仿生建築(以某些生物形象構成的建築)

仿生建築以生物界某些生物體功能組織和形象構成規律為研究對象,探尋自然界中科學合理的建造規律,並通過這些研究成果的運用來豐富和完善建築的處理手法,促進建築形體結構以及建築功能布局等的高效設計和合理形成。從某個意義上說,仿生建築也是綠色建築,仿生技術手段也應屬於綠色技術的範疇。

簡介

對於仿生建築的研究被認為賦予了提供健康生活,改善生態環境的目標,體現了社會可持續發展意識和對人類生存環境的關懷。另外,從建築創作研究的角度看,仿生與生態構思有相通之處,它們的過程和出發點相對於其他的構思方法或類型有自己的特點。

應用方法

建築仿生學的表現與應用方法,歸納起來大致有四個方面:城市環境仿生,使用功能仿生,建築形式仿生,組織結構仿生。當然,往往會出現綜合性的仿生應用,形成一種城市與建築的仿生整體。

建築分類

根據不同的仿生學原理和用料,仿生建築可分為以下幾種:

拱形結構類

曾生活在中生代的巨大爬行動物恐龍,身長20多米,身高4至8米,體重達30至40噸。這樣一個龐然大物要走動覓食,生存下去,四肢必須承受相當大的負荷。

如果恐龍不具備合理的力學結構,四肢就會被偌大的身軀壓塌。專家們發現,恐龍巨大的身軀、長頸和粗長的尾巴的重力中心是在腰部,身體的重量通過身體重心傳遞到粗壯的四肢上,整個身體的上部猶如一座拱橋。從力學角度來看,它的確是一種承受巨大負荷的理想結構的造型,這便是建築史上的「拱形結構」的歷史淵源。該仿生建築的特點,是用料省,堅固耐壓,外觀美觀大方。

薄殼結構類

生物界的各種蛋殼、貝殼、烏龜殼、海螺殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲度均勻、質地輕巧的「薄殼結構」。這種「薄殼結構」的表面雖然很薄,但非常耐壓。模仿它們殼體在外力作用下,內力都沿著整個表面擴散和分佈的力學特徵,在建築工程中早已得到廣泛應用。日本東京的代代木體育館則活像一隻巨大的海螺,其外觀曲線流暢、輕快、形態動人,被認為是當代最成功的體育建築之一。

充氣結構類

植物和動物的細胞內能充滿了液體或氣體。這些液體或氣體對細胞壁產生一定的壓力。生物學家把這種壓力稱之為液體靜力壓和氣體靜力壓,統稱為細胞的脹壓。根據細胞脹壓原理,人們便設計出各種新穎別緻的充氣充液結構的體育建築,如大型體育場館、室內球場、網球場、充氣游泳池、登山帳篷、野外餐廳等等。美國工程師大衛·蓋格成功地設計了一系列充氣體育館——密執安州蓬塔克城的歇爾佛體育館就是蓋格的傑作。充氣體育建築具有造型優美、光彩悅目的時代魅力。

螺旋結構類

車前子的葉子一般呈螺旋狀排列,夾角為137º30´30″。只有這樣,每片葉子方能得到最多的陽光。設計師們向車前子借鑒了調節日光輻射的原理,匠心獨具地建造一座呈螺旋狀排列的13層樓房,每個房間都可以得到最充足的陽光。

新陳代謝類

日本建築師提出的「新陳代謝」城市設想,通過對生命周期和循環的分析,探求一種將不斷更新變化的設備部分和能夠長期使用的巨大結構體分開的設計方法。1966年由丹下健三在日本山梨縣建成的文化會館是一座新陳代謝派的著名作品,它的平面組合就是仿照植物新陳代謝的功能,設計了一個個垂直的圓形交通塔,內為電梯、樓梯與各種服務設施,所有辦公空間則建立其間,這樣可以根據需要不斷擴建或減少。

意義

建築仿生可以是多方面的,也可以是綜合性的,如能成功應用仿生原理就能創造出新奇和適應環境生態的建築形式。同時仿生建築學也給人們暗示著必須遵循和注重許多自然界的規律,它告訴我們建築仿生應該注重環境生態、經濟效益與形式新奇的有機結合,仿生創新更需要學習和發揮新科技的特點,要做到這一點,建築師必須善於應用類推的方法,從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創作靈感,同時學習生物科學的肌理並結合現代建築技術來為建築創新服務。建築仿生學是新時代的一種潮流,今後也仍然會成為建築創新的源泉和保證環境生態平衡的重要手段。

