结构仿生的建筑形态研究

王码 曹洁

摘要：仿生建筑是当下人们对自然探索、总结规律并汲取经验，将其表达于建筑的形态及建造过程中的建筑手法。结构仿生作为仿生建筑设计的重要手法，在实际中得到了广泛应用。本文首先介绍了仿生建筑的概念，引入結构仿生的设计手法，进而通过总结梳理建筑形态的脉络，归纳出结构仿生的建筑形态逻辑，以供进一步研究参考。

关键词：仿生建筑，结构仿生，建筑形态，形态逻辑

1仿生建筑

1.1 理论背景

建筑的新材料新结构往往的促进社会的变革，新的社会生产方式反过来促进建筑的新型结构、材料、构造技术的出现，引发建筑形式在设计师反复探索中取得变革。目前生态学、仿生学等学科得到了应有的重视，城市结构与建筑环境与生态特征紧密联系，富含生态观念的新兴思想给予建筑造型与空间场所全新的诠释，建筑、环境、自然之间的联系更加密切。

1.2 理念依据

人类面临着严重的资源能源短缺，建筑设计应更趋于绿色节能、经济环保。仿生建筑理念的先进之处在于采取技术手段达到建筑与自然环境的紧密结合。仿生建筑的设计理念依据就在于对建筑极其相关的交叉学科的运用，同时对于先进技术的掌握。

2 仿生建筑的类型

2.1功能仿生

功能仿生是指建筑设计中对自然界中的生物功能进行模仿，向大自然学习功能的整合统一。通过对功能元素的解析模拟，在复杂的功能组合中探索节约材料创造趣味空间的灵感。

2.2形式仿生

形式仿生是指建筑形式对于自然形态进行模仿，模仿大自然中丰富形态中的某些点，通过合理适当的技术运用，将自然原型的丰富视觉感官进行模拟。优秀的形式仿生并不是原样照搬，而是首先进行科学分析，对充分研究千姿百态的生物特征，把握形式规律，将特征规律运用于视觉形式的模拟。

2.3结构仿生

结构仿生是指对于自然界物象的材料、结构、力学等关系特性进行汲取灵感，达到对材料性能的重新认知，实现传统结构难以达到的功能要求。结构仿生通过结构的属性达到对生物结构的模仿，在设计中得到了广泛的应用，需要设计师处处留心，善于发现，捕捉不经意的灵感，创造出更加精彩的设计。

2.4材料仿生

材料仿生是指对自然界中生物体组成材料进行模仿。通过对材料的构造、特性的分析研究，提炼出创新理念的建筑材料。生物材料的构造、特性，是经过漫长岁月进化形成的具有很强的适应环境的性能，对材料的仿生也是创造良好生活环境、探索人与自然关系的突破点之一，很多基于此类研究的设计都做到了最大程度的保障人类的舒适度及建筑与自然环境的友好程度。

3结构仿生的建筑形态逻辑

3.1 结构仿生的研究

结构仿生是人类对于材料性能的重新认知，很多优秀的设计都是基于对于生物结构的模仿而取得了非凡的成就。如应用蛋壳、蜘蛛网、海螺壳等结构的原理，发展成为适应于大跨度的壳体结构、索网结构。

对建筑结构仿生的研究过程通常是从提炼生物原型、创建结构模型、到研究应用模型的具象到抽象、抽象到重构的过程。首先是研究内在联系，找出生物原型的外部形体、结构形式、内部构造等关系之间的联系；其次是定性向定量的研究转化，通过力学分析，高度提炼形体和构造，得到相应结构模型；随后才是构建的应用，是通过适当的组合方式将结构模型转化为应用模型，在实际构建的过程中需要考虑施工建造的方便可行。

3.2 结构仿生的建筑形态逻辑

结构仿生强调力学原理，结构仿生的建筑形态的模拟并不是单纯的对生物具体形体的照搬，而是通过充分研究结构逻辑，在结构模型的基础上衍生出的形态特征。

结构仿生的建筑形态逻辑是结构逻辑的衍生物，所以在一定程度上可以反映出生物的某些具象特征，同时在另一些方面上完全不用于生物原型。这种结构模拟的创新是基于结构与力学原理的支撑，通过设计师的灵感达到的多样创新。

本文将结构仿生的建筑形态逻辑总结为如下几种逻辑，便于进一步的理论研究：拓扑与传递、骨骼与运动、编织与机理、壳体的表面、细胞的胀压。

3.3拓扑与传递

自然界中的植物对于重力的克服，是一种生长态势，帮助植物抵抗外力的过多影响，经受自然环境的长时间考验，对于建筑结构设计具有借鉴参考作用。树木的荷载由树冠至小枝，再至树干逐层传递，这种树状结构在结构体系的应用能够帮助建筑物合理支撑并传递力量，能够在适当之处充分发挥各种材料的抗压性能。

拓扑是指一种几何图形特性，在建筑形态的研究中拓扑的关系研究的是一种力量的传递。在拓扑的结构图中以树状结构、蜂窝状结构为代表，具有生长的状态与物质能量的传递。同时筒体结构、刚臂加强层等等结构设计都是符合生物的结构逻辑做到的符合形体的拓扑与力量传递逻辑。

3.4 骨骼与运动

动物的骨骼由于运动状态的关系，具有动感的美感，同时由于生存的需要非常符合力学原理。骨骼与运动的建筑形态逻辑可以将外力有效进行引导并分散，类似于保护动物体内器官一样，高效合理的保证着建筑环境的安全与坚固。同时，具有运动的曲线形式往往是优美的内在逻辑的体现，既符合力学特性，安全高效，使内力分布均匀，又由于形式的连续性使得视觉在动感与均衡中寻求不同平常的美感，令人耳目一新。

3.5 编织与机理

编制不仅仅是作为人类的生产方式，自然界的蜘蛛、蜂鸟都是编织能手，一些植物例如松果也由于其具有编织机理相似的表皮，都可以成为人类对自然界模拟的对象。

建筑设计中对蜘蛛网构造的模拟产生出了悬索结构，对松果编织状螺旋形结构的模拟产生出了具有良好受力性能的高层建筑。

3.6 壳体的表面

自然界的壳体很多，人类通过对贝壳、海螺等的曲线结构模拟，研究其在外力作用下的表面应力分布。研究结果是高效低耗的薄壳结构、兼具薄壳结构与折板结构性能的扇贝形网壳结构等等富有新意，具有很高价值的结构体系。新型的研究成果在丰富了外在表现的同时，更合理的利用材料的力学性能，将各种荷载均转化为压力，充分发挥材料的力学性能，大大提高了结构效率，同时外形美观大方，内部空间新颖多变。

3.7 细胞的张力

细胞的胀压是通过借鉴模仿细胞、肥皂泡的一定外形与结构张力的作用关系，产生出如充气膜结构的受力传力结构体系。荷载通过受压气体传达至薄膜表面上，使表面各点均匀受力，能够最大限度地发挥材料的抗拉性能，减少耗材、减轻重量轻，广泛应用于各种临时性建筑和各种装置。

结语：

仿生建筑是从丰富多彩的自然界中汲取营养，再次重组并呈现某些自然界中物象的特点。结构仿生的建筑形体由于内在的结构逻辑源于自然界，其外在的形体即与自然界不尽相同。对自然界中物象结构的模仿要求设计师善于观察自然界中各种生物的结构，从中发现不同，从具象到抽象，从抽象到重组，产生更多的创意。结构仿生建筑的形体便是突破了欧几里德几何学的局限，形成的流动、自由、非匀质的全新形态。本文将结构仿生的建筑形态逻辑总结为拓扑与传递、骨骼与运动、编织与机理、壳体的表面、细胞的胀压。

参考文献：

[1]王雪松，王莉英，《建筑结构仿生的形体建构模式初探》，城市建筑，2007/08.

[2]李建军，谢剑，《结构仿生在建筑结构中的应用及其研究方法》，第20届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册），2011/11.

[3]卓新，董石麟，《海洋贝类仿生建筑的结构形体研究》，空间结构，2004/04.

作者简介：

王码，男，1976.04，西北农林科技大学水建学院土木工程专业毕业，现于河南省三门峡市规划勘测设计院工作。

曹洁，女，1979.06，西北农林科技大学水建学院土木工程专业毕业，现于河南省三门峡市规划勘测设计院工作。