仿生建筑文化的新趨向

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 摘要： 建筑仿生已成為一種新時代潮流，也是建筑文化的新課題。為了啟發(fā)建筑合理創(chuàng)新，以及使城市環(huán)境達(dá)到生態(tài)平衡和持續(xù)發(fā)展，建筑仿生學(xué)是一種重要手段。建筑仿生學(xué)是根據(jù)自然生態(tài)與社會生態(tài)規(guī)律，并結(jié)合建筑科學(xué)技術(shù)特點(diǎn)而進(jìn)行綜合應(yīng)用的科學(xué)。它的主要研究內(nèi)容包括：城市仿生，功能仿生，結(jié)構(gòu)仿生，形式仿生等方面。建筑仿生學(xué)的應(yīng)用范圍很廣，從城市總體到單體建筑，從居住環(huán)境到材料都可涵蓋。未來的城市將是仿生與生態(tài)的城市。

    關(guān)鍵詞： 仿生建筑 建筑藝術(shù)

    建筑仿生是一個老課題，也是一種最新的科研趨向，它愈來愈引起人們的注意。因?yàn)槿祟愇幕瘡拿擅習(xí)r代進(jìn)入文明時代就是在模仿自然和適應(yīng)自然界規(guī)律的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展起來的，直到近現(xiàn)代時期，特別是飛機(jī)和潛水艇的發(fā)明也都是仿生的科研成果，人們從飛鳥和魚類的特性中獲得啟發(fā)，取得了史無前例的新成就。建筑同樣如此，古代從巢居穴居到各類建筑的出現(xiàn)，無不留下了模仿自然的痕跡。但是，隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，使人類的文明發(fā)生了異化，反過來破壞了自己的生存環(huán)境，也使自己的創(chuàng)作囿困于僵化的機(jī)器制品，束縛了創(chuàng)造性，這就是為什么在近幾十年來人類重新對仿生學(xué)開始重視的原因。

    仿生原理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用是非常廣泛的，于是就促使了仿生學(xué)（Bionics） 這門新興交叉科學(xué)的出現(xiàn)。1960年在美國俄亥俄州召開了第一屆仿生學(xué)討論會，在會上共同制定了仿生學(xué)的概念，與會人員認(rèn)為仿生學(xué)就是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造系統(tǒng)具有或類似于生物系統(tǒng)特征的一門科學(xué)。它的目的是應(yīng)用模擬的方法來改善現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備并創(chuàng)造新的工藝技術(shù)。

    在建筑領(lǐng)域方面，仿生的傾向在近幾十年來也在不斷發(fā)展，它的研究意義既是為了建筑應(yīng)用類比的方法從自然界中吸取靈感進(jìn)行創(chuàng)新，同時也是為了與自然生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，保持生態(tài)平衡。自然界是人類最好的老師，人們無時無刻不在從自然界中獲得啟發(fā)而進(jìn)行有益的創(chuàng)造。仿生并不是單純地模仿照抄，它是吸收動物、植物的生長肌理以及一切自然生態(tài)的規(guī)律，結(jié)合建筑的自身特點(diǎn)而適應(yīng)新環(huán)境的一種創(chuàng)作方法，它無疑是最具有生命力的，也是可持續(xù)發(fā)展的保證。1983年德國人勒伯多（J.S.Lebedew）出版了一本著作，名為《建筑與仿生學(xué)》（Architecture　and　Bionic），系統(tǒng)闡明了建筑仿生學(xué)的意義，建筑學(xué)應(yīng)用仿生理論的方法，建筑仿生學(xué)與生態(tài)學(xué)的關(guān)系，建筑仿生學(xué)與美學(xué)的關(guān)系等等，正式為建筑仿生學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。加上在此前后，許多有創(chuàng)見的建筑師進(jìn)行了有關(guān)建筑仿生的實(shí)踐，使建筑仿生學(xué)已逐漸形成為一種時代潮流。

