生物仿生技术在建筑工程领域的应用与进展

【摘 要】生物仿生技术已成为全球研究和开发的热点，由于其优良的特性，在建筑工程领域也显示了广阔的应用前景，本文介绍了生物仿生技术在建筑工程领域中的应用与进展，分别从形态仿生、结构仿生、仿生材料和功能仿生等方面分析了生物仿生技术在建筑设计中的应用现状。

【关键词】生物仿生技术;建筑工程;应用现状

中图分类号： R318 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0204-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.097

【Abstract】Bionics has become the hotspot of study and development.Due to the advanced characteristics of Bionics，its use has been also becoming more and more widespread in the field of construction engineering.This paper introduces the application and advance of bionics in construction engineering.and analyzes the application status of the bionics in the architecture design from aspects of the bionic form， bionic structure，biomimetic materials and bionic function.

【Key words】Bionics;Construction Engineering;Application status

0 前言

随着科学技术的发展与人们对生物学的深入研究，生物仿生技术自20世纪六十年代诞生以来得到了迅速发展，在工业、生物医学、军事武器、信息、农业、建筑工程等领域获得了广泛的应用。科研人员将生物仿生技术应用于建筑工程中，提高了建筑工程的质量和美学水平，产生了大量精美的建筑作品和丰富的理论，对建筑领域的发展带来极大促进作用，生物仿生技术在建筑领域的应用形式十分丰富，具有广阔的发展前景，本文概况地介绍生物仿生技术及其在国内外在建筑工程领域的应用现状。

1 生物仿生技术的发展概况

生物仿生技术是模仿自然界生物的结构、形态、行为、原理、功能、体内的物理和化学过程、能量的供给、记忆与传递等特殊本领，为科学技术和工程中利用这些原理提供新的设计思想、工作原理、系统架构的技术。自古以来，人类就从自然界中汲取灵感发展了各种技术、工程理论和重大的发明。从20世纪五十年代以来人们开始自觉地将生物系统作为各种技术思想、设计原理和创造发明主要途径。1960年9月美国科学家斯蒂尔在第一次生物学会议上首先提出“仿生学”的概念，自此生物仿生技术成为一门独立的学科。生物仿生技术研究方向主要集中在力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等方面。对生物仿生技术的深入研究为其应用开拓了更广阔的应用前景。

2 生物仿生技术在建筑工程领域的应用

生物仿生技术的出现为建筑工程与设计方法开辟了崭新的发展之路，能够实现技术与艺术、力学与美学结合。目前生物仿生技术已成功地应用于许多建筑工程，越来越多的建筑设计师将生物仿生技术运用到建筑设计当中。目前，按照生物仿生技术在建筑工程领域的表现和应用方式，可以分为形态仿生、结构仿生、仿生材料、功能仿生四个方面。生物仿生技术在建筑领域的广泛应用丰富和完善了建筑的处理手法，促进了建筑形体结构和建筑功能布局的高效设计。

2.1 建筑形态仿生

形态仿生是建筑工程领域最直接的仿生类型，它以人类美学为出发点，主要通过模仿生物的形态造型，创造出生动的建筑设计形象，给人以生动、有趣、愉悦的感受。

目前建筑形态仿生主要从具象模仿和抽象转换两个方面加以应用。具象模仿是建筑设计师将设计加工之后的自然形态运用于建筑设计当中，是一种对自然界的简单临摹。通过这种方法设计与建造的建筑往往十分强烈的亲切感。我国古代建筑中大量使用动物和植物纹，不仅具有丰富的内涵，还寄托有美好的愿望。美国威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼仿照菌菇类植物的结构特点建造，实验楼的主要支承结构位于建筑中央，楼板悬挑类似菌菇类结构。抽象转换是将通过艺术加工后的自然形态运用于建筑造型设计当中，代表性的抽象转换的仿生设计是法国建筑大师柯布西耶设计的朗香教堂，設计师从一枚蟹壳得到灵感，教堂的屋顶边缘像壳一样向上弯曲，模拟人耳的教堂的平面象征着上帝对信徒祈祷的倾听。

印度首都新德里莲花寺的设计灵感来自莲花，建筑由27瓣大理石莲花组成，其中每三个一组，形成9个类似莲花的侧面，中庭可以容纳两千五百余人。在我国现代仿生建筑中，天津博物馆比较有代表性，它是一座仿生薄壳式建筑，借鉴天鹅的骨架结构，形成一种可呼吸的建筑结构，其主体结构基础采用钢筋混凝土灌注桩，屋盖结构采用了由62根钢柱支撑的多点二力杆加周边斜撑的支撑体系，可自由伸缩的网架，形成可呼吸结构。

