建筑仿生学的发展与贡献

人物，西班牙建筑师高迪（Antonio Gaudi）吸取哥特式建筑的结构特点，结合自然的形式，创造了许多非凡的不规则曲面空间，其代表作圣家族教堂的外形是从植物外形上获得的灵感。高迪设计的贡献不仅在于他完全打破了古典建筑形式，而且还创立了建筑雕塑化造型的手法，这对后来的现代建筑和仿生建筑均产生了重要影响。

图 6 高迪的自然主义建筑

随着新型建造技术和建筑材料技术的成熟，以及一战以后欧洲迫切需要快速建设大量住房的现实，现代建筑运动于上世纪20年代兴起，并迅速确立了一套以功能至上、形式简洁、工业化建造等为主要特点的技术审美精神。这种技术审美为仿生建筑的发展奠定了美学基础。

2、当代建筑仿生学的创立与发展

2.1 仿生学的建立与学科特性

仿生学（Bionics）概念是在1960年由美国的斯蒂尔首先提出，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”。从学科性质上看，仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。根据研究对象和应用领域的不同，仿生学可细分为力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等多个领域。

2.2 现代意义上建筑仿生学

仿生学的诞生很快引起了建筑界的反馈，而20世纪60年代，正是现代建筑受到强烈批判和反思，后现代主义、解构主义、新地域主义、高技派等设计思潮萌发的时期。同时在系统论、复杂科学理论的启发下，生物学、物理学、数学等学科快速发展并互相渗透；而计算机的应用，为材料科学、建筑结构等相关学科提供了模拟显示的强大工具，也使得非线性的仿生建筑设计成为可能。

在此基础上，建筑学与仿生学的相互融合形成建筑仿生学，这一交叉学科是在研究、掌握生物界某些生物体功能组织和形象构成规律的基础上，结合建筑功能、结构、材料、施工的需求，进行综合利用的学科。

当代建筑仿生学较有影响的学术著作当属德国人勒伯多（J.S.Lebedew）在1983年出版的《建筑与仿生学》一书，该书系统地阐述了建筑仿生学的意义，其与生态学、美学等关系，为建筑仿生学的发展提供了理论基础。实践方面，更是涌现了一批先锋建筑师，建成了很多反响强烈的仿生建筑，如埃罗·沙里宁（Eero Saarinen）设计的纽约肯尼迪机场侯机楼、耶鲁大学冰球馆，卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）设计的巴伦西亚天文馆、里昂机场高铁站等。从后现代建筑流派划分上来看，当代仿生建筑由于其往往具有复杂的结构，更多地被归入高技派。

3、建筑仿生学的贡献与影响

当代建筑仿生学的创立对建筑技术进步、建筑材料创新、建筑设计理念与方法，乃至建筑审美的发展都产生了重要的影响。

3.1 对于建筑技术进步的贡献

建筑仿生学对建筑技术进步最直接的影响体现在建筑结构形式的创新上；建筑师和结构工程师通过模拟自然界动植物的力学特征、结构关系，进而创造出新的建筑结构形式，例如悉尼歌剧院的壳体结构是模仿蛋壳的结构形式，日本代代木体育馆的悬索结构是模仿蛛网的结构形式等。

建筑结构仿生不断发展，形成了结构表现主义风格建筑。其代表人物西班牙建筑师卡拉特拉瓦善于以树木、花卉以及人体骨骼等自然形态为依据，创造富有动感的建筑与桥梁结构。他通过模拟生物骨骼的“关节”创造出一些有着特定功能且可活动的建筑构件，作用是改变力的传递方向，使力可以多方向传递，从而创造出可动的建筑。他将巴伦西亚科学城天文馆设计成一只“可开启的眼睛”，天文馆如眼珠一样安放在由混凝土和玻璃构成的眼睛形的框架之下，其中可开合的“眼帘”部分由透明的点式玻璃幕构成，拱形混凝土盖的两端支点为可活动构件，可以使“眼帘”与“眼球”分开，因而建筑呈现不同的状态。

图7 巴伦西亚科学城天文馆“眼睛”开启与闭合两种状态

建筑仿生学促进技术进步的另一个重要体现是在建筑材料的创新方面。例如上世纪70年代德国植物学家巴特洛（Wihelm Barthlott）特发现“荷叶效应”，即荷叶表面并非非常平滑的，而是由许多特殊的微结构组成，这使得水、脏物等仅松散地分布于凹凸不平的叶面上，极易被雨水冲刷干净，因而具有较强的自洁功能。人们根据荷叶的这种特性，研制出具有自洁功能的硅树脂外墙涂料，使建筑外墙可以长时间保持干净，减少清洁成本，延长建筑寿命。

3.2 对建筑设计方法创新

仿生学与建筑学的交叉开拓了设计师的思路，通过研究生物千姿百态的规律后而探讨在建筑上应用的可能性， 有助于创造出丰富、有机的建筑形态。

埃罗·沙里宁设计的纽约环球航空公司候机楼是建筑形态仿生的典范之作。整幢建筑采用薄壳结构，造型取自鸟类展翼飞翔的态势，建筑室内外都采用了流动曲线的造型，创造了具有动感的形体。飞鸟的形式本身就与航空、飞机存在着一定关联，用飞鸟来隐喻机场在逻辑上存在着某种关联，而建筑本身极具雕塑感的外部造型和高大的内部空间使公众产生丰富的想象。

