，运用逻辑推理方法，从自然界汲取创作灵感，同时注意保护人与自然的和谐统一，避免不必要的浪费，使建筑学与仿生技术完美的融合，从而为人类的生活提供服务。作为仿生建筑学所采用的主流形式，绿色节能建筑、标准化建筑、智能建筑和多维空间建筑必将成为21世纪建筑结构发展的趋势。

2.1 绿色节能建筑

绿色节能是当今社会最为提倡的生活方式，因为社会的和谐发展无不受到环境破坏和能源危机的制约，人类想要继续繁衍生存就不得不寻求最为合适的生态建筑环境，以社会、自然、人的协调发展为目标。我国是能源大国，然而总量上的优势并不能掩盖其结构不合理、资源分配不均匀的缺点，随着我国经济社会的快速发展，建筑所占用的能耗百分比从25%上升到35%以上。如果不尽快加大绿色节能建筑研发力度，降低建筑能耗百分比，必将带来环境社会经济发展的新问题。相反采用绿色节能建筑不仅可以采用自然光达到建筑节能的目的，而且研究表明在绿色建筑中员工的工作效率可得到增进。可见建筑节能有很大的空间，绿色节能建筑对于社会的可持续发展意义重大。专家预测未来5年内，绿色节能建筑将成为建筑行业的主流设计思想。

2.2 标准化建筑

标准化建筑是指建筑空间结构的功能也不再仅仅局限于承载传力，而是像生命器官那样具有多重功能，用于组成建筑结构的构件进一步标准化，结构空间效用将大幅度提高。节约与合理利用能源也将成为建筑结构功能的一项重要内容，同时也是一个国家、民族稳定、健康、可持续发展的重要内容。解决能源问题不仅在于空间的组织与设计，采光技术、通风技术、保温技术、照明技术等现代科技手段也具有极大的可操作性。

2.3 智能建筑

当今新型空间结构型式、智能材料、多功能材料、传感技术、计算机技术飞速发展，21世纪是智能建筑的时代。人类的生存环境日趋恶劣，所建建筑必须朝着降低能耗，减小占地空间，一体多用的方向发展，所用建筑材料不仅要轻质、高强，而且要多效、节能。例如现有的许多建筑隔墙在具有保温、隔热等基础功能前提下，同时具有防辐射、高强度、多效的性能。不仅如此建筑物还应向着进行自诊断、自调节、自修复的方向发展。在知识经济高速发展的当代，城市规划、建筑设计必须以经济、安全为前提，同时兼顾节能、高效和生态平衡，追求人与自然的和谐统一，智能建筑是实现上述目标的重要途径。

2.4 多维空间建筑

随着21世纪人口增长的大爆发，世界建筑业也进入了建筑大膨胀时代。人类吃、穿、住、用、行样样离不开土地，地球只有一个，耕地面积又不能一再减少，因此，人们考虑将建筑物向空间、海洋和地下等多维方向发展，仿生建筑学将发挥更大作用。

建筑向空间的发展起步较早，如今世界各国早已是高楼林立，建筑物高度像大树一样一个劲往上长，但是人们必须注意物极必反的道理，如果这种增长，毫无规律节制，后果将十分严重，交通堵塞，地基塌陷，热岛效应，环境污染将比比皆是。为此，建筑向空间的发展，应在遵循科学、原则、规律的前提下进行。大自然中的森林树木茂密高度相差很多，然而各种树木都能找到适合自己的生存空间，不仅层次分明而且营养分配均匀，将其引入现代城市规划设计中，必将给人们带来更加舒适的生存环境。

建筑向海洋的发展势在必行，地球上1/3是陆地，2/3是海洋，建筑向海洋的发展必将成为21世纪乃至22世纪建筑发展的重中之重，那么学习海洋生物是如何适应海底环境而坚强生存下来，并将其中原理应用到建筑学中就变的十分急需。

建筑向地下的发展是适应土地资源不断减少的大势所趋，地下资源的开发利用如雨后春笋般悄然出现。地下商场、娱乐中心，地下隧道、铁道以及地下工厂的建设已经为促进世界各国经济、社会发展，方便人民生活等各方面发挥了积极作用。这方面当然也要向地下生物效仿，研究蚯蚓为何能在坚硬的泥土中自由穿行，各种穴居生物的筑穴本领，无疑我们将获益匪浅。

3 结语

随着社会资源能源环境的变化，仿生建筑学成为当今建筑发展的主流。人们在不断从大自然汲取灵感的过程中，将自然界动植物的生存本领、生长机理和生态规律与建筑物自身的特点和功能相融合，该过程并非简单的模仿照搬，而是有继承也有发展的创新过程。将自然生物体的存在合理性运用于建筑物结合自身特点而适应新环境的需求中去，这无疑是建筑物最具有生命力的诠释。仿生建筑学为人们提供了这样的机遇与可能，这无疑将极大的改善人们的生存环境，在促进建筑学发展的过程中起到举足轻重的作用。

[1] 杨小峰，罗文媛.仿生建筑浅析[J].青岛理工大学学报,2005,26(6):67-70.

[2] 刘先觉.仿生建筑文化的新趋向[J].世界建筑,1996(4):67-68.

[3] 祝玉龙，蒋欢军.我国钢结构仿生建筑的应用与展望[J].结构工程师,2014,30(2):64-69.

[4] 周 立.仿生建筑学在空间结构中的应用[J].消费导刊,2007(10):207-208.

[5] 李建华，张 龙，黄锦源.浅谈结构仿生在大跨度建筑中的应用分析[J].科技信息,2013(23):220.

[6] 高福聚.空间结构仿生工程学的研究[D].天津:天津大学,2002.

[7] 沈丽虹.浅谈仿生建筑[J].山西建筑,2006,32(22):45-46.

The bionic architecture and its application research

Tao Jianhong

(PingmeiShenmaConstructionEngineeringGroupLimitedCompany,Pingdingshan467001,China)

Based on the application status of bionic architecture, from architectural form, structure, function, material four angles elaborated the design idea of bionic architecture, pointed out that modern biology was survival of the fittest in natural selection, survival of the fittest winners, the bionic architecture would become the future development trend of architecture.

bionic architecture, green architecture, intelligent architecture

2015-01-28

陶建红(1968- )，女，工程师

1009-6825(2015)10-0005-03

TU-02

A