建筑仿生学的表现与应用方法

建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面：

城市环境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，组织结构仿生。当然，往往会出现综合性的仿生应用，形成一种城市与建筑的仿生整体。

===在城市环境仿生方面====

早在1853年时，巴黎塞纳区行政长官欧思曼(G.E.Haussmann)为了执行法国皇帝拿破仑第三的巴黎建设计划，曾对巴黎市区进行了大规模的改建，它不仅要表示对帝国首都的赞美，而且要在城市结构功能上进行改善，使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界。为了实现这一理想，他的巴黎改建规划在某种程度上就是模拟了人的生态系统而进行规划设计的。例如当时在巴黎东、西郊规划建设的两座森林公园，东郊维星斯公园和西郊布伦公园的巨大绿化面积，就象征着人的两肺，环形绿化带与赛纳河就象是人的呼吸管道，这样就使新鲜空气可以输入城市的各个区域。市区内环形和放射的各种主干与次要道路网就象是人的血管系统，使血流能够循环畅通。这种城市环境仿生思想，不仅在当时已起到了积极的作用，解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题，使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例，而且城市环境仿生理论今后仍然值得借鉴和完善。

1950年，法国建筑师勒·科布西埃在设计法国孚日山区的朗香圣母院期

间，一枚蟹壳给了他无穷灵感。他选择了与以往任何设计作品都不同的屋顶 样式。该屋顶各边都像壳一样向上弯曲，在壳易碎的超薄材料里蕴藏着自然 力和坚韧性。

芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅的高层公寓(1958—1962)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。

又如勒·柯布西耶在1950—1955年间设计建造的法国朗香教堂的平面就是模拟人的耳朵，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷。正是因其平面具有超现实的功能，以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。

类似的情况还有许多，比较著名的如1960—1963年夏朗(Hans Scharoun)在柏林设计建造的爱乐音乐厅内部空间则是仿自乐器内部空间共鸣的效果而建造了这一复杂奇特的形体。

1966年由丹下健三在日本山梨县建成的文化会馆是一座新陈代谢派的著名作品，它的平面组合就是仿照植物新陈代谢的功能，设计了一个个垂直的圆形交通塔，内为电梯、楼梯与各种服务设施，所有办公空间则建立其间，这样可以根据需要不断扩建或减少。

====建筑形式的仿生则最为常见==== 它不仅可以取得新颖的造型，而且往往也能为发挥新结构体系的作用创造出非凡的效果。最早应用仿生形式的近代建筑师是西班牙人高迪(Antonio Gaudi)，他在巴塞罗纳设计了许多带有明显动物骨骼形式的公寓建筑，隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说。

例如1904-1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是如此。 埃罗·萨里宁(Eero Saarinen)于1958年所作的美国耶鲁大学冰球馆形如海龟，1961年所作的纽约环球航空公司航站楼形如飞鸟，也都是举世瞩目的例子。 在1964年丹下健三在东京建造的奥运会游泳馆与球类比赛馆，利用悬索结构仿贝壳体形，使功能、结构与造型达到有机结合，令人耳目一新，成为建筑艺术作品的优秀范例。赖特是一位善于结合自然环境的建筑师，他在1944年设计建造的威斯康星州雅可布斯别墅，就是把住宅仿照地面菌菇类植物进行设计的，给人以自然的形态，达到和环境融为一体的境界。

此外，又如萨巴(Fariburz Sahba)在1975—1987年建成的印度德里的母亲庙(Mother Temple)则是仿自一朵荷花的造型，它表达了圣洁与优美的形象，成为周围环境的主要标志。

===在结构仿生方面====

1947—1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利(Nervi and Bartoli)设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽93.6m，长75m。奈尔维和维特罗西(A.Vitelozzi)于1957年建造的罗马奥运会小体育宫，半圆形弯顶直径60m，内部采用了钢筋混凝土网格的结构系统，就是受葵花的启发，不仅用材经济，受力合理，而且创造了内部装饰新颖的效果。小体育宫的外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示，创造了一圈丫形支撑体系，使空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美的统一。1960年奈尔维又建成了罗马奥运会的大体育宫，半圆形弯顶直径达到98.4m，可容纳16000观众，内部采用放射形拱肋的构造形式支撑着上部的混凝土弯顶，顶厚只有6cm。同部看去既象一朵花，也象是密密麻麻的叶脉网，成功地使现代技术与使用功能、装饰艺术达到有机的结合。对比公元120—124年建成的罗马万神庙，半圆形弯顶直径为43.2m，混凝土厚度则为1.2m，这充分说明了建筑技术运用仿生原理所取得的巨大进步。奈尔维既是一位闻名遐迩的结构工程师，也是一位卓越的建筑师，他的创造性在很大程度上就是得益于向自然界学习。

