_技术专栏-TechniqueMethodofBionicArcologyDesign撰文张海燕山东省临沂市规划建筑设计研究院北京工业大学建筑与城市规划学院胡卫华摘要生态仿生建筑设计是生态建筑设计的重要手段之一。本文界定了仿生设计、生态建筑和生态仿生建筑，的概念，比较了生态建筑与生态仿生建筑的异同。，分析了生态仿生建筑设计的实质和内容，并在此基。础上探讨了生态仿生建筑的设计策略以此来丰富生态建筑的理论指导生态仿生建筑的设计实践关键词生态仿生建筑仿生设计策略1概述和策略一(1)研究背景和意义、实现与自然共生的建筑。仿生设计是生态建筑设计的重要方法之筑的技术原理太多能在自然界找到原型万年进化已适应生存环境，。，生态建(3)生态建筑与生态仿生建筑的比较生物体经过亿生态仿生建筑是生态建筑与仿生建筑二者的交集其生存机制自然具备合理(图1)，二者在对自然资源的态度。、与自然生态的关系：性。因此，生态建筑运用仿生设计来完善和拓展设计策。等方面具备相同之处相异点主要是技术实现的途径、略是高效而科学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。现阶段我国对生态仿生建筑的理论缺乏较系统深入然界生物和非生物的生存机制和工作原理(表1)襄l的研究，运用仿生学手段进行生态建筑设计的成功案例，鲜见。因此。生态仿生建筑设计的研究具有理论价值和现实意义(2)相关概念“仿生学(Bionics)”是“人类模仿生物系统的原2理来设计或建造技术系统，或者使人造技术系统具有或”生态仿生建筑的实质和内容生态仿生建筑的实质是研究自然界生物体降低自身类似于生物系统特征的Des一门科学。仿生设计(、Bionicsign)即是研究生物系统的结构，功能、能量转换等能耗、适应环境的机制和原理，，并将其研究成果运用到。各种优异原理问题、并将其应用到技术系统来解决科学疑难、生态建筑中以实现建筑与自然系统共生的目的生态改善技术工程设备和工艺。研制自动化装置和建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，筑技术的综合学科仿生建筑是仿生设计运用于建筑领而是通过对其研究来归纳导致域的体现。形式发生的各种因素和形式层面下的机制原理“—实质我国建设部将生态建筑定义为在建筑全寿命周期、上是把自然界的形式和表征作为各种复杂因素交互作用内(规划、设计、建造、运营、拆除再利用)，通过后所产生的结果，并将其作为生态仿生建筑研究的切入。高新技术和先进适用技术的研究开发与集成应用资源和能源的消耗破坏，，降低点，而不是研究的终点，减少废弃物的产生和对生态环境的、生态仿生建筑研究的内容依附于自然科学和基础科为使用者提供健康。舒适的工作与生活环境”，最学的多学科基础之上，并把仿生科研成果运用于生态建终实现与自然共生的建筑筑领域、：从宏观层面的建筑空间结构到微观层面的材料、生态仿生建筑即是借鉴生物体降低自身能耗适应化学组成等多层次为生理机能、多角度的应用。总体上大致可归纳。生存环境的原理和独特功能来拓展生态建筑的设计思路结构原理和生态系统三方面内容106otd仿生建筑态仿生建筑图1图2图3图4(1)生理机能自然界经过亿万年的进化与发展功能和机制，，不断完善各部分。结构的集约化：结构对生物体起到支撑、连接、保具备了各自存在的必然性与合理性这些护和分界作用，生物体的结构尽可能少地占用本身的资。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：源来达到最大功效据实验，蜗牛壳体所能承受的外界。主要包括生物体的适。压力是其结构自重的2200倍同样，建筑结构也应高。应性、能量转换、自组织性、信息传输和控制等方面强、质轻、经济和安全并尽可能实现大跨度、目前结构、(2)结构原理仿生类型主要有壳体结构，纤维结构、充气结构膜结生物体和非生物体经过亿万年的进化和演变其结构和空间骨架结构等富勒(Bwuc。构、构成形式具有符合自然法则的完美合理性。这些自、kminsterFuller)认为要“少费多用(more然形成的结构形式是生态仿生建筑实现结构经济性理性所借鉴的原型。