（设计艺术学专业论文）论仿生元素在中国建筑设计中的应用.pdf

摘要 生物从最初的一个细胞繁衍出今天数以万计的庞大物种，其坚韧的环境适应 性和完美的进化模式为建筑提供了一条完备的效仿途径。如何将生物与自然环境 的共生策略转化为建筑策略，使建筑也可以具有对环境的动态适应性，“建筑仿 生”为建筑设计找到了一条有效的途径，提供了一个全新视角，成为建筑设计的 一个不可或缺的研究方向。 我国能源分布不均匀，人均资源量少，如何合理利用自然资源，保护我们赖 以生存的环境，成为2 1 世纪人们所关心的重要问题，“建筑”不仅仅要具备其本 身作为“容器”的功能，更加要符合时代的要求。如何创建建筑设计新的思维模 式，为之找到新的出路，使之能够更加符合美观而适用、安全又经济、高效且安 全、满足可持续发展的要求，成为一个值得深思探讨的课题。现阶段我国对建筑 仿生的研究可还不够深入，尚未有对建筑仿生学的生态意义系统、全面的研究， 还没有过系统全面的归纳总结和深入详尽的探讨。本文采用比较分析、分类汇总、 综合分析、归纳总结和实证举例等研究方法，对仿生元素在中国建筑设计的应用 进行研究，希望以此文章可以为我国的仿生建筑的发展尽一点微薄之力。 关键字：仿生；建筑设计；中国建筑仿生 a b s t r a c t b e c a u s eo fc m n a su i l e v e i ld i s t r i b u t i o no fe n e r g ya n d1 0 wc 印池r e s o u r c e s ，h o w t ou s en a t u r a lr e s o u r c e sr a t i o n a l l ya n dp r o t e c tt h ee i l v i r o m e i l tb e c 锄e s 锄h o tl s s u e t om e21s tc e n t l l r yp e o p l e c o n s t m c t i o n i sn o to n l yt 0a s s 啪et l l e l ro w na sa ”c o n t a i n e r ”如n c t i o n ，b u ta l s ot 0c o m p l yw i n lt h er e q u i r 锄e i l t so ft h et i m 鼯h o wt o c r e a t eb i o n i cc o n s t m c t i o no fan e wm o d e ，f o u n d i n gan e ww a yt o 锄a b l ei tt 0 印p l y m o r ei n1 i n ew i t hb e 删觚，s a f e 胁de c o n o m i c a l e 衔c i e i l t 锄ds a f e ，m e e t i n gt h e r e q u i r e m e n t so fs u s t a i n a _ b l e d e v e l o p m e n t a saw o r t h w h i l ed i s c u s s i o nt o p i c s b i 0 1 0 9 i c a lc e l l sw m c hp r o d u c e 舶mt l l eo n 沓n a lo n e 啪a b l et op r o d u c et e i l s o f t l l o u s a i l d so f1 a r g es p e c i e sp r 0 v i d e sac o m p r e h e l l s i v ew a yt of o l l o w l e i rt e l l a c i t ya i l d a d a p 讪i l i t yp e r f e c te n v i r 0 眦e n tf o rt h ee 、，o l u t i o no fa r c h i t e c t u r em o d e l b i o l o 百c a l a n dn 砷u r a l 即啊r 0 衄e n to fm es 河b i o t i cs 仃a t e g ya r ec h a n 百n gi n t 0b u i l d m gs 仃a t e g y ， b u i l d i n go nt l l ee n “r o n m e n tc a na l s oh a v ead y n 锄i ca d 印t a ：b i l i 哪t h e r e f o r e ，t l l e ”b i o n i cb u i l d i n e c o l o 西c a l a r 凼t e c t u r cp m 讥d e san e wp e r s p e c t i v ei i l t 0 廿l e a r c h i t e c t u r a ld e s i 印硒w e l la sa i li n t e g r a lr e s e a r c hd i r e c t i o n s t o d 张c 1 1 i n a sb i o n i c se c 0 l o 西c a lc o n s 仃u c t