浅述形态仿生学在桥梁造型设计上的应用

易红艳

(广西南宁市新点线交通勘测设计有限责任公司，广西 南宁 530011)



浅述形态仿生学在桥梁造型设计上的应用

易红艳

(广西南宁市新点线交通勘测设计有限责任公司，广西 南宁 530011)

文章以形态仿生学为研究对象，通过形态仿生学在桥梁造型设计上的几个具体应用实例，对形态仿生学应用的要点、效果、前景等进行相应阐述，为今后桥梁的造型设计提供一种新的设计视野和研究方向。

形态仿生学；桥梁造型；设计；应用

0 引言

人类历史上对仿生学的应用可谓源远流长，从远古时代起，仿生学就已经被人类自觉不自觉地展开了探索和应用，以满足人类生存和发展的各种需求。我国自古就有“师法造化”的审美传统，但直到1960年时，仿生学作为一门独立的学科才被人们确立下来，并在最近几十年得到了人们的重视和研究，也得到了长足的发展与应用。仿生学在桥梁上的应用，特别是形态仿生学在桥梁造型设计上的应用，虽然已经探索和发展了一段时间，也取得了丰富的硕果，但我们不该仅满足于此，需要更进一步地研究和探索，这也将使形态仿生学在桥梁造型设计上得到更为广泛的应用，为能够建造出结构合理、造型优美、造价低廉的优质桥梁提供有力保障。本文将对形态仿生学在桥梁造型设计上的应用进行

分析和阐述，为该领域的研究和发展提供一些参考资料和意见。

1 形态仿生学

1960年美国斯蒂尔博士给仿生学做了这样的定义：“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，或使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”。简单概括就是模仿生物的科学。自此，仿生学作为一门独立的学科才算被正式确立下来。仿生学在其发展过程中，先后经历了萌芽时期、建立时期、巩固时期和现代仿生学时期这四个发展阶段，同时也发展出不同侧重点的仿生学分支，按研究领域可分为信息仿生学、力学仿生学、控制仿生学、化学仿生学、医学仿生学等；按研究角度可分为宏观仿生和微观仿生，宏观仿生可细分为形态仿生、力学仿生、意象仿生，微观仿生可细分为功能仿生、材料仿生、神经仿生等。

形态仿生学是仿生学中的一个重要分支，主要针对生物体(包括动物、植物、人类、微生物)以及自然界内客观存在实体的外部造型、表面纹理、视觉感观等进行研究，属于宏观仿生学范畴。

2 形态仿生学在桥梁造型设计上的应用实例

形态仿生学在桥梁造型设计上的应用，主要是从大自然中的各种动植物和客观存在实体的外部造型、表面纹理、视觉感观等宏观特征入手，通过观察、模仿、类比、模拟、抽象等具体的仿生学研究手段，达到以最少的材料和最合理的结构，取得最大程度效益的应用效果。这样获取效益的研究理论，是现代可持续发展的重要观点，同样也是桥梁造型设计一直奉行的设计理念。形态仿生学在桥梁造型设计上的应用，在现代桥梁建设中已有很多，许多桥梁的外观造型都可以在自然界中找到原型，也可以说自然界的丰富多姿已经成为了很多桥梁设计者的灵感源泉。下面就列举几个形态仿生学在桥梁造型设计上的应用实例，以供大家参考和学习。

2.1 洛阳瀛洲大桥

洛阳瀛洲大桥，位于我国的“九朝古都”陕西省洛阳市的瀛洲路上，是一座通行兼景观大桥，于2007年3月开工建设，2009年4月大桥竣工通车。瀛洲大桥主桥长610 m，由8个上承式钢筋混凝土连续拱边跨和1个跨长120 m的月亮形中承式钢管混凝土系杆拱中跨组成。桥梁主拱圈是国内首座空间组合倒三角形抛物线拱桥，呈“下玄月”造型，主桥拱的造型设计意图明显，直接模仿于自然界中的月亮造型，并结合洛阳八大景之一的“天津晓月”，使得桥梁整体景观如水上升明月，实现了“月儿弯弯照九州”的人文设想，也完全达到了桥梁造型与环境景色、与文化底蕴完美结合的效果。

