[摘 要]仿生建筑学的研究意义既是为了建筑应用类比的方法从自然界中吸取灵感进行创新，同时也是为了与自然生态环境相协调，保持生态平衡。鉴于此背景，对仿生学定义、分类及空间结构的知识进行了探讨，在此基础上对仿生工程学在空间结构中的应用进行了研究。
[关键词]仿生建筑学 空间结构 分类
一、仿生学定义及其分类
仿生学是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。
（一）力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行湍流，提高航速。
（二）分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。
（三）能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
（四）信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”，可测定飞机着陆速度。
二、中西方仿生实践的差别
（一）广义仿生和狭义仿生
中国古代城市选址规划布局形成一整套相当完备的理论，有着丰富的实践与文化紧密结合。这是中国名城区别于任何西方城市，为中国所特有的城市灵魂。这引起了国内外学者的极大关注。西方建筑仿生的参考对象多集中于人本体、其他动物、植物即生物层面上，是狭义的仿生概念。这源于西方的地理观念认为：大气圈、水圈、岩石圈是没有生命的无机界，只有生物圈和人类智慧圈才是有生民的有机界。但是，中国建筑仿生与此不同，认为天地人之间组成一个整体的、有循环、轮回、有新陈代谢的生命系统。他的参考对象是宇宙万物，上至天文下至地理中间则是万物生灵，是广义的仿生概念。因此，万物的生长，风雨水土的移动、天体的运动等等，都表现了它们是阴阳相结合活体。故而大地也是一个山阴阳交互作用形成的太极球，是一个有生命活力的活体。山川州域也因山形水系的形态环境不同，而成为一个个大小不同和个性不同的活体。没一个地方都是自成体系的生命活体，每一个地理生命活体都有自身的气质、体态、性格和灵魂个性。地灵人杰，地域文化是受地理环境抚育的。地理环境的迥异又影响着地域社会的风貌。
（二）群体仿生和个别仿生
注重群体和单体的差别在本质上也反映了中西不同的建筑文化观念。中国强调的是群体艺术，而单体建筑，是非常简单的，单体服从于整体。西方更加强调建筑单体的个性，而忽略群体的整合。如同在社会规范中，中国人是先强调社会环境，然后才是个人；西方则是先强调个人，然后才考虑到社会。这与道德中中国人中和谐西方人中进取，哲学上中国人重关系、西方人重实体是一致的；这是不同民族在长期的历史生活中形成的不同基本文化特征。纵观西方建筑仿生的历史多以建筑单体为突出，成就也最大。城镇的仿生规划部是没有而是多停留在科学幻想和不切实际的模式上，偶尔为之也容易将城镇整体按照建筑单体的概念来设计，这是受到各个层面的影响而形成的。中国建筑仿生历来注重整体的实效，从华北地区古代仿生名城到清朝时期的徽州仿生村落无不体现着城镇与天、地、人三者形成有机活体的宏观概念。
（三）“因地制宜，借景式仿生”和“自成体系，闭合式仿生”
“因地制宜，借景式仿生”。中国历史名城的规划布局应用取象比类的方式将自然山河的灵气，仿生于城市的形状、区位与结构之中，例如：苏州占城为龟城，开封占城为卧牛城，杭州占城为凤凰城，泉州占城为鲤鱼城，也有因地制宜的山水取象比类，如福建长泰县的登科山，广州广宁的三台山。另外如:金鸡抱卵形、雁阵形、云中满月形等。沿江沿河的城市位于江河合口处。“外抱大江内环湖，城市两端有山岗”取山水之势形，成因地制宜的城市风格。“自成体系，闭合式仿生”。西方建筑仿生在城市规划方面更多的是将城市本身作为一个封闭的系统来看待，基本不借助城市系统以外的自然环境来体现期仿生的特点和意义，即遵循的是一种自我封闭式的城市仿生系统生成模式。
结论：中国的建筑仿生学与西方的建筑仿生学分属于两种学科体系、两种思维模式。中国古城与村落建筑仿生学文化起源于城镇与天、地、人三者形成的有机活体的观念。今天可持续发展就是要研究占城与村落的仿生个性，使之发扬光大。然而，西方系统的建筑仿生理论发展比较成熟，尤其是在运用仿生学尖端知识结合建筑高科技与计算机技术进行系统的仿生建筑设计上更是发展迅猛，科技含量极高。所以笔者认为未来的建筑仿生学发展应该是中西方思想理论精华的融合与共同发展，是以深厚文化为底蕴，以高薪技术为体现，在宇宙环境观指导下的系统的多元化的建筑仿生。
三、空间结构在现代的发展