新趨向

新時代潮流

建築仿生已成為一種新時代潮流,也是建築文化的新課題。為了啟發建築合理創新,以及使城市環境達到生態平衡和持續發展,建築仿生學是一種重要手段。建築仿生學是根據自然生態與社會生態規律,並結合建築科學技術特點而進行綜合應用的科學。它的主要研究內容包括:城市仿生,功能仿生,結構仿生,形式仿生等方面。建築仿生學的應用範圍很廣,從城市總體到單體建築,從居住環境到材料都可涵蓋。未來的城市將是仿生與生態的城市。

受重視原因

建築仿生是一個老課題,也是一種最新的科研趨向,它愈來愈引起人們的注意。因為人類文化從蒙昧時代進入文明時代就是在模仿自然和適應自然界規律的基礎上不斷發展起來的,直到近現代時期,特別是飛機和潛水艇的發明也都是仿生的科研成果,人們從飛鳥和魚類的特性中獲得啟發,取得了史無前例的新成就。建築同樣如此,古代從巢居穴居到各類建築的出現,無不留下了模仿自然的痕迹。但是,隨著工業化的高速發展,使人類的文明發生了異化,反過來破壞了自己的生存環境,也使自己的創作囿困於僵化的機器製品,束縛了創造性,這就是為什麼在近幾十年來人類重新對仿生學開始重視的原因。

仿生學的出現

仿生原理在現代科學技術上的應用是非常廣泛的,於是就促使了仿生學(Bionics)這門新興交叉科學的出現。1960年在美國俄亥俄州召開了第一屆仿生學討論會,在會上共同制定了仿生學的概念,與會人員認為仿生學就是模仿生物系統的原理來建造技術系統,或者使人造系統具有或類似於生物系統特徵的一門科學。它的目的是應用模擬的方法來改善現代技術設備並創造新的工藝技術。

在建築領域方面,仿生的傾向在近幾十年來也在不斷發展,它的研究意義既是為了建築應用類比的方法從自然界中吸取靈感進行創新,同時也是為了與自然生態環境相協調,保持生態平衡。自然界是人類最好的老師,人們無時無刻不在從自然界中獲得啟發而進行有益的創造。仿生並不是單純地模仿照抄,它是吸收動物、植物的生長肌理以及一切自然生態的規律,結合建築的自身特點而適應新環境的一種創作方法,它無疑是最具有生命力的,也是可持續發展的保證。1983年德國人勒伯多(J.S.Lebedew)出版了一本著作,名為《建築與仿生學》(ArchitectureandBionic),系統闡明了建築仿生學的意義,建築學應用仿生理論的方法,建築仿生學與生態學的關係,建築仿生學與美學的關係等等,正式為建築仿生學奠定了理論基礎。加上在此前後,許多有創見的建築師進行了有關建築仿生的實踐,使建築仿生學已逐漸形成為一種時代潮流。

主要任務

其實,人類在建築技術上所遇到的許多難題,自然界中早已有了類似的解答,因為生物在千萬年進化的過程中,為了適應自然界的規律需要不斷完善自身的性能與組織,它需要獲得高效低耗、自覺應變、新陳代謝、肌體完整的保障系統,從而生物才能得以生存與繁衍。只有這樣,自然界才能成為一個整體,才能保持生物鏈的平衡與延續。當然,人也是大自然中的一員,人類為了生存與發展不僅需要建築,而建築也需要適應自然界的規律,否則不僅會破壞自然環境,而且也會毀滅人類自身。

從人與自然界的關係來說,建築可謂是人的第3層皮膚(第1層是人的自身皮膚,第2層是衣服),它是人與自然界之間的中介,如何使建築能適應環境的自然規律,又能適合人類不斷發展的需要,這的確是現代文明所提出的新課題。正因為如此,有效尋找和利用自然界生物的成長規律來適應人類社會發展對建築的需要,這就是建築仿生學的主要任務。