i o ns t i l d yi s n o tt h o r o u g l l 肌o u 曲， t h e r ei sn os y s t 锄a t i ca n dc o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h ee c o l o 百c a lb i o l l i c ss y s t 锄，a c 0 m p r e h e n s i v es m d yh a sn o tb e e ns 啪m 撕z e d h 1t m sp 印e r ，1 e 、n t e ru s m g c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，c l a s s i f i c a t i o ns u 衄a c o m p r e h e n s i v e 叽a l y s i s ，s 啪m a n z e d 锄d 锄p i r i c a lr e s e a r c hm e t h o d s ，t oe x p l a i n l eb i o i l i c e l e m e l l t so n 廿1 ec 1 1 i n a a r c h i t e c m 】呛d e s i 皿ih o p et h er e s e a r c ho nt h i s a r t i c l ec a i lb el l s e 削f o rt l l e i e v e l o p m e n to fc h j n a sm o d e s tb i o m cc o n s t m c t i o n k e y w o r d ： e c o l o g ) r ；c o n s 仃u c t i o nf o m s b u i l d i n g b i o l l i cc l l i n a i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、：中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 引言 随着人类步入二十一世纪，生态问题日益引起世界各国和社会各界的重视。 建筑这个被喻为城市灵动的雕塑，它不仅作为我们生活与工作的重要场所，在满 足其供人类居住和使用功能的同时，还应该具有对环境的动态适应性，犹如雕塑 必须与环境相匹配才能体现出它的美，同样，建筑也必须与其所处的环境相融合， 使建筑与环境构成一个和谐、完美、自然的一个整体。建筑仿生学作为一门新兴 的边缘学科，通过对自然界各种生物机能的研究与运用，不仅有助于建筑形式、 结构和功能方面等具体问题的有效解决，而且对于协调建筑与自然界之问的相互 关系也起着重要的作用。 中国古典建筑在自然环境和历史长河中傲然挺立，环境与建筑相互映衬，构 成了一幅中国式的水彩画面，建筑仿生学就在老祖宗的园林设计和建筑中应运而 生了。今天，大量的国外建筑设计师早已涌入中国，各式的新型建筑拔地而起， 冲击着我们的视野，我们应该稍安勿躁，静下心来，我们的祖先为我们留下了丰 厚的文化遗产，开辟了建筑仿生学的理论先河，在建筑仿生领域为我们做出了优 秀的榜样，我们应该继承和发扬我国的传统文化。同时，我们也要虚心吸取西方 理论的精华，用系统、成熟的现代微观意义上的仿生学理论来补充和完善我们的 建筑设计。 一些建筑评论家从思想上排斥这些具备生物形态的新生建筑，由于仿生建筑 有时更多的倾向于对生态的模仿而显得有些造作与怪异，但是将它们一概否定， 这种做法是错误和片面的。现在科技的发展为生态模拟提供了其可行性，各种形 态的仿生建筑能够成为现实，也为我国的建筑设计领域注入了新鲜血液。仿生建 筑作为建筑创新的一个方向，作为协调生态平衡的一种方式，以及对中国人“天 人合一 理想的一种表达，应该有着非常美好的前景。 本文首先对仿生学、仿生设计学的概念内容进行说明和探讨，通过对仿生学 及其相关学科的研究，汲取自然界的生存优势，使其更好地运用到建筑设计中来， 第二步深入探讨如何进行建筑仿生研究，并提出一套研究方法与程序，第三步对 现有的国内外资料进行最大程度的挖掘，并以电脑建筑创作为实践，阐述建筑仿 生对建筑优化的重要作用。第四步结合实例研究仿生元素在中国古代建筑设计中 的应用，分析我国近代建筑仿生的发展状况及国内建筑界所面临的困惑，最后分 析建筑仿生对我国未来建筑设计的影响及发展趋势。本研究的最终目的是为了促 进建筑与自然界的互动，使城市建筑同自然生态环境相协调，达到生态的平衡和 可持续发展。 东北师范大学硕士学位论文 一、绪论 ( 一) 仿生学的研究内容及发展状况 仿生学( b i o n i c s ) 是在上个世纪中期才出现的一门新的学科，主要是研究 生物系统的结构和性质，以此为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。 一直以来人们都在不断尝试把自然界生物的形态和功能通过技术手段的模仿使 它为我们的生活服务，但是，直到1 9 6 0 年在全美第一届仿生学讨论会上仿生学 才真正产生。