回归自然的愿望

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　　摘要：生态仿生建筑设计的措施并不局限于生态建筑，生态方面是目前建筑普遍关注的问题。因此，对生态仿生建筑设计作进一步研究具有更深远与普遍的意义。
　　关键词：自然；生态建筑；生态仿生；建筑设计
　　
　　一、自然与设计
　　自然是生命得以维持的基础，是美好设计的源泉。自然可以为设计找到表现方式，传达设计的内涵，提供设计的素材，并可以打破特定的设计思维模式。“自然”与“设计”在许多领域密切相关。大部分有关自然形象功能的讨论，都不得不涉及建筑。从人类有建筑起，建筑师就开始在自然中寻找灵感，很多形式的建筑可以很直观的看出与某些动植物的形态有关。
　　自然给建筑的启示使建筑具有了更大的生命力，更有利于建筑师运用有机的手法结合科技以传达设计理念。伴随着自然的演绎和当今居住环境的巨大变化，仿生设计艺术越来越多地被应用到建筑领域当中。
　　二、生态建筑与生态仿生建筑的比较
　　生态仿生建筑是生态建筑与仿生建筑二者的交集(图1)，二者在对自然资源的态度、与自然生态的关系等方面具备相同之处。相异点主要是技术实现的途径：生态仿生建筑从技术和美学上更多地、更直接地借鉴自然界生物和非生物的生存机制和工作原理(见表1)。
　　
　　图1生态仿生建筑
　　表1 生态建筑与生态仿生建筑的比较
　　比较因素 生态建筑 生态仿生建筑
　　相同点 与自然生态的关系 把人类视为生态系统的组成部分，强调人与生态环境的和谐共处对自然资源的态度必须考虑降低能耗、资源的重复利用以及利用资源要注意保护生态环境
　　相异点 设计依据 依据环境效益和生态环境指标以及建筑的功能、性能、经济成本 对生命物质和非生命物质中实质自然法则进行研究，结合建筑的功能、性能、经济等因素
　　 设计目的 改善人类居住与生活环境，创造自然、经济、社会的综合效益 在使用、审美等各层面上创造与自然环境共生的人工环境，创造自然、经济、社会的综合效益
　　 施工技术或工艺 考虑建材的可拆卸、易回收和降解，不产生毒副作用并产生最少的废弃物 通过对“自然材料”的模仿，生产绿色环保建材，并综合考虑施工过程中的生态效益
　　三、生态仿生建筑的性质与内容
　　生态仿生建筑的性质是研究自然界生物体降低自身能耗、适应环境的机制与原理，并将其研究成果应用到生态建筑当中，以实现建筑与自然系统共生的目的。
　　生态仿生建筑的研究并非是对自然界生物和非生物的形式特征的浅层模仿和复制，而是通过对其研究来归纳导致形式发生的各种因素和形式层面下的机制原理―――实质上是把自然界的形式和表征作为各种复杂因素交互作用后所产生的结果，并将其作为生态仿生建筑研究的切入点，而不是研究的终点。
　　生态仿生建筑研究的内容依附于自然科学和基础科学的多学科基础之上，并把仿生科研成果运用于生态建筑领域：从宏观层面的建筑空间结构到微观层面的材料化学组成等多层次、多角度的应用。可归纳为生理机能、结构原理和生态系统三方面内容。
　　1．生理机能
　　自然界经过亿万年的进化与发展，不断完善各部分功能和机制，具备了各自存在的必然性与合理性。这些确保生存和适应环境所具备的生理机能对生态仿生建筑的设计提供了解决问题的新思路：主要包括生物体的适应性、能量转换、自组织性、信息传输和控制等方面。
　　2．结构原理
　　生物体和非生物体经过亿万年的进化和演变，其结构、构成形式具有符合自然法则的完美合理性。这些自然形成的结构形式是生态仿生建筑实现结构经济性、合理性所借鉴的原型。目前主要仿生结构形式有壳体、充气、索膜、纤维等结构形式。这些结构形式以最少的资源消耗实现了最大的生态经济价值。
　　3．生态系统
　　生物体是由若干子系统组成的协同系统，这些子系统彼此协同工作而产生循环代谢过程，在降低能耗、自给自足的同时与外界进行物质和能量交换。
