仿生学在博物馆建筑设计中的运用

李仁伟

攀枝花学院土木与建筑学院 四川 攀枝花 617000

博物馆建筑是标志性很强的建筑，大到一个国家的象征，小到一个地区、一个城市的地标。一个地区的历史的文物珍宝、文化精髓被收纳其中，或者一个专业领域的文化精髓被收入其中，因而博物馆建筑就成为一个浓缩了很多有深刻的内涵的、特殊的文化载体。

虽然早期人类人类的收藏的文物、珍宝、美术品往往保存在宫殿、修道院、教堂、大学和贵族府邸中，没有专门收藏展出这些物品的建筑。其对博物馆建筑的基本需要是提供一定的收纳、鉴赏空间。

但人类历史不断向前发展,不同发展阶段的人们对博物馆建筑这一文化载体有不同的要求,例如在地域文化、民俗风情、精神内涵和经济价值等方面有不同的要求。特别是科学技术发展使得博物馆类型走向多元化、现代化，功能也不断拓展，不仅收藏昨天、还展望未来。

故在传统建筑风格、现代建筑等博物馆建筑逐渐退出人类社会的历史舞台,博物馆建筑开始追求建筑风格与自然相融合、建筑风格与人类社会科技发展相融合。设计者们开始将目光转向最原始、最生态的自然界，并从其中寻找答案。

高速发展的科学技术是一把双刃剑，其一方面推动人类社会的发展，一方面又在破坏自然环境。故设计师们通过科学的手段分析这熟悉而又陌生的自然界，运用科技来解决人们对博物馆建筑多元化矛盾需求冲突。伴随出现仿生学学科后,特别是仿生学学科理论引入到博物馆建筑的创作时候，建筑行业有了可依赖的建筑设计理论，激发建筑师们新的创作设计激情。

1 仿生学与建筑

仿生学作为生物学、数学和工程技术学交叉结合而成的一门新兴的边缘学科，其主要任务是通过对生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征的研究分析，并为设计与建造新技术设备而提供了新原理、新方法和新途径等。其将提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的、最接近于生物系统的技术系统来为人类造福是仿生学的光荣使命。

而建筑仿生学就是在建筑、规划、营造之时，选择一条与自然平衡发展之路。早期的人类，特别是东方文明利用仿生慢慢走近自然，尊重自然，回归自然。但近代工业革命兴起，工业文明科学研究一直在超越仿生。工业文明的影子深深留在博物馆建筑上。

2 仿生学在博物馆建筑设计中的探索

在博物馆建筑的创作设计时运用仿生思维，其不但节省了时间，而且强化了博物馆建筑的概念设计理念，同时建筑造型语言也大大丰富了。因为在大自然中，其具有丰富的形体结构、多维的变化层面、巧妙的色彩装饰和图形组织；同时通过观察、分析、研究它们的生存方式、肢体语言、声音特征、平衡能力等，建筑创作者能够创新的仿生建筑设计理念、设计方法和总结出新的造美法则。

在当下新时代的审美标准和多元化的背景下，博物馆建筑的造型设计语汇是有机的、多层次的。过去的或现在的历史形式和艺术风格仅仅是建筑师的参照物之一。在一定程度上，建筑师摆脱了原有的思维模式影响，丰富了建筑设计语汇，增加了博物馆建筑设计的复杂与趣味性，为创新设计提供源泉，为后工业时代的城市发展注入了新的润滑剂。

2.1 建筑结构仿生

建筑仿生学的重要组成部分之一就是建筑结构仿生，其是对建筑形式仿生的有效反映。一般在建筑仿生结构设计的具体应用中，常用结构形式可分为壳体结构、膜结构、悬索结构、螺旋结构、筒体结构等，将仿生设计应用于建筑空间结构中，能够保证结构形式的多变性、有效性和合理性[1]。

首先是壳体结构具有大方优美、整体性强等特点，而对于自然界的贝壳类与蛋壳类等物质形态而言，其壁薄且表面张力高，具备良好的受力性能，能够有效分解外力。以上海自然新博物馆为例。（见图1）

上海自然博物馆新馆建筑总面积为45086平方米；其设计地上三层建筑高18米；地下建筑两层深15米。新馆陈列区设计按照括古动物史、人类发展史、动物的进化史和植物的进化史四大部分陈列内容分层布置。

其设计理念灵感来源于在地球上这一简单而又经典的生物形式—鹦鹉螺的壳体形式，新馆屋面的绿植从公园内盘旋向上升起，“绿螺”造型的新馆静动有致，使得“管理自然遗产、守护地球家园”的使命得以显现。

