大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用

王希伟 唐璇

摘 要：大数据技术的发展为建筑结构设计提供了数字化模型。仿生方法在建筑结构设计中应用拓展建筑结构空间、丰富建筑结构设计元素，为人们提供了个性化的建筑。文章立足于大数据视角，分析仿生方法在现代建筑结构设计中的应用价值，分析仿生方法的应用种类，最后提出仿生方法在建筑结构设计中的具体应用策略，以此为建筑结构设计提供创新思路。

关键词：大数据;仿生方法;建筑结构设计;BIM

0 引言

随着大数据技术的不断发展，尤其是BIM在现代建筑结构设计中的应用，建筑仿生成为新时代建筑学领域的新潮流。建筑仿生是根据自然与社会生态规律，结合生物学、美学以及信息学，将建筑结构、功能与自然生态环境进行综合搭配，实现建筑工程的生态效益、经济效益以及社会效益的有机结合。仿真建筑结构设计是“生态+科技+创意”的体现，基于社会对建筑工程多元化需求的不断增长，仿生建筑设计理念成为现代建筑设计的内在创新驱动。

1 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用价值

仿生方法顾名思义就是将大数据技术模仿自然生态环境中的景物等运用到建筑设计中。随着大数据技术的发展，尤其是BIM技术为仿生设计提供了有力的技术支撑。例如位于江苏昆山开发区的昆山电子展示馆，是一座充满科技感的场馆，其设计就是充分融合了仿生技术，利用计算机技术将建筑工程的各项元素进行参数化调整^[1]。该建筑的造型以圆形为母题，通过运用BIM技术综合环境分析、风速测试、阴影计算等对该建筑形态进行优化，从而形成科学的设计方案，通过BIM模型检验，该方案实现了与当地环境的有效搭配，尤其是规避了与周围环境不相容的问题。

通过实践调查，仿生方法在现代建筑结构设计中的应用具有重要的价值：首先随着大数据技术的发展，利用仿生方法能够有效地实现绿色设计理念。BIM技术环境下的建筑设计更加突出绿色理念，例如通过BIM技术可以将建筑结构设计的各项参数进行优化计算，以此达到最准确的设计方案，避免后期出现设计调整;其次将仿生方法运用到建筑设计中能够体现虚拟设计的价值。近些年，随着虚拟技术的发展，将虚拟技术应用到结构设计中能够体现建筑设计的审美理念。而仿生方法则是借助虚拟技术，利用三维动画的设计手段，将建筑功能与生态环境要素相结合，从而达到建筑工程绿化发展的要求。例如在建筑结构设计中通过引入PRIOVR可以让人们通过自然行动体验虚拟现实环境，让人们按照自然环境的场景实施建筑结构设计。

2 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的类型

基于大数据与仿生方法的融合催生建筑结构设计的数字化发展。仿生建筑主要通过研究有机生物生理、结构、行为作为建筑结构设计的灵感来源，其通过对大数据技术的运用力求实现建筑与外部多变环境因素的融合，以此满足人类高品质的需求。例如欧洲最著名的斯图加特大学Elytra展厅就是将甲虫纤维结构转化为建筑结构，以甲虫的前翅结构为起点，将轻质生物纤维结构转化为建筑结构，由自动化机器人制作，以编织的手法将其转化为更强韧的结构单元体。一个个如细胞般的单体被串联在一起，创造了造型独特的Elytra展厅。结合调查在大数据技术的推动下，仿生方法在建筑结构设计中的应用类型主要包括：（1）筒体结构。筒体结构是建筑结构设计的重要内容，也是建筑工程最常见的构造。筒体结构的设计理念主要是来源于自然界竹子的特点。竹子在生长的过程中需要承受风载与自重荷载双重压力，但是其不容易被折断，原因就是其内部空间的圆形结构能够承受较高的压力。因此将竹子的负载压力引入建筑筒体结构中，能够增强建筑工程结构的刚度。例如设计人员在设计时通过利用BIM平台对建筑工程的受力元素进行优化，以此准确核算建筑筒体结构的空间布局与支柱布局位置。比如天津的津塔就是仿照竹子受力特点，利用BIM软件系统设计混凝土支柱、剪力墙以及外伸臂相结合的结构。（2）悬索结构。悬索结构是源于蜘蛛网。蜘蛛网的结构比较强，尤其是能够承受诸多应力的冲击。蜘蛛网内部的受力点配置比较均匀。因此，在现代建筑设计中，设计人员通过虚拟技术对蜘蛛网的网状张力进行参数优化，从而有效地提升了建筑结构的柔性度。德国著名建筑师和工程师奥托设计的德国奥运会的奥林匹克中心也是采用这种结构，由网索支撑的帐篷似覆盖物覆盖体育场、体育馆、游泳馆设施，使其成为整体，不但结构合理，而且取得了经济和造型的双赢。索网结构一般应用在大型临时性建筑^[2]。（3）壳结构。自然界中薄壳状的物质通常具备曲度均匀、质地轻盈的特点，此种弧状曲面能够有效分散外部的作用力，提高建筑物的承载力，同时在确保建设较大空间的基础上减少建材的使用量，通常在设计大型场馆时应采用薄壳结构的设计方法。例如，天津博物馆便是应用了仿生方法，利用网壳体结构有效提高了建筑空间的使用率。（4）膜结构。植物细胞的泡状结构原理也可以应用到建筑结构的设计中，膜结构主要应用了薄膜材料，将薄膜材料进行张拉进而形成一种能够跨越较大空间的建筑结构。例如，德国的安联球场便是应用了膜结构，该体育场的表面应用了2 874个膜结构，且膜结构的形状为菱形，同时选择网架结构为支撑。膜结构具有良好的防水防火、隔热、自清洁的优点，并且在菱形膜结构中持续保持350 Pa的大气压，使得安联球场的外观看起來更像是一个橡皮艇，不仅满足了体育场的基本建设功能，还提高了美观度^[3]。

