会呼吸的建筑

摘要：仿生学作为新兴学科，对设计学产生了很大的影响。仿生学在建筑学上又有怎样的应用，在如今最流行的绿色建筑和智能建筑的概念上又有什么启发和可能性。本文拟设计一个可通过计算机控制的智能化建筑表皮，通过灵活地、自主地控制窗户的开合，在将人工操作量降到最低的同时，保证室内环境舒适度，且达到低能耗、充分利用自然环境条件的效果，构想一个如同生物呼吸一般的会“自主呼吸”的仿生建筑。

关键词：仿生建筑;呼吸系统;智能系统

一、前言

从古到今，仿生学虽未被人们广泛认识，却在人类历史中发挥了很重要的作用。正是仿生在各个领域的各式各样的应用，紧密联系了人类社会和自然生态，使得人与自然和谐共处。

反观当下，所谓“现代化”大行其道，人们被冷冰冰的“高科技”包围。现代性带给人类苦难的根源在于“工具理性”和“人类中心主义”思想意识，它们所造成的直接后果，就是对自然的无限制掠夺和肆意破坏。

不难发现在现代生活中，绝大多数建筑大量运用电能及机械作用以保证室内舒适度，带来大量能源消费，造成大规模资源浪费和环境污染。但我们认为，若能将建筑最大化还原自然形态，使建筑物与大自然成为一个有机和谐的整体，适度利用自然循环，起到节能减排，并提高室内舒适度的作用。

对于新时代的我们，仿生建筑将不仅仅停留在形式仿生、结构仿生等初级阶段。仿生创新则需要将新兴科技和自然生物科学机理进行有效结合，这就要求建筑师将自然界中的生物科学元素运用到创作设计之中。建筑仿生学是新时代的一种潮流，今后也仍然会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。

本文将应用仿生学原理，与现代信息科学技术相结合，浅析仿生学在智能建筑与绿色建筑未来发展上的应用。

二、理念

放眼建筑发展史，每每科学技术的创新或大发展总会带来建筑形式大变革，如十九世纪后半期工业革命带的装配式建筑兴起，和二十世纪钢结构的产生使摩天大楼拔地而起，以及现如今随着新材料新技术的发展，逐渐展露出建筑智能化、节能化的苗头。

二十一世纪这个信息时代，随着人工智能技术的不断发展，建筑未来的发展方向将会从静态的建筑变成动态的交互式建筑，甚至建筑本身还能具有一定的“自我意识”，比如拥有“感觉”气候的冷暖变化的能力，能够自主改变开窗朝向、幅度，以改善室内环境，降低冷热负荷，减少能耗;或者拥有如同人体细胞般感知和修复“自身损伤”的能力，就像我们的身体细胞能够探测到疼痛和伤口，并能自动修复一样[1]。

而仿生学在其中起到的作用则不仅仅是通过“仿形”为未来建筑提供更科学的建筑外形，或“仿结构”为新型建筑结构提供思路，更是以仿生学为应用原则为人类提供直接的居住感受：使人类生活舒适度更高，操作更简便，生活和工作更轻松自如;同时能让人们感到亲切感、归属感，建筑通过自我调节，契合房屋主人的使用习惯，达到人与建筑物良性互生的状态[2]。

下面将根据以上理念，设想一种未来的建筑形式。

三、会呼吸的建筑

我们设想未来仿生建筑的“皮肤”由一个个类似植物保卫细胞的微单元组成，且建筑表皮内附有温湿传感器、空气质量检测器等多种“感受器”，将测得的室内外环境状况的数据传输给中心控制系统，中心控制器可对建筑表皮的微单元发出指令，对环境做出相应的反应。比如灵活地控制房间门窗的开合，保证室内通风或保温效果，同时将人工操作量和房间冷热能耗降到最低。这样不仅能在人多时保证空气质量以及室内温度的稳定;又可在人少时，减少阳光、空气对物品的损害。就好似生物的呼吸，在运动量大、热量高时加快呼吸，在静止不动、寒冷时减弱呼吸。