图1 自然界的下玄月造型图

图2 洛阳瀛洲大桥的主拱圈造型图

2.2 白石天河大桥

白石天河大桥，位于我国庐江县同大镇白石天河入巢湖河口400 m处，是环巢湖旅游大道4座大桥之一。桥梁总长826 m，主桥跨径布置为80 m+130 m，是一座白鹭塔混合梁斜拉桥，塔的造型类似两只白鹭鸟儿，形象简约而生动，有主塔和副塔的高低错落层次，横向双排布置斜拉索。截止2013年11月，白石天河大桥还在施工中。

白石天河大桥的白鹭塔，是形态仿生学在桥梁造型设计上的应用典型实例。桥梁造型的设计者通过对观察白鹭鸟，从白鹭鸟的各种形态中寻找桥梁造型的影子，例如白鹭鸟的站姿、俯姿、跳跃姿态、起飞姿态、飞翔姿态等等，在通过观察、类比等方法锁定白鹭鸟的某种形态特征可以考虑成为桥梁造型的时候，再对白鹭鸟的原始姿态进行提炼、抽象和进一步优化，最后形成既满足仿生学特点又满足结构力学特点的斜拉桥主塔造型，在具有生物体白鹭造型的生动感之外，还具有强烈的现代感。

图3 白鹭原始姿态的造型图

图4 白石天河大桥的主塔造型图

2.3 奥伦赛千禧桥

奥伦赛千禧桥，位于西班牙圣地亚哥附近的奥伦塞，跨越米尼奥河，2001年建成。桥梁的主体结构为单索面斜塔斜拉桥，主梁为等截面预应力箱形曲梁，桥梁全长275 m，宽23 m，双向四车道，两侧设有人行道，最外侧架立环形步梯。

奥伦赛千禧桥从总体外观上来看，最大的特点就是她的“大树叶”造型。这个“大树叶”的造型是设计者形态仿生学的巧妙应用，设计者对步梯的设计大胆而浪漫，通过形态仿生学将一张“大树叶”铺设于桥面之上，通过对“大树叶”的叶脉进行均匀合理的布局与巧妙设计，使整张“大树叶”拥有了一个宽大的自然结构，这样不仅实现了设计者环形步梯的浪漫设计，同时也使得“大树叶”与桥主梁形成一个整体，能够相互稳定而不易受外力影响。设计者从植物的外观造型和纹理结构中找到了灵感，把环形拱象征成叶子的边，而把斜拉索象征成叶片上的脉络。这样的仿生学造型设计，在保证结构安全稳定的同时，用其大胆和浪漫将人们置身于美丽壮观的城市景观中，带来了美的视觉感受。

图5 自然界的树叶造型图

图6 奥伦赛千禧桥的环形步梯造型图

2.4 德国克希兰姆跨线桥

德国克希兰姆跨线桥，位于德国巴登·符腾堡州，跨越德国A8高速公路，于1993年建成。桥梁总长17.64 m+34.44 m+17.64 m=69.72 m，中跨长54 m，桥宽6 m。桥梁是一座变截面的连续梁桥结构，变截面梁的高度从0.5 m至1.7 m，整体呈流线型外观，并与桥梁的弯矩图外形相似，给人以一种强劲的力量感。克希兰姆跨线桥所采用的反吊设计比较少见，主梁下层悬带受力，上部桥面支撑在悬带上。

从形态仿生学上看，德国克希兰姆跨线桥的外观造型比较像一匹正在奔跑的骏马，这样的流线型造型，能散发出一种气势磅礴的动感，给人以刚健与力量的感觉。其采用的反吊设计，将主梁的下层线条调试得顺畅而丰满。貌似奔跑中的骏马，是形态仿生学在该桥上的具体应用，估计这就是该桥为什么采用反吊设计而使主梁向下变截面的真正原因。

