机械和建筑中的生物因素 学案

 于洪玲 上课时间：2018年10月11日    周四课二12班

对于仿生建筑的研究被认为赋予了提供健康生活，改善生态环境的目标，体现了社会可持续发展意识和对人类生存环境的关怀。另外，从建筑创作研究的角度看，仿生与生态构思有相通之处，它们的过程和出发点相对于其他的构思方法或类型有自己的特点。

根据不同的仿生学原理和用料，仿生建筑可分为以下几种:

曾生活在中生代的巨大爬行动物恐龙，身长20多米，身高4至8米，体重达30至40吨。这样一个庞然大物要走动觅食，生存下去，四肢必须承受相当大的负荷。 

生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀、质地轻巧的"薄壳结构"。这种"薄壳结构"的表面虽然很薄，但非常耐压。模仿它们壳体在外力作用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，在建筑工程中早已得到广泛应用。日本东京的代代木体育馆则活像一只巨大的海螺，其外观曲线流畅、轻快、形态动人，被认为是当代最成功的体育建筑之一。

植物和动物的细胞内能充满了液体或气体。这些液体或气体对细胞壁产生一定的压力。生物学家把这种压力称之为液体静力压和气体静力压，统称为细胞的胀压。根据细胞胀压原理，人们便设计出各种新颖别致的充气充液结构的体育建筑，如大型体育场馆、室内球场、网球场、充气游泳池、登山帐篷、野外餐厅等等。美国工程师大卫·盖格成功地设计了一系列充气体育馆--密执安州蓬塔克城的歇尔佛体育馆就是盖格的杰作。充气体育建筑具有造型优美、光彩悦目的时代魅力。

车前子的叶子一般呈螺旋状排列，夹角为137º30´30"。只有这样，每片叶子方能得到最多的阳光。设计师们向车前子借鉴了调节日光辐射的原理，匠心独具地建造一座呈螺旋状排列的13层楼房，每个房间都可以得到最充足的阳光。

日本建筑师提出的"新陈代谢"城市设想，通过对生命周期和循环的分析，探求一种将不断更新变化的设备部分和能够长期使用的巨大结构体分开的设计方法。1966年由丹下健三在日本山梨县建成的文化会馆是一座新陈代谢派的著名作品，它的平面组合就是仿照植物新陈代谢的功能，设计了一个个垂直的圆形交通塔，内为电梯、楼梯与各种服务设施，所有办公空间则建立其间，这样可以根据需要不断扩建或减少。

建筑仿生可以是多方面的，也可以是综合性的，如能成功应用仿生原理就能创造出新奇和适应环境生态的建筑形式。同时仿生建筑学也给人们暗示着必须遵循和注重许多自然界的规律，它告诉我们建筑仿生应该注重环境生态、经济效益与形式新奇的有机结合，仿生创新更需要学习和发挥新科技的特点，要做到这一点，建筑师必须善于应用类推的方法，从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感，同时学习生物科学的肌理并结合现代建筑技术来为建筑创新服务。建筑仿生学是新时代的一种潮流，今后也仍然会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。

建筑仿生已成为一种新时代潮流，也是建筑文化的新课题。为了启发建筑合理创新，以及使城市环境达到生态平衡和持续发展，建筑仿生学是一种重要手段。建筑仿生学是根据自然生态与社会生态规律，并结合建筑科学技术特点而进行综合应用的科学。它的主要研究内容包括:城市仿生，功能仿生，结构仿生，形式仿生等方面。建筑仿生学的应用范围很广，从城市总体到单体建筑，从居住环境到材料都可涵盖。未来的城市将是仿生与生态的城市。

建筑仿生是一个老课题，也是一种最新的科研趋向，它愈来愈引起人们的注意。因为人类文化从蒙昧时代进入文明时代就是在模仿自然和适应自然界规律的基础上不断发展起来的，直到近现代时期，特别是飞机和潜水艇的发明也都是仿生的科研成果，人们从飞鸟和鱼类的特性中获得启发，取得了史无前例的新成就。建筑同样如此，古代从巢居穴居到各类建筑的出现，无不留下了模仿自然的痕迹。但是，随着工业化的高速发展，使人类的文明发生了异化，反过来破坏了自己的生存环境，也使自己的创作囿困于僵化的机器制品，束缚了创造性，这就是为什么在近几十年来人类重新对仿生学开始重视的原因。

仿生原理在现代科学技术上的应用是非常广泛的，于是就促使了仿生学(Bionics) 这门新兴交叉科学的出现。1960年在美国俄亥俄州召开了第一届仿生学讨论会，在会上共同制定了仿生学的概念，与会人员认为仿生学就是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造系统具有或类似于生物系统特征的一门科学。它的目的是应用模拟的方法来改善现代技术设备并创造新的工艺技术。