美国结构工程师富勒(Buckminster Fuller)是另一位有创造性的人物。他从自然界中的结晶体与蜂窝的棱形结构中获得启示，创造了一系列惊人的大空间结构作品。1958年他在美国巴吞鲁日(Baton Rouge，LA)建造的联合油罐车公司的巨大弯顶，直径达115.2m，就是应用晶体结构的原理建造的。1967年富勒和塞道(Fuller and Sadao)一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆，是一座球体建筑，在当时展览会上极为引人注目。他很可能是模拟一种深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构，创造了立体网架的短线弯窿，高度达60m，直径为76.2m，弯窿外部用塑料敷贴，并可启闭，夜间灯光照亮，通体透明，犹如星球落地。

纽约环球航空公司航站楼不仅是外形仿生的著名作品，而且埃罗·萨里宁还和威廉·加德纳(William Gardner)在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则由下部的丫形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。航站楼应用这种结构肌理不仅解决了自由曲线造型的难点，而且在结构与形式上又能达到有

机的融合，这是值得建筑师们注意的。并不需为了建筑的某种造型就一定要牺牲结构的合理性，相反，有机的结构与新颖的形式可以相互共生。

德国结构工程师奥托(Frei Otto)于1967年在加拿大蒙特利尔国际博览会上建造的德国馆，象一群帐篷式的建筑物，这是用网索结构仿蜘蛛网形的支撑体系，上面用塑料面层覆盖，造型非常特殊，它可以有利于作为临时性建筑的装卸。1972年的慕尼黑奥运会的体育场馆也运用了这一结构形式。由于他善于使用这种结构类型，因此也有人称他为“蜘蛛人”。这种蛛网形的网索结构后来还发展为帆布张力结构系统，与帐篷形式更为接近。

其实，建筑师中也不乏在结构上应用仿生的例子，勒·柯布西耶早年大量使用的鸡腿柱和框架悬挑的结构系统无疑是从动物腿骨支撑所得到的启示，1931年他在巴黎附近波依西(Poissy)建造的萨伏伊别墅(Villa Savoye)就是这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。

赖特是众所周知的建筑大师，他早年曾攻读过结构专业，因此能在建筑造型与结构体系的融合方面运用自如。1950年他设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼(Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc.)就是仿树状结构特点，把主要支承结构放在建筑中央，四周楼板悬挑，外表形成幕墙，取得了新颖效果。应用同样原理，赖特在1956年还大胆设想了1英里高的摩天楼方案。

在结构仿生方面，最值得称颂的还是后起之秀，年轻的西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)。他于1951年出生在西班牙的巴伦西亚，曾在当地的建筑学院建筑学专业毕业，后人瑞士苏黎世大学土木系学习结构工程，毕业后又于1981年获该校建筑系技术科学博士学位。他的博士论文题是“结构的可折叠性”。毕业后他留居瑞士开业，继续致力于折叠结构与仿生结构的实践，他观察狗的骨架和腿的活动支撑，已作出了许多可喜的成就。他在1983年建造的瑞士卢塞恩市邮局前的大雨蓬就是最早应用活动关节的实践。1986—1987年他在巴塞尔市一座中世纪古建筑的改建中，将咖啡厅上的天花钢梁架做成仿动物骨架的自由曲线，既有着新颖的观赏效果，又能符合受力的特性，是一种大胆的尝试。此后，他在1987年为加拿大多伦多市建造的BCE文化广场大厦，创造性地模仿了树干分叉的生长肌理，设计了两边的支柱与顶栅的弧形肋架，取得了非凡的艺术效果。1991—1992年他在西班牙的塞维利亚1992年国际博览会为科威特设计的展览馆，其屋顶是可自由启闭的结构，模拟着动物关节的自由运动。夜间屋顶肋架敞开，下面平台上便可进行露天的各种活动，它不仅在结构与功能上能够有机结合，而且也给人以无限的遐想。1989—1993年他在为法国里昂塞托拉斯机场(Satolas Airport)附近的铁路车站设计建造中，完全应用了动物骨架的结构原理，充分发挥了节省材料提高效能的特性，并且造型新颖，令人刮目。此外，他还为1992年巴塞罗纳奥运会设计建造最有标志性的电讯塔，也是吸取了植物干茎自由平衡的形态而获得新颖构思的。

