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【摘 要】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.本文首先介绍了仿生设计、生态建筑和生态仿生建筑的概念,然后比较了生态建筑与生态仿生建筑的异同,最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方法,可供同行参考.
【关 键 词】生态仿生建筑；生态建筑；仿生设计；策略
前言
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.
一、概念
仿生学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.仿生设计即是研究生物系统的结构、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生态建筑的设计思路和策略、实现与自然共生的建筑.
二、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,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.
三、生态仿生建筑的实质和内容分析
生态仿生建筑的实质是研究自然界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.总体上大致可归纳为生理机能、结构原理和生态系统三方面内容.
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、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.这些结构形式以最少的资源消耗实现了最大的生态经济价值.
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.
四、生态仿生建筑设计的策略分析
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.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.
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.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.
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.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.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.建筑庞大体量的顶部和外墙布置了多个通往外界的空腔,类似于建筑的腔体器官,满足了建筑内部自然采光、自然通风、温度调节和共享空间等多种功能.
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.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.
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,同时能够通过感知、调整来适应其所处的环境.
五、结语
仿生设计是生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.