论仿生学在建筑设计中的应用

段 少 飞

(山西中方森特建筑工程设计研究院,山西 太原 030002)

改革开放以后，我国经济加速发展，人们的生活质量也在不断改善，人们对现代建筑设计提出了更高要求，不仅建筑质量要符合相关标准，其功能也要更为齐全，且在建筑艺术形态上也有着更新的要求。仿生学作为一门相对独立的学科，随着社会的进步其相关技术日趋成熟，将其与艺术设计融合起来，能够更好的提升建筑美感，凸显时代风格。

1 仿生学的含义

仿生学主要研究的是生物体的工作原理、功能以及结构特征等内容，属于一种边缘性科学。在现今工业快速发展中，通过仿生学的应用，能够更好的进行技术创新，实现设备仪器的改良与优化，有效的改善生产质量和效率，增强我国的综合竞争实力。将仿生学应用到设计领域中，能够更好的开拓人们视野，增强设计作品的生命力，尤其在建筑设计领域中的应用，能够将生物自身的结构、性能等特征引入其中，完善整体建筑的美观性、功能性和实用性，并减少资源的过度浪费，实现建筑设计的优化改革。

2 仿生学与建筑设计的关系

仿生学同建筑设计之间是相辅相成，共同依存的关系。仿生学主要研究生物的一些体征、结构等内容，将这些特征应用到建筑设计中，能够起到丰富和促进建筑设计发展的作用。同时仿生学具有一定的生命体征，能够为建筑设计带来新的活力，进而在满足建筑基本要求的前提下，更好的提升其美学效果，优化建筑整体设计风格，符合时代发展特征。

在近几年的发展中，一些城市的商业街建筑开始将仿生学应用其中，其不仅在外观上能够带给人较大的视觉冲击，在结构造型上，也能够给人们一种耳目一新的感觉，提升整体的审美层次。另外，在建筑设计中应用仿生学概念，还能够为仿生学的发展提供一个更好的平台和方向，实现人、自然和社会三者之间的共同发展，为和谐社会的建设提供帮助。随着社会节奏的加快，人们的生活压力也逐渐增大，对于建筑的要求也更加趋向于同自然之间的连接方面，以缓解发展本身的压力。而通过仿生学的应用，则能够有效的实现这一目标，进而为仿生建筑的进步提供充足动力。

3 建筑设计中仿生学的应用

3.1 建筑形式仿生

现代建筑形式不再仅局限于对美学的表达，也更加追求对现代城市发展趋势的阐述。通过仿生学的应用能够为设计者们提供更多的创作灵感，丰富设计内容，在赋予建筑以灵魂的基础上，给人们不同的视觉享受。从设计手法上来看，目前建筑形式中的仿生学类型，其实际主要可以分为以下两种：

1)象形仿生设计。这种仿生设计方法对自然界的生物体外观进行艺术加工，并将加工后的元素应用于现代建筑设计中。例如，北京的鸟巢体育场就是将自然界的鸟巢直接应用到现实中的典型例子；或者美国芝加哥的玛丽娜城大厦，也是将自然界中玉米的形象应用其中，被人们誉为玉米楼。该类型仿生设计的优势在于：一方面能够加强建筑空间布局的灵活性，另一方面也丰富了建筑的造型设计，提升了建筑的美感，见图1，图2。

2)抽象仿生设计。抽象仿生设计是在确保建筑外形设计的基础上，赋予建筑更深层次的内涵。可以说这些设计风格是将当地的文化风俗同建筑设计紧密的融合在了一起，进一步凸显了城市的文化。例如，美国的自由女神像，就是直接利用人体艺术形态展现人们对自由、和平的向往；希腊的多利克柱式建筑集中展现了男性阳刚之美，爱奥尼克柱式建筑则体现了女性的阴柔之韵。

3.2 建筑结构仿生

建筑结构仿生设计的应用能够为建筑设计提供更加多变、合理、有效的结构形式，为建筑空间布局和设计提供更多有利条件。现阶段的建筑仿生发展中，建筑结构仿生设计主要有六种形式，分别为筒体结构、螺旋结构、悬索结构、网架结构、壳体结构和膜结构。以下就将对悬索、壳体以及膜结构予以简要分析。