图7 奔跑中的骏马造型图

图8 德国克希兰姆跨线桥的外观造型图

3 形态仿生学在桥梁造型设计上的应用要点

3.1 形态仿生学的基本研究方法

形态仿生学的研究对象是各种生物体、各种客观存在的实体，形态仿生学的研究范围是这些研究对象的外观造型、表面纹理、视觉感官的各种形态和特征，要把这些基本的形态和特征应用到桥梁造型设计上，就必须通过仔细地观察、认真地类比、科学地模拟，在得到有价值的信息后，在从这些信息中提炼、抽象和改进优化，把生物身上的某些形态和特征再具体化到桥梁的外观结构上，形成具体的、合理的、新颖的桥梁造型设计方案。

3.2 与桥梁美学的关系

形态仿生学与桥梁美学的关系，牵扯到通过形态仿生学设计出的桥梁造型是否符合桥梁美学的基本要求，是否美观的问题。这就要求桥梁设计者在进行形态仿生学设计时必须综合考虑桥梁的美学要求。现代的桥梁美学设计也不光停留在装饰、绿化、灯效等狭小的美化观点上，应更加广泛地介入新结构、新功能、新概念的设计领域。而形态仿生学在桥梁造型设计上的合理应用，可以开阔桥梁造型设计的美学视野，在新结构、新造型、新美学的设计思路上走得更深远。

3.3 与创新设计的关系

对于设计者而言，不光要科学地观察、模仿、研究，更要对自然界的形态、结构、色彩有所继承、深入和改进。在采用形态仿生学进行桥梁造型设计时，必须要做到的是灵感来源于自然界，而结构优化要来源于创新设计，这就是形态仿生学与创新设计的关系。桥梁设计者从自然界中汲取设计的灵感，并无限接近地模拟成模仿对象的合理结构，但大自然也并不是完美的，也一直处于不断变化、不断进化、不断优化的过程中，所以采用形态仿生学进行的桥梁造型设计也应该要不断地优化和发展，创新设计就是解决这类问题的良好办法。

4 形态仿生学在桥梁造型设计上的应用前景

虽然形态仿生学在桥梁造型设计上已应用了很多年，但这并不影响其今后的应用前景。随着我国基础建设的发展，各类大跨度现代桥梁的建设也将继续涌现，从交通发展的需要上来看，各类桥梁的建设数量也不会有所减少，在应用的实体和应用的机会上可以说形态仿生学在桥梁造型设计上将有更为广阔的发展空间。另一个方面，随着我国形态仿生学的深入研究，许多新方法、新成果、新构思都可以应用在桥梁造型设计上，同时我国的桥梁事业也在不断地深化和发展，一些新的设计理念、新的施工工艺、新的高强材料的出现，也需要配合形态仿生学的应用，才能更好地发挥出这些新科技的巨大威力。相信随着形态仿生学和桥梁事业的继续发展，形态仿生学将与桥梁造型设计结合得更为紧密，两者的发展前景也将更为广阔。

5 结语

通过形态仿生学在桥梁造型设计上的几个具体应用实例，可以看出形态仿生学在桥梁造型设计上的应用效果非常良好，本文还针对形态仿生学的定义及其应用的要点进行了相关阐述与说明，并对形态仿生学在桥梁造型设计上的应用前景进行了展望，以期为形态仿生学的初学者和桥梁造型设计的设计者们提供借鉴，并对该领域的研究与发展起到积极作用。

[1]宋晓晖，龙 涛.仿生设计在桥梁景观中的运用[J].钢结构，2009，3(24)：28-31.

[2]唐寰澄.桥梁美学[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]陈艾荣，盛 勇，钱 锋.桥梁造型[M].北京：人民交通出版社，2005.

Discussions on Application of Morphological Bionics in Bridge Modeling Design

YI Hong-yan

(Nanning Xindianxian Traffic Survey Design Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

With the morphological bionics as the research object，and through several specific applica-tion examples of morphological bionics in bridge modeling design，this article described the application key-points，effects，and prospects of morphological bionics，thereby providing a new design vision and research direction for the future bridge modeling design.

Morphological bionics；Bridge modeling；Design；Application

易红艳(1987—)，助理工程师，从事公路桥梁勘测设计工作。

U442.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.013

1673-4874(2015)11-0059-05

2015-10-03