仿生理念在桥梁设计中的应用

茅 晓 东

(临汾市交通勘察设计院，山西 临汾　041000)

1　仿生理念的概念

仿生学是一门学科，从古到今都被不同程度地应用到生产生活实践中，通过研究生物体的结构和生理功能，对其原理进行研究，然后将其原理应用到现在的生活生产中，以开发出新的设备和工具。其主要方法就是利用特殊的仿生技术来生产出适合学习生活和工作的新型产品，其原理和功能离不开生物的结构和生理功能。因为生物所具有的功能是在适应自然的过程中逐渐演变而来的，具有很大的优越性，并且比机械要好得多。如果将生物的一些功能巧妙地运用在工程建设中，则可以很好地提升工程的性能，并且让工程更加安全使用期限更长。仿生学理念可以很好地启发工程师的思维，引发新的创新点。现在在桥梁设计中也越来越多地采用了仿生理念，让桥梁设计结构更完整，并且耐受力和安全程度大幅度提升。可以说仿生设计理念的应用，大大增加了现代桥梁设计的人性化程度，并最大限度的促进了自然和人类社会的和谐发展。

2　桥梁仿真设计现状

2.1　设计方向

工程设计和生物体设计是现今桥梁设计的两大主题，这两大主题之间存在着可逆的关系。基于此，在进行桥梁设计时，设计者可以依据桥梁设计目标，从生态系统中找寻灵感，生态系统中与设计目标相似的机理和结构都可以被借鉴到桥梁设计中，如此一来，在提高桥梁设计水平的同时，也开拓了设计者的设计思路，提供了更为优秀的设计创意。

2.2　设计方法

在对桥梁进行实际设计时，生态学的基本理论需要被引入到桥梁设计当中，不管是设计者还是建设者，都需要对引入的生态学理论进行分析，并获得相关的结论。之后要结合桥梁设计的具体目标与生态学理论，最终得出最为科学合理的桥梁设计方法。在具体分析生态学理论时，最为重要的是建立一个与理论相对应的数学模型，这样便于对生态学基本规律进行更为深入的分析和阐述，之后要借助于先进的科技分析手段，实施模拟、研究与仿真，最终保证设计方案的良好的实用性。

3　仿生理念在桥梁设计中的应用

3.1　微观仿生的应用

3.1.1仿生功能和设计优化

仿生设计形式是整个桥梁结构设计中的薄弱环节，其地位也是十分重要的。我们知道，生命性是自然界生物的基本特征，但是桥梁工程是人为建造出来的建筑作品，其不具有生命特征，所以如何在功能上进行仿生设计是十分关键的问题，也是人们最为关注的。功能性的仿生设计是在研究自然生态规律和生长机制的基础上，需要将研究成果应用到建筑项目设计中去，实现生命体的有效转换。桥梁设计必须要保证桥梁的质量，这是桥梁设计的硬性要求，但是在其投入使用中多少都会受到自然因素的损害。随着桥梁建设规模的增大，桥梁跨度也在变大，这对桥梁设计提出了更高的要求，如何保持空气动力稳定便是其中需解决的重要问题。而仿生设计作为基础，能够在很大程度上使得桥梁的调控能力得以增强，从而能够更好的适应自然环境，减少桥梁损害。尤其是面对自然灾害的时候，桥梁结构的自身优化可以使其能够进行自我控制，最终减小损害。

3.1.2新型材料应用

随着科学技术的不断进步，很多新型的建筑材料投入使用，这些新型建筑材料的出现无疑使得桥梁的现代化进程得以加快。材料的仿生是指研究生物体内化学成分和组织结构基础上的材料，这一类材料天然的具有了高实用性和高强度的优势，在实际的选择中，要仔细分析材料的性能特点，以对材料进行合理使用。例如混凝土材料，原材料虽然都是易得的，但是如果材料不同，那么性能和强度也会存在差异，因此要从结构设计的具体要求出发，合理使用材料，这样才能最大限度的提升材料的使用性能。

3.2　宏观仿生的应用分析

3.2.1结构仿生与创新设计

3.2.2形态仿生与概念设计

要设计一座成功的桥梁，设计师的付出无疑是巨大的。在整个设计过程中，设计师要克服各种各样的困难，总结起来主要是两方面的问题：一是理论与实践的差异问题，有些非常优秀的理论设计成果但是却无法在实践中取得成功；二是设计师的经验问题。设计师要不断的进行理论知识的学习，也要在实践中增强自己发现自然、利用自然的能力。在大自然中，不乏那些简单科学的形式、方便易得的材料，但是这些形式和材料的应用却能够使得桥梁设计得到意想不到的效果。在桥梁设计史上，许许多多成功的设计都是来源于自然界中的事物，例如著名的坎波兰廷步行桥和卢西塔尼亚拱桥，坎波兰廷步行桥的跨度达到75 m，而这个设计灵感却源于人体脊柱结构，桥梁结构的科学合理性大大增强；卢西塔尼亚拱桥主跨达到190 m，而扭头成为了这座桥梁的设计源泉。由此可以看出，从自然界中汲取精华的确能够设计出很多不可思议的作品。

3.2.3意象仿生及美学设计

大自然处处充满了让人惊叹的美，大自然中林林总总的生物体为设计者提供了不竭的设计源泉，其中的色彩、质感，甚至是形态、比例都会为桥梁设计提供借鉴。当前的仿生理念将切实利用自然美学作为基础，桥梁结构由此具备了崭新的生命力。将仿生设计理念应用在桥梁设计中能够使得最终桥梁作品的文化性和情感性增强，在桥梁设计中，不仅仅需要精确的设计计算，同时也要讲求人文关怀，这样设计出的作品才会有温度，才会是成功的桥梁设计。

4　结语

在桥梁建筑设计和建设的阶段，都对仿生设计提出了十分严格的要求，仿生设计具有其特殊性，因此使用的建筑材料也是特定的，材料的选择还要从规划、施工等方面去考虑，使得材料得到最大程度的利用，最有效发挥其利用价值。仿生学设计是建立在多学科的理论基础之上的，这要求设计人员要熟悉相关学科的理论知识，设计出一台最为科学合理的设计措施，以和谐自然推动人类社会的可持续发展。

参考文献: