仿生设计并不是纯挚地模拟照抄,它是接管动物、植物的成长机理,以及统统自然生态的规律,结合设计的自身特点,而适应新环境的一种创造。

蛋壳与体育馆

生物为了存在和发展,最最少的条件是:必须平衡地心引力,防御统统外力,适应自然环境,在长期的进化进程中自然而然地形成最合理、最稳定、最经济的构造形态。
羽茅草和禾本科植物的长叶每每卷曲成筒形或壳形,喷鼻香蒲植物的叶子又构成螺旋状,帽状蘑菇的辐射密肋,以及弧形的贝壳和壳面之波、空心的苇秆和秆间之节,都启示人类去探索空间构造的奥秘。

蘑菇仿生建筑设计手绘 设计原则

人们已经发觉,传统建筑的梁板支撑体系实际上是一种不经济的构造形式,而且不能知足当代社会对大跨度空间的需求。
仿生空间构造则帮助建筑师和工程师办理了难题。

蛋类的外壳虽然很薄,却能耐受相称大的外力。
这是由于,这类构造具有波折的表面,壳体在外力浸染下,内力是沿着全体表面扩散和分布的,因而壳体单位面积上所受的力就小了许多。

据统计,各国为举办奥运会而建造的体育馆,有60%以上采取薄壁空间构造。
法国夏蒙尼先斯滑雪山北区体育中央由9个三角形薄壳所组成,覆盖面积达6000平方米。
1980年建成的太空馆是一个范例的蛋壳形,23米直径的半球形天象厅酷似鸡蛋的核心部分——蛋黄。
鸡蛋壳厚约0.5毫米,一只普通鸡蛋纵向直径按照7厘米打算,两者之比约为1:140,可见人类仿生工程的巨大意义。

更有趣的是,国外有人模拟鸡蛋设计了一种分外的抗震房屋,“蛋壳”是用钢铁制造的,“蛋白”用耐高温玻璃、石棉等制造,人住在相称于“蛋黄”的部分。
这种房屋能抵抗强烈地震,纵然被震翻了,也能像鸡蛋一样滚过往返复中兴。
屋内贮有空气、水和食品,在与外界完备隔绝的情形下,7个人可在里面生活1个星期。
住在这种房屋里,纵然碰着强烈地震,也会安全无事。

麦秆与电视塔

中空的麦秆能承受比它重得多的麦穗而不倒伏,这是由于,在横断面积相同的情形下,实心秆和空心秆的承压能力虽然一样,但长长的茎受压后,每每不会因断面压力过高而发生溘然断裂的环境,而是在受压后茎秆先波折,末了因弯力过大而折断。
而断面积相同的空心秆外径要比实心秆大,因此空心秆承压后抵抗波折变形的能力要比实心秆大得多。
麦秆的功能给建筑师以设计灵感,他们利用麦秆事理,把一些高大的柱子和秆件都设计成空心的。
这样可以大大提高它们的承压能力,起到“事半功倍”的浸染。

其余,所有秆茎支承植物险些都是下粗上细的,既减轻了自重,又加强了稳定性。
因此,不管任何方向吹来的风,很随意马虎沿着秆茎圆面的切线方向掠过,从而减小对植物的影响。
反之,如果秆茎是平面的,毫无疑问,平面比圆面上的一点受风力都大大增加。
这样,植物就有可能被风刮歪,乃至倒毙。

加拿大多伦多电视塔高533米,用400号混凝土浇筑成下粗上细的形状,底翼宽约30.5米,可谓庞然大物。
但它的均匀苗条比(均匀直径和高度之比)约1/10,而秆茎植物(麦秆、甘蔗、竹等)的苗条比可达l/100~1/200。
两比较较,人类的建筑远未达到大自然的神功。

王莲叶与展览厅

薄薄的王莲叶最多能够承重70千克。
这是由于,王莲叶背面有许多粗大的叶脉,其问连以镰刀形的横筋,构成了一种网状骨架,纵横交错,又粗又壮,可以承受很大的负荷。

于是,有位园丁模拟王莲叶脉的布局,用钢材和玻璃成功地建造了一座漂浮在水面上的俏丽“水晶宫”。

后来,意大利设计师建造了一座跨度为95米的都灵展览大厅,其屋顶采取了王莲的网状叶脉构造,在拱形的纵肋之间连以波浪形的横隔,不仅担保了大跨度屋顶有足够的强度和刚度,而且都雅大方,轻巧坚固。

“春笋建筑法”

该当指出,人类在构造仿生方面还勾留在静态阶段,仔细不雅观察一下生物的成长过程,恐怕对人类工程会有更大的借鉴意义。
例如,十丈青松,挺立矗立;劲细翠竹,轻巧刚直,都是从地面寸寸长起,自己“建造”自己。

那么,人类的建筑可否如青松成长、雨后春笋一样平常,把自己一节节“长”上去呢?