    其實(shí)，人類在建筑技術(shù)上所遇到的許多難題，自然界中早已有了類似的解答，因?yàn)樯镌谇f年進(jìn)化的過程中，為了適應(yīng)自然界的規(guī)律需要不斷完善自身的性能與組織，它需要獲得高效低耗、自覺應(yīng)變、新陳代謝、肌體完整的保障系統(tǒng)，從而生物才能得以生存與繁衍。只有這樣，自然界才能成為一個整體，才能保持生物鏈的平衡與延續(xù)。當(dāng)然，人也是大自然中的一員，人類為了生存與發(fā)展不僅需要建筑，而建筑也需要適應(yīng)自然界的規(guī)律，否則不僅會破壞自然環(huán)境，而且也會毀滅人類自身。

    從人與自然界的關(guān)系來說，建筑可謂是人的第3層皮膚 （第1層是人的自身皮膚，第2層是衣服），它是人與自然界之間的中介，如何使建筑能適應(yīng)環(huán)境的自然規(guī)律，又能適合人類不斷發(fā)展的需要，這的確是現(xiàn)代文明所提出的新課題。正因?yàn)槿绱?，有效尋找和利用自然界生物的成長規(guī)律來適應(yīng)人類社會發(fā)展對建筑的需要，這就是建筑仿生學(xué)的主要任務(wù)。

    建筑仿生學(xué)的表現(xiàn)與應(yīng)用方法，歸納起來大致有4個方面：城市環(huán)境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，組織結(jié)構(gòu)仿生。當(dāng)然，往往也會出現(xiàn)綜合性的仿生應(yīng)用，形成為一種城市與建筑的仿生整體。

    在城市環(huán)境仿生方面，比較有代表性的例子可以在巴黎的改建規(guī)劃中明顯地看到。早在1853 年時，巴黎塞納區(qū)行政長官歐思曼（G.E.Haussmann）為了執(zhí)行法國皇帝拿破侖第三的巴黎建設(shè)計劃，曾對巴黎市區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的改建，它不僅要表示對帝國首都的贊美，而且要在城市結(jié)構(gòu)功能上進(jìn)行改善，使城市交通、環(huán)境綠化、居住水平都達(dá)到一個新的境界。為了實(shí)現(xiàn)這一理想，他的巴黎改建規(guī)劃在某種程度上就是模擬了人的生態(tài)系統(tǒng)而進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計的。例如當(dāng)時在巴黎東、西郊規(guī)劃建設(shè)的兩座森林公園，東郊維星斯公園和西郊布倫公園的巨大綠化面積，就象征著人的兩肺，環(huán)形綠化帶與賽納河就象是人的呼吸管道，這樣就使新鮮空氣可以輸入城市的各個區(qū)域。市區(qū)內(nèi)環(huán)形和放射的各種主干與次要道路網(wǎng)就象是人的血管系統(tǒng)，使血流能夠循環(huán)暢通。這種城市環(huán)境仿生思想，不僅在當(dāng)時已起到了積極的作用，解決了困擾巴黎的城市交通與環(huán)境美化問題，使巴黎在世界上成為城市改建的成功范例，而且城市環(huán)境仿生理論今后仍然值得借鑒和完善。

    1954年歐洲“十次小組”（Team10）在荷蘭召開預(yù)備會時，英國建筑師史密森曾提出一種新的城市形態(tài)，稱之為“簇群城市”，這也是仿生的成果，它是根據(jù)植物生長變化的規(guī)律而提出的一種新城市布局思想。他們設(shè)想把這種城市主干道設(shè)計成三叉形的道路系統(tǒng)，象征著植物“干莖”，使交通流量得以均勻分布。同時把城市“干莖”設(shè)計成自由彎曲的分叉系統(tǒng)，并且?guī)в卸嘤|角地蔓延擴(kuò)展的子系統(tǒng)，就象樹枝分叉一樣，也兼有蛛網(wǎng)狀的連接。這樣既可避免車流泛濫，也可有利于各區(qū)之間的區(qū)分與連接。他們預(yù)言，這種城市布局一方面能保持現(xiàn)代城市功能的需要，又能重新獲得昔日傳統(tǒng)城市的自然氣息。同時，這種城市是不斷生長變化的，也可使城市與建筑物的分布獲得有機(jī)的組合。目前許多小區(qū)的規(guī)劃設(shè)計與“簇群城市”規(guī)劃思想頗有異曲同工之處。