更进一步设想，依托网络通信技术，在全城范围内也许可以形成网络系统。不同的建筑物之间可以自主共享数据信息，共同作用，改善城市大环境，形成更绿色、更智能的城市体系。

（一）细胞

形态结构与功能的统一是各类生物所共同遵循的基本原则[3]。在自然法则的选择下，细胞及生命的细胞形式为了适应不同的生存环境，已经形成了最优化的答卷[4]。

保卫细胞存在于植物茎、叶等的表皮上，保卫细胞之间的空隙就是气孔。根据外部环境的光照强度、温度和自身的新陈代谢程度，保卫细胞通过膨胀和压缩，控制气孔开合大小，以增强或减弱光合作用和蒸腾作用。建筑表皮的“呼吸”理论在植物保卫细胞上得到了灵感和借鉴。

首先，建筑表皮将会是由数个单体组成的“网状”结构，而结构中的这些单体就是建筑内部、外部用于信息交往调节的通道，对应植物保卫细胞中运用于物质交换和自我调节部分的功能。因此，引入保卫细胞（新月形）作为“呼吸”建筑表皮单元的原型。

为了能更好地将这个单体应用于建筑中，这些单体需根据建筑需求进行变形适应，其中一种方式就是将细胞从新月形演变成中空状的菱形。通过菱形开口方向不同，进行对比取舍。最终形成两种代表方式：一种为正面平面上的开口，构件通过左右伸缩控制“气孔”开合;另一种为侧面上的开口，构件通过前后伸缩控制“气孔”开合（图一）。确定了“呼吸”的基本单元后，再进一步对它进行不同形式的组合。

由于不同建筑空间采光需求的不同，需要采取不同的组合形式。如对陈列馆、剧院等采光要求不高的空间，采取侧面开合的方式，满足通风要求时不对室内产生光照影响;对居室、办公、教学等采光要求高的空间，采取平面开合的方式，弹性材料的膨胀或收缩可使得“气孔”的大小达到采光和通风要求。同时，应结合建筑所在区域的地理信息数据、建筑本身立面设计的要求以及能源上的消耗，组合出相应的最优表皮形式。

（二）器官

确定了建筑表皮“细胞”的基本形态，接下来需要探讨对其功能的设定。通过赋予其特定的功能，形成多种“器官”。这些“器官”就像一个个的感受器，能够感知到外界环境和内部环境的状态和变化。

外界环境和人的活动往往会对室内环境产生影响，反过来，室内环境也会影响人们的身体状况。例如，在较封闭的室内环境中，温度升高，蒸发量变大，湿度随之升高，一般来讲，健康湿度环境为45%到65%，超出健康湿度范围，人体呼吸系统和黏膜会产生不适，免疫力下降。另外，当湿度高于65%、低于38%时，病菌繁殖滋生最快。

智能“器官”的目标就是当检测到室内环境数据超出舒适范围值时，可以通过调整开窗面积、朝向（被动式）或者控制设备设施（主动式）来调整室内环境，将环境温度控制在18℃到25℃，相对湿度在40%到70%之间。

另一方面，智能“器官”还能通过收集环境数据，合理调整空调、人工照明等电器的使用时间和功率大小，以节约能耗。

“器官”功能仿照人体感官，分为“看”“听”“闻”和“感受”四大模块，对应到监测室内人口密度、室内外噪音、室内外空气质量和室内外温湿度、太阳光辐射量等建筑环境物理特征。

为达到上述功能，可使用红外传感器——热成像系统，产生整个目标红外辐射的分布图像，从而判断室内人口密度高低，或利用OpenCV机器视觉处理库的实时人脸识别技术[6]，识别和分析室内人员的行为、情绪;噪声传感器——实时监测外界噪声声压级，判断室外噪声的影响程度;运用各种分光光度法和内置微电脑激光粉尘仪，检测空气成分浓度和粉尘浓度，通过快速，准确的室内气体分析以及室外靠壁气体环境分析，反馈室内外空气质量;风道管温湿度传感器——将温度量和湿度量转换电信号，能够自动化地反馈室内温湿度状况。

