生态仿生建筑的设计方法.pdf

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1、Industrial Construction Vol. 39, Supplement, 2009? ? ?工业建筑? 2009 年第 39 卷增刊 生态仿生建筑的设计方法 胡卫华1? 张海燕2 (1? 中国建筑标准设计研究院, 北京工业大学建筑与城市规划学院, 北京? 100044; 2 ? 山东省临沂市规划建筑设计研究院, 山东临沂? 276000) 摘? 要: 生态仿生建筑设计是生态建筑设计的重要手段之一。首先界定了仿生设计、 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, 然后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

2、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; 生态建筑; 仿生设计; 策略 DESIGN METHOD OF BIONIC ARCOLOGY Hu Weihua1? Zhang Haiyan2 (1. China Institute of Bailding Design 2. Shandong Linyi Arckitectural Plan arcology; bionic design; strategy 第一作者: 胡卫华, 男, 1976年出生, 建筑师。 收稿日期: 2009- 03- 30 1? 概 ? 述 1 ?1? 研究背景和意义 仿生设计是生

3、态建筑设计的重要方法之一, 生 态建筑的技术原理多能在自然界找到原型。生物体 经过亿万年进化已适应生存环境, 其生存机制自然 具备合理性。因此, 生态建筑运用仿生设计来完善 和拓展设计策略是高效而科学的途径。 现阶段我国对生态仿生建筑的理论缺乏较系统 深入的研究, 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。 1 ?2? 相关概念 ? 仿生学( Bionics) ?是? 人类模仿生物系统的原理 来设计或建造技术系统, 或者使人造技术系统具有或 类似于生物系统特征的一门科学。 ?仿生设计( Bionics Design)即是研究生物系统

4、的结构、 功能、 能量转换、 信息传输和控制等各种优异原理, 并将其应用到技术 系统, 来解决科学疑难问题、 改善技术工程设备和工 艺、 研制自动化装置和建筑技术的综合学科。仿生建 筑即是仿生设计运用于建筑学领域的体现。 我国建设部将生态建筑定义为? 在建筑全寿命 周期内( 规划、 设计、 建造、 运营、 拆除、 再利用) , 通过 高新技术和先进适用技术的研究开发与集成应用, 降低资源和能源的消耗, 减少废弃物的产生和对生 态环境的破坏, 为使用者提供健康、 舒适的工作与生 活环境, 最终实现与自然共生的建筑。 ? 生态仿生建筑即是借鉴生物体降低自身能耗、 适应生存环境的原理和独特功能来拓展

5、生态建筑的 设计思路和策略、 实现与自然共生的建筑。 1 ? 3? 生态建筑与生态仿生建筑的比较 生态仿生建筑是生态建筑与仿生建筑二者的交 集( 图 1) , 二者在对自然资源的态度、 与自然生态的 关系等方面具备相同之处。相异点主要是技术实现 的途径: 生态仿生建筑从技术和美学上更多地、 更直 接地借鉴自然界生物和非生物的生存机制和工作原 理( 见表 1) 。 55 表 1? 生态建筑与生态仿生建筑的比较 比较因素生态建筑生态仿生建筑 相同点 与自然生态的关系把人类视为生态系统的组成部分, 强调人与生态环境的和谐共处 对自然资源的态度必须考虑降低能耗、 资源的重复利用以及利用资源要注意保护生

6、态环境 相异点设计依据 依据环境效益和生态环境指标以及建 筑的功能、 性能、 经济成本 对生命物质和非生命物质中实质自然法则进行 研究, 结合建筑的功能、 性能、 经济等因素 设计目的 改善人类居住与生活环境, 创造自然、 经济、 社会的综合效益 在使用、 审美等各层面上创造与自然环境共生的 人工环境, 创造自然、 经济、 社会的综合效益 施工技术或工艺 考虑建材的可拆卸、 易回收和降解, 不 产生毒副作用并产生最少的废弃物 通过对? 自然材料? 的模仿, 生产绿色环保建材, 并综合考虑施工过程中的生态效益 图 1? 生态仿生建筑 2? 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

7、生物体降低 自身能耗、 适应环境的机制和原理, 并将其研究成果 运用到生态建筑中, 以实现建筑与自然系统共生的 目的。生态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, 而是通过对 其研究来归纳导致形式发生的各种因素和形式层面 下的机制原理? ? 实质上是把自然界的形式和表征 作为各种复杂因素交互作用后所产生的结果, 并将 其作为生态仿生建筑研究的切入点, 而不是研究的 终点。 生态仿生建筑研究的内容依附于自然科学和基 础科学的多学科基础之上, 并把仿生科研成果运用 于生态建筑领域: 从宏观层面的建筑空间结构到微 观层面的材料化学组成等多层次、 多角度的应用。 总体上大