    在建筑使用功能方面的仿生，應(yīng)用也很普遍，不過表現(xiàn)的形式是多種多樣的，只要善于應(yīng)用類推的方法，就可以從自然界中吸取無窮的靈感，使建筑的空間布局更具有新意。例如芬蘭著名建筑師阿爾托設(shè)計的德國不萊梅的高層公寓（1958 —1962）的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服務(wù)部分與臥室部分比作蝶身與翅膀，不僅造成內(nèi)部空間布局新穎，而且也使建筑的造型變得更為豐富。又如勒?？虏嘉饕?950—1955年間設(shè)計建造的法國朗香教堂的平面就是模擬人的耳朵，象征著上帝可以傾聽信徒的祈禱。正是因其平面具有超現(xiàn)實(shí)的功能，以致在造型上也相應(yīng)獲得了奇異神秘的效果。類似的情況還有許多，比較著名的如1960—1963年夏朗（Hans　Scharoun）在柏林設(shè)計建造的愛樂音樂廳內(nèi)部空間則是仿自樂器內(nèi)部空間共鳴的效果而建造了這一復(fù)雜奇特的形體。1966年由丹下健三在日本山梨縣建成的文化會館是一座新陳代謝派的著名作品，它的平面組合就是仿照植物新陳代謝的功能，設(shè)計了一個個垂直的圓形交通塔，內(nèi)為電梯、樓梯與各種服務(wù)設(shè)施，所有辦公空間則建立其間，這樣可以根據(jù)需要不斷擴(kuò)建或減少。

    建筑的功能往往是錯綜復(fù)雜的，如何有機(jī)組織各種功能成為一種綜合的整體在自然界中生物也為我們提供了交織組合的范例，它不僅僅是單一功能元素的相加，而是多功能發(fā)展過程的綜合，因此產(chǎn)生了一個較高發(fā)展階段的新特性。例如人的嘴，不僅能吃飯，又能說話唱歌，還能品嘗甜酸苦辣。這種原理應(yīng)該使建筑師在建筑功能組織中有所啟發(fā)。當(dāng)代集中式的建筑傾向已使巨型高層建筑與多功能建筑隨處可見，這就要求我們在有限的空間內(nèi)要高效低耗地組織好各部分的關(guān)系，使得這些空間可以適應(yīng)多種功能。建筑師沒有理由在復(fù)雜的功能組合中浪費(fèi)空間和材料，也沒有理由不向大自然這位老師學(xué)習(xí)。

    建筑形式的仿生則最為常見，它不僅可以取得新穎的造型，而且往往也能為發(fā)揮新結(jié)構(gòu)體系的作用創(chuàng)造出非凡的效果。最早應(yīng)用仿生形式的近代建筑師是西班牙人高迪（Antonio 　Gaudi），他在巴塞羅納設(shè)計了許多帶有明顯動物骨骼形式的公寓建筑，隱喻著這座海濱城市戰(zhàn)勝蛟龍的古老傳說。例如1904-1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是如此。埃羅。薩里寧（Eero　Saarinen）于1958年所作的美國耶魯大學(xué)冰球館形如海龜，1961年所作的紐約環(huán)球航空公司航站樓形如飛鳥，也都是舉世矚目的例子。在1964年丹下健三在東京建造的奧運(yùn)會游泳館與球類比賽館，利用懸索結(jié)構(gòu)仿貝殼體形，使功能、結(jié)構(gòu)與造型達(dá)到有機(jī)結(jié)合，令人耳目一新，成為建筑藝術(shù)作品的優(yōu)秀范例。賴特是一位善于結(jié)合自然環(huán)境的建筑師，他在1944年設(shè)計建造的威斯康星州雅可布斯別墅，就是把住宅仿照地面菌菇類植物進(jìn)行設(shè)計的，給人以自然的形態(tài)，達(dá)到和環(huán)境融為一體的境界。此外，又如薩巴（Fariburz　Sahba）在1975 —1987年建成的印度德里的母親廟（Mother　Temple）則是仿自一朵荷花的造型，它表達(dá)了圣潔與優(yōu)美的形象，成為周圍環(huán)境的主要標(biāo)志。