城市環境

在城市環境仿生方面,比較有代表性的例子可以在巴黎的改建規劃中明顯地看到。早在1853 年時,巴黎塞納區行政長官歐思曼(G.E.Haussmann)為了執行法國皇帝拿破崙第三的巴黎建設計劃,曾對巴黎市區進行了大規模的改建,它不僅要表示對帝國首都的讚美,而且要在城市結構功能上進行改善,使城市交通、環境綠化、居住水平都達到一個新的境界。為了實現這一理想,他的巴黎改建規劃在某種程度上就是模擬了人的生態系統而進行規劃設計的。例如當時在巴黎東、西郊規劃建設的兩座森林公園,東郊維星斯公園和西郊布倫公園的巨大綠化面積,就象徵著人的兩肺,環形綠化帶與賽納河就象是人的呼吸管道,這樣就使新鮮空氣可以輸入城市的各個區域。市區內環形和放射的各種主幹與次要道路網就象是人的血管系統,使血流能夠循環暢通。這種城市環境仿生思想,不僅在當時已起到了積極的作用,解決了困擾巴黎的城市交通與環境美化問題,使巴黎在世界上成為城市改建的成功範例,而且城市環境仿生理論今後仍然值得借鑒和完善。

1954年歐洲「十次小組」(Team10)在荷蘭召開預備會時,英國建築師史密森曾提出一種新的城市形態,稱之為「簇群城市」,這也是仿生的成果,它是根據植物生長變化的規律而提出的一種新城市布局思想。他們設想把這種城市主幹道設計成三叉形的道路系統,象徵著植物「干莖」,使交通流量得以均勻分佈。同時把城市「干莖」設計成自由彎曲的分叉系統,並且帶有多觸角地蔓延擴展的子系統,就象樹枝分叉一樣,也兼有蛛網狀的連接。這樣既可避免車流泛濫,也可有利於各區之間的區分與連接。他們預言,這種城市布局一方面能保持現代城市功能的需要,又能重新獲得昔日傳統城市的自然氣息。同時,這種城市是不斷生長變化的,也可使城市與建築物的分佈獲得有機的組合。目前許多小區的規劃設計與「簇群城市」規劃思想頗有異曲同工之處。

使用功能

在建築使用功能方面的仿生,應用也很普遍,不過表現的形式是多種多樣的,只要善於應用類推的方法,就可以從自然界中吸取無窮的靈感,使建築的空間布局更具有新意。例如芬蘭著名建築師阿爾托設計的德國不萊梅的高層公寓(1958 —1962)的平面就是仿自蝴蝶的原型,他把建築的服務部分與卧室部分比作蝶身與翅膀,不僅造成內部空間布局新穎,而且也使建築的造型變得更為豐富。又如勒。柯布西耶在1950—1955年間設計建造的法國朗香教堂的平面就是模擬人的耳朵,象徵著上帝可以傾聽信徒的祈禱。正是因其平面具有超現實的功能,以致在造型上也相應獲得了奇異神秘的效果。類似的情況還有許多,比較著名的如1960—1963年夏朗(HansScharoun)在柏林設計建造的愛樂音樂廳內部空間則是仿自樂器內部空間共鳴的效果而建造了這一複雜奇特的形體。

建築的功能往往是錯綜複雜的,如何有機組織各種功能成為一種綜合的整體在自然界中生物也為我們提供了交織組合的範例,它不僅僅是單一功能元素的相加,而是多功能發展過程的綜合,因此產生了一個較高發展階段的新特性。例如人的嘴,不僅能吃飯,又能說話唱歌,還能品嘗甜酸苦辣。這種原理應該使建築師在建築功能組織中有所啟發。當代集中式的建築傾向已使巨型高層建築與多功能建築隨處可見,這就要求我們在有限的空間內要高效低耗地組織好各部分的關係,使得這些空間可以適應多種功能。建築師沒有理由在複雜的功能組合中浪費空間和材料,也沒有理由不向大自然這位老師學習。

