基于仿生的建筑暖通空调设计理念(共7页)

1、基于仿生的建筑暖通空调(kn dio)设计理念Based on the bionic building HVAC design concept摘要(zhiyo)：为了适应生存环境，千百年来，生物不断进化，使其在大小、形态、结构以及组成方面都愈发趋于成熟。生物所具有的特征以另一形式表现在暖通空调设计上，即为仿生。建筑暖通空调设计仿生有利于改善人类居住环境，节省资源，同时(tngsh)还促进了绿色节能建筑的发展。本文叙述了仿生建筑学历史发展过程，提出了建筑暖通空调设计的思路，并展望了其未来1。Abstract: in order to adapt to the environment, for t

2、housands of years, the biology constants evolution, which in size, morphology, structure and composition are more mature. The characteristics of the biology show in another form in the HVAC design, namely the bionic. Building HVAC design of bionic is conducive to the improvement of the human living

3、environment, saving resources, and promoting the development of green energy-saving building. This paper describes the process of the historical development of bionic architecture, presents HVAC design of building ideas, and prospects the future.关键字：建筑 仿生学 节能环保 暖通空调设计前言：仿生学是指“模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技

4、术系统具有类似于生物系统特征的学科”2。这一概念的提出，完全改变了原有的设计理念，为现代化的技术设备的完善以及新的工艺技术的开发提供了新的发展方向。仿生学的理念，其一是“回归”观察自然界的生物，总结其外表形态，生活方式，生命活动的特征，摒弃“以人为本”的思想，树立“以自然为本”的信念，使人类回归自然，融入自然；其二是“提升”对自然现象不应完全重复，分析其内在本质，找出其中与建筑暖通空调设计统一的融合点。暖通空调仿生设计是设计师们实践创新的一个突破口，是未来暖通行业发展努力的方向。建筑仿生历史回顾1.1 早期建筑仿生现象早期建筑的仿生大都体现在生物形态的模仿上。早在16世纪，乔吉奥瓦萨里(Gio

5、rgio Vasari)根据人类中心说的理论原则，提出了一个理想宫殿的初步设计方案建筑正面模仿人的脸部，庭院模仿人的躯体，楼梯模仿人的四肢。这一理论将宫殿建筑各部分的布局与在自然规律变化条件下创造出来的人类形体进行对比和模仿，归纳总结出这样的一个设计方案，体现了仿生的理念3。早期的这些仿生建筑的出现，为之后仿生建筑学的发展奠定了基础。1.2 仿生学的诞生(dnshng) 随着时间的推移，仿生建筑越来越多。例如，19世纪(shj)80年代，路易斯沙利文（Louis Sullivan）和芝加哥学派对脊椎动物的骨骼进行仔细研究，比较和模仿之后，惊喜地发现人体(rnt)用于受力支撑的骨骼和钢结构有着相

6、似性，直接带动了钢结构在建筑中的频繁使用4。这种仿生不再停留在外象上，而是是对生命体结构进行分析，进一步研究的成果。尽管建筑仿生有了一些进展，但“仿生”这一概念确迟迟未定。直到1949年，控制论创始人，美国科学家维纳（N.Wiener）出版控制论，其是用于研究机器与生物之间控制和通信的科学，奠定机器模仿生物的理论基础5。这一论点的提出，带给了人类无限的思考，工程技术的创新可从生物科的角度去寻找发展。仿生学再一次的转折点发生在1960年9月13日到15日。在美国俄亥俄州达顿城（Payton）的一个空军基地里，学者们召开了第一届仿生学讨论会。在此次会议上，这一跨领域的学科被正式命名为“仿生学”6。

7、“仿生学”的诞生，使其由最初的对称性模仿自然提升到从形态，结构等方面进行模仿，加速朝着更加专业完整有规划的方向发展。1.3 建筑仿生的推进 从建筑仿生的提出到20世纪70年代，这一科学领域受到社会广泛关注。我国仿生学研究工作始于1964年前后。1975年-1976年，中国科学院召开了我国第一次仿生学座谈会。不久之后，在全国自然科学学科规划会议上制定了我国关于仿生学的研究规划。直到1983年，德国人勒伯多（J.S.Lebedew）著写的建筑与仿生学，才从理论上将建筑仿生与生态学，与美学等关联起来，并对仿生建筑的应用方面进行了深刻的探索7。该理论奠定了建筑仿生的理论基础。1.4 现代建筑仿生学 1