    建筑形式的仿生是創(chuàng)新的一種有效方法，它是通過研究生物千姿百態(tài)的規(guī)律后而探討在建筑上應(yīng)用的可能性，這不僅要使功能、結(jié)構(gòu)與新形式有機(jī)融合，而且還應(yīng)是超越模仿而升華為創(chuàng)造的一種過程。上述建筑師的作品無疑值得在建筑創(chuàng)作中借鑒的，只要我們善于觀察和吸收自然界中千變?nèi)f化現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，我們就能有取之不盡的源泉。遺憾的是也經(jīng)常會出現(xiàn)一些簡單模仿某一形象的作品，如1974年建的京都人臉住宅，還有美國的許多“熱狗”快餐店的具象廣告式建筑，這些都已背離了建筑仿生的意義，只是一種單純追求新奇噱頭的效果，它既無創(chuàng)新的價值，也不能與周圍生態(tài)環(huán)境取得協(xié)調(diào)，是一種建筑文化的糟粕，這是需要引以為戒的。

    在結(jié)構(gòu)仿生方面，先進(jìn)的工程師們在近幾十年來已取得了非凡的成就，他們比建筑師更善于觀察自然界的一切生態(tài)規(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。從一滴水珠和一個蛋殼看到了其自由拋物線型曲面的張力與薄壁高強(qiáng)的性能；從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，這些對建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計都是十分有益的啟示。

    1947—1949年意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利（Nervi　and　Bartoli）設(shè)計的意大利都靈展覽館的巨形拱頂就是仿葉脈肌理而建造起來的，混凝土骨架和玻璃格組成的拱頂寬 93.6m，長75m.奈爾維和維特羅西（A.Vitelozzi）于1957年建造的羅馬奧運(yùn)會小體育宮，半圓形彎頂直徑60m，內(nèi)部采用了鋼筋混凝土網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，就是受葵花的啟發(fā)，不僅用材經(jīng)濟(jì)，受力合理，而且創(chuàng)造了內(nèi)部裝飾新穎的效果。小體育宮的外部則從人類腿骨的受力分析中得到啟示，創(chuàng)造了一圈丫形支撐體系，使空間結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)形式的虛實(shí)結(jié)合達(dá)到了完美的統(tǒng)一。1960年奈爾維又建成了羅馬奧運(yùn)會的大體育宮，半圓形彎頂直徑達(dá)到98.4m，可容納16000觀眾，內(nèi)部采用放射形拱肋的構(gòu)造形式支撐著上部的混凝土彎頂，頂厚只有6cm.同部看去既象一朵花，也象是密密麻麻的葉脈網(wǎng)，成功地使現(xiàn)代技術(shù)與使用功能、裝飾藝術(shù)達(dá)到有機(jī)的結(jié)合。對比公元120—124年建成的羅馬萬神廟，半圓形彎頂直徑為43.2m，混凝土厚度則為1.2m，這充分說明了建筑技術(shù)運(yùn)用仿生原理所取得的巨大進(jìn)步。奈爾維既是一位聞名遐邇的結(jié)構(gòu)工程師，也是一位卓越的建筑師，他的創(chuàng)造性在很大程度上就是得益于向自然界學(xué)習(xí)。