自古以来，建筑师们就从大自然撷取设计灵感。古埃及柱的设计就是以棕榈树和荷花为蓝本，建筑师们借助这些自然形成的物体的形状和比例，力争使设计达到完美的境界。

现在，一些建筑师相信这种仿生学能发挥更大的作用，不仅仅只是局限于使建筑物更好看，而且可以通过复制大自然中发现的各种功能系统来给新设计的建筑提供绿色空调，提供能量，甚至淡化海水。他们坚持认为，用仿生学原理设计建筑，将不只是一个噱头，而将具有实实在在的经济意义。

不用电的空调系统

到目前为止，借助仿生特性的建筑物，更多地由生物的美学功能来驱动，并一直局限于相对简单、被动的系统。以巴黎的阿拉伯世界研究所为例，这个矩形建筑看起来极具抽象风格，但这个建筑阳面的玻璃外墙却被金属屏所覆盖，这些屏又由单个可移动的孔径所组成，这些孔径像眼睛的虹膜一样可以张合，控制阳光的进入量。这种设计既能在温度升高时保证内部的凉爽，又能在晴天为房间注入充足的光线。

同样，现在有一些建筑物，其通风系统则是基于对白蚁蚁穴的发现。Eastgate中心是津巴布韦首都哈拉雷的一个商业中心和办公区，它的空调系统有很多的排气口和烟道，帮助热空气从建筑物中排出。当热空气上升，流出建筑物顶部的排气口时，较凉的空气则被带到地面，这就是蚁穴的“烟囱效应”。

英国雷丁大学仿生学中心主任，杰罗尼米迪斯博士正在进一步利用这样的概念，来制作一种自适应材料，这种材料能够对空气湿度具有柔性响应——这个灵感来自于松果体的开关方式。他使用一种类似于纤维素的纤维复合材料，制作了一个能随着室内外的空气湿度改变形状的排气口。当暖湿空气堆积在室内时，排

气口打开，将暖湿空气排出室外。当室内空气干燥时，排气口则保持关闭，将室外的潮湿空气拒之门外。杰罗尼米迪斯博士说：“在原理上，它完全可以作出自然反应，根本不需要任何其他的外力。”

巧用仿生原理淡化海水

近年来，建筑师们对能耗和可持续性发展越来越感兴趣。生物学也许能给这一系列问题提供解决之道。

格雷姆肖建筑师事务所的建筑设计师鲍灵先生希望将这种自然设计带到全新的水平。在进行圣塔卡他林那地峡——大加那利岛拉斯帕尔马海岸的一条狭长陆地的重建设计时，该事务所提出在3公里的步行道上设计一个剧院和一个植物园，但不用兴建一条新的排水沟，因为建筑师们将使这些建筑能以更自然的方式调节室温和排水。鲍灵先生称，他们计划推出一个设计方案，能够使整个岛屿实现水源和能源的自给自足，而无需依赖矿物燃料。

这意味着要找到一个把海水变成清洁饮用水而不花费太多能源的办法。他的事务所从雾姥（fog-basking)甲虫和骆驼鼻腔的功能得到灵感，开始设计一种新型的海水淡化厂。在纳米比亚发现的雾姥甲虫用一个非常简单巧妙的办法来实现这样的功能。它们白天躲在地下，当它们晚上出来时，其黑色的背部与周遭的夜间空气相比相对较凉，从大西洋来的湿热海风吹过时，空气中的水分就凝结在甲虫的背部（类似于放在桌子上的冰啤酒瓶表面会凝结出空气中的水分）。甲虫只需倾斜自己的身体，就可以将水滴进自己的嘴巴。骆驼也使用相似的伎俩，防止呼气时失去水分。当骆驼吸气时，鼻腔中贮藏的湿气蒸发，在此过程中鼻腔冷却。当骆驼呼气时，空气中的湿气就凝结在鼻腔上。

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