仿生学一词是由美国人斯蒂尔根据希腊语b i o n ”( 生命之意) 和字 尾“i c s ( 工程技术) 组成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式， 或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生物系统方式工作的系统的科 学 。最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。仿生 学的任务就是要研究自然界生物系统的运作原理及它们在漫长的进化过程中所 具备的优异能力，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。 其目的不在于机械的复制每一个细节，而是要分析生物的功能和结构，理解生物 系统的工作原理，然后将其应用于未来的设计。 自古以来，人类都与自然界万物有着紧密的联系。从出土的河姆渡和大汶口 文化时期的人类生活器皿中，我们可以看到古代人类的最初创造就是从模仿自然 开始的。我国古人通过研究水中鱼的生理特点及前进方式，发明了重要的交通工 具船，人们仿造鱼的胸鳍做成双桨，仿造鱼的尾鳍做成单橹，从而实现了人 类在水面上的行走。现代的人们又仿造鱼的表皮的特性设计出了仿生游泳衣，使 运动员如鱼得水，大大提高了人在水中前进的速度。我们的生活中也随处可见仿 生类的产品，比如模仿人的手制作的“不求人”，你别小看了这不起眼的“不求 人”，在皮肤痒的关键时刻它可能解决大问题。 今天的仿生技术手段已经非常成熟，而且是经得起考验的。因为生物的运作 模式非常复杂，要搞清生物系统的运作原理并不是在短时期内能够做到的，经过 研究所得的成果都是经过了无数次错误的试行和论证后才获得的，因此，如今我 们所得到的成果能够对我们的仿生行为提供正确的指导，而且不会破坏人们与大 自然的和谐共存关系。 总之，仿生学实现了人类从微观世界的分子模仿到宏观世界的宇宙模仿，为 生物学和科学技术之间架起了一座沟通桥梁，解决了许多技术上的难题。当今的 科学正朝着一个多种学科相交叉和互相渗透的方向发展，仿生学涉及了多个学 科，这样这对生物学的发展也起到了极大的推动作用，通过模拟的方法把对生物 的研究理论和实践结合起来使生物科学的研究方法更加准确和有效，内容上也从 描述和分析的水平向着缜密和定量的方向不断深化。仿生学在与其它学科的相互 渗透和影响下，显示出了强有力的动力，它将大大推动建筑设计和世界整体科学 技术的发展。 ( 二) 仿生设计学及其研究内容与研究方法 仿生设计学，亦可称之为设计仿生学，它是在仿生学和设计学的基础上发展起 2 东北师范大学硕士学位论文 来的一门新兴边缘学科，主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、 信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、 美学、传播学、伦理学等相关学科。仿生设计学与旧有的仿生学成果应用不同， 它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构 等为研究对象， 有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计，同时结合仿生学的研究成 果，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。仿生设计学是仿 生学的一个重要分支。仿生设计学把自然界万物的优异能力通过人类的智慧将其 整合和设计，来为我们更好的服务，仿生设计学正逐渐成为设计领域中的一个新 亮点，它使人类社会与自然达到了高度的融和。 生物能够在千万年进化的过程中得以生存与繁衍，与它们生物的本能行为和 活动是息息相关的，它们不断的完善自身的结构与性能，来适应不断变化的周围 环境，没有消耗过量的能源，没有破坏原有的生态系统，与自然界成为一个整体， 与环境互融共生，这样才能使它们能够得以良好的生存与发展，。 在我国古代历史上就已经出现了许多仿生设计的例子。相传在公元前三千多 年，我们的祖先就模仿鸟类在树上筑巢，以此来躲避猛兽的伤害；四千多年前， 我们的祖先见到随风旋的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车，进而又发明了 汲水的水车；古代庙宇中大殿之前的山门的柱子又圆又粗，仿佛像大象的腿，柱 子上绘有盘龙等吉祥纹样，柱子下又压上象征长寿的乌龟，有的是活乌龟，有的 是用石块雕刻而成的乌龟；2 0 0 0 多年前，出于对绚丽的天空、翱翔的苍鹰的美 妙幻想而发明了风筝，并且应用于军事联络等等，这些都是人类最早的仿生设计 活动。 人类从古至今都在向我们赖以生存的大自然进行学习和模仿，通过人类的智 慧和审美情趣将自然界生物的优点加以提炼、融合和创造，从而利用这些特性来 为人类服务。 ( 三) 仿生元素在建筑设计中的应用 建筑仿生其实不是新话题，人类建筑创作学习生物体形式和规律的思想， 可以追溯到远古人类时期，模仿自然界的各种形式是当时建筑形式的重要特征。 北京市周口店龙骨山的山顶洞人( 图卜3 1 ) 就像动物一样居住在天然形成的山 洞中。黄土高原是中华民族古代文明发展最早的地区，“窑洞( 图卜3 2 ) 这 种与动物的巢穴有许多相似性的建筑形式，是黄土高原地区特有的居住建筑，时 至今日延安地区，无论是城镇或乡村，窑洞仍是他们最主要的居住形式。