有人曾提出一种不用脚手架、不用大型起重机,而是由建筑自身的屋面开始从地面一节节“长”上去的“春笋建筑法”,1星期可建成1幢4层高的住宅楼。

这种方法把每一层墙板从高度上分成三四段预制好,然后用液压顶以1米的行程,反复顶升,可以很快“长”成设计的建筑。

车前子与旭日屋

车前子原来是一种无足轻重的野草,近年来,却受到了建筑师们的青睐,成为他们的珍宝。

建筑师们仔细不雅观察了车前子叶子的构造,创造它们是按螺旋状排列的,每两片叶子之间豹夹角都是137°30′,不仅构造合理,而且每片叶子都能得到充足的阳光。

建筑师仿照车前子的奇特构造,建造了螺旋状排列的楼房。
这种新型住宅改变了“向南背北”的传统建筑朝向,一年四季,每间屋子都阳光残酷,空气清爽,舒适宜人。

海狸与拦河坝

海狸是一种水陆两栖兽类,它们的“家”修建在湖岸或水流缓慢的河岸边。
这些屋顶圆圆的“小房”修得非常坚固,墙壁有2尺多厚,用黏泥润色。
每座“小房”分为二至三层,上层比较干燥,作为“寝室”;下层在水下,作为仓库,堆积食品、树皮和木柴。
“小房”有两个出口,一个通陆地,一个通水下。

令人惊奇的是,为了掌握须要的水位,海狸还在靠河处筑起了坚固的堤坝。
建坝时,它们总是选择河流狭窄、可以就地取材(木料、石子)的地方为坝址。

海狸所建造的堤坝,正是人类建造的巨大拦河坝的雏形,它给水利建筑供应了有益的启迪。

菌膜与防水材料

建筑物的防水是一个“老大难”问题。
不过,另一方面,在自然界中,动物和人的皮肤具有良好的防水性能,表面的水渗透不进去,里面的汗液却能渗出来,保温性能也很好,堪为建筑物防水所借鉴。

科学家们正在探索一种能够形成菌膜的菌类(如红茶菌)物质,把它们制成像人的皮肤一样的膜状防水材料。
人们设想,把这种材料覆盖在建筑物上往后,它能缓慢成长,涌现破损时,又能自行修复;外部的雨水渗不进去,内部的潮气却能散发出来。

这对付改进建筑物的防水、保温、隔热性能以及节约能源,将会有重大意义。

蚁穴与恒温办公楼

在澳大利亚西部有一种白蚁巢穴,只管穴外温度一年四季变革很大(气温在3~42℃),但巢穴内不论这天间还是夜晚,也不论是夏季还是冬季,温度始终保持在30~32℃。
这种白蚁巢穴调节温度的能力切实其实可以和当代化的空调系统媲美。

为了弄明净蚁为什么有如此高的本领,科学家仔细研究了白蚁巢穴的布局。
他们创造,这种白蚁巢穴分为地上、地下两部分。
地下部分是白蚁的生活区,巢穴的地上部分则有个约3米高的泥塔,泥塔内有一些空气通道通到白蚁的地下生活区。
泥塔断面呈楔形,总是像罗盘一样准确地指向北方。
因此,科学家把这种白蚁称为“罗盘白蚁”。

泥塔的侧壁皱巴巴的,表面积很大,在清晨和午后阳光斜射时能最大限度地接管阳光的热量,泥塔顶部呈尖锥形,表面积较小。
这样一来,在中午炽热的阳光下,泥塔接管的热量就减少了。

“罗盘白蚁”建造这种分外的泥塔,便是为巢穴创造恒温条件。
泥塔在阳光下受热后,塔内空气通道之中的气温也随之上升,空气体积膨胀而向上升腾,这就产生了像烟囱一样的抽气浸染,把新鲜空气通过白蚁进出的通道抽吸到塔顶,形成一股风,吹过白蚁巢穴的生活区。

