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仿生学在建筑中的应用

关于仿生工程学在土木工程上的应用，根据学生的理解和总结，分为五个方面:

1)形态仿生;2)力学仿生;3)材料仿生;4)功能仿生;5)施工仿生。形态仿生

(MorphologicalBionics)

这是人们通常在一般意义上对于仿生学的理解。而且这方面的范例枚不胜举。

我们的祖先构木为巢是从树上的鸟窠启发而来的，由此出现现在的传统民居，地下

架空，楼上居住的防水、防潮、防禽兽的干阑建筑，现代广泛应用到底层架空作休

闲健美娱乐，楼上商场、办公、公寓的现代建筑中去。美国肯尼迪机场候机大楼造

型像展翅待飞的鹏鸟，飞机是人类目前最佳空中交通工具，旅客远眺候机楼获得的

心理感受又能达到行为目的非常明确，同时又获得美的享受。

生物体都是有由各自的形态和功能相结合而成为具有生命的有机整体，其构成

原则必须准确地遵循物理规律，生物体的各器官不仅仅要进行生命活动所必须的新

陈代谢作用，而且要承受外界和自身内部的水平和垂直荷载，比如哺乳动物是通过

的骨骼承受自身的重力和外界其他的作用，而植物则是通过自身的枝、干、根来抵

抗水平和垂直作用的各种荷载。

树枝和叶片以及载有果实的树枝必须呈现出有弹性的弯曲，我们的手臂在承受

重量时就表现出非常直观的肌肉弹性和收缩。同样是一个圆锥形体的树干为我们揭

示了直立稳定性能的原理。

这一有关形态和构成原理，在大自然中是极其重要的发展规律，应用到建筑和

空间结构领域中，构成原则的改变将使得建筑结构无论在形态还是质量上都会得到

提高。不仅在自然界，尤其是在建筑领域，形态、构成和材料的作用都是极为重要

的。自然界中到处都在贯彻着这样一条原则:以最少的材料、最合理的形式，取得

最大程度的效果。

形态仿生的研究和应用很少模仿细节，而是通过对生命系统的构造和工作原理

进行研究，从中总结出形态仿生的科学规律。

形态仿生的主要内容有以下两个方面:

1)空间结构的整体形态

2)结构构件的形态

其中整体形态是人们所喜闻乐见的。

仿生形态是机能形态的一种形式。仿生形态既有一般形态的组织结构和功能要

素，同时又区别于一般形态，它来自于设计师对生物形态、结构的模拟应用，是受

大自然启示的结果。人类生活在自然界，与周围的生物为“邻居”，这些生物各种

各样的奇异本领，自古以来吸引着人们去想象和模仿、制造简单的生产工具，营造

居所。

仿生形态设计是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改

进其功能、形态，而创造的更优良、多样化的形态。因此，人类造物的信息源都是

来自于大自然的仿生模拟创造。尤其是当今的信息时代，人们对产品设计的要求不

同于过去，只注意功能的优异领先，而是追求清新、淳朴，注重返朴归真和探讨个

性的自律。提倡仿生设计，让设计回归自然，赋予设计形态以生命的象征是人类对

精神需求所达到的共识。

在建筑结构仿生方面，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成规律，已经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机理，所有这些现

象都会对建筑结构的创新设计有着十分有益的启示。

任何建筑物的结构型式可以归纳为三种最基本的类型，即实体结构、骨架结构

和面系结构。实体结构是用实体元件围蔽成建筑空间，是一种最为直觉醒目的结构

形式，见之于人类建筑历史的各个阶段;如最为原始、典型的原始人类洞穴和某些

地区居民的窑洞等。组成骨架结构的元件是长度远大于其截面尺寸的细长杆件，如

梁、柱和拉压杆等的杆系结构。面系结构近代晚期才出现，它非体非杆，而是介于

体杆之间的一种新的结构型式，最主要的面系结构如壳和板等。

这些结构都可以在大自然的生物结构中找到它们的原型，自然界早就大量存在

着各种各样的结构典型。人类穴居时代的住房都是自然形成的土穴与岩洞。自从人

类有了工具之后，就开始模仿和仿效天然结构的外形，挖掘人造穴居，继而揣摩其

所以然，甚至创新、发明，用树干、竹杆、条石等材料立柱架梁建居所。自然界不

仅存在着明显的梁、柱、拱等基本构件的典型，还潜伏着现代结构的雏形。这是自

然给建筑工作者们以有益的启示。人们已经发现，传统建筑的梁板支撑体系实际上

是一种不经济的结构型式，而且也不能满足现代社会对大跨度空间的要求。因此，

从仿生学的角度研究和发展结构型式，无疑有其不言而喻的合理性和简捷性。