城市绿地仿生形态和系统的生成与利用研究

摘要：目的：近年来，随着经济社会的不断发展，城镇化进程加快，生态问题随之而来，因此生态文明建设成为发展重点。城市绿地作为城市中最接近自然的区域，不仅承担着调节城市微气候、缓解人们日常压力、帮助人们拥抱和接近自然的责任，还以其高生态性与高可持续性的特点在城市生态循环系统中扮演着重要角色。文章旨在以自然元素为基础，打造一处面向市民的高互动性的城市公共绿地。方法：文章以城市绿地为落脚点，以仿生形态为路径，以图示二元关系法与千层饼叠加法为设计实践的分析方法，以归纳演绎法为理论分析方法，进行城市公共空间和景观构筑物仿生形态应用研究。以自然生物的形态为灵感来源，提取其主要的外观与结构，再结合公共空间的设计原则，建立起一个功能良好且能满足景观和社交需求的仿生形态景观空间与构筑物。结果：仿生学源于对自然生物形态与功能的学习与模仿，提供了一种相较于以往更贴合自然的景观设计路径，并且可以赋予景观构筑物一定的装置属性。人们对自然事物具有与生俱来的感知力和亲和力，研究游客心理与行为，可以有效增强游客与景观构筑物的亲近感，拉近人与自然的距离。结论：仿生形态景观构筑物与游客的互动关系可以成为仿生形态构筑物与游客行为之间的新连接枢纽。

关键词：仿生；公共空间；城市景观；城市绿地

中图分类号：TU985.2 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）20-0-03

0 引言

仿生学作为研究自然生物结构与功能的学科，为人们提供了各类技术思想，也是许多工程设计和重大发明的源泉。种类繁多的生物经过长期的自然演进，进化出了许多为适应环境而产生的生命结构与组织。自古以来，人类对自然生物的模仿与学习从未停止。《韩非子》记载鲁班曾以竹木为材料模仿鸟的形态，“成而飞之，三日不下”；相传在大禹时期，人们通过模仿为鱼类在水中游动提供动力的尾巴而发明了浆和橹。这些对自然的学习可以说是仿生学的先驱与萌芽。

到了近现代，隨着社会生产力的不断发展，人们对仿生学的研究更为深入，但大部分还局限于对单个或某一特定种类生物的研究。这些研究为工程建设和机械设计提供了重要的灵感来源，但大型城市的出现和快速扩张也带来了一系列生态问题。因此，设计师与工程师们聚焦对整个生态系统的仿生。从更为宏观的角度观察和学习自然，可以为城市与周边环境所组成的微型生态系统提供良好的借鉴，城市绿地在此系统中所扮演的角色显得尤为重要。城市绿地不仅作为城市公共空间为人们提供日常休闲放松的场所，而且是城市中的“气候调节者”和“空气净化者”。

1 研究方法与思路

1.1 研究方法

1.1.1 图示二元关系法

在设计前期通过完整且深入的调研可以更透彻地了解场地，对场地不同方向问题的考察，可以利用不同的图示进行横向对比研究。保罗·史密斯认为，不能将复杂的环境要素分离，而必须将它们看作一个多元性质的整体。同时，要借助框图、区块图、矩阵和网络关系等来厘清相互之间的关系，找出其中的平衡点。由此，可借图示二元关系法对比其他的城市绿地来确立本场地的定位。

1.1.2 千层饼叠加分析法

在场地景观的深度分析上可采用千层饼叠加分析方法。千层饼叠加是以因子分层分析和各分析图最终叠加生成为核心的分析方法，其分离景观中的各部分生态元素之后进行切片，分析其土壤特性、植被覆盖情况等生态要素，而后表现在每一个生态因子的评价图层上，并将其叠加组合成完整的场地面貌。

1.1.3 归纳演绎法

归纳演绎法一般指将归纳与演绎相结合的研究方法，这也是一种逻辑思维方法。归纳演绎法的一般流程如下：首先，从具体案例或相关研究成果出发，获得有效的相关信息；其次，对上述完成归纳的具体案例进行分析和比较，提取出具有一般性、共性的原则而形成一般原理；最后，根据这些一般性原理，得出创新性结论。