在建筑领域方面，仿生的倾向在近几十年来也在不断发展，它的研究意义既是为了建筑应用类比的方法从自然界中吸取灵感进行创新，同时也是为了与自然生态环境相协调，保持生态平衡。自然界是人类最好的老师，人们无时无刻不在从自然界中获得启发而进行有益的创造。仿生并不是单纯地模仿照抄，它是吸收动物、植物的生长肌理以及一切自然生态的规律，结合建筑的自身特点而适应新环境的一种创作方法，它无疑是最具有生命力的，也是可持续发展的保证。1983年德国人勒伯多(J.S.Lebedew)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。

其实，人类在建筑技术上所遇到的许多难题，自然界中早已有了类似的解答，因为生物在千万年进化的过程中，为了适应自然界的规律需要不断完善自身的性能与组织，它需要获得高效低耗、自觉应变、新陈代谢、肌体完整的保障系统，从而生物才能得以生存与繁衍。只有这样，自然界才能成为一个整体，才能保持生物链的平衡与延续。当然，人也是大自然中的一员，人类为了生存与发展不仅需要建筑，而建筑也需要适应自然界的规律，否则不仅会破坏自然环境，而且也会毁灭人类自身。

从人与自然界的关系来说，建筑可谓是人的第3层皮肤 (第1层是人的自身皮肤，第2层是衣服)，它是人与自然界之间的中介，如何使建筑能适应环境的自然规律，又能适合人类不断发展的需要，这的确是现代文明所提出的新课题。正因为如此，有效寻找和利用自然界生物的成长规律来适应人类社会发展对建筑的需要，这就是建筑仿生学的主要任务。

在城市环境仿生方面，比较有代表性的例子可以在巴黎的改建规划中明显地看到。早在1853 年时，巴黎塞纳区行政长官欧思曼(G.E.Haussmann)为了执行法国皇帝拿破仑第三的巴黎建设计划，曾对巴黎市区进行了大规模的改建，它不仅要表示对帝国首都的赞美，而且要在城市结构功能上进行改善，使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界。为了实现这一理想，他的巴黎改建规划在某种程度上就是模拟了人的生态系统而进行规划设计的。例如当时在巴黎东、西郊规划建设的两座森林公园，东郊维星斯公园和西郊布伦公园的巨大绿化面积，就象征着人的两肺，环形绿化带与赛纳河就象是人的呼吸管道，这样就使新鲜空气可以输入城市的各个区域。市区内环形和放射的各种主干与次要道路网就象是人的血管系统，使血流能够循环畅通。这种城市环境仿生思想，不仅在当时已起到了积极的作用，解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题，使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例，而且城市环境仿生理论今后仍然值得借鉴和完善。

1954年欧洲"十次小组"(Team10)在荷兰召开预备会时，英国建筑师史密森曾提出一种新的城市形态，称之为"簇群城市"，这也是仿生的成果，它是根据植物生长变化的规律而提出的一种新城市布局思想。他们设想把这种城市主干道设计成三叉形的道路系统，象征着植物"干茎"，使交通流量得以均匀分布。同时把城市"干茎"设计成自由弯曲的分叉系统，并且带有多触角地蔓延扩展的子系统，就象树枝分叉一样，也兼有蛛网状的连接。这样既可避免车流泛滥，也可有利于各区之间的区分与连接。他们预言，这种城市布局一方面能保持现代城市功能的需要，又能重新获得昔日传统城市的自然气息。同时，这种城市是不断生长变化的，也可使城市与建筑物的分布获得有机的组合。目前许多小区的规划设计与"簇群城市"规划思想颇有异曲同工之处。

在建筑使用功能方面的仿生，应用也很普遍，不过表现的形式是多种多样的，只要善于应用类推的方法，就可以从自然界中吸取无穷的灵感，使建筑的空间布局更具有新意。例如芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅的高层公寓(1958 -1962)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。又如勒。柯布西耶在1950-1955年间设计建造的法国朗香教堂的平面就是模拟人的耳朵，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷。正是因其平面具有超现实的功能，以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。类似的情况还有许多，比较著名的如1960-1963年夏朗(Hans Scharoun)在柏林设计建造的爱乐音乐厅内部空间则是仿自乐器内部空间共鸣的效果而建造了这一复杂奇特的形体。1966年由丹下健三在日本山梨县建成的文化会馆是一座新陈代谢派的著名作品，它的平面组合就是仿照植物新陈代谢的功能，设计了一个个垂直的圆形交通塔，内为电梯、楼梯与各种服务设施，所有办公空间则建立其间，这样可以根据需要不断扩建或减少。