8、990年代晚期，随着毕尔巴鄂古根海姆博物馆的建成，运用计算机技术，使建筑在非线性空间具体成形的这一想法，受到广泛关注8。从早期的自然形式上的模拟提升到生物技术的模拟，再到生命原理的模拟。仿生学由来将近60年，期间建造了许多著名的仿生建筑。例如，瑞典的“螺旋中心”大厦，美国著名环境设计师，建筑师威廉麦克多诺设计的“树纹塔”摩天大楼，还有英国伯明翰塞尔福设计的瑞吉百货大楼等等。二 暖通设计中仿生学应用(yngyng)的新思路2.1 巴黎建设对暖通空调设计(shj)仿生的启发 城市环境仿生是人类利用仿生学的理念和特征来改造环境，从而创造出高度(god)人工化的生存环境。例如，1853年法国皇帝拿破仑

9、第三任命赛纳区行政长官欧思曼（G.E.Haussmann）执行的巴黎建设计划（附图一）。整个巴黎模拟人的生态系统进行大规模改造。从此，巴黎这座战乱之后的城市被赋予了生命，重焕生机。在巴黎的东西郊建立的两座森林公园仿佛人体的两肺，扩大了城市绿化面积，提高了环境空气质量巴黎各处的绿化带与塞纳河模拟的人体呼吸管道，拥有水源绿地，才会让城市充满生机。而环形和放射形的道路则模仿了人体的血管系统9。换一个思考的角度，巴黎仿生改造的理念也可以运用到空调制冷机房设计中来。将整个制冷系统模拟哺乳动物，制冷机组中的冷凝器和蒸发器分别模拟哺乳动物心脏的左心房和右心房，压缩机则模拟其肺部，各部分管道设计仿照哺乳动物的

10、血管分布。将哺乳动物身体各部分之间的联系合理运用到空调系统中，使制冷机组部分与管路部分更具有整体性。这样的设计理念，针对暖通空调的系统设计有很高的借鉴作用。 巴黎建设计划之后的巴黎（图一）2.2 暖通空调功能设计仿生设计师们通过从大自然中汲取灵感，类比和推理，将自然生物的某些生存功能巧妙的运用到建筑暖通空调设计中，即为功能设计仿生。例如，建筑大师(dsh)丹下建三设计的日本山梨县文化馆，模仿了植物的新陈代谢功能。整个建筑，由4行16根5米长直径的圆筒结构做主要支撑体。圆筒内设楼梯，厕所等，主要用于各个办公场所之间的联系，属于公共空间。而在圆筒之间架设了播音室，印刷厂和办公室，使其相互独立。充分

11、考虑了其功能上使用的特点，使报社和电台的办公、印刷、出版和播音空间四者之间既相互联系又各自独立10。由植物新陈代谢系统推想到建筑布置(bzh)，大师的设计理念充分体现了仿生的灵活性。例如，人类根据萤火虫的发光原理制造出的人工冷光，大大提高了发光率，减少了热量的消耗。建筑暖通设计师们也可从生物体的生命现象推想暖通空调设备的设计，不仅实现外观上的美观，同时促进功能的使用，把建筑设备或建筑系统想象成一种有生命的物体，从生物体的生命特征和生活习性中得到灵感。2.3 暖通设计形式(xngsh)仿生此外，1958年埃罗萨里宁（Eero Saarinen）设计的美国耶鲁大学冰球馆仿自一只畅游海洋的海龟，建筑

12、师萨巴（Fariburz Sahba）在1975年-1987年设计建成的印度德里母亲庙仿佛一朵圣洁而高贵的荷花，英国伯明翰塞福瑞吉百货大楼外型轮廓犹如女性的身体，1961年设计的纽约环球航空公司航站楼宛若展翅翱翔的飞鸟，这些建筑仿生的成功案例启发建筑设备设计形式朝多样化方向发展11。例如，市面上的空调机组大都造型单一，可对家用空调室内机进行外观上的仿生设计，模仿生物的形态特征，使其外观构造更加生动活泼，设置为家庭装饰品的一部分，与整个家庭环境相融合。但要避免出现一些简单模仿某一形象的作品，一味的注重夸张和新奇，毫无美感和创新可言。这类设计带给人们的是“惊讶”而非“惊喜”，任何设计形式上的改变，

13、都要在保证其功能正常使用甚至提高使用效率的基础上进行。 2.4 建筑暖通空调结构设计仿生 结构组织仿生即生物和机械装置在功能上使用相同，研究生物内部结构，类比和修正，建造出与生物体或其中一部分相仿的机械装置。1957年，奈尔维和维特罗西建造的罗马奥运会小体育馆，其内部钢筋混凝土网格结构系统，就是受葵花的启发，该结构不仅用材经济，受力合理，而且内部装饰新颖。对于向日葵，最显著的特征便是其向阳生长，其原理是向日葵的顶部富含有生长素，受到阳光的刺激使生长素分布不均匀，从而出现向阳生长的现象。仿照向日葵的原理，在设计空调系统的送风口时，在其周围安装温度感应装置相当于生长素的作用，受到周围环境温度的感应

