翻译自然的设计

张辰燕

世间万物千姿百态，都是经过漫长的、优胜劣汰的竞争和千辛万苦的进化，致使在结构、形态和功能三方面达到最优设计而流传于世。所以，大自然的精妙建筑确是人类建筑师和设计师的最好老师。我们可以发现，人类的创造不管多么精巧，几乎都能在大自然的创造物中找到对应的影子。于是，人们开始对大自然进行有意识地模仿，从大自然汲取营养，请大自然开拓思路，一门新兴的综合学科——仿生学便应运而生了。

仿生设计并不是单纯地模仿照抄，它是吸收动物、植物的生长机理，以及一切自然生态的规律，结合设计的自身特点，而适应新环境的一种创造。

蛋壳与体育馆

生物为了存在和发展，最起码的条件是：必须平衡地心引力，防御一切外力，适应自然环境，在长期的进化进程中自然而然地形成最合理、最稳定、最经济的结构形态。羽茅草和禾本科植物的长叶往往卷曲成筒形或壳形，香蒲植物的叶子又构成螺旋状，帽状蘑菇的辐射密肋，以及弧形的贝壳和壳面之波、空心的苇秆和秆间之节，都启发人类去探索空间结构的奥秘。

人们已经发觉，传统建筑的梁板支撑体系实际上是一种不经济的结构形式，而且不能满足现代社会对大跨度空间的需求。仿生空间结构则帮助建筑师和工程师解决了难题。

蛋类的外壳虽然很薄，却能耐受相当大的外力。这是因为，这类结构具有弯曲的表面，壳体在外力作用下，内力是沿着整个表面扩散和分布的，因而壳体单位面积上所受的力就小了许多。

据统计，“二战”以来，各国为举办奥运会而建造的体育馆，有60％以上采用薄壁空间结构。法国夏蒙尼先斯滑雪山北区体育中心由9个三角形薄壳所组成，覆盖面积达6000平方米。1980年建成的香港太空馆是一个典型的蛋壳形，23米直径的半球形天象厅酷似鸡蛋的核心部分——蛋黄。鸡蛋壳厚约0.5毫米，一只普通鸡蛋纵向直径按照7厘米计算，两者之比约为1：140，可见人类仿生工程的巨大意义。

更有趣的是，国外有人模仿鸡蛋设计了一种特殊的抗震房屋，“蛋壳”是用钢铁制造的，“蛋白”用耐高温玻璃、石棉等制造，人住在相当于“蛋黄”的部分。这种房屋能抵抗强烈地震，即使被震翻了，也能像鸡蛋一样滚过来复原。屋内贮有空气、水和食物，在与外界完全隔绝的情况下，7个人可在里面生活1个星期。住在这种房屋里，即使遇到强烈地震，也会安然无恙。

麦秆与电视塔

中空的麦秆能承受比它重得多的麦穗而不倒伏，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虽然一样，但长长的茎受压后，往往不会因断面压力过高而发生突然断裂的情形，而是在受压后茎秆先弯曲，最后因弯力过大而折断。而断面积相同的空心秆外径要比实心秆大，因此空心秆承压后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，把一些高大的柱子和秆件都设计成空心的。这样可以大大提高它们的承压能力，起到“重半功倍”的作用。

另外，所有秆茎支承植物几乎都是下粗上细的，既减轻了自重，又加强了稳定性。因此，不管任何方向吹来的风，很容易沿着秆茎圆面的切线方向掠过，从而减小对植物的影响。反之，如果秆茎是平面的，毫无疑问，平面比圆面上的一点受风力都大大增加。这样，植物就有可能被风刮歪，甚至倒毙。

加拿大多伦多电视塔高533米，用400号混凝土浇筑成下粗上细的形状，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1／10，而秆茎植物(麦秆、甘蔗、竹等)的细长比可达l／100～1／200。两相比较，人类的建筑远未达到大自然的神功。

王莲叶与展览厅

薄薄的王莲叶最多能够承重70千克。这是因为，王莲叶背面有许多粗大的叶脉，其问连以镰刀形的横筋，构成了一种网状骨架，纵横交错，又粗又壮，可以承受很大的负荷。

于是，有位花匠模仿王莲叶脉的构造，用钢材和玻璃成功地建造了一座漂浮在水面上的美丽“水晶宫”。

后来，意大利设计师建造了一座跨度为95米的都灵展览大厅，其屋顶采用了王莲的网状叶脉结构，在拱形的纵肋之间连以波浪形的横隔，不仅保证了大跨度屋顶有足够的强度和刚度，而且美观大方，轻巧坚固。

“春笋建筑法”

应该指出，人类在结构仿生方面还停留在静态阶段，仔细观察一下生物的生长过程，恐怕对人类工程会有更大的借鉴意义。例如，十丈青松，挺拔矗立；劲细翠竹，轻巧刚直，都是从地面寸寸长起，自己“建造”自己。

那么，人类的建筑可否如青松生长、雨后春笋一般，把自己一节节“长”上去呢?