　　生态仿生建筑将自身看作相对独立的生命系统，该系统属于生态系统的有机组成部分，同样具备生命系统的整体性、等级性与开放性特点。生态仿生建筑更加注重研究建筑内部各系统彼此的协同关系和建筑个体与生态大系统的协同关系。
　　四、生态仿生建筑设计的措施
　　（一）集约化设计
　　集约化即用最少的物质消耗来实现尽可能多的功效。生物物种的漫长进化过程是一个优胜劣汰的过程，在此过程中生物体逐渐抛弃机体中冗余和不合理的部分，不断优化自身功能机制。集约化主要体现为结构和空间的集约化。
　　结构的集约化：结构对生物体起到支撑、连接、保护和分界作用，生物体的结构尽可能少地占用本身的资源来达到最大功效。
　　据实验，蜗牛壳体所能承受的外界压力是其结构自重的2200倍。同样，建筑结构也应高强、质轻、经济和安全并尽可能实现大跨度。目前结构仿生类型主要有壳体结构、纤维结构、充气结构、膜结构和空间骨架结构等。
　　富勒(BuckminsterFuller)认为要“少费多用(morewithless)”，即对有限的物质资源进行最充分的设计以满足人类长远需要。他认为自然界存在着能以最少结构提供最大强度的向量系统。
　　他于1948年发明了一种几何学的向量系统，其基本单元由四面角锥体与八面体聚合而成(见图2)，可组合成覆盖空间的最经济结构。运用这种原理设计成的多面体张力杆件穹隆，其构架总强度随着大小按对数比增加，因材料省、重量轻而被广泛应用。空间的集约化：生物体为自身建造的生存空间具有集约化特征。
　　1600年前，数学家巴浦就发现蜂巢结构是以质轻而薄的材料创造坚固和集约空间的最经济空间形态。蜂巢的每个六角形单元空间能在整块蜂巢上达到最大布置密度，空间构成达到集约化。
　　
　　图2几何向量系统的基本单元
　　（二）简洁化设计
　　生物体通常以最简洁的途径实现最高功效，主要表现为材料的简洁性和构造的简洁性。如，贝壳的抗张强度高达1000kg/cm2，远大于水泥材料。其成份只有95%的碳酸钙和5%的蛋白质，两者粘结成坚固的整体而无需加工。
　　这启示人们研制化学组成简单、工艺简化、减少能耗和环境污染的新型建材。美国国家实验室研制出采用糠醛醇水溶性粘结剂制成的高强度聚合物水泥，可快速修补公路、桥梁和机场跑道，体现了材料和施工的简洁性。生物体的构造具有最简形式、最少能耗、最稳定耐久和最多功能的特征。
　　为此，简化生态建筑的表皮构造可降低建筑施工、运行和维护费用。高技术生态建筑表皮的复杂构造、高精度施工技术要求和构件的易损耗导致了高昂的建筑造价。因此，高技术生态建筑通常需要很长的建造成本回收周期，这被某些专家指责为“节约的浪费”。
　　变色龙皮肤的工作机制对生态建筑表皮构造的简化具有启发意义。纽约康奈尔大学生物系的研究者解释了变色龙的变色原理：变色龙皮肤有三层色素细胞，最深一层细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融，中间层细胞主要调控暗蓝色素，最外层
　　细胞则主要是黄色素和红色素。色素细胞在神经的刺激下使色素在各层间交融变换来实现变色龙身体色彩的变化。
　　德国科学研究协会开发了带有“集合感温层”的变色玻璃研究项目。这种材料类似变色龙皮肤的智能性，其透明度可随外界温度的改变而改变。由此可控制建筑内部的照度和得热，无需机械装置、计算机控制和运行维护能耗，此研究成果给生态建筑表皮构造的简化带来积极意义。
　　（三）综合化设计
　　生物体的组织多兼具多种生理机能。如，北极熊的毛皮具备保温和吸收阳光热量的双重功能。其基本构造为一层浅色透明的外皮和一层厚实的内皮。内皮具将光能转化成热能的吸热作用，外皮具阻止体内热量外散的隔热作用。

　　两层皮间的毛是将空气层划分成较小容积空心小管，确保高空气含量，具理想的隔热作用。中国国家游泳馆的表皮设计体现了综合化：类似细胞胀压原理的ETFE气枕单元和泡沫空间网架结构分为外层气枕、空气夹层和内层气枕，同时满足了场馆的保温隔热、自然采光和通风等多种功能要求。