1.2 研究思路

仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学［1］。将仿生学的主要观念引入城市绿地景观设计，对自然界所存在的客观生物进行形态、功能、结构、行为、机能等方面的模仿与主观意识的再加工，可以视为对自然的回归。利用自然的形态、功能等元素，解决目前一系列因信息技术高速发展而产生的新问题。仿生学在城市景观中的应用主要包括形态仿生、结构仿生、功能仿生、材料仿生、空间布局仿生等［2］。

2 城市景观构筑物仿生应用

2.1 前期调研与问题描述

舜井文化广场位于山东省济南市，西侧毗邻万象城商业综合体，建于2020年5月。该场地位于经十路的繁华地段，功能定位是为周围写字楼与商业综合体的人员提供休憩场所，场地面积约2公顷，整体呈现南高北低、东高西低的地势特征。

2.1.1 场地缺乏吸引力

舜井文化广场虽命名为“文化广场”，但实地考察发现，无论在其平面功能划分还是构筑物的设计上，都不能体现当地的文化特征，因此其呈现出与其他普通城市公共绿地的趋同性，形成了“千地一面”的现象。

在场地的通路设计上，并没有考虑到人员的社交和观景需求。场地现存的通路仅仅以满足通行需求为主，西侧为万象城，东侧为一个办公园区，人们日常在办公室与商场之间穿梭，但下班及休闲时间时想要到场地进行游玩，却找不到合适的游览路线。

2.1.2 功能布局不合理

经十路作为济南市一条主要的交通干道，在东西方向上贯穿了整个济南市。舜井文化广场南部与经十路接壤，在前期设计时虽已考虑到预留场地，但其入口处恰巧与南北方向的纵五路相连，人流量较大。实地考察发现，游客进入场地时大多需要在路口处停车，因此会出现交通缓行甚至拥堵的情况。此外，场地南侧行人较多，车辆通过时，其流线与行人交通流线交叉，在一定程度上提升了安全风险。

2.1.3 内部功能划分单一

场地大致可分为公共交通集散与景观休闲两个区域。西侧为济南市轨道交通预留的两个出入口，地上部分大多为硬质铺装。东侧紧邻纬五路，为景观观赏与休闲区域。

虽然这种做法可最大限度满足场地基本功能需求，但其西侧因硬质铺装过多而削弱了行人与自然景观的互动性，行人视看关系过于单一。而东侧景观休闲区域恰恰相反，由于硬质铺装不足，行人无法在休闲区域内进行有效停留，只能走马观花式地游览。

后期设计改造时，应关注硬质铺装与绿地的合理搭配。在满足通行、社交及观景需求的基础上，按比例搭配硬质与绿化区域。例如，在人员快速通过的地方采用花坛、人工预制的花池等方式进行绿化改造；而在缓行游览的地区，则设置一些蜿蜒的小道和可以让人们驻足观看的景观设施及装置，以吸引游客在场地中玩耍与娱乐。

2.2 形态与结构仿生——构筑物模块化构成与加工

本方案的构筑物主要由两个部分构成，其一为顶部仿生壳结构，其二为壳结构下方的穿街天桥。

构筑物顶部的壳结构仿生形态参考鱼类的表皮鳞状结构，其主要特征表现在两个方面：其一，在平面形态上属于叠加形式，即每一个居于上方的单元皆覆盖下层单元，以形成具有秩序感的规则形状；其二，每一个单元的结构层叠累加，在形式上属于重复的形态构成形式。将其形象进行二维抽象化处理之后，每一个单元的外部边缘都落在下方单元的三分之一处，从而实现构筑物表面积最大化（见图1）。

在功能上，由于每一个单元的内侧边界皆被上方单元覆盖，因此雨水的运动轨迹垂直于平面前方。这种组织方式和中国传统建筑屋顶瓦片的功能与布局类似：雨水在屋檐上汇集于瓦片中央再从叠加的瓦片上方流出，以达到防雨排水的效果（见图2）。