建筑的功能往往是错综复杂的，如何有机组织各种功能成为一种综合的整体在自然界中生物也为我们提供了交织组合的范例，它不仅仅是单一功能元素的相加，而是多功能发展过程的综合，因此产生了一个较高发展阶段的新特性。例如人的嘴，不仅能吃饭，又能说话唱歌，还能品尝甜酸苦辣。这种原理应该使建筑师在建筑功能组织中有所启发。当代集中式的建筑倾向已使巨型高层建筑与多功能建筑随处可见，这就要求我们在有限的空间内要高效低耗地组织好各部分的关系，使得这些空间可以适应多种功能。建筑师没有理由在复杂的功能组合中浪费空间和材料，也没有理由不向大自然这位老师学习。

建筑形式的仿生则最为常见，它不仅可以取得新颖的造型，而且往往也能为发挥新结构体系的作用创造出非凡的效果。最早应用仿生形式的近代建筑师是西班牙人高迪(Antonio Gaudi)，他在巴塞罗纳设计了许多带有明显动物骨骼形式的公寓建筑，隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说。例如1904-1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是如此。埃罗。萨里宁(Eero Saarinen)于1958年所作的美国耶鲁大学冰球馆形如海龟，1961年所作的纽约环球航空公司航站楼形如飞鸟，也都是举世瞩目的例子。在1964年丹下健三在东京建造的奥运会游泳馆与球类比赛馆，利用悬索结构仿贝壳体形，使功能、结构与造型达到有机结合，令人耳目一新，成为建筑艺术作品的优秀范例。赖特是一位善于结合自然环境的建筑师，他在1944年设计建造的威斯康星州雅可布斯别墅，就是把住宅仿照地面菌菇类植物进行设计的，给人以自然的形态，达到和环境融为一体的境界。此外，又如萨巴(Fariburz Sahba)在1975 -1987年建成的印度德里的母亲庙(Mother Temple)则是仿自一朵荷花的造型，它表达了圣洁与优美的形象，成为周围环境的主要标志。

建筑形式的仿生是创新的一种有效方法，它是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，这不仅要使功能、结构与新形式有机融合，而且还应是超越模仿而升华为创造的一种过程。上述建筑师的作品无疑值得在建筑创作中借鉴的，只要我们善于观察和吸收自然界中千变万化现象的内在规律，我们就能有取之不尽的源泉。遗憾的是也经常会出现一些简单模仿某一形象的作品，如1974年建的京都人脸住宅，还有美国的许多"热狗"快餐店的具象广告式建筑，这些都已背离了建筑仿生的意义，只是一种单纯追求新奇噱头的效果，它既无创新的价值，也不能与周围生态环境取得协调，是一种建筑文化的糟粕，这是需要引以为戒的。

在结构仿生方面，先进的工程师们在近几十年来已取得了非凡的成就，他们比建筑师更善于观察自然界的一切生态规律，已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。从一滴水珠和一个蛋壳看到了其自由抛物线型曲面的张力与薄壁高强的性能;从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织肌理，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。

1947-1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利(Nervi and Bartoli)设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽 93.6m，长75m.奈尔维和维特罗西(A.Vitelozzi)于1957年建造的罗马奥运会小体育宫，半圆形弯顶直径60m，内部采用了钢筋混凝土网格的结构系统，就是受葵花的启发，不仅用材经济，受力合理，而且创造了内部装饰新颖的效果。小体育宫的外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示，创造了一圈丫形支撑体系，使空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美的统一。1960年奈尔维又建成了罗马奥运会的大体育宫，半圆形弯顶直径达到98.4m，可容纳16000观众，内部采用放射形拱肋的构造形式支撑着上部的混凝土弯顶，顶厚只有6cm.同部看去既象一朵花，也象是密密麻麻的叶脉网，成功地使现代技术与使用功能、装饰艺术达到有机的结合。对比公元120-124年建成的罗马万神庙，半圆形弯顶直径为43.2m，混凝土厚度则为1.2m，这充分说明了建筑技术运用仿生原理所取得的巨大进步。奈尔维既是一位闻名遐迩的结构工程师，也是一位卓越的建筑师，他的创造性在很大程度上就是得益于向自然界学习。

美国结构工程师富勒(Buckminster Fuller)是另一位有创造性的人物。他从自然界中的结晶体与蜂窝的棱形结构中获得启示，创造了一系列惊人的大空间结构作品。1958年他在美国巴吞鲁日(Baton Rouge，LA)建造的联合油罐车公司的巨大弯顶，直径达115.2m，就是应用晶体结构的原理建造的。1967年富勒和塞道(Fuller and Sadao)一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆，是一座球体建筑，在当时展览会上极为引人注目。他很可能是模拟一种深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构，创造了立体网架的短线弯窿，高度达60m，直径为76.2m，弯窿外部用塑料敷贴，并可启闭，夜间灯光照亮，通体透明，犹如星球落地。