设计师们坚持“以人为本”的设计理念，继承了传统自然山水式园林设计理念，融合“山水花园”的设计风格：新馆建筑参观流线的中心焦点就是中心景观区中巧妙围合的椭圆形水池，其采用后现代主义手法—象征被71%的表面水覆盖的地球水域。同时，椭圆形水池中水波纹、质感、动感、声音和反射等，则自而然成为新馆体验的一部分。而呈岛状分布160多种植物，犹如“原始森林”一般，与五个大小不一的“水池”组成一座“山水花园”。入夜后，“原始森林”在灯光照亮下反射着灯光，故室外照明的灯柱数量大大减少了，节约了耗电。

同时，设计师采用“自然生态”的设计表现手法：新馆铺地和新馆外墙表面由多方向的石头图案组成鹦鹉螺的壳体的地质构造层的。新馆中部内墙表面由动植物的细胞结构的装饰；新馆东部墙由爬满大量的地球表面天然植被绿化；新馆北部墙由活动的地壳板块石组成，以及屹立着被河流侵蚀的峡谷岩壁。

其次是膜结构。自然界中存在不同形态的膜结构物质，如肥皂泡膜和细胞膜等，该类物质形态主要是以内外压力差为基础，形成胀压模式，从而在结构表面均匀分布传来的荷载。

由于膜结构不需使用较多的材料，且质量相对较强，可使用在对地基承载力要求不高的建筑物中，保证建筑物的空间结构。如尼泰罗伊当代艺术博物馆常常被人们称为“飞碟”，其外形从远处看就像刚刚着陆的外星飞船。

其坐落在悬崖边的岩石上，四周被大海包围。巴西建筑师奥斯卡·尼迈耶利用周围较狭窄空间，将其巧妙地创建了一种环境的轻盈感，将其设计为一个优雅、弯曲的“上升形”结构，从地面不断增长和蔓延到空中，像一朵从岩石上升起的花，俯瞰着瓜纳巴拉湾和甜面包山的美景以及里约热内卢市的全景。

再次是网状结构，由大量的杆件通过节点连结并按照一定的网格形式而成的空间结构。其有空间受力小、变形小、质轻、刚度强、抗震性好等优点；构件采用是铰接的，通常通过螺栓连接。可用作体育馆、 影剧院、博物馆厅、候车厅等建筑的屋盖。缺点是交汇节点的杆件数量多，制作复杂，安装成本高。以阿布扎比卢浮宫为例（见图2来源网站）。

法国著名建筑师让·努韦尔设计阿布扎比卢浮宫分馆建筑占地2.45万平方米，包括6000平方米的永久展厅和二千平方米的临时展厅。其设计为一座漂浮于海上的博物馆之城，有一个7000吨钢材打造的超大穹顶——一个直径180米的巨大银色穹顶，8000颗独特的金属制作的星星，以复杂的几何图案缀满穹顶。当阳光透过时，穹顶下会出现移动的“光雨”，游客就像穿梭在阿联酋绿洲中层层叠叠的棕榈树丛中。

最后是钢结构，其以钢材制作为主，类似于平面钢桁架结构，是主要的建筑结构类型之一。其具有强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，具有更加经济、实用的特点，多采用刚性接头，通常是焊接。特别适用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。以墨西哥的索玛雅博物馆为例（见图3）。

其由墨西哥建筑设计公司FREE与弗兰克·盖里的合作设计，曾获得2013年国际知名奖项—美国Architizer A+ Awards大众评审奖。

其建筑规模的总面积为1.7万平方米，共有6层，建筑立面上设计一个不规则的几何体，索玛雅博物馆被从不同角度的几道巨浪击中，扭曲着升至45米高度。整个外立面是一个旋转的菱形，由28根大小不同、形状各异的弯曲钢柱支撑着，墙体外层覆盖着1.6万块六角形玻璃钢，在阳光下闪着耀眼的光泽，并能随着天气、时间和参观者的位置的变化而呈现出不同的外观，立面造型设计参考了殖民时期墨西哥城的瓷砖建筑立面，即保留了传统文化元素，又保证了建筑的持久性、耐用性。

2.2 建筑形式仿生

建筑形式是展现建筑美学的重要场所，能够将建筑形式美的寓意和城市现代化的导向加以体现。建筑形式仿生主要是通过对自然界动植物的骨骼、外形、细胞构造等形式仿照，为建筑立面造型设计提供有效“模板”，创造视觉享受。一般而言，建筑形式仿生可分为抽象仿生设计和象形仿生设计，其中抽象仿生设计不仅需要设计建筑物的立面造型，还要赋予建筑物的深层内涵，将充分展示建筑物的艺术美，反映当地文化的发展趋势[2]。

