结构仿生在大跨度建筑设计中的应用分析

魏晓华 田长河

（洛阳市规划建筑设计研究院有限公司 河南洛阳 471000）

现阶段，仿生设计学是以仿生学与设计学作为基础，不断发展的一门边缘学科。而仿生建筑指的是把生物界一些生物体的形象构造和功能组织的规律当成研究对象，对于自然界中的建造规律进行有关的探索，并且通过研究成果，使用丰富并且完善的建筑处理手段，在建筑形体结构以及功能布局中进行实际的应用。结构仿生在建筑仿生学中属于主要的研究内容。如何让大跨度的建筑变得更加美观实用，并且高效节能，是结构仿生研究的目的，结构仿生引进了自然界内简单高效、美观多样、系统整合等特征，为大跨度的建筑设计提供了新的视角，增添了创新性。所以，对于大跨度建筑中结构仿生的应用进行相关的分析，从中探寻应用的方法和原则，在建筑领域是十分有必要的。

1 结构仿生方法的应用

现阶段，结构仿生应用主要体现在三个方面，包含了仿生材料的研究、仿生结构的设计以及仿生系统的开发。

1.1 仿生材料的研究

仿生材料的研究在结构仿生中属于一个重要的分支，指的是从微观的角度上对于生物材料自身的结构特点、构造存在的关系进行研究，从而研发相似的或者优于生物材料的办法。仿生材料的研究可以给人们提供具有生物材料自身优秀性质的材料。因为在建筑领域，对于材料的强度、密度、刚度等方面有着比较高的要求，而仿生材料满足了这种要求，因此，仿生材料的研究成果在建筑领域也得到了广泛的应用。现今，加气混凝土、泡沫塑料、泡沫混凝土、泡沫玻璃、泡沫橡胶等内部有气泡的呈现蜂窝状的建筑材料已经在建筑领域大量使用，不到使建筑结构变得更加简单美观，还能够起到很好的保温隔热的效果，并且成本比较低，有利于推广应用。

1.2 仿生结构的设计

仿生结构的设计指的是将生物和其栖居物作为研究原型，通过对于结构体系进行有效的分析，给设计结构提供一个合理的外形参照。通过分析具体的结构性质，把其应用在建筑施工设计中，可以提出合理并且多样的建筑结构形式。建筑对于结构有着各种不同的要求，例如建筑跨度、建筑强度、建筑形态等。仿生结构自身具有结构受力性能较好、形态多样并且美观等特点，因此，在建筑领域得到了比较广泛的应用。在大跨度的建筑中，使用的网壳结构、拱结构、充气结构、索膜结构等，都属于仿生结构设计的良好示范。

1.3 仿生系统开发

仿生系统的开发是把生物系统作为原型，对于原型系统内部不同因素的组合规律进行研究，在理论的帮助下，开发各种不同的人造系统。仿生系统开发重点在如何处理好各个子系统与各个因素间的关系，使其可以并行，并且能够相互促进。建筑属于高度集成的一个系统。伴随建筑行业的不断发展，生态建筑将会不断兴起，在建筑中涵盖的子系统也会越来越多，例如能耗控制系统等，系统的集成度也会越来越高。仿生系统有效良好的整合优势，因此，其在建筑领域的使用的前景十分广阔。

2 在大跨度的建筑设计中结构仿生的表征

2.1 形态设计

结构仿生有着多样性、高效性、创新性等特点，能够满足建筑形态对于设计的要求，是形态进行设计的一个选择。例如在里昂的机场和火车站就属于一个例子。各种建筑构件和生物原型有着一定的并且相似性，并且通过材料与形态的变化，起到引导人群的作用，把旅行变成了一种令人难忘的体验。

2.2 结构设计

因为大跨度的建筑设计，其跨度比较大，空间的形态较为多变，通常需要使用到许多的结构形式，因此，结构设计在大型的公共建筑设计中属于重要的部分，其在很大程度上决定了建筑设计的效果。对于大自然的结构形态进行研究，是满足建筑结构设计的有效途径。将微生物、动植物、人类自身作为原型，能够对于系统结构性质进行分析，借鉴多种不同的材料组合以及截面的变化，使用结构仿生的原理，对于建筑工程结构支撑件做仿生方面的设计，能够对于功能、结构、材料进行优化配置，可以有效的提高建筑施工结构的效率，降低工程施工的成本，对于大跨度建筑有着十分重要的作用。

