仿生技术在建筑创作中的设计应用

2010-11-25邱德华董志国

制造业自动化 2010年13期

关键词：自然界建筑师生物

邱德华，董志国

QIU De-hua, DONG Zhi-guo

（苏州科技学院建筑与城市规划学院，苏州 215011）

仿生技术在建筑创作中的设计应用

Application and thinking of bionic technology in architectural creation

邱德华，董志国

QIU De-hua, DONG Zhi-guo

（苏州科技学院建筑与城市规划学院，苏州 215011）

建筑仿生是吸取自然界生物的生长机理以及一切自然生态的规律，结合建筑的自身特点而适

应新环境的一种创作方法。本文从剖析仿生技术的概念入手，分析了仿生建筑的优秀实例，论证了以仿生技术启动的建筑创作的优势，并提出了仿生技术在建筑创作的意义和策略。

仿生技术；建筑创作

0 引言

自然界中的生物在漫长的进化过程中，为了适应自然和生存而本能地选择环境，完善自身的组织结构与性能，形成了复杂而高度适应力的器官系统和色彩丰富、造型优美的形体，获得了高效低耗、自我更新、新陈代谢、结构完整的保障体系，从而得以顽强生存与繁衍。人类生活在自然界中，与自然界的生物相伴生存，这些生物的奇异本领和生存能力，吸引我们去想象和思考。

诞生于上世纪70年代的仿生学以及由此形成的仿生技术，经过短短几十年的发展，为建筑创作开拓了独特的设计思路，提供了技术发展道路，显示了极强的生命力。

1 仿生技术

仿生学是上世纪70年代发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科。它是研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术[1]。

仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人们发现，自然界的生物在几百万年的自然进化过程中不仅完全适应自然，而且其适应程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿生物在自然中的功能，在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且解决工程技术难题。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个最佳的途径。

建筑仿生是吸取自然界生物的生长机理以及一切自然生态的规律，结合建筑的自身特点而适应新环境的一种创作方法。

2 案例分析

近年来应用仿生技术在建筑创作中建造了许多造型优美、寓意深刻、震撼力强的现代建筑，类型包括体育场馆、剧院、会展中心、机场航站楼、住宅等。

2.1 国家体育场（鸟巢）

国家体育场位于北京奥林匹克公园中心区南部，为第29届北京奥林匹克运动会的主体育场。工程总占地面积21公顷，建筑面积258,000m2。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。国家体育场建筑顶面呈鞍形，南北长333米、东西宽294米的，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。主体结构由24个门式钢桁架整体编织成巨型空间马鞍形“鸟巢”结构。

国家体育场设计如同一个的容器，高地起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予了戏剧性和具有震撼力的形体，国家体育场的形象完美纯净，外观即为建筑的结构，立面与结构达到了完美的统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，它就像树枝编织的鸟巢。体育场的空间效果既具有前所未有的独创性，而又简洁、典雅。国家体育场设计评审委员会主席、中国工程院院士关肇邺是这样评价“鸟巢”的：这个建筑没有任何多余的处理，一切因其功能而产生形象，建筑形式与结构细部自然统一[2]。

2.2 瑞典“螺旋中心”

瑞典的“螺旋中心”大厦是斯堪的纳维亚半岛的最高建筑物，总建筑面积1.5万平方米，高189米，共45层，分成九个独立的立体单元，每单元五层。九个独立的单元以中心为轴，逐渐扭转，每单元都旋转少许，使整栋大厦共旋转90º，每层楼面都有各自特色。楼层越高，大楼的主体核心越小，居住面积相应增大，而外部不变。大厦最底下两个但愿是办公区，其余7个单元共有147套豪华公寓，具有33种不同形式。由于大楼从一楼到顶楼扭转了90º，每套公寓不仅拥有充足的自然光，而且公寓的面积、室内设计等都各具特色。

设计师卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）介绍，这座极具特色的建筑设计灵感来源于人体脊椎旋转的美好图像，整栋大楼以90º盘旋而上，象人体躯干一样自由扭动，极富动感，也成为瑞典南部城市马尔默的标志。这样的设计不但使得建筑形象奇特，而且利于每个房间和厅都能充分采光，公寓内的空间都能够享受到充足的自然光。面向海景的住户，还可以清楚地看见连接丹麦哥本哈根与瑞典马尔摩的松德跨海大桥。

“旋转中心”大厦在结构上所表现出的表现主义张力，使得大厦从任何一个角度看上去都呈现出一种新的面貌和视觉效果。

2.3 未来“树纹塔”摩天大楼

“树纹塔”摩天大楼由美国著名的环境设计大师、建筑师威廉·麦克多诺（William Mc Donough）设计。他设计的“树纹塔”使建筑可以像树木一样进行光合作用，试图使设计的“树纹塔”产生的能量多余消耗的能量，使人们居住在其中却有一种户外般的清新自然的感觉。