合ithless)”，即对有限的物质资源进行最充分的设计以。目前主要。仿生结构形式有壳体、充满足人类长远需要他认为自然界存在着能以最少结构提。气、索膜、纤维等结构形式这些结构形式以最少的资。供最大强度的向量系统的向量系统(图2)，他于1948年发明了一种几何学源消耗实现了最大的生态经济价值(3)生态系统，其基本单元由四面角锥体与八面体聚合而成。可组合成覆盖空间的最经济结构，运用这种原生物体是由若干子系统组成的协同系统，这些子系、理设计成的多面体张力杆件穹隆其构架总强度随着大小。统彼此协同工作而产生循环代谢过程，在降低能耗。自按对数比增加，因材料省：、重量轻而被广泛应用给自足的同时与外界进行物质和能量交换生态仿生建空间的集约化生物体为自身建造的生存空间具有，筑将自身看作相对的生命系统统的有机组成部分，，该系统属于生态系、集约化特征。1600年前数学家巴浦就发现蜂巢结构是同样具备生命系统的整体性等级以质轻而薄的材料创造坚固和集约空间的最经济空间形性和开放性特点。生态仿生建筑更加注重研究建筑内部态。蜂巢的每个六角形单元空间能在整块蜂巢上达到最，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3。大布置密度空间构成达到集约化。(2)简洁化设计生态仿生建筑设计的策略生物体通常以最简洁的途径实现最高功效现为材料的简洁性和构造的简洁性cm高达1000kg／。，，主要表(1)集约化设计。如贝壳的抗张强度其成份只有95％的集约化即用最少的物质消耗来实现尽可能多的功效。远大于水泥材料，。生物物种的漫长进化过程是个优胜劣汰的过程，碳酸钙和5％的蛋白质工。两者粘结成坚固的整体而无需加、在此过程中生物体逐渐抛弃机体中冗余和不合理的部分，这启示人们研制化学组成简单。工艺简化、减少能不断优化自身功能机制。。集约化主要体现为结构和耗和环境污染的新型建材美国国家实验室研制出采用，空间的集约化糠醛醇水溶性粘结剂制成的高强度聚合物水泥可快速修old107-_荽搿?裟^．”…ii_¨d*i茁髻～．．*t“_“”。0譬：'，：嚣：…’目日自_t-b__n■≈tH\"*●lq*■lt‘■^^m^～I■*llnH#tqt：=≈：：==m’。}*■_2、6■■Ⅳl崔—-‘旦苎苎一图5匿图7补公路、桥梁和机场跑道，体现了材料和施工的简洁性、。压原理的ETFE气枕单元和泡沫空间网架结构分为外，生物体的构造具有最简形式最少能耗、最稳定耐气枕、空气夹层和内层气枕同时满足了场馆的保温。久和最多功能的特征可降低建筑施工、。为此，简化生态建筑的表皮构造。热、自然采光和通风等多种功能要求(图5)运行和维护费用高技术生态建筑表动物的腔体器官通常具有功能综合性兼具呼吸功能。、。如人的鼻皮的复杂构造、高精度施工技术要求和构件的易损耗导。温湿度调节、清洁过滤、嗅觉和发声共鸣致了高昂的建筑造价因此，，高技术生态建筑通常需要“史蒂文霍尔设计的麻省理。工学院学生公寓体现很长的建造成本回收周期的浪费”这被某些专家指责为节约空腔器官的特征建筑庞大体量的顶部和外墙布置了，。个通往外界的空腔(图6)足了建筑内部自然采光、类似于建筑的腔体器官、，变色龙皮肤的工作机制对生态建筑表皮构造的简化具启发意义。自然通风温度调节和共享纽约康奈尔大学生物系的研究者解释了变：问等多种功能(4)适应性设计。色龙的变色原理变色龙皮肤有三层色素细胞一，最深一层细胞带有的黑色素可与上细胞主要暗蓝色素，层细胞相互交融，中间层适应性设计主要分为对生长的适应性和对气候的最外层细胞则主要是黄色素和应性两种类型。红色素。色素细胞在神经的刺激下使色素在各层问交融对生长的适应性是指生态仿生建筑类似于动植物长特征那样，变换来实现变色龙身体色彩的变化。具备满足建筑全生命周期内功能变化和。德国科学研究协会开发了带有色玻璃研究项目。“集合感温层”的变，间拓扑的适应能力丹下健三、黑川纪章为代表的新，这种材料类似变色龙皮肤的智能性。代谢理论主张建筑服从于生物界基本规律应像生物那样不断新陈代谢新与衰亡，。建筑、城、其透明度可随外界温度的改变而改变(图3)由此可控他们强调事物的生长，制建筑内部的照度和得热和运行维护能耗，，无需机械装置、计算机控制把城市比作生物体的生长和细胞、主此研究成果给生态建筑表皮构造的简人类社会发展的生命性7组织性。