　　动物的腔体器官通常具有功能综合性。如，人的鼻腔兼具呼吸、温湿度调节、清洁过滤、嗅觉和发声共鸣等功能。史蒂文•霍尔(StevenHoll)设计的麻省理工学院学生公寓体现了空腔器官的特征。
　　建筑庞大体量的顶部和外墙布置了多个通往外界的空腔，类似于建筑的腔体器官，满足了建筑内部自然采光、自然通风、温度调节和共享空间等多种功能。
　　（四）适应性设计
　　适应性设计主要分为对生长的适应性和对气候的适应性。对生长的适应性是指生态仿生建筑类似于动植物生长特征那样，具备满足建筑全生命周期内功能变化和空间拓扑的适应能力。
　　丹下健三、黑川纪章为代表的新陈代谢理论主张建筑服从于生物界基本规律，建筑、城市应像生物那样不断新陈代谢。他们强调事物的生长、更新与衰亡，把城市比作生物体的生长和细胞分裂，主张人类社会发展的生命性、组织性。
　　某大楼是以生长观点构思的装配式建筑。建筑由可根据使用者的愿望来增减变更的140个六面体舱体组成。居室单元作为主要功能空间，设备与储藏空间单元化，体现了类似于细胞分裂和再生的适应性。
　　美国生物学家D1M•劳普指出，生物体对环境的适应具有不随意性，它因自然选择的进化而更好地适应其所生存的环境。在同一纬度的自然区域中，即使独立进化的物种也具有趋同的适应机制。
　　例如，植物的叶片根据所处气候环境具有不同的表面积。生态仿生建筑应具备这种气候的适应性。生物体的体型系数达到集约化以控制自身热损耗，同时，受空间静力学的影响，生物的体型通常为有机流线形态。
　　这一原理在福斯特设计的伦敦市政厅上有所体现(GreatLondonAuthority)。建筑整体为倾斜的卵状体，比同等空间容积的长方体建筑的体型系数小，减少了冬季外围护结构的热损耗，提高了能源利用效率。幕墙的倾斜度根据伦敦当地冬、夏季太阳入射角和计算机模拟计算而确定，尽量减小幕墙夏季暴露在直射阳光下的面积，从而减少室内对太阳辐射热的吸收。
　　（五）自组织性设计
　　生命体区别于非生命物质的主要特点是自组织性，即自我选择、自我调节、自我保护和自我康复等功能。自组织性设计主要体现在对建筑内部状态及外界环境做出的反应，同时能够通过感知、调整来适应其所处的环境。
　　植物学家发现，向日葵从发芽到花盘盛开之前的期间具向阳性，叶片和花盘在白天追随太阳转动(花盘正对太阳偏东约12°，落后日照48min)。日落后，花盘缓慢向东回转，大约在凌晨三点复位至东向等待日出。
　　德国建筑师特多•特霍斯特设计的由计算机控制的太阳跟踪住宅能像向日葵一样始终追随太阳的运动方向以充分利用太阳能。180吨重的建筑的基座是由地下室六根柱子支撑的环形轨道，六个驱动器能在9h内将住宅旋转180°，夜晚又返至初始位置。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
　　另外，美国南加州大学的罗杰斯研究小组在建筑的合成梁中埋置由电热控制的记忆合金纤维，这种纤维能像人的肌肉纤维一样产生张力变化，根据建筑物受到的振动而改变梁的刚性和振动频率而显著延长了建筑结构的寿命。
　　美国研究人员还研制了充有粘结剂和抗蚀剂的水管或充满粘性液体并带有多孔的中空纤维。当建筑结构出现裂缝或局部损伤时，水管或纤维就会随之破裂，释放出的化合物把裂缝填满并对损伤进行修补，形成了“自愈合混凝土结构”。
　　五、结语
　　在建筑技术层面上，生态仿生建筑设计主要基于电子、化工和计算机等专业性较强的领域，与狭义建筑学的关系似乎并不直接。但作为将仿生学原理运用到生态建筑设计中的建筑师，必须了解掌握仿生科学领域的研究成果。须知，生态仿生建筑设计是一个重要的趋势。
　　
　　参考文献
　　[1]戴志中．建筑创作的构思解析-生态•仿生[M]．北京：中国计划出版社，2006．
　　

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