窑洞大 都因地制宜而营造，在黄土高原表现得尤为突出。黄土高原的土崖畔上，正是开掘 洞窟的天然地形。土窑洞省工省力，冬暖夏凉，十分适宜居住生活。当今“可持 续发展 已成为人类社会共同的行动纲领，许多专家通过研究窑洞聚落环境来寻 找传统文化遗产和当今社会的结合点，为开发地下空间资源，创造人居环境，为 人类的生存环境的可持续发展作出贡献。 关于中国的仿生建筑还有一则趣闻，上个世纪七十年代，一位专家在冲洗卫 星照片时偶然发现，鸟瞰紫禁城北端的景山公园的整体建筑落群，特别像一尊坐 着的面带微笑的人像。公园的寿皇殿建筑群为“坐像”的头部，大殿和宫门组成 于帆，陈嫌仿生造型设计高等院校工业设计专业“世纪风”系列教材， m 华中科技大学出版社， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ：7 1 6 东北9 币范大学硕士学位论文 眼，鼻，口。这座人像究竟是古人有意建造还是巧合呢? 可惜建筑建造的年代久 远，答案还需要我们这些后人去慢慢揭开。 图卜3 1 山顶洞人遗址图卜3 1 黄土高原上的窑洞 今天，人类已经进入了一个科技、信息与经济的高度发展的时代，随着新材 料和新技术的出现，头脑中的大胆设想和创新意识也能够充分展示出来。我们通 过对生物的形态、结构、材料和功能的模仿，尤其是对它们的运行模式与内在联 系的模仿创造出了无数的高楼大厦和发达的城市交通。 这些运用仿生学原理建造出来的建筑我们就可以统称它们为仿生建筑。确切 地说，仿生建筑是以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探 寻自然界中科学合理的建造规律，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑 的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能、布局等的高效设计和合理形成。 人们看到“仿生 一词就会把它理解为单纯的模仿生物的外形，仅仅是通过 对生物的外形进行简单模仿而转化出具有实用价值的客观实物来。其实这种认识 是片面的，仿生建筑不是简单的模拟生物体的外形，更重要的是要学习生物生长 的自然规律与它的生存环境的关系，有效的运用仿生学原理就能创造出新颖和适 应自然生态的建筑形式。同时仿生建筑学也给人们暗示着必须遵循和注意许多自 然界的规律，它告诉我们建筑仿生应该注意环境生态、经济效益与形式新颖的有 机结合，仿生创新更需要学习和发挥新科技的特点，要做到这一点，建筑师就要 从自然界中观察吸收有用的因素作为创作灵感，同时学习生物科学知识，然后结 合现代建筑技术来为建筑创新服务。 建筑仿生学将会成为建筑设计创新的源泉和协调环境生态平衡的重要手段。 建筑仿生可以是多方面的，也可以是综合性，尤其是对于环境造型艺术的园林景 观而言，仿生建筑具有更加广阔的前景。 4 东北师范大学硕士学位论文 建筑仿生学的分类 ( 一) 建筑形态的仿生 建筑形态的仿生是建筑仿生中最常见的仿生方式，人们通过对自然界的生物 的形态进行模仿，从而创造出体貌多变的建筑形态。人类造物的信息大都来自于 对大自然的模拟和再创造。随着生活水平和科学技术的不断提高，人们对产品设 计的要求已不再局限于过去只注重功能的优异领先，而是追求淳朴、朴素的自然 风格。根据人们的审美和精神需求，我们应该提倡仿生设计。让设计回归自然， 使人类完全融于自然，这才是使人类与与环境共生的主要策略。 建筑形态仿生，是人们最直观的对于仿生学的理解，它给建筑带来新颖的造 型和生动的形象，让人们立刻产生丰富的联想。生物体都是有由各自的形态和功 能相结合而成为具有生命的整体。建筑形式的仿生通过研究生物千姿百态的外 形，然后探讨在建筑上应用的可能性，最后使建筑的功能、结构与新形式有机融 合起来。 “对称性”是一般动物所具有的共同特征，如眼、耳、手、足等都是左右对 称的。在科学上也有对对称性美与不美的探讨，理论上认为具备了构造的严密性 和逻辑的正确性，具备对称、和谐、简洁、新奇等特点我们就可以认为它是美的。 对称美，它反映出自然形态和运动的广泛对称性。所以它是美的。许多建筑也通 过布局的对称对生物进行仿生，从而创造和谐的美感。在我国明朝，永乐皇帝下 令迁都北京，在元朝大都的基础上建立了北京城。1 5 5 7 年，明朝嘉靖皇帝在城 南外加筑外城，形成了今天的“凸字形平面的北京城，从南端的永定门向北经 皇宫、景山到钟鼓楼，直到北城墙结束，形成了一条7 5 k m 长的中轴线，这就是 北京城的对称轴，这条中轴线可以说是世界上最长的对称轴了，宫殿建筑就沿着 这条轴线左、右对称分布。皇宫以太和殿、中和殿、保和殿为核心，由对称形成 庄重、整齐、稳定的格局分布错落有致，通过这样高低错落、严谨有序的建筑格 式来象征皇权的威严，彰显封建的等级制度。 “融 字是反对称图形的典型代表。反对称指的是在对称轴两侧等距离处， 两个大小相等的物体，以对称轴上、下、左、右全方位对调，如果等距离处有两 两个相同的图案，一个在对称轴的上部，另一个则在对称轴的下部，那么这两个 图形就形成了反对称。通过对空间使用反对称的方法，可以使视觉变化更加丰富， 在建筑设计上可以达到意想不到的效果。