东京中银舱体楼(。化带来积极意义(3)综合化设计。)是以生长观点构思的装配式建筑建筑由可根据使。者的愿望来增减变更的140个六面体舱体组成。居室单生物体的组织多兼具多种生理机能如北极熊的毛其基本构造为作为主要功能空间，设备与储藏空间单元化。，体现了皮具备保温和吸收阳光热量的双重功能一。似于细胞和再生的适应性．层浅色透明的外皮和一层厚实的内皮，。内皮具将光能美国生物学家DM劳普指出有不随意性存的环境。，，生物体对环境的适应转化成热能的吸热作用热作用。外皮具阻止体内热量外散的隔它因自然选择的进化而更好地适应其所两层皮间的毛是将空气层划分成较小容积空心，在同纬度的自然区域中。，即使进化小管，确保高空气含量具理想的隔热作用(图4)：。物种也具有趋同的适应机制例如，植物的叶片根据。中国国家游泳馆的表皮设计体现了综合化108atd类似细胞胀处气候环境具有不同的表面积(图8)生态仿生建筑图9图10具备这种气候的适应性以控制自身热损耗，。生物体的体型系数达到集约化，小结生态仿生建筑的设计策略并不局限于生态建筑，同时受空间静力学的影响。，生物生的体型通常为有机流线形态这原理在福斯特设计的n态问题是当代建筑普遍关注的方面。因此。，生态仿生建伦敦市政厅上有所体现(Gre9atLo，donAuthority)(图筑设计研究具有更深远和普遍的意义在建筑技术层面上子、)。建筑整体为倾斜的卵状体，比同等空间容积的长，生态仿生建筑设计主要基于电，方体建筑的体型系数小减少了冬季外围护结构的热损。化工和计算机等专业性较强的领域。与狭义建筑学耗冬，提高了能源利用效率幕墙的倾斜度根据伦敦当地，的关系似乎并不直接但作为将仿生学原理运用到生态必须了解掌握仿生科学领域的研一、夏季太阳入射角和计算机模拟计算而确定，尽量减建筑设计中的建筑师究成果。，小幕墙夏季暴露在直射阳光下的面积太阳辐射热的吸收(5)自组织性设计。从而减少室内对须知，生态仿生建筑设计是个重要的趋势。圈生命体区别于非生命物质的主要特点是自组织性，即参考文献【1】戴志中建筑刨作的构思解析自我选择、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，生态仿生北京中国计划出版社2006，，同时能够通过感知、调整来适应其所处的环境。2】【【德】英格伯格弗拉格编李保峰译托马斯赫尔佐格建筑+技术北京中植物学家发现间具向阳性，，向日葵从发芽到花盘盛开之前的期国建筑工业出版社2003，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48分钟)。日落后，花盘。13】【美]Ra理upDM．StanleySM著武汉地质古生物教研室译古生物学原．缓慢向东回转，大约在凌晨3时复位至东向等待日出德北京地质出版社1978，：国建筑师特多特霍斯特设计的由计算机控制的太阳跟踪图片来源图1表1住宅能像向日葵一样始终追随太阳的运动方向以充分利。自绘用太阳能(图10)180，吨重的建筑的基座是由地下室66建筑创作构思解析《w生态仿生》根柱子支撑的环形轨道180。，个驱动器能在9h内将住宅旋转。图2图3wwtab{etopteIephonecom夜晚又返至初始位置，托马斯赫尔佐格建筑+技术》《另外美国南加州大学的罗杰斯研究小组在建筑的图4，合成梁中埋置由电热控制的记忆合金纤维这种纤维能图5图6图7图8图9图10李保峰《建筑设计的生态策略》http：2008qq／／com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。(STEVENblogpixn．HOLL1986—2007)美国研究人员还研制了充有粘结剂和抗蚀剂的。etnet水管或充满粘性液体并带有多孔的中空纤维构出现裂缝或局部损伤时，当建筑结，陈宇青结合气候的设计策略，水管或纤维就会随之破裂，wwwlondon—selco．uk／placescity／—hall释放出的化合物把裂缝填满并对损伤进行修补“形成了www．p2．corntw自愈合混凝土结构”。afd109