图8 纽约环球航空公司候机楼外形及室内空间照片

需要强调，而这一过程并不是简单模仿，而是一个抽象、升华、再表现的创做过程，同时还要注意要使建筑的功能、结构与新形式巧妙结合。

3.3 对建筑审美与思潮的影响

历史唯物主义证明，社会存在决定社会意识。格鲁皮乌斯（WalterGropius）认为“美的观念随着思想和技术的进步而改变”。回顾欧洲建筑史，每一次建筑风格的重大变化，都和建筑技术的进步密切相关，正是由于罗马人掌握了拱券和天然混凝土技术，才创造出了万神庙等建筑，在中世纪是由于骨架券的成熟，才成就了哥特教堂高耸的空间效果。工业革命以来现代建筑的发展，逐渐形成了以突出功能、简洁为特征的技术审美，人们对摩天大楼、类似埃菲尔铁塔一般宏大的钢铁构筑物产生审美认知。

同理，建筑仿生学在促进建筑技术进步的同时，也促成了建筑结构表现主义的诞生，雕塑化的建筑表现的手法更加成熟。人们逐渐欣赏那些富有雕塑感、动感、非线性的建筑形象。本质上讲，这种审美倾向仍然可以视为是现代技术审美的延续与发展。瞬息万变的信息社会促使原本稳固的建筑也追求动感，技术上追求以钢、合金和膜结构等新材料、新结构，来探索轻盈动势的表现。

4、生态建筑——建筑仿生的发展方向

随着生态、可持续发展等理念的深入，建筑设计越来越注重降低能耗、减少碳排放等设计原则，进而产生了基于生物机能仿生的生态建筑设计方法。与结构仿生、形态仿生等单独某个层面的仿生不同，生物机能仿生关注的是生物如何在整体上与自然环境相适应，因此更具有综合性，可以在本质上提高了建筑的环境性能，这与可持续发展思想不谋而合。

马来西亚建筑师杨经文（Ken Yeang）参考生物适应气候环境的特性，提出“生物气候学”的生态建筑设计方法。这一方法在他于上世纪90年代设计的实验性建筑“东京奈良大厦”中得到充分的体现。奈良大厦的整体设计模仿了DNA的双螺旋结构形式，这一概念体现在建筑的“螺旋状竖直绿化”系统中，大厦以螺旋状的结构分层布置着一系列的绿化植被，使各层建筑都能在与绿化空间有机融合，创造小的生态循环。外墙上有根据太阳光线强弱移动遮光板，和根据风荷载而旋转变化的挡风板，这两者仿佛是建筑的一块“皮肤”，以此来节约空调能耗和满足自然采光的需求；同时建筑设有可开闭阀门的通风管将自然风引入建筑内部。建筑上的所有这些可动装置都是由发达的计算机组成的“大脑”控制的，从而使建筑在整体上成为一个可以适应环境的类有机体。整个设计充分利用了当地的自然环境资源，通过主动式与被动式技术的结合达到建筑的环境友好性。

图9 奈良大厦结构图示与模型照片

从发展的角度看，未来的仿生建筑将是生态建筑的一种体现，属于绿色建筑的范畴；仿生技术手段是绿色技术的重要支撑。同时仿生建筑也将是智能建筑，通过各种高科技手段的集成，达到建筑与人、建筑与自然地良性互动。随着技术进步和人们观念的转变，建筑仿生学必然朝着环境生态、经济效益与建筑空间形式有机结合的方向发展，为人类社会的可持续发展做出重要贡献。

参考文献 ：

（1）刘先觉，仿生建筑文化的新趋向[J].世界建筑，1996（4）.

（2）秦佑国，从“HI-SKILL”到“HI-TECH”[J].世界建筑，2002（1）

（3） 戴志中、杨震、熊伟（编），建筑创作构思解析：生态.仿生[M]，北京：中国计划出版社，2006

（4）秦浩，建筑仿生学的数字化设计研究[Z]，浙江大学，2010

（5）邓庆坦、邓庆尧，当代建筑思潮与流派[M]，武汉：华中科技大学出版社，2010

（6）沈伟、张戈，新型网状加劲薄壁屋盖结构体系仿生研究[J]，建筑钢结构进展，2008（10）

（7）《大师》编辑部，杨经文[M]，武汉：华中科技大学出版社，2007

（8）陈志华，外国建筑史（十九世纪末叶以前），北京：中国建筑工业出版社，1997

（9） 《大师》编辑部，圣地亚哥·卡拉特拉瓦的作品与思想[M]， 北京：中国电力出版社， 2006

（10）吕富珣，走向21世纪—建筑仿生学的过去和未来[J]，建筑学报，1995（6）

（11）王科奇，建筑仿生新论[J]，华中建筑，2005（3）

作者简介： 高洁（1983—），女，工作单位：中国·城镇规划设计研究院，注册城市规划师，硕士，联系电话 13511066375， 邮箱 513322579@qq.com