过去，人们对博物馆建筑设计的要求只注意优异的功能，而当今的信息时代，人们追求清新、淳朴的建筑形式；注重返朴归真与探讨区域性特性的建筑形式。建筑形式仿生设计风格回归自然，进而与之融为一体。同时，赋予建筑生命的象征形态是建筑设计师对精神共识需求。故除了考虑各种生物的自然属性外，还需设计师们考虑建筑形式仿生设计的灵活性与社会属性，从而达到宜人性的目的故建筑形态仿生设计是在与建筑材料、建筑技术的发展是相辅相成的，设计师每一次汲取建筑设计灵感、分析建筑造型，都需要与之相应的建筑技术来支撑。而每一次仿生形态设计的向前一步的纵深发展都要求与之相应的技术的进步，其促使设计者们去探索生命的本质意义。攀枝花市三线建设博物馆也采用了类似的想法。

攀枝花市三线建设博物馆其位于攀市花城新区干坝塘村，其占地面积59亩，建筑总面积为24023平方米，地下四层，高度22.5米，建筑主要出入口地面升起1米，地上三层高度23.5米，建筑总高度46米。

建筑一层平面设计的攀枝花历史展厅、多功能厅、临展厅，展厅面积为1200平方米；而建筑平面二三层设计三线建设展厅、序厅布置在地上展厅面积为5300平方米，都围绕通高的三层通高的中庭布置，共计7个展厅，展厅面积6500平方米。

在建筑立面造型采用攀枝花的形状进行仿生设计（见图4），其阐述当年来之五湖四海的三十万具有“艰苦创业、勇于创新、团结协作、无私奉献”的三线建设建设者建设攀枝花城市，并见证这座建市只有八户人家的偏僻山区到“花是一座城，城是一朵花”的百万人口城市的崛起，彰显着英雄攀枝花的独特气质。

2.3 注重生态节能的材料仿生

中国的城市化推动建筑行业的发展，建筑材料作为建筑行业的基础，又为建筑的灵魂，故催生注重生态节能的材料仿生设计。建筑材料仿生基本上是对自然界生物的组织结构( 如生物的外表皮毛) ，生物物质形态( 如动物的穴巢)基础上进行仿生研究，从而推出新型的生态节能建材，其有助于绿建节能设计。人们对蜂巢，蚁穴等结构形态长期的观察、实验，研制出加气混凝土，泡沫混凝土，泡沫橡胶，泡沫玻璃等新型生态节能建材。运用加气混凝土，泡沫混凝土等建材制作成混凝土砌块，将其砌筑成隔墙，隔墙具有自重轻、保温好功能、隔声强优点，同时，减少混凝土的用量[3]。

在自然界中，构成植物细胞的纤维素具有质量轻，强度高，塑性好、韧性好等物理特性。运用纤维素的这些良好物理特性，其可被制成多种纤维素合成高分子材料，并将其运用于人类生活。美国的科研人员通过长期研究有机纤维玻璃薄垫物，研制出一种具有有较好的耐用性、耐火性的玻璃纤维瓦建材；日本的科研人员通过做大量的纤维状分子添加剂运用到普通混凝土中进行改良混凝土实验，总结出其纤维分子的特性—良好粘度特性。将其运用在混凝土，使得混凝土不易分散，有助于建筑施工的特性。

故材料仿生的可设计性是其最大特点，而人们通过观察、分析自然界的生物原型，从中研制出提取符号，并在其基础上设计出能够有效感知外界环境刺激且做出快速反应新型功能材料；其通常具有轻质量、高强度、强可塑性等特点，不需外界的工具支撑和消耗能源的优点。如“生物岩馆”（BioRock Pavilion）是探索建筑为小型礼堂设计运用。

2.4 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是探索自然界物质存在的功能原理，并将这些功能原理付诸于实践中。例如，空心的植物形态的竹子其本身不仅仅承受自身荷载，还是输送养分的“管道”。

故在高层建筑中的结构选型中广泛选用仿竹子的这种结构功能形式的筒体结构形式，但相比建筑的结构仿生、形式仿生、材料仿生等，建筑功能仿生起步晚，是建筑仿生学中较薄弱的一个环节。但随着人类文明程度提高，为了不断满足人们对多元文化的需求，建筑功能仿生设计可能成为一种解决建筑形式多样性的设计方法[4]。

例如南荷兰省的乌赫斯特海斯特建造了全球第一座“人体博物馆”。其建筑外形设计成了一个巨人的模样，而游客从博物馆进去后就是参观的巨人身体内部。“人体博物馆”展现了人体知识的同时，还结合了很多有趣的东西，让参观者能对人体内部结构产生好奇的心理。

3 结语

未来博物馆建筑面向更加多元化需求的人群，而设计者们都在试图利用自然的智慧，通过仿生多要素进行了博物馆建筑的设计创新。故博物馆建筑应该逐渐改变当前各自为政的状态，融入社会、传播文化功能和提高效率；同时，研制新仿生材料、研究新建筑技术使得转变建筑自身的空间形态、建筑形式以及承担社会责任，博物馆建筑才真正的落地，融入多元化社会。