有人曾提出一种不用脚手架、不用大型起重机，而是由建筑自身的屋面开始从地面一节节“长”上去的“春笋建筑法”，1星期可建成1幢4层高的住宅楼。

这种方法把每一层墙板从高度上分成三四段预制好，然后用液压顶以1米的行程，反复顶升，可以很快“长”成设计的建筑。

车前子与向阳屋

车前子原本是一种无足轻重的野草，近年来，却受到了建筑师们的青睐，成为他们的珍宝。

建筑师们仔细观察了车前子叶子的结构，发现它们是按螺旋状排列的，每两片叶子之间豹夹角都是137°30′，不仅结构合理，而且每片叶子都能得到充足的阳光。

建筑师仿照车前子的奇特结构，建造了螺旋状排列的楼房。这种新型住宅改变了“向南背北”的传统建筑朝向，一年四季，每间房子都阳光灿烂，空气清爽，舒适宜人。

海狸与拦河坝

海狸是一种水陆两栖兽类，它们的“家”修筑在湖岸或水流缓慢的河岸边。这些屋顶圆圆的“小房”修得非常坚固，墙壁有2尺多厚，用黏泥修饰。每座“小房”分为二至三层，上层比较干燥，作为“卧室”；下层在水下，作为仓库，堆积食物、树皮和木柴。“小房”有两个出口，一个通陆地，一个通水下。

令人惊奇的是，为了控制需要的水位，海狸还在靠河处筑起了坚固的堤坝。建坝时，它们总是选择河流狭窄、可以就地取材(木料、石子)的地方为坝址。

海狸所建造的堤坝，正是人类建造的巨大拦河坝的雏形，它给水利建筑提供了有益的启示。

菌膜与防水材料

建筑物的防水是一个“老大难”问题。不过，另一方面，在自然界中，动物和人的皮肤具有良好的防水性能，外面的水渗透不进去，里面的汗液却能渗出来，保温性能也很好，堪为建筑物防水所借鉴。

科学家们正在探索一种能够

形成菌膜的菌类(如红茶菌)物质，把它们制成像人的皮肤一样的膜状防水材料。人们设想，把这种材料覆盖在建筑物上以后，它能缓慢生长，出现破损时，又能自行修复；外部的雨水渗不进去，内部的潮气却能散发出来。

这对于改善建筑物的防水、保温、隔热性能以及节约能源，将会有重大意义。

蚁穴与恒温办公楼

在澳大利亚西部有一种白蚁巢穴，尽管穴外温度一年四季变化很大(气温在3～42℃)，但巢穴内不论是白天还是夜晚，也不论是夏季还是冬季，温度始终保持在30～32℃。这种白蚁巢穴调节温度的能力简直可以和现代化的空调系统媲美。

为了弄清白蚁为什么有如此高的本领，科学家仔细研究了白蚁巢穴的构造。他们发现，这种白蚁巢穴分为地上、地下两部分。地下部分是白蚁的生活区，巢穴的地上部分则有个约3米高的泥塔，泥塔内有一些空气通道通到白蚁的地下生活区。泥塔断面呈楔形，总是像罗盘一样准确地指向北方。因此，科学家把这种白蚁称为“罗盘白蚁”。

泥塔的侧壁皱巴巴的，表面积很大，在早晨和午后阳光斜射时能最大限度地吸收阳光的热量，泥塔顶部呈尖锥形，表面积较小。这样一来，在正午炽热的阳光下，泥塔吸收的热量就减少了。

“罗盘白蚁”建造这种特殊的泥塔，就是为巢穴创造恒温条件。泥塔在阳光下受热后，塔内空气通道之中的气温也随之上升，空气体积膨胀而向上升腾，这就产生了像烟囱一样的抽气作用，把新鲜空气通过白蚁进出的通道抽吸到塔顶，形成一股风，吹过白蚁巢穴的生活区。