空间结构是指结构的形态呈三维状态、在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。他的结构体系一般分为框架结构、桁架结构、拱结构、壳体结构、悬索结构、网架结构、悬挑结构、膜结构、充气式结构等。它们因各自的特点，适用范围而有所不同。20世纪人类的活动更加走向开放，人们已不再闭关自守，而是不断扩大国与国、洲与洲以至全世界范围的交流。这种需求必然会影响人类建设的格局。在各种交流活动中，体育比赛无疑是一种最激动人心的方式。因此，奥林匹克体育竞赛馆、世界杯足球比赛场……就在世界各地崛起。学术、文化、艺术与商业上的交流促使一些大城市建成了规模庞大的会议展览中心，此外，各种临时性与永久性的博览会，也要求提供上万平方米的面积。为了进行交流，人们要更多地乘坐飞机旅行，20世纪是喷气式客机的世纪，因而大规模的候机大厅与飞机库就在本世纪诞生。这些建筑都有毫无例外地要求一个大的活动空间，因而跨度大、自重轻、造型富于变化就成为这些建筑的共同特征，有时还要求所围护的空间能够随时开启与闭合。纵观建筑结构的发展历史，三维的空间结构是最能满足以上要求的，往往成为众多结构方案中的首选。这就使得这种大型公共空间建筑的节能成为房屋建筑节能中的重要分支。
四、仿生工程学在空间结构中的应用
（一）形态仿生
建筑形态仿生是创新的一种有效方法，它是通过研究生物千姿百态的规律后而探讨在建筑上应用的可能性，这不仅需要使功能、结构与新形式有机融合，而且还应该是超越模仿而升华为创造的一种过程。这方面的例子举不胜数。大自然有无穷多个优美的形态可供人类模仿，而我们也应该用心观察生活，创造出打动人心的美好建筑。比如说，1973年10月揭幕的悉尼歌剧院，它的结构形式和结构做法并不一致，外观看起来是壳体结构，实际上是钢筋混凝土拱肋结构，是一件“昂贵”的形态仿生作品。
（二）力学仿生
在力学仿生方面，先进的工程师们在近几年来已取得了非凡的成就，他们比建筑师更善于观察自然界的一切生态规律，已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。从一滴水珠和一个蛋壳看到了其自山抛物线型曲面的张力与薄壁高强的性能，从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织机理，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。事实已经证明：凡是正确的模仿生物体构造的建筑，一定是用料省、强度高、刚度大、稳定性好而又具有艺术美的建筑结构。许许多多省料、耐力而又美观的空间结构形式都是有意识的或潜意识的模仿生物体的部分、或主体结构、或其生存巢穴、或其生存的周围环境的某些特征，构想设计出来的。例如沙利宁的环球航空公司航空站，在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则山下部的Y形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。其设计完全依据薄壳结构的本质:其造型没有一处受到几何形体的束缚，根本看不到圆、直角或抛物线。但每一条曲线、每一个细部都表现了力所遵循的秩序。屋顶是山双向曲率的大曲面所组成，屋顶边缘肋条断面随所负荷的增加而向支撑方向增大，同时使薄壳得以加强而不会变形。支柱形式也是依据其受力的合力情形而设计完成的。
（三）材料仿生
材料科学是当前最重要的高科技之一，已取得了长足的发展。目前，人们已经根据需要，设计和制造出多种多样的材料来。迄今为止，一些与人类生活密切相关的材料。现在，对天然生物材料的结构、性能和生长机理的分析，以及进行复制，是当今材料科学研究的重大前沿课题。一门新的学科仿生材料学正在兴起。如加气混凝土砌块就是按仿生学原理模仿蜂巢结构设计，以水泥、砂、碎石和煤渣等为原材料，利用加气剂的发泡作用，在混凝土初凝前形成许许多多微气泡，采用离心脱水工艺，将细石混凝土放入钢模内置于离心生产线上加速旋转而成。经检测，强度高于粘土砖，与同体积粘土砖相比质量减轻1/3，成本价比粘土砖便宜20％，并具有保温、隔热、防潮和.IJ替代模板的功能，是理想的替代粘土砖的产品。
（四）功能仿生
大自然精巧绝妙的设计必定忠实于功能，即生物的每一部分都能为功能服务。通过追随自然，我们就能找到一个接近完全功能化的理想途径。建筑的功能往往是错综复杂的，如何有机组织各种功能成为一种综合的整体在自然界中生物也为我们提供了交织组合的范例，它不仅仅是单一功能元素的相加，而是多功能发展过程的综合，因此产生了一个较高发展阶段的新特性。当代集中式的建筑倾向已使巨型高层建筑与多功能建筑随处可见，这就要求我们在有限的空间内要高效低耗地组织好各部分的关系，使得这些空间可以适应多种功能。位于英国的滑铁卢国际火车站，伟大的维多利亚风格铁路建筑，400m长的屋顶结构山36根锻压而成的三相弓弦式拱组成，它们的跨度在35m到50m之间不等。在西侧，上部结构突出在建筑表皮之外，支撑着重叠搭接的玻璃板，透过玻璃板人们可以看到泰晤士河和国会大厦:在东面，包有不锈钢外皮的结构翻转到内部。其中每一块玻璃板的一边都通过可调节的支架悬挂在钢制结构上，而另一边可以自由山移动，下边缘被一可折叠的热圈垂自的封住，而附加的风挡刮水器形成了一个滑动的水平封条。这样组合的结果在视觉和上作原理上都像极了穿山甲或披甲蜥蜴等动物的鳞片结构。
参考文献
[1]刘锡良，现代空间结构[M]，天津大学出版社，2003
[2]陈志华，郭云，保温螺栓的研究与应用[J]，工业建筑，2004
[3]陈志华，李阳，钢结构板铰支座[J]，工业建筑，2004
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