1)悬索结构。这种结构主要应用柔性拉索承受建筑荷载，常用材料有钢丝绳、钢丝束和钢索等，这些材料具有共同的特点，其受拉性较强，故而也可采用其他性能类似的材料。这种结构在体育馆、厂房和桥梁的建设之中应用较为广泛，如生米大桥等。通过拉索自身力学特征的发挥，可以承受桥梁所受到的所有荷载，以此保证桥梁的稳定性。而这一理念的设计灵感则来源于自然界中的蛛丝和藤条。2)壳体结构。壳体结构的灵感主要来源于自然界中蛋壳和贝壳等物质形态，由于这类材料具有壁薄、张力好等特征，在外力的作用下，能够更好的将外力沿着不同方向进行分解，减少破损等问题的出现。将其应用在建筑设计中，能够更好的提高建筑的整体性能和美观度。例如，悉尼歌剧院，一个半径在75 m左右的球面上就有近13个壳体群，这不仅带给人们不一样的视觉感受，还更好的提高了建筑的实用价值。同时，通过这些蛋壳和贝壳类材料的建筑造型，还可大大增强建筑的独特性，更好的凸显建筑的仿生设计。3)膜结构。由于自然界中存在较多的膜结构，如细胞膜、肥皂泡沫等，而这些膜结构在外力的作用下，能够形成一种胀压模式，保护自身结构的稳定性。将其应用在仿生建筑设计中，能够更好的将外力予以化解，将力均匀的呈现在结构表面上。同时由于膜结构自身的重量较轻，使用的材料也较少，能够有效降低其对地基的压力，保证空间结构的质量。如北京水立方游泳馆就是膜结构的代表性建筑。

3.3 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是对自然界中生物的功能原理进行研究，并将其应用在实际建筑中。例如，竹子是一种空心的植物形态，其自身的功能不仅仅是承受自身荷载的一种承重“构件”，也是运输养分的“管道”，竹子的这种结构功能在筒体结构形式的建筑中应用相对广泛。建筑功能仿生以自然界生物功能研究为基础，科学地将原理应用于现代建筑设计中，如竹子是一种空心植物，竹子本身是能够承重的构件，同时其也是运送养料的主要路径。竹子的这种结构特点在建筑设计当中也有着较为广泛的应用。与建筑结构仿生相比，建筑功能仿生起步晚，在仿生建筑设计方面还不够完善，不过随着社会发展以及人们生活质量的提升，其在建筑设计中也将得到更好的应用，而这对增强建筑功能性以及满足人们对物质文化的需求有着显著意义。例如，法国孚日山区朗香教堂的设计，其屋顶的设计灵感主要来源于蟹壳，通过降屋顶的设计，使屋顶像蟹壳一样向上弯曲，让薄材料自身的力学张力和坚韧性能得到延展，提升整个屋顶的效果。同时，该教堂的平面是通过对人耳的模拟来实现的，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷，该类型的设计结构可为人们营造一种神秘高贵的氛围。

3.4 建筑材料仿生

在建筑行业快速发展的今天，建筑材料也得到了一定的进步。建筑材料仿生是通过对自然界中生物躯体结构以及物质形态的仿照，研究出的新型建筑材料，从而实现建筑节能效果。比如，通过对蚁穴等建筑形态的研究，创造出的加气混凝土、泡沫混凝土等材料，将其应用在建筑墙体施工中，不仅能够有效减轻隔墙自重，还起到了良好的保温隔热、降低噪声污染的作用；而将这类材料应用在梁板结构施工中，除了可以减轻结构自重外，还可以减少混凝土的用量，实现资源节约的目的，减少成本支出。此外，将自然界中的纤维素类物质应用在建筑材料设计中，能够创造出更多的高分子材料。这主要是由于纤维素自身具有较高的强度、质量轻、塑性韧性较好等特征，通过加工后，能够使建筑材料具有较高的耐火和耐用性，有效提高建筑质量。例如，美国研制了一种玻璃纤维瓦，其结构材料是由有机纤维玻璃薄垫物构成的，故而有较好的耐用性及耐火性。

4 结语

将仿生学应用在建筑设计中，不仅可以为建筑设计提供更多的灵感和素材，还能充分展现建筑的美学效果，赋予建筑更多的内涵，促进建筑、人与自然之间的有效融合，从而实现城市的发展以及文化的传承。虽然目前仿生学的应用还处在初级阶段，不过相信在未来的发展中，其将会成为建筑设计的主流趋势，为实现节能化、智能化、生态化的建筑目标贡献力量。