我国的伟大建筑圆明园( 图2 一卜1 ) 中， 有一处叫做“万方安和 的建筑，它的设计手 法便采用了反对称，建筑布局独特而活跃，富 于想象力。这样的建筑格式充满了趣味性，据 说是雍正皇帝最喜欢的所之一。可惜1 8 6 0 年八 国联军一把火烧毁了圆明园，他们摧毁了这颗 璀璨的东方明珠，使今天的我们无法一睹它的 风采，成为今天人类的一大遗憾。现在的圆明 园公园，以遗址为主题，以凝重的 历史意义与现代富有活力的园林气氛相结合， 图2 1 1 圆明园遗址 东北师范大学硕士学位论文 形成独特的人文景观。近期人们对浙江横店社团经济联合会宣布将筹资在浙江省 中部的横店镇重建一座圆明园一事非常关注，人们在探讨有没有必要花费大量的 金钱、占用大片的土地来复制一个一百多年前的圆明园。我认为建造方对于“重 建行为旨在更好保护圆明园”的说法，是没有什么说服力的，当每一位中国人去 圆明园的遗址参观的时候，我们在乎的并不是对它的外貌欣赏，而是我们处在那 个具有历史意义的空间中的感受，它时刻提醒着我们一定要勿忘国耻、振兴中华! 最早应用仿生形态的近代国外建筑师是西班牙人高迪，他是西班牙“新艺术” 运动的代表人物，高迪对于自然有着强烈的热爱之情，在他的作品中也彰显了这 一点。高迪以自然为师，与中国的“师法自然”有相通之处。师法自然，不仅仅 是从自然取材，模仿自然形象，更重要的是“中得心源 ，找到自然的内在规律， 与人的心灵相碰撞的情感，高迪在这方面有着独到的作为。他所设计的米拉公寓 由于风格极端，曾经受到当时人们的质疑，这个建筑完全采用有机主义特点，是 新艺术运动的极端作品，无论外表还是内部，包括家具在内，都尽量避免采用直 线和平面，整个建筑好像一个融化的冰淇淋，采用混凝土模具成型，全力造成一 个完全有机的形态，内部的家具、门窗、装饰部件也全部是吸取植物、动物形态 构思的造型，充分体现了高迪的大胆的想象力和创造力，同时它也是新艺术运动 的有机形态，曲线风格发展到最极端化的代表作品。 为了更深入的切入课题，在我的导师的指导下，我还以建筑形态仿生学为 思路创作了中国福文化艺术中心( 此作品曾入围第二届“为中国而设计”全 国环境艺术设计大赛) ( 图2 一卜2 ) ，中华福 文化是一个活的文化体系，是中华大文化的 根本和归宿，北京奥运会吉祥物“福娃”的 诞生，从一定意义上，就是中国福文化的产 物。古人素以“福”字谐音“蝠作为吉祥 装饰图案，本建筑整体造型即采用蝠纹样， 重点基于对空间的理解，建筑内部处理结合 外部，本方案旨在弘扬中华传统文化，用现 代材料和极简造型来承载民族传统文化的 深厚内涵，把“福气传给全世界。 图2 一l 一2 中国福文化艺术中心 建筑形态的仿生是人们受到了大自然的启示，对生物的结构、形态进行模仿 和应用，使在建筑的建造过程中学习生物形态的组织结构和功能优势。但是建筑 形态的仿生并不是对生物外形进行简单的机械模仿，而是在建造过程中设建筑师 将自然界的美丽形态和自己的审美与修养共同融和、创造的结果。人类生活在自 然界里，生物的各种各样的美丽特质，一直是人们研究和模仿的对象，通过模仿 制造出生产工具，建造居住的场所，通过这样的有效途径实现了人与自然的共生。 ( 二) 建筑结构的仿生 随着建筑形式及类型的不断丰富，现代化的建筑应具有大跨度、高强度，安 全、轻质、节能、经济和适用等特征，所以高效、低耗、省材与可再循环的建筑 结构越来越受到人们的青睐。结构仿生是从自然界汲取灵感，从而实现建筑力学、 结构、材料性能等方面的仿生。对生物结构形态的研究是实现这些要求的有效途 王受之世界现代建筑史 m 中国建筑工业出版社，2 0 0 4 ( 0 3 ) ：7 6 东北师范大学硕士学位论文 径。以动植物、微生物、人类自身等为原型，通过考察自然的选择和优化规律， 提取出原型中的结构体系，来为新建筑结构提供合理的外形；通过分析系统的结 构性质，将其应用于建筑整体的结构力学之中。 建筑结构的仿生归结起来可以分为以下几大类：仿壳体结构、仿纤维结构、 仿动植物骨干结构、仿气泡结构、仿双螺旋结构及一些其它的仿生结构。 1 仿壳体结构 鸡蛋壳，可以说是我们日常生活中比较常见的东西了。可是，小小的蛋壳， 体积小能耐可不小，人们通过对它的研究在建筑业上取得了巨大的成就。我们可 能体验过用手捏鸡蛋壳，即使我们用很大的力气也不容易把它捏碎。有人便好奇 对鸡蛋壳做了个受压试验，实验结果证明一只普通的鸡蛋壳能竟承受8 9 千克的 压力。为什么小小的鸡蛋壳能承受这样大的压力呢? 其实原因在于它那曲面的形 状，当它受到外来的压力时，力会沿着曲面分散开来。聪明的古人早就发现了这 一科学奥秘，我国最早的拱形石桥便是古人受到蛋壳的启示而建造出来的。当这 种凸形的石拱桥受到向下的压力时，也同时受到两侧相邻石块的侧压力作用，由 于石块的抗压强度大，所承受压力就能达到很大值，这与蛋壳的凸面向上不易击 破是一个理。因此，石拱桥虽经千百年仍完好无损。 现代的建筑师也同样受到蛋壳的启示，设计出了许多大型薄壳结构的优秀的 建筑作品，这些建筑既省料又坚固，而且由于壳机构的力学原理使建筑取消了仅 靠地面承受压力的柱子，这样也使视野得到了开阔，更能体现建筑的美感。壳结 构的建筑形式在现代建筑中独树一帜，受到人们的喜爱。位于广州的新体育馆的 建筑结构就采用了壳结构。它的整体外形是由三个彩色的“贝壳 组成的。