淺談建筑結構仿生設計
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摘要：建筑代表著一個時代的時代精神、審美特征和科學技術水平。仿生學作為一門獨立的綜合性學科正在蓬勃發展，將仿生設計原理與建筑設計相結合無疑是建筑設計的有益嘗試。從仿生設計原理入手，探討仿生設計在建筑結構設計中的運用，以建筑仿生設計中的纖維結構、氣泡結構、螺旋結構、骨干結構和殼體結構為研究對象，結合仿生設計原理進行實際案例分析，為建筑結構提供了新的設計方法和思路。
關鍵詞：建筑結構；仿生設計；設計原理；技術應用
1960年仿生學作為一門獨立的學科正式成立。21世紀建筑學領域掀起了一場仿生設計運動，而建筑結構仿生是建筑仿生設計中發展較為迅速的分支學科。近幾十年以來，世界各國的設計師對建筑結構仿生設計進行了勇敢的嘗試，創作出了新穎的結構，使建筑更加安全、經濟、高效、節能和適用，形成了一套完整仿生建筑結構理論與實踐體系，使建筑設計煥發出了無限生機。
1建筑結構仿生設計的理論依據
生物在世界上存活了數萬年之久，它們為了生存而不斷完善自己的軀干組織結構，獲得了更加順應自然、更加堅固的自我防御系統，從而得以生存和繁衍。它們擁有美麗的形態、奇妙的結構和驚人的本領，吸引著人類去借鑒和模仿。仿生學是人類受自然界啟示，汲取靈感進行再創造，創作出更好的設計。建筑是人類之居，將人類之居植根于自然是十分必要的。建筑仿生學以仿生設計原理為依據，提取和升華大自然中對建筑設計有益的因素，將其運用于建筑設計中。建筑與生態環境相互作用，使建筑更好融入大自然的美麗中，達到人和自然的和諧統一。在建筑設計的諸多構成要素中，建筑結構的創新與合理化配置是不可或缺的重要組成部分。深入研究建筑結構仿生設計的理論和實踐，對于建筑結構創新、合理化設計研究有著重要的意義。
2仿生元素在建筑結構設計中的運用
2.1纖維結構仿生
在研究一個生物體時，研究者最先研究的是它的基本組成部分。世界上大部分生物體是由細胞和纖維結構構成的，但生物體并不是細胞簡單堆砌，它們會按照一定的規律進行排列和組合，形成各種各樣的纖維結構，纖維結構有獨特的受拉特性，人們從此特性中汲取靈感，創造了懸索結構和索膜結構。在自然界中很少有類似懸索結構的物體，蜘蛛網的織造結構與其有幾分相似之處。懸索結構最初運用于懸索橋，建筑采用這種結構的想法是從懸索橋得來的。建筑懸索結構是以成組正交的纜索張拉而成相互反向的曲面，從而產生三維穩定的結構體系。日本設計師丹下健三設計的奧運會主場館——東京代代木體育館是懸索結構的典型案例。屋頂造型采用了經典的鞍形索網結構，采用似于懸索橋的設計手法，長軸方向由兩根鋼筋混凝土桅桿柱支撐，由數根鋼索牽引起兩片新月形的建筑主體結構，從建筑外觀來看非常優美和靈動。在很早之前，人類借鑒蝙蝠翅膀或者水鳥蹼的構成結構，發明制作了帳篷，帳篷的造型本身就是一種建筑結構，值得在建筑設計中廣泛借鑒和采用。德國設計師弗賴·奧托首次大規模應用了支撐膜技術，他設計的蒙特利爾世博會德國館采用了金屬索和高分子聚合材料制成的薄膜，以14～35m高的桅桿支撐，索網傳力給各桅桿，每50cm設立一個支點，以輕便靈活的網夾固定，覆蓋面積約8000m2。這種建筑結構具有成本較低、設計風格簡約、輕便易拆卸等優點。蒙特利爾世博會德國館是網索結構支撐的帳篷式構筑物的實驗性設計，是世界建筑史上一座燦爛的里程碑。
2.2氣泡結構仿生
氣泡在生物界廣泛存在，藍蜻蜓的翅膀采用由薄膜構成的不封閉的充氣結構，魚肚子中的魚鰾采用封閉性的充氣結構。將充氣結構應用于建筑設計方面，可以使建筑具有用料少、重量輕、施工快、易調整等優點。北京奧運會國家游泳中心“水立方”成功采用了由氣泡仿生理論衍生出來的充氣膜結構。“水立方”主體鋼結構的設計以氣泡原理為基礎，將大大小小的氣枕覆蓋在建筑內外表面，氣枕采用了環保節能型的新材料——ETFE薄膜。它具有保溫、透光、抗老化、抗腐蝕的優點。“水立方”結合國內外先進科學技術，并大膽創新，填補了中國ETFE充氣膜結構領域的空白。
2.3螺旋結構仿生
螺旋結構在生物界是一種很常見的結構，海蝦窩以螺旋狀的形態抵擋巨大的洋流，蝸牛和貝類憑借螺旋狀堅固的外殼得以在自然界中存活。由此可見，螺旋狀結構可以使構造物更加堅固。瑞士再保險總部大樓和日本東京千年塔是將這一原理運用到實踐的成功范例。諾曼·福斯特所設計的瑞士再保險總部大樓外表看起來像一枚子彈，整體上成螺旋形，建筑物每一層的直徑都各不相同，大樓中央巨大的圓柱形主力場是整個建筑的重力支撐，建筑外觀比尋常的矩形狀塔顯得更加纖細。日本東京千年塔是諾曼·福斯特的又一得意之作，同樣的螺旋狀結構建筑體現著他的理想化建筑的設計理念，170層樓可以同時用于商用和居住，每13層有一個交通中轉站，可同時容納60000人。千年塔的設計融入了環保理念，是目前最環保的科學理想化城市方案之一。