最终运用ZigBee系统网络，将各种传感器的信息汇总，能够更全面、更系统地反馈室内外环境状况。[5]

（三）系统

1、建筑系统

在生物体中能够完成一种或几种生理功能而组成的多个器官的总和，叫作系统。

建筑表皮上多种功能的“器官”，也需要一个完整的系统对采集到的各种环境数据进行实时的分析整理，通过中央处理器智能算法，算出最合理的反应方式;并对建筑表皮发出反应命令;最终，建筑表皮通过接收到的命令进行自我调整，从而保证室内环境的舒适度，并达到建筑节能的最大化。

同时智能系统也可根据室内人们的行为反馈，或连接至智能手环等能够检测人体状况的设备，自我完善算法，形成针对不同人的定制方案，达到人与建筑物良性互生的状态。

2、城市系统

生物界中，系统不仅有单个生物体中完成生理功能的系统，还有整个人类环境中的生态系统。

这里的建筑系统也包含了微观和宏观两个方面：除了单个建筑体自身的系统，还有多个建筑之间，甚至整座城市之间的系统。

当建筑与建筑之间的环境状态信息库能够共享交流时，整个城市将形成一个巨大的网络系统，这将有利于进行城市规划、城市建设和城市管理。充分利用建筑的多元化和层次化，让人们更加全面、直观地了解、整合环境信息，从而提高城市服务水平，加强城市资源利用以及能源和各类信息管理，更合理地改善人类的整体居住环境。[7]

在一定程度上，这样的城市网络系统，能够适当调节城市的小气候，缓解城市化“热岛效应”，降低城市与郊区的温差，减少建筑群对自然环境的影响。

就像自然界的植物在遇到虫害等灾害时，会向周围的植物发出化学信号，让周围的植物做好防护准备，如分泌毒素等，及时抵御虫害，避免大范围损伤。同样，在自然灾害突发时，城市网络系统也能够做出最快速、最全面的反应，尽可能地将城市整体的损失降到最低。（图三）

四、总结

本文以建筑设计结合仿生节能的视角，初步探讨了建筑设计仿生方法在大数据环境下的发展趋势。在科技快速发展的今天，建筑结构和建筑材料都有许多创新，大数据、物联网等概念也开始应用于建筑上。当今的仿生建筑应该不仅仅停留在形式仿生和结构仿生，而应更加倾向于功能仿生和更多的创新仿生。建筑依照自然形态、自然生态系统的原理，更好地使建筑物与大自然成为一个有机和谐的整体。这样不仅能提高人们生活空间的舒适度、为未来建筑设计带来更多的灵感，还能推进人与自然、人与建筑、建筑与自然的和谐相处，持续发展。

会呼吸的建筑的理念就是通过仿生呼吸系统，使得建筑内部形成自我调节系统;再结合城市，形成城市网络循环调节系统。这种仿生策略能够使得未来的建筑可以更好地、更自主地应对室内外环境的变化，寻求各种环境条件下的平衡，为人类创造更好的生活空间。

同时会呼吸的建筑也旨在结合互联网的大数据库和建筑物联网，使得建筑内外的环境信息得到最合理、最充分的利用，最终达到高效低耗，绿色持续的发展状态。

参考文献：

[1]张河山.新科技推动建筑革新[J].科学导报，2015，58.

[2]陈芬.仿生学在建筑设计中的体现和应用[J].中华民居，2011（06）：15-16.

[3]翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]类细胞仿生建筑设计方法研究[J].新建筑，2016（01）：112-115.

[5]程靖淇.基于ZigBee无线传感器网络的住宅空气品质监控系统[J].通信电源技术，2018，35（09）：93-95.

[6]吴延峰.基于OpenCV的实时人脸识别系统研究与实现[D].华北电力大学，2016.

[7]何炯德.新仿生建筑[M].中国建筑工业出版社，2009.