白天， 它们像飘游在地平线上的云朵，在阳光和彩霞的照耀和映衬下美轮美奂，充满了 动感；夜间，这片片“云朵 在灯光的照射下，更是远看犹如一个个闪耀的水晶 光彩夺目。最近刚刚竣工的国家大剧院也是采用了壳体结构，它是由由法国建筑 师设计安德鲁设计的，北京市建筑设计研究院参与了主体设计。该工程外部围护 结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴2 1 2 2 m ，南北短轴1 4 3 6 4 m ，。总 高度4 6 2 8 5 。内设歌剧院( 2 4 1 6 席) 、音乐厅( 2 0 1 7 席) 及戏剧院( 1 0 4 0 席) 及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖( 3 5 5 0 0 m 2 ) ，各种通 道及入口均设在水下。网壳由径向及环向杆件组成并在适当的位置设交叉斜撑。 径向杆件为钢板截面和t 型界面组成的两种类型的实腹桁架，环向则由单杆组 成。整体结构用钢量达6 7 5 0 t ，1 9 5 k g m 。除了蛋壳外，大自然里还有各种各样 的壳体结构，如贝壳、乌龟壳、人的头骨及各种植物种子的外壳，弯曲的表面有 着共同的力学原理。心 2 仿纤维结构 大多数生物体都是由纤维和细胞构成的，纤维结构有着独特的受拉特性，人 们因为受到这种纤维结构的强受力、受拉特性的启示，发明了结构独特的索网结 构。仿照这种特性，人们创造了独特的索网结构和索膜结构。有时我们观察角落 里的蜘蛛网就可以见到这种纤维结构，当昆虫撞在蜘蛛网上，它会拼命地挣扎， 导致蜘蛛网发生剧烈地变形，但是却很难将蜘蛛网撞破，也不会挣脱。为什么一 张单薄的蜘蛛网会有如此大的威力呢? 经过物理学家和生物学家合作我们终于 张萌：壳与仿生建筑，载青少年科技博览，2 0 0 6 年第5 期 7 东北师范大学硕士学位论文 得到了答案，蜘蛛的网呈辐射状均匀地分为若干等份扇形，同一扇形内所有的弦 都保持平行，而且弦与辐相交所成的角度也都完全一样，而且越靠近边缘弦间距 越小。蜘蛛网的几何形状充分发挥了纤维结构的受拉特性，这种形状将压力和张 力均匀地分散在整个网表面，当猎物撞到蛛网上拼命挣扎而使蛛网发生变形的同 时，蛛网的独特结构也消耗掉了猎物挣扎而产生的力。人类将这种纤维结构原理 运用到建筑中，发明了悬索结构。北京工人体育馆的结构就采用了这种悬索结构， 顶部有上下两张网，之间杆件支撑，这种结构使得建筑既独特又美观。如今，许 多体育场、博物馆等许多大型公共建筑都喜欢采用这种结构。 3 仿动植物骨干结构 还有许多建筑结构是对植物或者动物骨干的仿生。中国古代的文人墨客喜欢 竹子“未出土时先有节，及待凌云仍虚心 的气节，建筑师则喜欢竹子独特的“腹 中空”结构。根据力学原理，一根杆件在其横向截面，应尽可能把材料向周边分 布，正由于这样才形成了中空。竹子的“腹中空 正是具备了这个特点，增大了 抗弯和抗断能力，而且降低了自身重量。 如今钢结构是在建筑构造中应用最广泛地建筑结构，其实钢结构也是一种仿 生结构，为什么这样说呢? 其实钢结构模仿的是动物的骨骼结构，模仿这种结构 使得维护结构和支撑结构可以分离开来，维护结构的设置，使得空间可以自由分 隔，不必受到支撑结构的束缚，而且它是可以循环利用的。钢结构使得建筑设计 更加现代化、更加人性化，可以使建筑师充分发挥想象力而且得以实现。 圣地亚哥卡拉特拉瓦拥有建筑师和工程师的双重身份，他对结构和建筑 美学之间的互动有着自己的思考和把握。卡拉特拉瓦的结构设计喜欢从自然界植 物、动物骨骼、人的躯体，尤其是人类的各种姿势和动作中汲取灵感，他不一定 使整个建筑具有某种象形的趋向，但从结构中，我们读到了自然主义的语汇。卡 拉特拉瓦也并不总是使用最简单化的结构，有时甚至故意让结构很重或者改变视 觉上构件的平衡性，来使结构具有可看、可 读性和加强结构的表现潜力。坐落在密尔沃 基的主要街道威斯康星大街的轴线上， 密尔沃基艺术博物馆( 图2 2 1 ) 通过有缆 索的人行桥与之相连。不管是从密歇根湖或 城市方向看，卡拉特拉瓦的大帐篷都使该建 筑成为激动人心的景象。从翘起的脊骨铰的 每一边看它都是对称性的悬臂结构，形成以 不同速率升降的巨大动感雕塑，成为了建筑 形态仿生的优秀作品。 图2 2 1 密尔沃基艺术博物馆 4 仿气泡结构 气泡，透明而轻盈，我们小时候都曾喜欢用肥皂水吹出美丽的气泡。在自然 界里有很多生物都与气泡有关。美丽的蜻蜒的翅膀由很细的薄膜肋构成，肋之间 就是一张极薄而柔软的薄膜，其实那是不封闭的“气泡 ，叫做不封闭的充气结 构，类似的还有蝙蝠的翅膀等等。与它不同的还有封闭的充气结构，比如青蛙囊 袋的“气泡”，鱼肚中的“气泡”鱼鳔以及动物身上贮存尿的囊袋等。动物和植 ( d h u g ha l d e r s e y w i l l i a m s z o o m o r p h i c m l a u r e n c ek i n gp u b l i s h i n gl o n d o n ，u k ，2 0 0 4 ：9 8 东北师范大学硕士学位论文 物的细胞内充满了液体或气体，这些液体或气体会对细胞壁产生一定的压力，科 学家把这种压力称之为液体静力压和气体静力压，统称为细胞的胀压。根据细胞 胀压原理，人们设计出各种新颖别致的充气、充液结构的大型建筑，如大型体育 场馆、登山帐篷、野外餐厅等。