2.4骨干結構仿生
2.4.1植物枝杈結構植物枝杈結構應用于建筑設計中，可以使建筑外表美觀、受力均勻、固若金湯，節省建筑材料。西班牙建筑師CALATRAVA素有結構詩人之稱，他曾受高迪啟發，建筑作品中飽含浪漫主義色彩，如雕塑般美麗。他所設計的里斯本東方火車站采用了植物枝杈結構仿生的設計方法，其設計構思是在繁華都市的水泥路上建造小樹林，由自然所引發的靈感給予建筑靈魂和生命。創造性地運用了植物枝杈結構元素，在設計中取得了非凡的藝術效果。
2.4.2動物骨架結構在10世紀的羅馬時期，人們為了減少圓拱的厚度、保持圓拱的剛性，借鑒了動物的腹部骨架結構，成功創造出了拱肋結構，并投入使用。哥特時期的建筑設計師將這種結構加以優化，創造了拱、肋、飛扶壁、扶券等建筑結構。從力學的角度來說，這種結構可以使建筑更加牢固，更加節省建筑材料。從美學的角度來說，這種建筑結構可以使建筑擺脫厚重的墻體，僅用拱肋結構及柱子支撐，建筑外部形態輕盈、自然、優美。從實用的角度來說，這種建筑結構可以使窗戶面積增大，陽光能夠更好灑進來，從而加強室內外空間的交流，使建筑內部空間顯得更加明亮、大氣。文藝復興時期，布魯內列斯基在設計佛羅倫薩大教堂穹頂時就采用了這種建筑結構。
2.5殼體結構仿生
2.5.1單曲面殼體竹竿、草埂是自然界中圓柱形殼體的典型代表，圓柱體切開的部分是殼體結構的基本型。德國在20世紀20年代時，人類便開始建造圓柱形殼體，弗蘭克福和布達佩斯的中央市場是采用圓柱形殼體結構的典型代表。芬蘭設計師威里歐若威爾所設計的多倫多市政廳從結構上來看，建筑設計采用了圓柱形殼結構，將圓柱體弧段的中空型應用于建筑豎向構架，由兩棟曲線型大樓和拱形的市會議大樓組成，建筑的輪廓形狀似含珠之蚌，給人以優美敦實厚重之感。
2.5.2雙曲面殼體所有的旋轉殼體都具有雙向曲面，它們基本完全對稱的原型是球體。在自然界中的球體隨處可見，魚子、水果、人類的眼睛大致是個球體，人類受此啟發后，將這種結構運用到建筑設計中，便有了最初的雙曲面殼體的建筑結構。1925年，奧斯卡·馮·米勒館長在耶拿建造出第一個擁有半球殼體的屋頂的天文館——蔡司天文館，后來柏林、萊比錫和德雷斯登也建造了類似結構的建筑。1960年奈爾維設計建造的羅馬奧運會的大體育宮也采用了這一建筑結構。建筑內部叉性柱順著原頂邊緣相切的方向傾斜，圓頂里的葵花瓣似的特殊肋承受外力，放射性拱肋的構造形式支撐著混凝土彎頂，頂的厚度只有6cm，邊緣波浪設計有利于防止相鄰支承之間薄殼邊緣的撓曲，達到了技術與藝術的統一。
2.5.3自由形態殼體自然界中有很多殼體是以自由形態呈現在人類面前的，這些自由形態的殼體結構形式是各種因素綜合導致的。例如，人類的頭蓋骨呈扁球體狀，類似于殼體結構，表面是由大大小小、相互嚙合的骨板組成，在外力的作用下，這些相互嚙合的骨板可以使頭蓋骨有一定的彈性，可以有效保護大腦不受傷害。芬蘭建筑大師埃羅·沙里寧所設計的紐約環球航空公司航站樓的建筑結構和人類頭蓋骨的構造結構很相似。航站樓的屋頂由四片組合式澆鋼筋混凝土殼體構成，這幾片殼體有幾個點相連，薄殼下有丫形柱支撐，空隙處設有天窗，縫隙采光增添了幾分設計的機趣，并使內部空間富有變化。建筑外觀呈自由曲線型，將建筑結構和形式美完美地融合了起來，是建筑史上一座不可超越的豐碑。
3結論
人類生活在大自然中，和大自然不可分離。與此同時，大自然也是人類的導師，從方方面面啟發著人類的思想，激發著人類的創作靈感，挖掘著人類的潛能。建筑結構仿生設計不僅豐富了建筑結構設計的表達形式，為建筑設計創新提供不竭的源泉和動力，也有助于人類建造經濟安全、美觀實用、高效節能的生態建筑。設計者進行建筑仿生設計時，應該以尊重自然規律、精準綜合考慮多種客觀因素為前提，恰當地將自然界的結構原理運用到建筑設計中，以最少的代價取得最大的收獲，創作出技術與藝術完美融合的建筑。
參考文獻：
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［3］倉力佳.生態建筑的仿生研究［D］.湖北：華中科技大學，2005.
作者：張之杰 單位：武漢工程大學