3 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的具体应用策略

仿生方法应用于建筑功能的主要目标是使建筑与环境形成一种良性的循环系统，同时将生物结构特点与建筑技术进行合理的融合，最终建设生态型建筑。

3.1 运用BIM软件，修改仿生形态参数

将仿生方法运用到建筑结构设计中需要本着绿色、创新的理念，实现建筑工程与自然生态环境的和谐发展。由于仿生方法在建筑结构设计中的运用要求合理设计仿生对象的特点，实现高品质的建筑功能。无数案例表明仿生方法在建筑结构设计中的运用需要设计人员关注参数计算工作，保证设计方案的每项数据准确无误。尤其是装配式建筑的发展，设计人员在运用仿生方法时需要融合BIM软件系统，利用BIM软件系统对设计参数进行优化调整。在建筑结构仿生设计中，通过对有机生物结构的模仿可以有效提升建筑结构的质量。例如北京水立方体育馆就是通过对大自然中常见水滴的分析，构建了一个三维立体空间，虽然从外面看属于较为薄弱的结构体系，但是其内部有着科学的钢结构作为支撑，有效地满足了空间扩大的需求。而水立方体育馆的设计主要是在运用仿生方法的同时通过BIM软件系统进行虚拟模型，以此优化钢结构的设置空间。

3.2 構建虚拟仿生系统，实现可视化设计

将仿生方法应用到建筑结构设计中的关键就是要实现仿生方法与信息技术的融合，通过对有机生物生理、结构以及行为的数字化处理，实现仿生方法与建筑结构设计的融合。在现代建筑结构设计中，必须要利用BIM技术实现对仿生方法设计过程的可视化操作。例如高层建筑结构的设计中，由于高层楼层越来越高，为了实现低碳、绿色的设计理念需要考虑高层楼高与周围环境的冲突。例如楼层过高会导致高层楼受力较大，影响人们的居住。所以在具体的设计时需要利用BIM软件对高层结构设计进行可视化模拟操作。例如可以将设计的建筑参数化计算，以此检验高层建筑对周围环境的影响，以此不断优化高层结构设计方案。

为了增强建筑结构的环保性，可以利用仿生方法设计建筑环保材料。现阶段，建筑材料的研发与生物界有着密切的联系，例如，模仿蜂巢的建造结构创造出了蜂窝板，使其具有了强度高、薄壁轻质、稳定性好等优点。并且在此基础上又创新出了石材蜂窝板，将蜂窝建造的结构与石材相结合，有效降低了制作石材板所要消耗的材料，降低了建筑建设成本。除此之外，人们结合蜂巢的特点创造出了空心砖、泡沫混凝土等建筑材料，此类材料均具有良好的保温、隔音性能，属于环保绿色型的新型建材^[4]。

总之，基于大数据技术的不断发展，仿生方法在建筑结构设计中主要应用于建筑的外观、材料、结构以及工程方面，为了充分发挥仿生方法的应用价值，在运用仿生方法时需要融合大数据技术，依托BIM软件系统实现建筑结构设计方案的科学化与合理化，达到建筑工程与生态环境的有效融合。

作者简介：王希伟（1982— ），男，黑龙江哈尔滨人，讲师，硕士;研究方向：土木工程施工、设计和鉴定检测。

[参考文献]

[1]高峰，孙梅，任芊芊，等.生物仿生技术在建筑工程领域的应用与进展[J].科技视界，2019（8）：204-205.

[2]马鲲飞.大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用[J].江西建材，2019（7）：82.

[3]王立防.仿生设计在商业展示空间中的应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.

[4]王磊.基于BIM技术在建筑工程结构设计中的推展应用分析[J].建筑技术开发，2020（8）：14-15.

（编辑 王永超）

Application of bionic method to building structure design

in Big Data environment

Wang Xiwei¹， Tang Xuan²

（1. Harbin Vocational and Technical College， Harbin 150000， China; 2. Heilongjiang University， Harbin 150000， China）

Abstract：The development of Big Data technology provides a digital model for architectural structure design. The application of bionic method to architectural structure design expands architectural structure space， enriches architectural structure design elements， and provides people with personalized architecture. Based on the perspective of Big Data， this paper analyzes the application value of bionic method in modern architectural structure design， analyzes the application types of bionic method， and finally puts forward specific application strategies of bionic method in architectural structure design， so as to provide innovative ideas for architectural structure design.

Key words：Big Data; bionic method; architectural structural design; BIM