最早设想把充气结构用来建造房屋的是英国工程 师兰切斯特，他在1 9 1 8 设计了直径为6 5 0 米的充气结构，他勇敢地打破了传 统的建筑结构形式，他认为建筑像气泡一样，只要在气体压力的作用下，塑造出 封闭的外形，任何形状都可以实现。从上个世纪6 0 年代以来膜结构渐渐发展起 来，它将建筑骨架与外围护部分结为一体，可以最大限度地发挥材料的承载能力， 创造出开阔、灵活的大空间。 近年来，膜结构已经形成了一种结构体系，有些建筑师专门从事这类建筑的 研究和创作，并出现了不少好的作品。“水立方”作为中国2 0 0 8 年奥运会的重 要体育场馆也运用了仿生技术，“水立方”最引人注意的就是外围看似水泡的 t f e 膜，它是一种透明膜，它采用了充气结构的仿生，在论文的后半部将会详细 论述。 5 仿螺旋结构 在自然界中很多生物都具有美丽的螺旋线，螺旋 形往往是建筑造型的母体，而螺的外形也是建筑师建 筑设计的元素。海洋里各种各样的海螺、贝壳，经过 海水千年的冲刷形成了优美的螺旋线。当前，“回归 自然，崇尚自然 已成热门话题，所以，一批直接模 仿螺的外形的建筑也应运而生了。 车前草是农村地头田边沟坎上随处可见的一种野 菜，它还是一味中草药。车前草的叶片排列的很特殊， 每两片叶子间的夹角都是1 3 7 度3 0 分，排列整齐， 结构合理，所有的叶片都能得到充足的光照。于是， 有人设计了一座螺旋状排列的1 3 层楼房，每个衣帽 间都能得到充足的光照。这种新颖而独特的“采光”一 翰0 k k i 罐。铺b 酝澎乏褫荔 缀鬻缀篆纛潮缓缪| | | | 黪 鬻攀 荔澍磁蝴獭l “ 建筑，深受用户的青睐。我国著名的旅游胜地北戴河图2 - 2 - 2 碧螺塔 ( 图2 2 2 ) ，就有一座仿螺旋结构的观海塔一“碧螺塔”，塔的上部三层模 仿海螺壳的十二瓣螺旋，形成层层起翘的挑檐，在海边建筑这样一座独特的仿生 建筑，大大加强了环境的趣味性。仿螺旋结构的建筑还有我国东南大学齐康教授 设计海蚌塔，福建长乐海边，一个方圆二三十米的礁石小岛上，有一座小小的妈 祖庙，旁边耸立着一个可供游览的标志建筑一一“海之梦 ，又称海蚌塔。 造型由一个高耸的螺( 塔) 和一个舒展的蚌( 厅) 组成，可以登塔远眺苍茫大海， 也可在大厅里茶酒小聚。向上拔起的螺顶螺旋收小，似开又合的蚌向水平方向伸 展，从礁石挑出。完全自然的形态就如同从海中直接生长出来一样，与大海、小 岛浑然一体。螺与蚌，一高一低，一竖一横，一张一弛。整座建筑无不处于图案 的曲线之中，却表现出强烈的张力。 n 人民日报市场报1 9 9 9 一1 2 2 2 ( 4 ) 东北师范大学硕士学位论文 ( 三) 建筑功能的仿生 建筑功能对生物的仿生也是非常普遍的，并且具有很强的实用性。建筑功能 的仿生是一个比较复杂和艰难的过程，因为功能不像生物的外形和结构那样显而 易见，对于它的认识需要一个过程，建筑功能的仿生在建筑仿生学中起步较晚， 也是相对薄弱的环节，但一旦掌握和运用好功能仿生将会给我们人类带来很大的 益处。 比如，有一种白蚁，它们生活在澳大利亚西部地区，对于他们的巢穴构造让 我们大吃一惊，也非常值得我们人类学习和借鉴。不论是炎热的正午还是温差较 大的早晚，它们巢穴内的温度一年四季都能保持在2 9 摄氏度左右。小小的白蚁 为何能建造出这样神奇的巢穴呢? 经过科学家的研究，我们终于弄清了答案，原 来，白蚁的巢穴虽然建在地下，但聪明的白蚁在地面上堆起一座2 米多高的土 丘，土丘朝北，正午阳光强时，楔形蚁丘阳光照射的面积达到最小，而东西两侧 大面积的斜坡又可以吸收较多的太阳热能，在早晚天气转凉的时候散发出来。而 且白蚁还在丘内修建了一些垂直式的空气调节孔，然后又分成许多小孔道，呈 散发状向下延伸。到了下部，又合并成大的孔道，直通到巢穴最底端。这种巧妙 的室温调节系统，一方面使空气流通的更加顺畅，另一方面又为洞里增加了大量 氧气，而且还起到了调节温度的作用，白蚁的巢穴成了一个名副其实的空调塔。 这样巧妙的建造形式被人类运用到了建筑设计中。建筑设计师根据白蚁巢穴的建 造原理，在昼夜温差达到4 0 摄氏度的津巴布韦首都哈萨克拉雷建造起一座新型 的节能大楼。这座大楼在天花板、墙壁、地板以及各个墙角安装上通风管道，白 天通风管道将绿化地带的凉爽空气输送到楼内，晚上，管道又将混凝土墙吸收 的热量传送到各个房间，从而使楼内的温度保持在2 3 摄氏度到2 5 摄氏度，节 省了一半的电能的消耗，是节能环保的杰出作品。 在夏天的池塘边，我们可以看到青翠娇嫩的荷叶，尤其每当雨后它们显得格 外的翠绿与鲜亮，如果我们从显微镜下观察荷叶，可以看到上有小的茸毛和小的 蜡质覆盖在叶子上，由于这些微结构的存在，使得水、脏物与叶子的接触面极大 地缩小，脏物颗粒仅仅松散地分布于凹凸不平的叶面上，等到有雨来的时候，就 被轻易地刷掉。仿造荷叶的易清洁的外表结构，人类发明了硅树脂外墙涂料，这 种涂料具有与荷叶同样的微结构，这为多风沙的城市外墙壳解决了大问题，使得 容易变脏的墙面很容易的被清洁，而且大大降低了外墙经常性的维护费用。 ( 四) 建筑材料的仿生 材料是社会进步的物质基础，建筑材料的不断更新和发展是建筑结构的发 展的主要因素。建筑材料仿生就是仿照生物躯体的化学成分、组织结构、色彩及 生态特征，研究出卓有成效的新型材料，来满足人类对建筑材料性能和品种日益 提高、增长的需要。 