[科普中國]-建筑仿生學

建筑仿生學是現(xiàn)代仿生學中的一個重要分支，它研究生物的結(jié)構(gòu)和功能，并在建筑設(shè)計和制造中加以模仿，進而開發(fā)新材料和新結(jié)構(gòu)。

建筑仿生學的產(chǎn)生工業(yè)化的高速發(fā)展，使人類的文明發(fā)生了異化，破壞了自己的生存環(huán)境，也使人類的建筑創(chuàng)作陷入僵化和機械的境地，沒有了創(chuàng)造性，這就是人們在近幾十年來開始重視仿生學的原因。

人類的困惑在自然界中早已有了類似的答案。因為生物在千萬年的進化過程中，為了適應(yīng)自然界的規(guī)律，需要不斷完善自身的性能與組織，需要獲得高效低耗、自覺應(yīng)變、新陳代謝、肌體完整的保障系統(tǒng)，生物才能得以生存、繁衍。人也是大自然的一員，人為了生存發(fā)展需要建筑，同時建筑也要適應(yīng)自然界的規(guī)律。

建筑仿生學是仿生學的一個分支，它從仿生學的角度出發(fā)來研究建筑。它研究生物界中各種生物體的功能、結(jié)構(gòu)、形象，并將研究成果用于建筑創(chuàng)作，從而致力于解決建筑和城市規(guī)劃方面的某些問題，協(xié)調(diào)建筑和環(huán)境的關(guān)系，以保持生態(tài)平衡。

自然界是人類最好的老師，人們自古以來無時無刻不在自然界中獲得靈感并進行著有益的創(chuàng)造。但建筑仿生并不是單純地模仿、照抄，它是吸收動植物的生長肌理以及一切自然生態(tài)規(guī)律，然后結(jié)合建筑本身的用途而適應(yīng)新環(huán)境的一種創(chuàng)作手法，無疑它是最具有生命力的，也是可持續(xù)發(fā)展的保證。

1983年德國人勒伯多（ J.S.Lebdew）出版了一本著作，名為《建筑與仿生學》（Architecture and Bionic） ，系統(tǒng)闡明了建筑仿生學的意義，建筑學應(yīng)用仿生理論的方法，建筑仿生學與生態(tài)學的關(guān)系，建筑仿生學與美學的關(guān)系等等，正式為建筑仿生學奠定了理論基礎(chǔ)。加上在此前后，許多有創(chuàng)見的建筑師進行了有關(guān)建筑仿生的實踐，使建筑仿生學已逐漸形成為一種時代潮流。1

建筑仿生學的研究內(nèi)容在清華大學教授呂富殉先生的文章“走向21世紀——建筑仿生學的過去和未來”中，介紹了建筑仿生學的研究內(nèi)容（見圖）。

總的來說，建筑仿生學的研究內(nèi)容大致可歸納為以下幾個方面：

（1）建筑的功能與空間（形象）的組織。

（2）生物界的某些結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系以及它們形成的特殊方法和規(guī)律。

（3）建筑與自然環(huán)境的相互關(guān)系問題以及生態(tài)保護問題的解決。

（4）生物界某些帶有規(guī)律性的美學潛力的發(fā)掘以及建筑美學問題。

仿生建筑的創(chuàng)作以功能和形象的統(tǒng)一為基礎(chǔ)，并將建筑和生物界形象構(gòu)成的和諧為追求目標，具體來說，就是從建筑的使用功能出發(fā)，找到一種合適的形象，能更充分地滿足建筑的使用功能及其特定的社會需要。豐富多彩的生物界向我們提供了取得功能和形象間的和諧關(guān)系的規(guī)律，給我們提供了無窮無盡的仿生構(gòu)思的源泉，同時我們也可以看到，任何規(guī)律和原則都有可能通過不同的具體形式表現(xiàn)出來，這為我們正確地利用生物界和建筑的共同規(guī)律提供了保障。1

建筑仿生學的設(shè)計原則德國著名仿生學家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“適合功能之造型的仿生學設(shè)計原則”，其中包括：整體化而不是附加構(gòu)造，整體的最優(yōu)化而不是零件的最大化，多功能而不是單一功能，對環(huán)境的微調(diào)，節(jié)能，直接和間接的太陽能利用，整體的循環(huán)代替不必要的垃圾堆積，網(wǎng)絡(luò)化關(guān)聯(lián)而不是線狀聯(lián)系等。

