仿生理念在桥梁设计中的应用研究

戴珏

【摘要】大自然的巧夺天工远远超出人类对其的理解，因此工程设计必要时可以借鉴大自然的规律，将仿生理念融入到工程设计中去。本文结合本人的设计经验，分析了仿生理念在桥梁设计中的应用，希望能够为广大桥梁设计人员提供参考。

【关键词】仿生理念；桥梁设计；应用

一、引言

桥梁工程是市政设施建设的基础组成部分，桥梁工程发展至今已有两百多年的历史。就国外而言，欧美桥梁工程事业已经经历了几次较大变革，包括跨度、材料、结构等方面的改良。如何利用最少的人力物力建设出高质量、高安全度的桥梁是每个国家的工程师都在追求的终极目标。经过工程领域内反反复复的尝试，桥梁设计仍然无法达到这种理想状态。于是，相关专业人员开始借鉴自然界的资源来进行对桥梁的改善。工程人员观察到自然界的动植物、矿物等虽然没有思想，却具有相对完美的构成形式，这些形式可以普遍应用到工程设计中，因此十分值得我们工程人员去研究和借鉴。目前，仿生学已较普遍地应用于桥梁设计领域，成为了一门正式的学科，这门交叉学科也为桥梁设计师提供了宝贵的设计灵感。

二、仿生理念的涵义

仿生学是人类对自然界生物自身形式或其运动状态进行模仿，利用其相似性来发明创造的一种学科。就目前而言，仿生学已经被应用到很多学科中，包括生物学、化学、工程学等，并在各自领域均发挥了重要的作用。自然界是一切生物的起源地，可以发现，自然界蕴含着宇宙的智慧，也正因如此，自然界中生物的组成结构往往比科学发明更先进。仿生理念将自然界的智慧与各个学科相结合，更好的推动了科学的发展。在桥梁设计领域，桥梁设计师把感性层次的的自然智慧转化为可以度量的理性数据，经过总结分析形成一门系统的桥梁学科，以指导桥梁设计人员的桥梁设计工作。

桥梁设计是工程质量的前期保证，一是关系到后期的施工，二是关系到人们的安全使用问题。桥梁设计师作为桥梁设计的主体，对桥梁设计的质量以及安全都起到关键作用，而设计师的设计理念更是对桥梁的外观和结构起到决定性的作用。仿生学作为一门先进的学科，已经被应用到各行各业，并得到了很好的反响，因此，一个具有仿生学理念的桥梁设计师必然会更好地实现桥梁功能与造型的不断创新，这对于推动我国桥梁事业顺利发展具有十分重要的意义。

三、仿生理念在桥梁设计中的应用研究

人源于自然，因此从潜意识里对自然有一种难以言说的亲近感和归属感，因此在桥梁设计工作中，很多思路和理念都来自于自然界，如果仔细观察目前的桥梁，可以发现，有些桥梁造型与自然界的某些事物具有惊人的相似性，这也从另外一个角度说明仿生学在桥梁设计中已经占据着重要的地位。仿生学可以分为宏观仿生和微观仿生两大类，同样的，在桥梁设计中亦包含以上两类。然而，不管是宏观仿生还是微观仿生，按照应用来分，均大致可分为三个层面，即功能机理仿生、形态仿生以及结构仿生。

（一）仿生理念在桥梁功能机理中的应用

仿生学中研究的生物，主要指的就是自然界中的动植物，而对动植物的机理研究又是仿生学的重要内容之一。机理研究主要研究与动植物相关的力学、动植物的运动形式以及植物的能量转换等。事实上，这类仿生人们很早以前就已经参与研究，例如参照鸟类的翅膀来对飞机两翼进行设计。值得注意的是，科学发明与自然生物之间虽然有很多通性，但是毕竟存在着一定的差异，因此仿生学的发展并不只是一个纯粹模仿的短期过程，而必须经历一个不断纠偏和调整的长期阶段才能达到较为理想的效果。

显而易见，桥梁在使用阶段，桥梁的可靠性和耐久性对桥梁自身的正常使用起着决定性作用，为了确保桥梁使用阶段的质量和安全，在桥梁设计阶段就必须全面考虑到这些影响因素，并寻找出解决方案。研究表明，参照动植物的机理来进行桥梁设计可以有效地解决桥梁设计问题，一个成功案例是德国一所大学的生物研究，研究人员对某种巨型植物的刚度进行试验，发现这种巨型植物能够调整自身的结构和形态来适应外界的压力，于是研究人员得到灵感，将此原理应用于大跨度桥梁的桥墩和桥塔，使得设计出来的桥梁能够很好地协调各个方面的压力，从而发明出有生命特征的大跨度桥梁，对当代桥梁设计的创新起到了很好的推动作用。

（二）仿生理念在桥梁形态上的应用

最早的仿生学桥梁设计师对仿生桥梁的设计是一种纯粹的模仿，设计出来的桥梁形象怪异，甚至有些脱离实际，造成施工难度很大，有的根本无法与施工技术相匹配。随着设计人员设计理念的成熟，桥梁设计师渐渐意识到，仿生学在桥梁建筑中的应用，需要立足于实际状况进行设计，脱离实际的形态仿生是完全没有应用价值的，也是完全没有意义的。例如，尽管自然界中很多的生物形态具有很好的仿效价值，然而在实际的桥梁施工中，则很容易面临负荷超重，结构复杂，没有可靠的施工技术等问题，因此在桥梁设计中，必须根据现实需求科学合理地运用仿生学理论，严格分析其可行性，确定其实际可行了之后才能进行桥梁的设计工作。

（三）仿生理念在桥梁结构中的应用

如果注意观察，可以发现在生物界中，有许多动物的骨骼结构、植物的外形结构均对桥梁的结构设计有很好的参考作用。另外，随着生物学科的迅速发展，生物知识不断在日常生活中普及，人们也逐渐认识到了自然界中更多的生物结构形态，而这些结构形态无疑为桥梁的结构设计提供了更多的设计思路，如果可以将这些生物结构应用于桥梁结构，则桥梁设计必定会有愈加广阔的发展空间。自然界的生物充满了宇宙的智慧，许多结构均有完美的对称性和实用性，一旦将这些原则恰当地运用到桥梁设计中，那么必定可以设计出低耗能、高质量并拥有美好外观的新型桥梁。

四、结语

大自然是一位充满智慧的导师，拥有无穷无尽的知识让人类去挖掘和学习。可以发现，日常生活中各种产品的设计灵感均或多或少受到大自然的启示。同样，桥梁设计中仿生理念的应用对于我国桥梁设计的发展将起到不可低估的推动作用，这种新型的设计理念为桥梁设计师们提供了和谐、新颖的设计思路，也是我国“科技强国、创新强国”战略在桥梁事业中的具体實践。

参考文献

[1]高聚福.空间结构仿生工程学的研究[D].天津：天津大学，2012.

[2]马修·韦尔斯.世界著名桥梁设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.35～37.

[3]刘福林. 生物群落结构原型的仿生学模拟[J]. 生态经济，2008，16（7）：151～154.

[4]王书荣. 自然的启示[M]. 上海：上海科学技术出版社，1978.18～21.

[5]孙久荣，戴振东. 仿生学的现状和未来[J]. 生物物理学报，20011，23（2）：109～115.

[6]胡楠.仿生方法在桥梁设计与优化中的应用研究[D].长沙：中南大学，2010.

[7]陈飞.仿生学原理在空间结构中的应用与展望[J].交通科技，2013，42（10）：5～8.

[8]张伟.浅谈仿生学在桥梁设计中的应用探讨[J].科技风，2013，3（1）：21～23.