2.3 节能设计

结构仿生方法指的是通过模拟不同生物体控制能量输出输入的手段，对于建筑能量状况进行有效的控制。和生物类似，建筑可以有效适应环境，顺应环境自身的生态系统，起到节能减耗的效果。充分地开发并且利用自身环境中的自然资源，例如风能、地热、太阳能、生物能等，形成有效的自然系统，获得通风、供热、制冷、照明，在最大程度上减少人工的设施。使其具备自我调节、自我诊断、自我保护或维护、自我修复、形状确定、自动开关等功能。和这个类似，建筑也能够有着生命体的调整、感知、控制的功能，精确适应建筑结构外界环境与内部状态的变化。建筑应该有反馈功能、信息积累功能、信息识别功能、响应性、预见性、自我维修功能、自我诊断功能、自动适应以及自动动态平衡功能等，有效进行自我调节，主动顺应环境的变化，起到节能减耗的效果。

3 结构仿生在大跨度建筑设计中的设计手段

3.1 图纸表达

3.1.1 构思草图

建筑师进行建筑设计创作的时候，大多是从草图构思开始，构思草图指的是建筑师受到创作意念的驱动作用，将平日知识和经验积累进行相互的结合，把复杂关系不断抽象化，简约成为有关的建筑知识，草图构思指的是建筑师需要脑眼手相互协作，是建筑师集中体现创新的形式，因为仿生建筑的形体比较灵活，在开始构思草图中起着十分重要的作用。

3.1.2 设计图纸

设计图纸指的是建筑师用来表达设计效果的一个常规工具，但在其中，也存在着一些比较有创意的手法，用来表现有效的设计思想，和以往的表达方法不一样，现代表现方法中使用到的透视图或者轴测图一般是和实体联结方式、大量的空间以及构造、结构、设备的分析图一起使用的。

3.2 模型研究

模型设计在方案构思阶段属于不可缺少的一项工具，它自身的直观性、真实性和可体验性能够有效弥补在三维表达上图示语言存在的不足，模型研究对于建筑结构的形态以及各个细部处理有着十分重要的作用，模型能够给人们带来十分直观的体验，从各个视角去感受到设计的空间、设计的体量和设计的形态，能够帮助人们比较全面地进行设计评估，避免设计存在的不确定性，与此同时，模型有着到位的细节设计和准确的形态比例关系，能够方便和客户进行交流沟通工作。

3.3 计算机模拟

现今，以计算机作为核心的信息技术在很大程度上增加了建筑师的创造能力，并且推动了计算机的图形学技术发展，人们能够在计算机模拟的虚拟环境内有效地落实头脑中所呈现的建造活动，这属于虚拟建造，动态的、逼真的模拟真实的情境，是计算机模拟的优势。

4 结束语

在建筑中仿生手段有着比较久的发展历史，但是仿生建筑的概念提出的时间却不长。在建筑仿生学中，结构仿生属于主要的一个研究内容，并且在大跨度的建筑中得到了有效的应用，取得了一定的进展，但与此同时，不可避免产生了一些问题，参考在以往建筑发展中出现的教训经验，相关人员在面临建筑结构仿生的应用时，需要进行理性的准确的评判，只有通过这种方式，才可以使结构仿生更好的被使用在建筑领悟中，才能够更好的促进建筑行业的发展。

[1]亚历山大·佐尼斯，著.赵 欣，译.圣地亚哥·卡拉特拉瓦.大连：大连理工大学出版社，2010（11）：69～71.

[2]岑海堂，陈五一.仿生学概念及其演变[J].机械设计，2014（7）：36～38.

[3]孙久荣，戴振东.仿生学的现状和未来[J].生物物理学报，2012（4）：223～224.