建築形式

建築形式的仿生則最為常見,它不僅可以取得新穎的造型,而且往往也能為發揮新結構體系的作用創造出非凡的效果。最早應用仿生形式的近代建築師是西班牙人高迪(Antonio Gaudi),他在巴塞羅納設計了許多帶有明顯動物骨骼形式的公寓建築,隱喻著這座海濱城市戰勝蛟龍的古老傳說。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。埃羅。薩里寧(EeroSaarinen)於1958年所作的美國耶魯大學冰球館形如海龜,1961年所作的紐約環球航空公司航站樓形如飛鳥,也都是舉世矚目的例子。在1964年丹下健三在東京建造的奧運會游泳館與球類比賽館,利用懸索結構仿貝殼體形,使功能、結構與造型達到有機結合,令人耳目一新,成為建築藝術作品的優秀範例。賴特是一位善於結合自然環境的建築師,他在1944年設計建造的威斯康星州雅可布斯別墅,就是把住宅仿照地面菌菇類植物進行設計的,給人以自然的形態,達到和環境融為一體的境界。此外,又如薩巴(FariburzSahba)在1975 —1987年建成的印度德里的母親廟(MotherTemple)則是仿自一朵荷花的造型,它表達了聖潔與優美的形象,成為周圍環境的主要標誌。

建築形式的仿生是創新的一種有效方法,它是通過研究生物千姿百態的規律后而探討在建築上應用的可能性,這不僅要使功能、結構與新形式有機融合,而且還應是超越模仿而升華為創造的一種過程。上述建築師的作品無疑值得在建築創作中借鑒的,只要我們善於觀察和吸收自然界中千變萬化現象的內在規律,我們就能有取之不盡的源泉。遺憾的是也經常會出現一些簡單模仿某一形象的作品,如1974年建的京都人臉住宅,還有美國的許多「熱狗」快餐店的具象廣告式建築,這些都已背離了建築仿生的意義,只是一種單純追求新奇噱頭的效果,它既無創新的價值,也不能與周圍生態環境取得協調,是一種建築文化的糟粕,這是需要引以為戒的。

結構

工程師嘗試

在結構仿生方面,先進的工程師們在近幾十年來已取得了非凡的成就,他們比建築師更善於觀察自然界的一切生態規律,已應用現代技術創造了一系列嶄新的仿生結構體系。從一滴水珠和一個蛋殼看到了其自由拋物線型曲面的張力與薄壁高強的性能;從一片樹葉的葉脈發現了其交叉網狀的支撐組織肌理,這些對建築結構的創新設計都是十分有益的啟示。

1947—1949年義大利結構工程師奈爾維和建築師巴托利(NerviandBartoli)設計的義大利都靈展覽館的巨形拱頂就是仿葉脈肌理而建造起來的,混凝土骨架和玻璃格組成的拱頂寬 93.6m,長75m.奈爾維和維特羅西(A.Vitelozzi)於1957年建造的羅馬奧運會小體育宮,半圓形彎頂直徑60m,內部採用了鋼筋混凝土網格的結構系統,就是受葵花的啟發,不僅用材經濟,受力合理,而且創造了內部裝飾新穎的效果。小體育宮的外部則從人類腿骨的受力分析中得到啟示,創造了一圈丫形支撐體系,使空間結構與建築藝術形式的虛實結合達到了完美的統一。1960年奈爾維又建成了羅馬奧運會的大體育宮,半圓形彎頂直徑達到98.4m,可容納16000觀眾,內部採用放射形拱肋的構造形式支撐著上部的混凝土彎頂,頂厚只有6cm.同部看去既象一朵花,也象是密密麻麻的葉脈網,成功地使現代技術與使用功能、裝飾藝術達到有機的結合。對比公元120—124年建成的羅馬萬神廟,半圓形彎頂直徑為43.2m,混凝土厚度則為1.2m,這充分說明了建築技術運用仿生原理所取得的巨大進步。奈爾維既是一位聞名遐邇的結構工程師,也是一位卓越的建築師,他的創造性在很大程度上就是得益於向自然界學習。

美國結構工程師富勒(Buckminster Fuller)是另一位有創造性的人物。他從自然界中的結晶體與蜂窩的棱形結構中獲得啟示,創造了一系列驚人的大空間結構作品。1958年他在美國巴吞魯日(Baton Rouge,LA)建造的聯合油罐車公司的巨大彎頂,直徑達115.2m,就是應用晶體結構的原理建造的。1967年富勒和塞道(Fullerand Sadao)一起建造的加拿大蒙特利爾國際博覽會的美國館,是一座球體建築,在當時展覽會上極為引人注目。他很可能是模擬一種深海魚類的網狀骨骼和放射蟲的組織結構,創造了立體網架的短線彎窿,高度達60m,直徑為76.2m,彎窿外部用塑料敷貼,並可啟閉,夜間燈光照亮,通體透明,猶如星球落地。