仿生學的設(shè)計原則給予建筑仿生設(shè)計一些有益的啟示：

整體優(yōu)化原則美國建筑師富勒從結(jié)晶體和蜂窩的棱形結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，提出：“世界上存在著能以最小結(jié)構(gòu)提供最大強度的系統(tǒng)，整體表現(xiàn)大于部分之和”。他依據(jù)“少費多用”的原則，設(shè)計了最有效率的活動住宅（Dymaxion House）和裝配形球架（Geodesic Dome） （圖4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教誨，在資源優(yōu)化的建筑設(shè)計上成了高技派建筑師的典范。

德國建筑師奧托在20世紀60年代組織了“Biologic and Architecture”研究小組，探索材料的高效應(yīng)用及與環(huán)境親和的建筑。奧托也崇尚“Less is More”，奧托關(guān)注資源的整體優(yōu)化。奧托認為他的建筑創(chuàng)作不是從形式出發(fā)，而是從高效的生物適應(yīng)性得到啟發(fā)。材料科學的發(fā)展使得奧托的鋼索張膜高效結(jié)構(gòu)在全世界得到廣泛應(yīng)用（圖4-4）。

適應(yīng)性原則適應(yīng)性是生物經(jīng)過長期的進化得到的為適應(yīng)周圍環(huán)境而形成的積極共生策略。動物教會我們?nèi)绾螒?yīng)付高溫或低溫，植物又展示給我們?nèi)绾螒?yīng)對太陽光輻射的生存模式，兩者都提供了抵抗惡劣天氣的嶄新的處理方法。

把這種方法應(yīng)用在建筑上是很有利的。例如人們研制了“特朗布壁”外墻系統(tǒng)（TrombeWalls），它利用熱虹吸管/溫差環(huán)流原理，使用自然的熱空氣或水來進行熱量循環(huán)，從而降低供暖系統(tǒng)的負荷。在寒冷季節(jié)，墻體可以利用自身收集太陽輻射的能力加熱空腔內(nèi)的空氣或水，新鮮空氣則從墻體底部進入其空腔中，被熱空氣或水加熱后進入室內(nèi)，使熱空氣在室內(nèi)循環(huán)流動。

多功能原則從某種意義上講，人有三層皮。第一層是人的自然皮膚，熱的時候它可以出汗，冷的時候會起雞皮疙瘩，能以不同的方式對所處環(huán)境作出微調(diào)：第二層是人的衣服，隨著四季的交替人們可以增減衣服，以適應(yīng)季節(jié)變化；第三層則是建筑物的表皮。過去，建筑表皮是僵化不變的，不隨季節(jié)的變遷而變化。但在仿生學研究中，建筑不再僅僅是“保溫箱”，除了被動地保溫，以防止熱量散失，它還應(yīng)主動地利用太陽能；在冬季，白天要充分吸收陽光，夜晚則要防止熱量散失；在夏季，則要滿足防熱要求。仿生學的多功能原則為滿足這些多重需要提供了思路。

生物氣候緩沖層（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通過建筑群體之間的組合關(guān)系、建筑單體的組織和建筑各種細部的設(shè)計，在建筑與周圍生態(tài)環(huán)境之間建立一個緩沖區(qū)域，在一定程度上防止各種極端氣候條件變化對室內(nèi)的影響，同時強化使用者需要的各種微氣候調(diào)節(jié)手段。生物氣候緩沖層具體可以大到街道、廣場等空間，也可以是建筑的外維護結(jié)構(gòu)，還可以小到建筑的細部構(gòu)造。

雙層皮玻璃幕墻是生物氣候緩沖層設(shè)計原則的具體體現(xiàn)。這種光、薄、透的新型表皮構(gòu)造，在冬季的白天可以保證室內(nèi)獲得足夠的日照，以高效實現(xiàn)太陽能的被動式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止長波輻射以外，關(guān)閉的特制金屬百葉相當于增加了一道保溫層，有效地阻止了室內(nèi)熱量的散失；而在夏季，空腔內(nèi)因熱壓而上升的空氣能將金屬百葉吸收的熱量帶至窗外，通過調(diào)節(jié)雙層幕墻之間的特制遮陽構(gòu)件還可以起到遮陽和熱反射作用，從而實現(xiàn)建筑的被動式降溫（圖4-6）。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學