14、，适当调节各个方向的送风量，使整个房间气流组织形式更合理。对于结构设计的仿生需要对自然生物深入研究，才能得出好的想法和思路。20世纪70年代(nindi)，德国科学家发明了毛细管平面辐射式空调末端系统，这种模仿人体毛细血管散热的新型空调末端系统被视为一次“末端(m dun)革命”。这种系统的毛细管中充满具有高效传热功能的介质(jizh)与传统对流式空调系统相比，在冬季，供水水温只需3035，即能满足室温202的要求；在夏季毛细管辐射供冷工况下，辅以置换新风的除湿系统，供水水温只需18，即能时室温达到262。而且由于毛细管末端系统换热面积大、传热速度快，因此它传热效率更高，向房间辐射冷量和热量更

15、加柔和，房间温度分布更加均匀12。 在津巴布韦的哈拉雷，矗立着一座体型庞大的办公及购物群约堡东门购物中心。该购物中心并没有安装空调，但是它凉爽宜人，它所消耗的能量只是与它同等规模常规空调的十分之一。 它的设计灵感来源于非洲的白蚁，这些小生物们能够在它们的塔楼巢穴中维持一个恒定的温度。他们经常开启和关闭自己塔楼巢穴中的气口，使得巢穴内外的空气得以对流冷空气从底部的气口流入塔楼，与此同时热空气从顶部的烟囱流出。这项仿生科技的应用，不仅是节能增效，有利于环境保护，而且省下的空调设备的成本汇聚成了涓涓细流，造福了该建筑的租赁者，他们所付出的租金比周边建筑的租赁者要少了20%13。 非洲白蚁建造的塔楼

16、日本夏普公司推出仿生型空调扇叶，在室内机送风板的设计上采用了类似鸟类羽毛的涡流器。由于采用仿生设计，空调风轮可以调高送风效率30%，最大风速比以往提高14%，在送风量不变的前提下，鸟翼形状的风扇比传统风扇节电10W。 模仿海鸥的风扇和模仿蜻蜓(qngtng)的胡风轮格力中央空调采用舒适的冷暖(lngnun)双气流“仿生”出风，让空调(kn dio)的送风更柔和、舒适，减少人体因接触空调风，温差过大而造成的不适。其超微感舒适变频空调，可低频持续静音运行，不会产生断断续续冲击性噪音。三 结论与展望 暖通空调的仿生应用这一概念提出较晚，一方面说明在现阶段其仍不太成熟，而另一方面也说明它是社会经济发展

17、的产物，是一种新思想，新理念。将仿生学运用到暖通空调行业的发展中，主要目的即实现建筑环境的节能环保以及创新。这也是目前解决城市环境污染，人们生活品质下降问题的一种新思路14。然而，暖通空调仿生涉及多个领域，多种学科，目前缺乏系统性研究，成功案例鲜见。其主要原因是因为“生物体普遍存在以较大的密度和较高强度的材料配置在高应力区，并以最少的结构材料来承受最大的外力。而且，根据外界条件的变化，部分地调整和改变组织结构，并具有再生的能力”。而建筑设备或系统是一个无生命体，不可能时时对外界的改变做出相应的改变。 此外，建筑暖通空调设计模仿的是生物的独特性，而这些优良的特征都是经过长期历史的演变才形成的，在

18、这个仿生成为潮流的时代，对于暖通空调的设计过程或许可以模仿生物的进化史。尽管自然界进化过程比较缓慢，但每一步都是适应自然环境的正确选择。因此，暖通空调设计师们不要一味的求快，优秀的作品都是在吸取前人的经验并不断的改进之下才形成的。并且，当代建筑暖通空调仿生设计的产品层出不穷，如何进一步的优化仿生产品，使其功能更加完善，也是在未来仿生设计中值得思考的问题。 参考文献111王立福,单欣,李尧.仿生学在建筑设计中的应用J.山西(shn x)建筑,2008,34(9):78-80217贾贤等.天然生物材料及其仿生工程材料M.北京(bi jn):化学工业出版社,2007:1-63434Hugh Aldersey-Williams.当代(dngdi)仿生建筑M.卢昀伟等,译.大连:大连理工大学出版社,2004:12-15567徐晓琳.浅谈建筑仿生文化的发展趋势J.四川建材,2006,(2):71-738何炯德.新仿生建筑M.北京:中国建筑工业出版社,2009:8-129史蒂芬柯克兰.巴黎的重生M.郑娜,译.北京:社会科学文献出版社,201410马国馨.丹下建三（国外著名建筑丛书）M.北京:中国建筑工业出版社,19