2.2 建筑结构仿生

结构仿生是生物仿生技术在建筑工程领域最主要的应用之一，在大跨度建筑设计中通过合理应用结构仿生提升大跨度建筑工程施工质量，降低建筑结构失稳现象的发生。结构仿生在大型公共建筑设计中主要体现在形态设计、结构设计、节能设计三个方面的应用。通过结构仿生，建筑物既可以获得新颖的外观造型，又可以发挥结构上的非凡效果，设计师们效法自然创造了无数结构仿生的建筑。

位于上海浦东新区的金茂大厦是典型的结构仿生设计的例子，其外形和内部结构模拟竹子的中空结构。多伦多的BCE文化广场大厦模仿了树干分叉的生长肌理，采用了两边的支柱与顶棚的弧形肋架设计，体现出非凡的艺术效果。纽约环球航空公司航站楼主体采用由丫形柱支撑的四瓣组合式薄壳，光线可以从薄壳间的缝隙穿过，这个独特的结构类似人的头盖骨的拼合结构，其结构机理完美呈现了自由曲线造型，在结构与形式上达到了有机融合。1992年巴塞罗那奥运会的电讯塔设计构思来自植物干茎平衡的形态，形成了结构和功能的完美结合，而且还给予人们无限想象空间。

2.3 建筑仿生材料

仿生材料是一种新型功能材料，它是基于生物的结构组织与机能而设计制造的人工材料。仿生材料主要在功能、结构、色彩、形态、化学成分等方面模拟生物而获得应用。仿生材料主要关联低层次的生物科学，建筑工程中主要在结构功能仿生和生理功能仿生两个方面利用仿生材料。

模拟甲虫的鞘翅板三维结构，制备的农作物秸秆夹层混凝土夹芯板，具有较高的力学和保温性能。模仿蜂巢结构，开发的加气混凝土砌块主要以水泥和其他工业废弃物为原料，利用加气剂的发泡作用，在混凝土中形成无数气泡，利用这个方法得到砌块兼具保温、隔热、防潮的功能，是传统黏土砖的理想替代品。

托马斯赫尔佐格根据北极熊生理结构研究出透明保温材料，该材料使用半透明的热阻材料作为立面的一部分，紧邻半透明热阻材料墙面涂成黑色，黑色的墙面可以吸收穿过半透明热阻材料的太阳光，将热量传递给室内，这样外墙就成了吸收热量的构件。在现代园林设计中也大量使用仿生材料，设计师往往通过模仿诸如竹子、木头、石头等仿生材料体现出园林风格的整体性与多样性，丰富园林景观的文化内涵。

2.4 建筑功能仿生

功能仿生是一种较高层次的仿生形式，是将自然界中生物体的运动和新陈代谢过程中机体的各个系统运行原理应用于建筑功能，在建筑工程领域中，使用功能方面的仿生應用比较普遍，表现形式也呈现多样化，功能仿生主要应用类推的方法，汲取自然界中生物的功能特点，使建筑在空间布局上灵活多变。

典型的功能仿生建筑工程有德国不来梅高层公寓，其平面模仿蝴蝶，建筑物服务部分与卧室部分分别模拟蝶身与翅膀，这种布局表现了新颖的空间布局和多变的空间造型。德国建筑师特多特霍斯特根据向日葵的生态原理设计的太阳跟踪住宅，住宅在计算机控制下像向日葵一样始终向着太阳以便充分利用太阳能。德国慕尼黑BMW公司办公楼模拟竹子中空结构的支撑与传输功能，圆筒结构即起到建筑物支撑作用又有竖向交通的功能。高约527米的美国芝加哥西尔斯大厦的设计灵感来自竹子的节理和向上生长高度的关系，西尔斯大厦创新性地使用了筒套箍结构，将生物功能与建筑结构的有机结合发挥得淋漓尽致。英国的滑铁卢国际火车站运用动力学原理，模仿穿山甲或披甲蜥蜴等动物的鳞片结构，设计了鳞状物表皮结构，使搭接材料在三个向度上都可以活动，这个结构有效地缓解了由火车巨大质量和到站减速引起的偏转力的问题。

3 结束语

随着信息技术、人工智能、材料学、纳米技术、生物技术、建筑技术的发展，必将引起诸如建筑材料、建筑设备、建筑结构、建筑设计方法和手段的变革。势必促进生物仿生技术与建筑工程设计结合的深度和广度，通过合理运用生物仿生技术，未来将创造出更新颖和适应环境的生态建筑。

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