8、致可归纳为生理机能、 结构原理和生态系 统三方面内容。 2 ?1? 生理机能 自然界经过亿万年的进化与发展, 不断完善各 部分功能和机制, 具备了各自存在的必然性与合理 性。这些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: 主 要包括生物体的适应性、 能量转换、 自组织性、 信息 传输和控制等方面。 2 ?2? 结构原理 生物体和非生物体经过亿万年的进化和演变, 其结构、 构成形式具有符合自然法则的完美合理性。 这些自然形成的结构形式是生态仿生建筑实现结构 经济性、 合理性所借鉴的原型。目前主要仿生结构 形式有壳体、 充气、 索膜、 纤维等结构形式。这些结

9、构形式以最少的资源消耗实现了最大的生态经济价 值。 2 ? 3? 生态系统 生物体是由若干子系统组成的协同系统, 这些 子系统彼此协同工作而产生循环代谢过程, 在降低 能耗、 自给自足的同时与外界进行物质和能量交换。 生态仿生建筑将自身看作相对独立的生命系统, 该 系统属于生态系统的有机组成部分, 同样具备生命 系统的整体性、 等级性和开放性特点。生态仿生建 筑更加注重研究建筑内部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? 生态仿生建筑设计的策略 3 ? 1? 集约化设计 集约化即用最少的物质消耗来实现尽可能多的 功效。生物物种的漫长进化过程是一个优胜劣汰的 过程, 在此过

10、程中生物体逐渐抛弃机体中冗余和不 合理的部分, 不断优化自身功能机制。集约化主要 体现为结构和空间的集约化。 结构的集约化: 结构对生物体起到支撑、 连接、 保护和分界作用, 生物体的结构尽可能少地占用本 身的资源来达到最大功效。据实验, 蜗牛壳体所能 承受的外界压力是其结构自重的 2 200 倍。同样, 建筑结构也应高强、 质轻、 经济和安全并尽可能实现 大跨度。目前结构仿生类型主要有壳体结构、 纤维 结构、 充气结构、 膜结构和空间骨架结构等。 富勒( Buckminster Fuller) 认为要? 少费多用 ( more with less)?, 即对有限的物质资源进行最充 分的设计以

11、满足人类长远需要。他认为自然界存在 着能以最少结构提供最大强度的向量系统。他于 1948 年发明了一种几何学的向量系统, 其基本单元 由四面角锥体与八面体聚合而成( 见图 2) , 可组合 成覆盖空间的最经济结构。运用这种原理设计成的 56 多面体张力杆件穹隆, 其构架总强度随着大小按对 数比增加, 因材料省、 重量轻而被广泛应用。 图 2? 几何向量系统的基本单元 空间的集约化: 生物体为自身建造的生存空间 具有集约化特征。1 600 年前, 数学家巴浦就发现 蜂巢结构是以质轻而薄的材料创造坚固和集约空间 的最经济空间形态。蜂巢的每个六角形单元空间能 在整块蜂巢上达到最大布置密度, 空间构成

12、达到集 约化。 3 ?2? 简洁化设计 生物体通常以最简洁的途径实现最高功效, 主 要表现为材料的简洁性和构造的简洁性。如, 贝壳 的抗张强度高达 1 000 kg/ cm2, 远大于水泥材料。 其成份只有 95% 的碳酸钙和 5% 的蛋白质, 两者粘 结成坚固的整体而无需加工。这启示人们研制化学 组成简单、 工艺简化、 减少能耗和环境污染的新型建 材。美国国家实验室研制出采用糠醛醇水溶性粘结 剂制成的高强度聚合物水泥, 可快速修补公路、 桥梁 和机场跑道, 体现了材料和施工的简洁性。 生物体的构造具有最简形式、 最少能耗、 最稳定 耐久和最多功能的特征。为此, 简化生态建筑的表 皮构造可降低

13、建筑施工、 运行和维护费用。高技术 生态建筑表皮的复杂构造、 高精度施工技术要求和 构件的易损耗导致了高昂的建筑造价。因此, 高技 术生态建筑通常需要很长的建造成本回收周期, 这 被某些专家指责为? 节约的浪费?。 变色龙皮肤的工作机制对生态建筑表皮构造的 简化具有启发意义。纽约康奈尔大学生物系的研究 者解释了变色龙的变色原理: 变色龙皮肤有三层色 素细胞, 最深一层细胞带有的黑色素可与上一层细 胞相互交融, 中间层细胞主要调控暗蓝色素, 最外层 细胞则主要是黄色素和红色素。色素细胞在神经的 刺激下使色素在各层间交融变换来实现变色龙身体 色彩的变化。 德国科学研究协会开发了带有? 集合感温层?