人类受到蜂巢隔热、保温，结构轻巧、美观等特点的启示，创造发明了蜂窝 泡沫塑料、泡沫混凝土、泡沫玻璃等等。用这种材料做墙壁建造出来的建筑， 冬暖夏凉、结构轻巧。同样木材也具有许多优良性能，它内含纤维素，它具有轻 质高强、弹性韧性好，能抵抗强压力和振动的优点。人们受木材的启发，制造出 许多纤维材料，如夹杂石棉纤维的石棉水泥瓦，掺杂木质纤维的波形瓦。最近美 1 0 东北师范大学硕士学位论文 国研制出一种玻璃纤维瓦，这种瓦是由有机纤维玻璃薄垫物构成，除具有一般纤 维瓦的特点外，还具有较好的防火性和耐用性。近期在澳大利亚，为了保护合理 利用自然资源，人类将生长周期短的竹子制作成竹浆纤维，来增加水泥制品的抗 折性和韧性。而印度现在采用废弃的稻谷壳制做轻质高强的纤维板。日本在普通 混凝土中掺加少许的长纤维填加剂，纤维互相缠绕在一起，其形状好似一张网， 使得混凝土的强度大大增加，从而可使混凝土即使在水中也不会变形、分解，从 而更好地实现了水下工程的实施。对生物构成的研究给我们人类的生活带来了大 量益处，破解生物奥秘，研制仿生材料是一个漫长而有意义的过程，它将有着广 阔的发展前景。 总之，自然界中的万物是人类最好的老师，人类通过对它们的优点的学习和 模仿对自然界的利用也越来越充分，越来越精益求精。与此同时，人类更加注意 到了人与环境的相融相通，从自然界中吸取灵感，其材料大都不再从自然界直接 获取，而是根据其原理进行人工制造，越来越多地为我们大家的生存环境考虑， 而且风格也不再只从人类的主观思路出发。研究仿生建筑的意义既是为了使建筑 设计得到创新，同时也是为了使人类与自然生态环境相协调，保持生态平衡。人 与自然本就是个统一的整体，相辅相成，才能创造绿色空间并持续发展下去，人 们无时无刻不在从自然界中获得启发并进行着有益的创造。但仿生并不是单纯地 模仿照抄，它是吸收动植物的生长肌理以及一切自然生态的规律，结合建筑的自 身特点而适应新环境的一种创作方法，仿生建筑给我们的世界带来了千姿百态的 建筑景观，丰富了我们的生活空间，它无疑是最具有生命力的、最便捷的，也是 可持续发展的保证，确实不失为一个有生命力的发展方向。 东北师范大学硕士学位论文 三、中西方建筑仿生差异的比较研究 ( 一) 中西方建筑仿生对象的差异 与中国人的辩证思维不同，西方人的思维是一种逻辑思维，强调世界的同一 性、非矛盾性和排中性。他们通常对事物的认识是“非黑即白”的，这与中国人 所遵循的“中庸之道大有不同。同一性认为事物的本质不会发生变化，一个事 物永远是它自己；非矛盾性相信一个命题不可能同时对或错；排中性强调一个事 物要么对，要么错，无中间性。西方人的求知，是为了认识自然，了解自然，反 映到哲学中来就表现为更多地强调事物本身而不是它们之间的关系。 西方人认为，大气圈、水圈、岩石圈是没有生命的无机界，只有生物圈和人 类智慧圈才是有生命的有机界，因此，西方建筑仿生对象大都是对人本身、动物、 植物即生物的仿生。西方现代仿生学的主流观点都普遍认同“仿生”一词就是单 纯的模仿生物，其实这是狭义的仿生观。这种仿生观带有一定的局限性，它过多 的将注意力集中于生物界，单纯地模仿自然，缺乏宏观上的联系。 然而中国的仿生观却是与此不同的，中国的仿生观认为天、地、人之间组成 了一个有循环、轮回、有新陈代谢的生命系统，是一个完整的生命系统，中国的 仿生学的参考对象是宇宙万物，上至天文下至地理，中间则是万物生灵，仿的是 宇宙万物及其运行模式的内在联系，是广义的仿生观。但是正是西方的还原论能 够使他们更直接、更单纯的在微观科学领域取得了更大的进步，这也恰恰是中国 整体论指导下的建筑仿生的弱点，所以只有将西方的还原论和中国的整体论结合 起来，自然科学与人文科学交织起来，才能使建筑仿生朝着一个更加科学和完备 的方向蓬勃发展。 ( 二) 中西方建筑仿生切入点的差异 西方人的思维方式也叫分析思维，他们在考虑问题的时候不像中国人那样追 求折衷与和谐，而是喜欢从一个整体中把事物分离出来，对事物的本质特性进行 逻辑分析。西方社会也比较注重个人的价值，珍视个人的独立性。注重群体和单 体的差别在本质上也反映了中西小同的建筑文化观念。中国人强调的是群体的整 合，主张单体服从整体，先强调社会大环境，然后才是个人。这是中华民族在长 期的历史生活中形成的自己的文化特征。在不同的文化影响下，仿生建筑的设计 也大有不同：西方更加强调单体建筑富有独立的个性，而容易忽视群体艺术。中 国的建筑仿生历来注重整体的实效，尽量使建筑与环境呼应，与自然相生，与周 围的大环境协调发展。 ( 三) 中西方建筑仿生模式的差异 中国历史名城的规划布局应用取象比类的方式将自然山河的灵气，仿生于城 市的形状、区位与结构之中，在我国古代聚落与城市规划中，就有许多这样的例 子，例如东魏邺城南城就是模仿龟甲的形状规划而成的。中国古人认为龟长寿， 拥有很强的生命力，而且龟还能通神，人们常用龟的腹甲来卜吉凶，龟形成为一 个神圣的符号。邺城南城正是通过它始创的传说、独特的造型以及城门的设置方 1 2 东北师范大学硕士学位论文 位等方式在日常生活中不断向居民暗示和强化龟城的象征意义，使居民以为受到 神秘的自然力庇护，规划的“形”和“意”得到很高的融合，是古代城市规划的 成功典范。我国古代还有以鲤鱼跳龙门的传说为寓意的有着鲤城之