上下两层瓦片结构可以根据其所在位置的不同而发挥不同的功能。通过控制上方单元的开合角度，可以调节构筑物下方空间的通风量。当开口位置处于迎风面时，大量清新空气可以被运送至构筑物所覆盖的下方区域；当开口方向位于背风面时，因上下气压的不同，下方区域内的浑浊空气则会被气压压出带走。

因此，在设计单个瓦片时，在平面上将扇形的鳞形状概括为矩形与三角形，然后将矩形四个边角进行延伸。在矩形中央形成小型降水资源收集装置，使雨水汇集进入城市水资源回收系统。

在对鱼类表皮的形态及结构进行提取加工后，得到最初的构筑物搭建模块。场地的形态塑造亦可根据构筑物的边界进行处理。

2.3 功能与材料仿生——场地及景观构筑物的装置属性

互动装置是一种跨学科、综合性强的艺术表现形式，在现代景观设计中得到了广泛运用，设计多样化。景观设计与互动装置相结合，能为人们带来不同的观赏视野及体验［3］。赋予构筑物一定的互动装置属性可以在人的感官维度增强景观趣味性。任何空间都是人的行为发生的物质载体，不同的空间类型所表现的行为承载方式大不相同，也对人的行为产生着极大的影响［4］。

2.3.1 视觉互动处理

人体接收外界信息主要依靠视觉，人们通过眼睛进行欣赏、分辨［5］。视觉是人体最直接的感官，其重点包括颜色、形态、状态等要素。视觉元素在景观设计中居于主导地位，与其他感受方式不同的是，游客不必靠近构筑物就可获得视觉体验。

景观构筑物可以由电气模组控制，根据不同的气温，改变构筑物形态，从而改变内外气流速度，以调节内部气温。例如，高温天气时可将壳结构按预定的轴心顺时针旋转，使外部与内部空气连通，降低内部气温。而冬季相反，通过水平转换壳体对室内空间进行保温处理。这一结构类似帮助鱼在水中呼吸的鳃，设计由此被赋予了仿生的动态属性，可以最大限度发掘出仿生功能与仿生形态的潜力。在这一系统中，风向与水流向的属性、壳结构与鳞片的功能属性相同（见图3）。

2.3.2 听觉与触觉互动处理

除了视觉元素之外，还可对触觉与听觉进行统一处理，即在游客产生与景观触摸式互动的同时，给予一定的视觉与听觉反馈。

例如，在场地北侧设置一些压力感应装置，当游客经过或踩踏时，景观场地中的部分灯光发生明度与色相的变化，产生不同的景观视觉效果。同时，为避免噪声对周边环境的影响，可设置部分听觉刺激装置，如人造风铃和自然的阔叶植物等。

3 结语

本文对仿生学在城市景观中的应用进行了探索，通过前期对场地完整的调研，为后续的设计提供目标与方向。在构筑物设计上，借鉴鱼鳃，采用鱼鳞式的瓦片样式，对场地的通风、采光及雨水收纳问题进行了研究。此样式建立在模块化设计的基础上，不但可以提升生产建设效率，而且出现故障时可以对构筑物的节点或单元进行精准维护与处理，能在一定程度上达成环保与生态的目标。设计建立在对人行为的完整研究上，对构筑物进行仿生处理后，游客更容易产生亲近感，由此可以建立景观与游客的动态共生关系，建立仿生形态与空间设计之间的新连接枢纽。

参考文献：

［1］ 路甬祥.仿生学的科学意义与前沿：仿生学的意义与发展［J］.科学中国人，2004（4）：22-24.

［2］ 申益春.论仿生形态设计在景观设计中的应用［J］.规划师，2007（6）：95-97.

［3］ 杨子叶.互动装置艺术在景观设计中的应用分析［J］.现代园艺，2021（9）：82-84.

［4］ 李金春，雷双璞.景观设计中空间对人的行为的制导性研究［J］.中国建筑装饰装修，2021（1）：40-41.

［5］ 朱磊.论城市湿地公园互动景观设计［J］.现代园艺，2021，44（14）：55-56.

作者簡介：董家蔚（1998—），男，山东临沂人，硕士在读，研究方向：城乡景观设计。