14、的 变色玻璃研究项目。这种材料类似变色龙皮肤的智 能性, 其透明度可随外界温度的改变而改变( 图 3) 。 由此可控制建筑内部的照度和得热, 无需机械装置、 计算机控制和运行维护能耗, 此研究成果给生态建 筑表皮构造的简化带来积极意义。 图 3? 温感玻璃材料 3 ? 3? 综合化设计 生物体的组织多兼具多种生理机能。如, 北极 熊的毛皮具备保温和吸收阳光热量的双重功能。其 基本构造为一层浅色透明的外皮和一层厚实的内 皮。内皮具将光能转化成热能的吸热作用, 外皮具 阻止体内热量外散的隔热作用。两层皮间的毛是将 空气层划分成较小容积空心小管, 确保高空气含量, 具理想的隔热作用( 见图 4) 。

15、中国国家游泳馆的表 皮设计体现了综合化: 类似细胞胀压原理的 ETFE 气枕单元和泡沫空间网架结构分为外层气枕、 空气 夹层和内层气枕, 同时满足了场馆的保温隔热、 自然 采光和通风等多种功能要求( 见图 5) 。 图 4? 北极熊的皮肤构造 图 5? 国家游泳馆 ET FE 气枕幕墙 动物的腔体器官通常具有功能综合性。如, 人 的鼻腔兼具呼吸、 温湿度调节、 清洁过滤、 嗅觉和发 声共鸣等功能。史蒂文 ? 霍尔( Steven Holl) 设计 的麻省理工学院学生公寓体现了空腔器官的特征。 建筑庞大体量的顶部和外墙布置了多个通往外界的 空腔( 见图 6) , 类似于建筑的腔体器官, 满足了建

16、筑 内部自然采光、 自然通风、 温度调节和共享空间等多 种功能。 3 ? 4? 适应性设计 适应性设计主要分为对生长的适应性和对气候 的适应性。 57 图 6? 麻省理工学院 Simmons Hall 对生长的适应性是指生态仿生建筑类似于动植 物生长特征那样, 具备满足建筑全生命周期内功能 变化和空间拓扑的适应能力。丹下健三、 黑川纪章 为代表的新陈代谢理论主张建筑服从于生物界基本 规律, 建筑、 城市应像生物那样不断新陈代谢。他们 强调事物的生长、 更新与衰亡, 把城市比作生物体的 生长和细胞分裂, 主张人类社会发展的生命性、 组织 性。东京中银舱体楼( 见图 7) 是以生长观点构思的 装配

17、式建筑。建筑由可根据使用者的愿望来增减变 更的 140 个六面体舱体组成。居室单元作为主要功 能空间, 设备与储藏空间单元化, 体现了类似于细胞 分裂和再生的适应性。 图 7? 东京中银舱体楼 美国生物学家 D? M ? 劳普指出, 生物体对环境 的适应具有不随意性, 它因自然选择的进化而更好 地适应其所生存的环境。在同一纬度的自然区域 中, 即使独立进化的物种也具有趋同的适应机制。 例如, 植物的叶片根据所处气候环境具有不同的表 面积( 见图 8) 。生态仿生建筑应具备这种气候的适 应性。生物体的体型系数达到集约化以控制自身热 损耗, 同时, 受空间静力学的影响, 生物的体型通常 为有机流线

18、形态。这一原理在福斯特设计的伦敦市 政厅上有所体现( Great London Authority) ( 见图 9) 。建筑整体为倾斜的卵状体, 比同等空间容积的 长方体建筑的体型系数小, 减少了冬季外围护结构 的热损耗, 提高了能源利用效率。幕墙的倾斜度根 据伦敦当地冬、 夏季太阳入射角和计算机模拟计算 而确定, 尽量减小幕墙夏季暴露在直射阳光下的面 积, 从而减少室内对太阳辐射热的吸收。 3 ?5? 自组织性设计 生命体区别于非生命物质的主要特点是自组织 性, 即自我选择、 自我调节、 自我保护和自我康复等 图8? 不同气候地区叶子形体特征 图 9? 伦敦市政厅 功能。自组织性设计主要体现