白蚁中的工蚁在巢穴内“监测”(感想熏染)各处的温度,并根据温度的变革,阻断或扩大巢穴内的通道,以调节气流。
这就像人类用开、闭窗户来调节室内温度一样。

因此,无论外界气温如何变革,白蚁巢穴地下生活区的温度,都保持在30~32℃。

建筑学家从白蚁巢穴的布局得到极大启迪,认为人类也可以模拟白蚁,建造有自然透风系统的办公楼。
虽然安装了空调系统的大厦可以做到温度恒定,但因门窗封闭,空气不流利,永劫光呆在里面的人很随意马虎患上空调综合征。

1994年,英国建筑师在诺丁汉兴建了7幢仿白蚁巢穴的办公楼,排成一个弧形面向北面,每幢大楼的角上都有一个17米高的圆柱形玻璃塔,其浸染相称于白蚁巢穴上的泥塔,当阳光照射时,玻璃塔内的空气温度升高,膨胀上升,起烟囱的抽气浸染,形成一个自然透风系统。
玻璃塔顶部还可用液压办法升降,用来调节上升的空气流量,由于塔中的空气通道和办公楼的各房间相通,上升气流可以带走多余的热量并吸入新鲜空气。
在大楼内有一个打算性能量管理系统,它的浸染相称于白蚁巢穴中的工蚁,卖力管理室内的温度调节系统,掌握玻璃塔顶的升降,以调节空气流量,在寒冬还可启动热风机,在夏夜可启动风扇,将清新的空气引入室内。

蘑菇与伞屋

所有的植物都呈哑铃形,这是一种很好的建筑构造,它使植物利用最小的占地面积,就得到了适度体积的地上部分,得到了大面积的阳光,而向下成长出的根系,能够牢牢捉住土壤。
利用这种构造,植物还能够立体享受阳光:森林群落中乔木层以下有灌木层,灌木层以下还有草本层。
仿照植物的仿生建筑可以更好地利用太阳能。

以蘑菇为例。
蘑菇由3部分构成:菌盖、菌柄、菌丝。
菌盖离地有一定高度,菌丝呈放射状向地下扩散,菌柄把两者连接起来。
这也是一个哑铃构造。

依照蘑菇的形状,人类可以设计、建造仿生建筑,其“菌丝”部分(仿生建筑的根基)可以采取植物根的形态,将几根长度与直径都适宜的钢管呈放射状地打入地下,与岩石牢牢咬合,以产生的摩擦力来支持地上部分。
这样,可以大大减少地基部分的工程量。
仿生建筑的“菌柄”部分(支柱)采取钢筋混凝土构造,它的底部膨大。
以便和根基连接为一体。
仿生建筑的“菌盖”部分(居住体)则采取钢架构造,从支柱向四周辐射出许多钢梁,屋顶做成拱形的钢网架,并与钢梁相衔接,共同形成一个笼状的整体构造。

由于采取哑铃构造,这种仿生建筑所占地面只有传统建筑的10%,而屋顶可以贴上大面积的太阳能电池。
从远处看,全体建筑就像一把大雨伞,因此取名叫“伞屋”。

小腿骨与埃菲尔铁塔

人体骨架形态、构造之风雅、合理和美妙,每每使建筑师们惊叹不已。
堂堂七尺之躯全靠骨骼支撑,这与高耸入云的摩天算夜楼凭借钢架支撑险些千篇一律。

人坐着的时候,体重是依赖从骨盆侧面延伸出来的骨头来支撑的。
这种大略而有效的构造启示了建筑师。
建筑师由此设计了一种空间支架模型,建筑物的重量由斜柱支撑着,再传到几个支持点,所有与重量包袱无关的材料,一概省去。
这就为建筑物供应了一种既强有力又经济合理的支撑构造。

人体的大腿骨要支撑全身的重量,又要前后旁边摆动,因此,它“选用”了一种最合理的构造形式——既轻又坚固。
一样平常成年人的大腿骨能够承受260~400千克的压力,小腿骨吃力更大,比相同断面的花岗岩还要坚固10多倍,它的刚度可以和熟铁比较,但比重只有熟铁的1/5。

巴黎埃菲尔铁塔高327.7米,犹如巨人般耸入云天。
一些建筑师研究之后得出结论:这座铁塔的构造并不新颖,只是一座重复着人体小腿骨的建筑;乃至两者的表面角度都符合。

建筑仿生是一门妙趣横生的新兴科学,是科学与美学的有机结合。
生物是人类工程设计的最好老师。
正若有名仿生设计师L·科拉尼所说:“仿生设计是一个揭示自然界生命体的设计领域,也可以称为一项‘翻译自然的奇迹’。

可以预见,在不远的将来,人类必将从表面的静态仿生走向内部的、动态的仿生,从而大大丰富人类的创造。