白蚁中的工蚁在巢穴内“监测”(感受)各处的温度，并根据温度的变化，阻断或扩大巢穴内的通道，以调节气流。这就像人类用开、闭窗户来调节室内温度一样。

因此，无论外界气温如何变化，白蚁巢穴地下生活区的温度，都保持在30～32℃。

建筑学家从白蚁巢穴的构造得到极大启示，认为人类也可以模仿白蚁，建造有自然通风系统的办公楼。虽然安装了空调系统的大厦可以做到温度恒定，但因门窗封闭，空气不流通，长时间呆在里面的人很容易患上空调综合征。

1994年，英国建筑师在诺丁汉兴建了7幢仿白蚁巢穴的办公楼，排成一个弧形面向北面，每幢大楼的角上都有一个17米高的圆柱形玻璃塔，其作用相当于白蚁巢穴上的泥塔，当阳光照射时，玻璃塔内的空气温度升高，膨胀上升，起烟囱的抽气作用，形成一个自然通风系统。玻璃塔顶部还可用液压方式升降，用来调节上升的空气流量，由于塔中的空气通道和办公楼的各房间相通，上升气流可以带走多余的热量并吸入新鲜空气。在大楼内有一个计算机能量管理系统，它的作用相当于白蚁巢穴中的工蚁，负责管理室内的温度调节系统，控制玻璃塔顶的升降，以调节空气流量，在寒冬还可启动热风机，在夏夜可启动风扇，将清新的空气引入室内。

蘑菇与伞屋

所有的植物都呈哑铃形，这是一种很好的建筑结构，它使植物利用最小的占地面积，就获得了适度体积的地上部分，得到了大面积的阳光，而向下生长出的根系，能够牢牢抓住土壤。利用这种结构，植物还能够立体享受阳光：森林群落中乔木层以下有灌木层，灌木层以下还有草本层。模拟植物的仿生建筑可以更好地利用太阳能。

以蘑菇为例。蘑菇由3部分构成：菌盖、菌柄、菌丝。菌盖离地有一定高度，菌丝呈放射状向地下扩散，菌柄把两者连接起来。这也是一个哑铃结构。

依照蘑菇的外形，人类可以设计、建造仿生建筑，其“菌丝”部分(仿生建筑的根基)可以采用植物根的形态，将几根长度与直径都适宜的钢管呈放射状地打入地下，与岩石紧紧咬合，以产生的摩擦力来支持地上部分。这样，可以大大减少地基部分的工程量。仿生建筑的“菌柄”部分(支柱)采用钢筋混凝土结构，它的底部膨大。以便和根基连接为一体。仿生建筑的“菌盖”部分(居住体)则采用钢架结构，从支柱向四周辐射出许多钢梁，屋顶做成拱形的钢网架，并与钢梁相衔接，共同形成一个笼状的整体结构。

由于采用哑铃结构，这种仿生建筑所占地面只有传统建筑的10％，而屋顶可以贴上大面积的太阳能电池。从远处看，整个建筑就像一把大雨伞，因此取名叫“伞屋”。

小腿骨与埃菲尔铁塔

人体骨架形态、结构之精巧、合理和美妙，往往使建筑师们赞叹不已。堂堂七尺之躯全靠骨骼支撑，这与高耸入云的摩天大楼凭借钢架支撑几乎一模一样。

人坐着的时候，体重是依靠从骨盆侧面延伸出来的骨头来支撑的。这种简单而有效的结构启发了建筑师。建筑师由此设计了一种空间支架模型，建筑物的重量由斜柱支撑着，再传到几个支持点，所有与重量负担无关的材料，一概省去。这就为建筑物提供了一种既强有力又经济合理的支撑结构。

人体的大腿骨要支撑全身的重量，又要前后左右摆动，因此，它“选用”了一种最合理的结构形式——既轻又坚固。一般成年人的大腿骨能够承受260～400千克的压力，小腿骨吃力更大，比相同断面的花岗岩还要坚固10多倍，它的刚度可以和熟铁相比，但比重只有熟铁的1/5。

巴黎埃菲尔铁塔高327.7米，犹如巨人般耸入云天。一些建筑师研究之后得出结论：这座铁塔的结构并不新颖，只是一座重复着人体小腿骨的建筑；甚至两者的表面角度都相符。

建筑仿生是一门妙趣横生的新兴科学，是科学与美学的有机结合。生物是人类工程设计的最好老师。正如著名仿生设计师L·科拉尼所说：“仿生设计是一个揭示自然界生命体的设计领域，也可以称为一项‘翻译自然的事业。”

可以预见，在不远的将来，人类必将从表面的静态仿生走向内部的、动态的仿生，从而大大丰富人类的创造。

[责任编辑]赵菲