纽约环球航空公司航站楼不仅是外形仿生的著名作品，而且埃罗。萨里宁还和威廉。加德纳(William Gardner)在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则由下部的丫形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。航站楼应用这种结构肌理不仅解决了自由曲线造型的难点，而且在结构与形式上又能达到有机的融合，这是值得建筑师们注意的。并不需为了建筑的某种造型就一定要牺牲结构的合理性，相反，有机的结构与新颖的形式可以相互共生。

德国结构工程师奥托(Frei Otto)于1967 年在加拿大蒙特利尔国际博览会上建造的德国馆，象一群帐篷式的建筑物，这是用网索结构仿蜘蛛网形的支撑体系，上面用塑料面层覆盖，造型非常特殊，它可以有利于作为临时性建筑的装卸。1972年的慕尼黑奥运会的体育场馆也运用了这一结构形式。由于他善于使用这种结构类型，因此也有人称他为"蜘蛛人"。这种蛛网形的网索结构后来还发展为帆布张力结构系统，与帐篷形式更为接近。

其实，建筑师中也不乏在结构上应用仿生的例子，勒。柯布西耶早年大量使用的鸡腿柱和框架悬挑的结构系统无疑是从动物腿骨支撑所得到的启示，1931年他在巴黎附近波依西(Poissy)建造的萨伏伊别墅(Villa Savoye)就是这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。

赖特是众所周知的建筑大师，他早年曾攻读过结构专业，因此能在建筑造型与结构体系的融合方面运用自如。1950 年他设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼(Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc.) 就是仿树状结构特点，把主要支承结构放在建筑中央，四周楼板悬挑，外表形成幕墙，取得了新颖效果。应用同样原理，赖特在1956年还大胆设想了1英里高的摩天楼方案。

在结构仿生方面，最值得称颂的还是后起之秀，年轻的西班牙建筑师圣地亚哥。卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)。他于1951年出生在西班牙的巴伦西亚，曾在当地的建筑学院建筑学专业毕业，后人瑞士苏黎世大学土木系学习结构工程，毕业后又于 1981年获该校建筑系技术科学博士学位。他的博士论文题是"结构的可折叠性"。毕业后他留居瑞士开业，继续致力于折叠结构与仿生结构的实践，他观察狗的骨架和腿的活动支撑，已作出了许多可喜的成就。他在1983年建造的瑞士卢塞恩市邮局前的大雨蓬就是最早应用活动关节的实践。1986-1987年他在巴塞尔市一座中世纪古建筑的改建中，将咖啡厅上的天花钢梁架做成仿动物骨架的自由曲线，既有着新颖的观赏效果，又能符合受力的特性，是一种大胆的尝试。此后，他在1987年为加拿大多伦多市建造的BCE文化广场大厦，创造性地模仿了树干分叉的生长肌理，设计了两边的支柱与顶栅的弧形肋架，取得了非凡的艺术效果。1991-1992年他在西班牙的塞维利亚1992年国际博览会为科威特设计的展览馆，其屋顶是可自由启闭的结构，模拟着动物关节的自由运动。夜间屋顶肋架敞开，下面平台上便可进行露天的各种活动，它不仅在结构与功能上能够有机结合，而且也给人以无限的遐想。1989-1993年他在为法国里昂塞托拉斯机场(Satolas Airport)附近的铁路车站设计建造中，完全应用了动物骨架的结构原理，充分发挥了节省材料提高效能的特性，并且造型新颖，令人刮目。此外，他还为1992年巴塞罗纳奥运会设计建造最有标志性的电讯塔，也是吸取了植物干茎自由平衡的形态而获得新颖构思的。

机械和建筑中的生物因素   反思

于洪玲

前面的生物在服饰方面的应用校本课程的进行，使学生知道了服装的发展、现代化、流行化的元素都离不开生物。通过这节课的学习，使学生进一步了解了生物的仿生建筑的有关内容。仿生建筑研究被认为赋予了提供健康生活，改善生态环境的目标，体现了社会可持续发展意识和对人类生存环境的关怀。另外，从建筑创作研究的角度看，仿生与生态构思有相通之处，它们的过程和出发点相对于其他的构思方法或类型有自己的特点。

这节课，我就根据不同的仿生学原理和用料，讲解了仿生建筑的种类和建设原理，并且列举了大量的世界著名的建筑，比如鸟巢、水立方、巴黎铁塔、里斯本火车站等大量中外著名的建筑，这些建筑在世界文明并被效仿。那些著名的建筑师也世界闻名，这都离不开生物。这些具有区域性、时代性的建筑活在了人们的心中。

当在上这节课时，可以看出学生被这些伟大的建筑和建筑学家对生物的细致观察和思考所震撼，使他们对生物的学习具有了更深刻的理解。