建筑仿生学

历史起源

工业化的高速发展，使人类的文明发生了异化，破坏了自己的生存环境，也使人类的建筑创作陷入僵化和机械的境地，没有了创造性，这就是人们在近几十年来开始重视仿生学的原因。

人类的困惑在自然界中早已有了类似的答案。因为生物在千万年的进化过程中，为了适应自然界的规律，需要不断完善自身的性能与组织，需要获得高效低耗、自觉应变、新陈代谢、肌体完整的保障系统，生物才能得以生存、繁衍。人也是大自然的一员，人为了生存发展需要建筑，同时建筑也要适应自然界的规律。

建筑仿生学是仿生学的一个分支，它从仿生学的角度出发来研究建筑。它研究生物界中各种生物体的功能、结构、形象，并将研究成果用于建筑创作，从而致力于解决建筑和城市规划方面的某些问题，协调建筑和环境的关系，以保持生态平衡。

自然界是人类最好的老师，人们自古以来无时无刻不在自然界中获得灵感并进行着有益的创造。但建筑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规律，然后结合建筑本身的用途而适应新环境的一种创作手法，无疑它是最具有生命力的，也是可持续发展的保证。

1983年德国人勒伯多（ J.S.Lebdew）出版了一本著作，名为《建筑与仿生学》（Architecture and Bionic） ，系统阐明了建筑仿生学的意义，建筑学应用仿生理论的方法，建筑仿生学与生态学的关系，建筑仿生学与美学的关系等等，正式为建筑仿生学奠定了理论基础。加上在此前后，许多有创见的建筑师进行了有关建筑仿生的实践，使建筑仿生学已逐渐形成为一种时代潮流。

研究内容

在清华大学教授吕富殉先生的文章“走向21世纪——建筑仿生学的过去和未来”中，介绍了建筑仿生学的研究内容（见图）。

总的来说，建筑仿生学的研究内容大致可归纳为以下几个方面：

（1）建筑的功能与空间（形象）的组织。

（2）生物界的某些结构构造体系以及它们形成的特殊方法和规律。

（3）建筑与自然环境的相互关系问题以及生态保护问题的解决。

（4）生物界某些带有规律性的美学潜力的发掘以及建筑美学问题。

建筑仿生学仿生建筑的创作以功能和形象的统一为基础，并将建筑和生物界形象构成的和谐为追求目标，具体来说，就是从建筑的使用功能出发，找到一种合适的形象，能更充分地满足建筑的使用功能及其特定的社会需要。丰富多彩的生物界向我们提供了取得功能和形象间的和谐关系的规律，给我们提供了无穷无尽的仿生构思的源泉，同时我们也可以看到，任何规律和原则都有可能通过不同的具体形式表现出来，这为我们正确地利用生物界和建筑的共同规律提供了保障。

设计原则

德国著名仿生学家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“适合功能之造型的仿生学设计原则”，其中包括：整体化而不是附加构造，整体的最优化而不是零件的最大化，多功能而不是单一功能，对环境的微调，节能，直接和间接的太阳能利用，整体的循环代替不必要的垃圾堆积，网络化关联而不是线状联系等。

仿生学的设计原则给予建筑仿生设计一些有益的启示：

整体优化原则

建筑仿生学美国建筑师富勒从结晶体和蜂窝的棱形结构得到启发，提出：“世界上存在着能以最小结构提供最大强度 的系统，整体表现大于部分之和”。他依据“少费多用”的原则，设计了最有效率的活动住宅（Dymaxion Hou）和装配形球架（Geodesic Dome） （图4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教诲，在资源优化的建筑设计上成了高技派建筑师的典范。

德国建筑师奥托在20世纪60年代组织了“Biologic and Architecture”研究小组，探索材料的高效应用及与环境亲和的建筑。奥托也崇尚“Less is More”，奥托关注资源的整体优化。奥托认为他的建筑创作不是从形式出发，而是从高效的生物适应性得到启发。材料科学的发展使得奥托的钢索张膜高效结构在全世界得到广泛应用（图4-4）。

建筑仿生学

适应性原则

适应性是生物经过长期的进化得到的为适应周围环境而形成的积极共生策略。动物教会我们如何应付高温或低温，植物又展示给我们如何应对太阳光辐射的生存模式，两者都提供了抵抗恶劣天气的崭新的处理方法。

把这种方法应用在建筑上是很有利的。例如人们研制了“特朗布壁”外墙系统（TrombeWalls），它利用热虹吸管/温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统的负荷。在寒冷季节，墙体可以利用自身收集太阳辐射的能力加热空腔内的空气或水，新鲜空气则从墙体底部进入其空腔中，被热空气或水加热后进入室内，使热空气在室内循环流动。

多功能原则

从某种意义上讲，人有三层皮。第一层是人的自然皮肤，热的时候它可以出汗，冷的时候会起鸡皮疙瘩，能以不同的方式对所处环境作出微调：第二层是人的衣服，随着四季的交替人们可以增减衣服，以适应季节变化；第三层则是建筑物的表皮。过去，建筑表皮是僵化不变的，不随季节的变迁而变化。但在仿生学研究中，建筑不再仅仅是“保温箱”，除了被动地保温，以防止热量散失，它还应主动地利用太阳能；在冬季，白天要充分吸收阳光，夜晚则要防止热量散失；在夏季，则要满足防热要求。仿生学的多功能原则为满足这些多重需要提供了思路。

生物气候缓冲层（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通过建筑群体之间的组合关系、建筑单体的组织和建筑各种细部的设计，在建筑与周围生态环境之间建立一个缓冲区域，在一定程度上防止各种极端气候条件变化对室内的影响，同时强化使用者需要的各种微气候调节手段。生物气候缓冲层具体可以大到街道、广场等空间，也可以是建筑的外维护结构，还可以小到建筑的细部构造。

建筑仿生学双层皮玻璃幕墙是生物气候缓冲层设计原则的具体体现。这种光、薄、透的新型表皮构造，在冬季的白天可以保证室内获得足够的日照，以高效实现太阳能的被动式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止长波辐射以外，关闭的特制金属百叶相当于增加了一道保温层，有效地阻止了室内热量的散失；而在夏季，空腔内因热压而上升的空气能将金属百叶吸收的热量带至窗外，通过调节双层幕墙之间的特制遮阳构件还可以起到遮阳和热反射作用，从而实现建筑的被动式降温（图4-6）。