在设计中，设计师充分利用太阳能和自然光，不仅实现了视觉上的震撼效果，同时使得整个建筑物环境所包围，成为名副其实的绿色建筑。

3 建筑创作中仿生技术策略

3.1 仿生技术为建筑形象创新拓展思路

在建筑创作中，建筑师通过运用和模仿自然生物或者物质存在的外部形态，对其进行抽象并采用相应的艺术处理手法，进行视觉构图和表达寓意，能够取得新颖独特的建筑形象。由德国建筑师赫尔佐格（Werner Herzog）设计的北京奥运会主场馆“鸟巢”的方案，其外形设计灵感就来源于鸟巢的结构；西班牙建筑师高迪（Antonio Gaudi）设计的神圣家族教堂外形就是从植物的形态上得到灵感；法国建筑师安德鲁（Paul Andreu)设计的上海浦东国际机场，象一只展翅欲飞的海鸥，在绿地和碧水的衬托下寓意上海的腾飞；西班牙建筑师卡拉特拉瓦设计的2004年雅典奥运会主场馆如鸟儿展翅般，等等。

仿生技术是建筑形象创新的一种有效方法。利用仿生技术，不仅可以取得新颖的建筑造型，而且也能充分发挥新结构体系的效能，使建筑形式与功能、结构有机结合。建筑师只要善于观察和吸取自然界千变万化现象的内在规律，就有取之不尽的灵感源泉。但是，也不能为追求新奇的效果而一味地简单模仿。

3.2 仿生技术为建筑空间组织提供借鉴

英国建筑师罗杰斯说过：在构成公共生活框架的同时，建筑物还服务于人们的特定需要。这就提出了如何根据人们的需求进行设计的问题[3]。大自然精巧绝妙的设计必定忠实于功能，人类在研究生物过程中，把握了生物的形态特征、结构特征的同时，也把握了生物的复杂功能系统。在建筑创作中，只要善于应用类推的方法，就可以从自然界中吸取无穷的灵感，使建筑空间布局更有新意。芬兰建筑师阿尔托（Alvar Aalto）设计的德国不莱梅高层公寓的平面布局源自蝴蝶的原型，公寓的服务功能与居室空间分别比作蝴蝶的身体和翅膀，不仅使内部空间布局新颖，而且也使建筑造型更为丰富。

现代建筑的功能是错综复杂的，自然界的生物为建筑师提供了交织组合的范例和借鉴。建筑师运用自然界生物体和物质存在的功能原理，改进或构建新的功能组织体系，促进建筑的合理布局和建筑新技术的开发。

3.3 仿生技术为建筑技术发展开阔视野

意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利仿叶脉机理设计了意大利都灵展览馆的巨形拱顶；美国结构工程师富勒从自然界中的结晶体结构获取灵感设计了联合油罐车公司的巨大穹顶；德国结构工程师奥托利用网索结构仿蜘蛛网形的支撑体系设计了加拿大蒙特利尔国际博览会德国馆，等等。这些优秀的设计实例充分展示了建筑技术也建筑艺术的完美的统一，为建筑技术发展开阔视野。

形态万千的自然界生物根据自己不同的构造和存在方式，有着不同的特征，存在不同的体现自身特点的尺度，只要认真研究客观生物实体构造和空间结构形式之间的相似性，认清生物体的优化程度和结构限定性，探寻空间结构形式与生物体和构造之间的内在关系，有利于人们对仿生技术的认识，找到一条发展建筑技术的新途径。

3.4 仿生技术为建筑环境设计扩大领域

早在1853年的巴黎建设计划中，为了在城市结构功能上进行改善，使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界，巴黎改建规划在某种程度上就是模拟了人的生态系统而进行规划设计的。例如当时在巴黎东郊维星斯公园和西郊布伦公园的巨大绿化面积，就象征着人的两肺，环形绿化带与塞纳河就象是人的呼吸管道，这样就使新鲜空气可以输入城市的各个区域。市区内环形和放射的各种主干与次要道路网就象是人的血管系统，使血流能够循环畅通。这种城市环境仿生思想，在当时已起到了积极的作用，解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题，使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例。

在安徽宏村的堪称“中华一绝”的牛形村落和人工水系，统看全村，洗头雷岗巍巍而立，宛如“牛头”，村口两棵参天大树恰似“牛角”，前后四座横跨吉阳水的桥梁象“牛腿”，村中鳞次栉比的明清古建筑如卧牛盘踞，千米长的清澈水渠似“牛肠”环绕全村，盘曲流经各家各户，村中一半月形池塘月沼和村南南湖分别是“牛胃”和“牛肚”，整座村落象一只昂首奋蹄的水牛，成为建筑史上一大奇观。

在当今以低碳为价值观的建筑环境设计中，建筑师在建筑创作中不仅要遵循和尊重自然规律，从自然界中吸取灵感进行环境意识创新，注重环境生态、经济效益与建筑形式的有机统一。