19、在对建筑内部状态及 外界环境做出的反应, 同时能够通过感知、 调整来适 应其所处的环境。 植物学家发现, 向日葵从发芽到花盘盛开之前 的期间具向阳性, 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 min) 。日 落后, 花盘缓慢向东回转, 大约在凌晨 3 时复位至东 向等待日出。德国建筑师特多? 特霍斯特设计的由 计算机控制的太阳跟踪住宅能像向日葵一样始终追 随太阳的运动方向以充分利用太阳能( 见图 10) 。 180吨重的建筑的基座是由地下室 6 根柱子支撑的 环形轨道, 6 个驱动器能在 9h 内将住宅旋转 180 ?, 夜晚又返至初始位置。 图10?

20、 德国弗来堡的旋转住宅 另外, 美国南加州大学的罗杰斯研究小组在建 筑的合成梁中埋置由电热控制的记忆合金纤维, 这 种纤维能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。美国研究人员还研制了 ( 下转第 78 页) 58 图 3? 单人连续竖向有节律跳跃时简化计算模型 图 4? 2 ? 5 Hz 下楼板峰值加速度反应曲线 图中 P0为跳跃人员的重量( 静止人员的重量 保守的取 1 kN) , 考虑动力因素取 3 kN; T 为跳跃 周期; 计算时按 0 ?5 Hz 的频率增量进行计算, 覆盖频 率范围为 2 ?5 Hz, 3?5

21、Hz , 求出跳跃激励作用下, 楼盖竖向振动反应的加速度峰值。计算结果如图 5 图 6 所示。最大加速度峰值如表 2 所示。 图 5? 3 ? 0 Hz 下楼盖峰值加速度反应曲线 图 6? 3 ? 5 Hz 下楼盖峰值加速度反应曲线 表 2? 按跳跃激励模型计算的峰值加速度 跳跃频率/ Hz加速度峰值/ ( mm/ s2) 2 ? 52 ? 953 3 ? 09 ? 854 3 ? 54 ? 154 ? 由表 2 可知, 当单人跳跃激励的跳跃频率为 3 Hz 时, 引起 的加速度峰值为 9?854 mm/ s2。按 20gal 控制, 当集体有节奏跳跃人数为 200/ 9 ?854= 20 人

22、左右时, 可能会引起跳跃点附近人员的不舒适 感, 出现这种情况的概率比较低。 4? 结? 论 通过比较 AISC- 11 推荐公式的计算结果和一 个数学模型时程分析的结果, 二者的结论是一致的, 该连廊的舒适度是满足要求的。 考虑到通常人是处于走动状态, 激励点的位置 在不断地改变; 感受峰值加速度的人与和激励点之 间有一定的距离; 并且, 人数较多时, 无法保证其运 动的节律相同等诸多因素, 上述计算值与实际情况 还有一定距离。 参考文献 1 美国 AISC- 11 ? ?基于人体舒适度的楼板振动?设计指南 S? 2 英国 BS6472? 建筑物振动对室内人员影响评估指南 S? ( 上接第

23、58 页) 充有粘结剂和抗蚀剂的水管或充满粘性液体并带有 多孔的中空纤维。当建筑结构出现裂缝或局部损伤 时, 水管或纤维就会随之破裂, 释放出的化合物把裂 缝填满并对损伤进行修补, 形成了? 自愈合混凝土结 构?。 4? 小 ? 结 生态仿生建筑的设计策略并不局限于生态建 筑, 生态问题是当代建筑普遍关注的方面。因此, 生 态仿生建筑设计研究具有更深远和普遍的意义。 在建筑技术层面上, 生态仿生建筑设计主要基 于电子、 化工和计算机等专业性较强的领域, 与狭义 建筑学的关系似乎并不直接。但作为将仿生学原理 运用到生态建筑设计中的建筑师, 必须了解掌握仿 生科学领域的研究成果。须知, 生态仿生建筑设计 是一个重要的趋势。 参考文献 1 戴志中. 建筑创作的构思解析- 生态? 仿生 M . 北京: 中国计划 出版社, 2006 ? 2 德 英格伯格? 弗拉格,托马斯? 赫尔佐格? 建筑+ 技术 M . 李保峰, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003 ? 3 美 M Raup D M Stanley S ? 古生物学原理 M . 武汉地质古生 物教研室译. 北京: 地质出版社, 1978 ? 78