翻译自然的艺术--建筑仿生
分类号单位代码
密级学号
仿生学论文
题目翻译自然的艺术----
建筑仿生
作者
院 (系) 生命科学学院
专业生物科学
日期2014年 5 月 3 日
摘要
建筑是人类历史发展的一个重要的历史脚步,它承载着人类文明和科学技术的发展。古时候的建筑是人类的基本生活需要,只来提供生活的空间,随着人类历史的发展,到现在,建筑的意义已经是诸多方面的,例如在精神和经济价值等方面。建筑发展到今天最大的意义回归到了与自然相融合、与社会相融合。在各种建筑形式开始慢慢的退出人类历史的舞台后,人们开始从最原始和最生态的自然界中去寻找答案。伴随着科学技术的发展,设计师和建筑师依靠科学的手段来分析我们即熟悉而又陌生的自然界。当仿生学这门科学出现后,建筑师和设计师们又有了新的创作激情和可依赖的理论,就是将仿生学这门科学引入到建筑的创作中。本论文是以仿生学为理论支持,以建筑学的要点为设计要素,分析和研究仿生学建筑的特点与建筑作品的设计思路。
关键词：仿生建筑房屋植物模仿
千姿百态的世间万物，都是经过漫长的优胜劣汰的竞争和千辛万苦的进化，才在结构、形态和功能三方面达到最优设计而流传于世。所以，大自然的精妙创造的确是人类建筑师和设计师的最好老师。我们可以发现，人类的创造不管多么精巧，几乎都能在大自然的创造物中找到对应的影子。于是，人们开始对大自然进行有意识的模仿，从大自然汲取营养，请大自然开拓思路。
仿生设计并不是单纯地模仿照抄，它是吸取动物、植物的生长机理，以及一切自然生态的规律，结合设计的自身特点而适应新环境的一种创造。
1.蛋壳与体育馆
生物要想存在和发展，最起码的条件是：必须平衡地心引力，防御一切外力，适应自然环境，在长期的进化进程中自然而然的形成最合理、最稳定、最经济的结构形态。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结构形式，而且不能满足现代社会对大跨度空间的需求。仿生空间结构则帮助建筑师和工程师解决难题。
蛋类的外壳虽然很薄，却能耐受相当大的外力。这是因为，这类结构具有弯曲的表面，壳体在外力作用下，内力是沿着整个表面扩散和分布的，因而壳体单位面积上所受的力就小很多。
据统计，第二次世界大战以来，各国为举办奥运会而建造的体育馆，有60%
以上采用薄壁空间结构。法国夏蒙尼先斯滑雪山北区体育中心由9个三角形薄壳所组成，覆盖面积6000平方米。1980年建成的香港太空馆是一个典型的蛋壳形，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厘米计算，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，国外有人模仿鸡蛋设计了一种特殊的抗震房屋，“蛋壳”是用钢铁制造的，“蛋白”用耐高温玻璃、石棉等制造，人住在相当于“蛋黄”的部分。这种房屋能抵挡强烈地震，即使被震翻了，也能像鸡蛋那样滚过来复原。屋内贮藏有空气、水和食物，在与外界完全隔绝的情况下，7个人可在里面生活1个星期。住在这种房屋里，即使遇到强烈地震，也会安然无恙。
2.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。这是因为，在横断面积相同的情况下，实心秆和空心秆的承压能力虽然一样，但长长的茎受压后，往往不会因断面压力过高而发生突然断裂的情形，而是在受压后先弯曲，最后因弯力过大而折断。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弯曲变形的能力要比实心秆大很多。麦秆的功能给建筑师以设计灵感，他们利用麦秆原理，把一些高大的柱子和杆件都设计成空心的。这样可以大大提高它们的承压能力。起到“事半功倍”的作用。另外，所有秆茎支撑植物几乎都是下粗上细的，既减轻了自重，又加强了稳固性。因此，不管任何方向吹来的风，很容易沿着茎秆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，甚至倒毙。
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。但它的平均细长比（平均直径和高度之比）约1/10，而茎秆植物（麦秆、甘蔗、竹等）的细长比为1/100---1/200。两相比较，人类的建筑远未达到大自然的神功。
3.蚁穴与恒温办公楼
在澳大利亚西部有一种白蚁巢穴，尽管穴外温度一年四季变化很大（气温在3℃--42℃），但巢穴内不论是白天还是夜晚，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简直可以和现代化的空调系统媲美。
科学家仔细研究了白蚁巢穴的构造。他们发现，这种白蚁巢穴分为地上、地下两部分。地下部分是白蚁的地下生活区。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作“罗盘白蚁”。泥塔的侧壁皱巴巴
的，表面积很大，在早晨和午后阳光斜射时能最大限度地吸收阳光的热量，泥塔顶部呈小锥形，表面积较小，这样在午后炽热的阳光下，泥塔吸收的热量就减少了。“罗盘白蚁”建造这种特殊的泥塔，就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作用，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”（感受）各处的温度，并根据温度的变化，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化，白蚁巢穴地下生活区的温度都保持在30℃--32℃。
建筑师从白蚁巢穴的构造得到极大启示，建造有自然通风系统的办公楼。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，空气不流通，长时间呆在里面很容易患上空调综合征。
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，其作用相当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，起烟囱的抽气作用形成一个自然的通风系统。玻璃塔顶部还可用液压方式升降，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。在大楼内有一个计算机能量管理系统，它的作用相当于白蚁巢穴中的工蚁，负责管理室内的温度调节系统，控制玻璃塔顶的升降，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。
5.小腿骨与埃菲尔铁塔
人体骨架形态、结构之精巧、合理和美妙，往往使建筑师门赞叹不已。堂堂七尺之躯全靠骨骼支撑，这与高耸如云的摩天大楼凭借钢架支撑几乎一模一样。
人坐着的时候，体重是依靠从骨盆侧面延伸出来的骨头支撑的。这种简单而有效的结构启发了建筑师。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，所有与重量负担无关的材料，一概省去。这就为建筑物提供了一种既强有力又经济合理的支撑结构。
人体的大腿骨要支撑全身的重量。又要前后左右摆动，因此，它“选用”了一种最合理的结构形式---既轻又坚固。一般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相比，但比重只有熟铁的1/5。
巴黎埃菲尔铁塔高327.5米，犹如巨人般耸入云天。但这座铁塔的结构并不新颖，只是一座重复着人体小腿骨的建筑；甚至两者的表面角度都相符。
结束语
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。正如著名仿生设计师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‘翻译自然的事业’。”
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。
参考资料
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