紐約環球航空公司航站樓不僅是外形仿生的著名作品,而且埃羅。薩里寧還和威廉。加德納(William Gardner)在結構上建造四瓣組合式薄殼,中間有縫隙採光,四瓣薄殼則由下部的丫形柱支撐,這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。航站樓應用這種結構肌理不僅解決了自由曲線造型的難點,而且在結構與形式上又能達到有機的融合,這是值得建築師們注意的。並不需為了建築的某種造型就一定要犧牲結構的合理性,相反,有機的結構與新穎的形式可以相互共生。

德國結構工程師奧托(FreiOtto)於1967 年在加拿大蒙特利爾國際博覽會上建造的德國館,象一群帳篷式的建築物,這是用網索結構仿蜘蛛網形的支撐體系,上面用塑料面層復蓋,造型非常特殊,它可以有利於作為臨時性建築的裝卸。1972年的慕尼黑奧運會的體育場館也運用了這一結構形式。由於他善於使用這種結構類型,因此也有人稱他為「蜘蛛人」。這種蛛網形的網索結構後來還發展為帆布張力結構系統,與帳篷形式更為接近。

建築師的嘗試

其實,建築師中也不乏在結構上應用仿生的例子,勒。柯布西耶早年大量使用的雞腿柱和框架懸挑的結構系統無疑是從動物腿骨支撐所得到的啟示,1931年他在巴黎附近波依西(Poissy)建造的薩伏伊別墅(VillaSavoye)就是這種結構系統的體現,至今仍被人們所稱頌。

賴特是眾所周知的建築大師,他早年曾攻讀過結構專業,因此能在建築造型與結構體系的融合方面運用自如。1950 年他設計建造的威斯康星州約翰遜制蠟公司試驗樓(HelioLaboratoryandResearehTower,Racine,Wisc.)就是仿樹狀結構特點,把主要支承結構放在建築中央,四周樓板懸挑,外表形成幕牆,取得了新穎效果。應用同樣原理,賴特在1956年還大膽設想了1英里高的摩天樓方案。

在結構仿生方面,最值得稱頌的還是後起之秀,年輕的西班牙建築師聖地亞哥。卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)。他於1951年出生在西班牙的巴倫西亞,曾在當地的建築學院建築學專業畢業,後人瑞士蘇黎世大學土木系學習結構工程,畢業后又於 1981年獲該校建築系技術科學博士學位。他的博士論文題是「結構的可摺疊性」。畢業后他留居瑞士開業,繼續致力於摺疊結構與仿生結構的實踐,他觀察狗的骨架和腿的活動支撐,已作出了許多可喜的成就。他在1983年建造的瑞士盧塞恩市郵局前的大雨蓬就是最早應用活動關節的實踐。1986—1987年他在巴塞爾市一座中世紀古建築的改建中,將咖啡廳上的天花鋼樑架做成仿動物骨架的自由曲線,既有著新穎的觀賞效果,又能符合受力的特性,是一種大膽的嘗試。此後,他在1987年為加拿大多倫多市建造的BCE文化廣場大廈,創造性地模仿了樹榦分叉的生長肌理,設計了兩邊的支柱與頂柵的弧形肋架,取得了非凡的藝術效果。1991—1992年他在西班牙的塞維利亞1992年國際博覽會為科威特設計的展覽館,其屋頂是可自由啟閉的結構,模擬著動物關節的自由運動。夜間屋頂肋架敞開,下面平台上便可進行露天的各種活動,它不僅在結構與功能上能夠有機結合,而且也給人以無限的遐想。1989—1993年他在為法國里昂塞托拉斯機場(SatolasAirport)附近的鐵路車站設計建造中,完全應用了動物骨架的結構原理,充分發揮了節省材料提高效能的特性,並且造型新穎,令人刮目。此外,他還為1992年巴塞羅納奧運會設計建造最有標誌性的電訊塔,也是吸取了植物干莖自由平衡的形態而獲得新穎構思的。

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