    美國結(jié)構(gòu)工程師富勒（Buckminster　 Fuller）是另一位有創(chuàng)造性的人物。他從自然界中的結(jié)晶體與蜂窩的棱形結(jié)構(gòu)中獲得啟示，創(chuàng)造了一系列驚人的大空間結(jié)構(gòu)作品。1958年他在美國巴吞魯日（Baton　 Rouge，LA）建造的聯(lián)合油罐車公司的巨大彎頂，直徑達(dá)115.2m，就是應(yīng)用晶體結(jié)構(gòu)的原理建造的。1967年富勒和塞道（Fuller　and　 Sadao）一起建造的加拿大蒙特利爾國際博覽會的美國館，是一座球體建筑，在當(dāng)時展覽會上極為引人注目。他很可能是模擬一種深海魚類的網(wǎng)狀骨骼和放射蟲的組織結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了立體網(wǎng)架的短線彎窿，高度達(dá)60m，直徑為76.2m，彎窿外部用塑料敷貼，并可啟閉，夜間燈光照亮，通體透明，猶如星球落地。

    紐約環(huán)球航空公司航站樓不僅是外形仿生的著名作品，而且埃羅。薩里寧還和威廉。加德納（William 　Gardner）在結(jié)構(gòu)上建造四瓣組合式薄殼，中間有縫隙采光，四瓣薄殼則由下部的丫形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。航站樓應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)肌理不僅解決了自由曲線造型的難點(diǎn)，而且在結(jié)構(gòu)與形式上又能達(dá)到有機(jī)的融合，這是值得建筑師們注意的。并不需為了建筑的某種造型就一定要犧牲結(jié)構(gòu)的合理性，相反，有機(jī)的結(jié)構(gòu)與新穎的形式可以相互共生。

    德國結(jié)構(gòu)工程師奧托（Frei　Otto）于1967 年在加拿大蒙特利爾國際博覽會上建造的德國館，象一群帳篷式的建筑物，這是用網(wǎng)索結(jié)構(gòu)仿蜘蛛網(wǎng)形的支撐體系，上面用塑料面層覆蓋，造型非常特殊，它可以有利于作為臨時性建筑的裝卸。1972年的慕尼黑奧運(yùn)會的體育場館也運(yùn)用了這一結(jié)構(gòu)形式。由于他善于使用這種結(jié)構(gòu)類型，因此也有人稱他為“蜘蛛人”。這種蛛網(wǎng)形的網(wǎng)索結(jié)構(gòu)后來還發(fā)展為帆布張力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，與帳篷形式更為接近。

    其實(shí)，建筑師中也不乏在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用仿生的例子，勒。柯布西耶早年大量使用的雞腿柱和框架懸挑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無疑是從動物腿骨支撐所得到的啟示，1931年他在巴黎附近波依西（Poissy）建造的薩伏伊別墅（Villa　Savoye）就是這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的體現(xiàn)，至今仍被人們所稱頌。

    賴特是眾所周知的建筑大師，他早年曾攻讀過結(jié)構(gòu)專業(yè)，因此能在建筑造型與結(jié)構(gòu)體系的融合方面運(yùn)用自如。1950 年他設(shè)計建造的威斯康星州約翰遜制蠟公司試驗(yàn)樓（Helio　Laboratory　and　Researeh　Tower，Racine，Wisc.） 就是仿樹狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把主要支承結(jié)構(gòu)放在建筑中央，四周樓板懸挑，外表形成幕墻，取得了新穎效果。應(yīng)用同樣原理，賴特在1956年還大膽設(shè)想了1英里高的摩天樓方案。

    在結(jié)構(gòu)仿生方面，最值得稱頌的還是后起之秀，年輕的西班牙建筑師圣地亞哥?？ɡ乩撸⊿antiago 　Calatrava）。他于1951年出生在西班牙的巴倫西亞，曾在當(dāng)?shù)氐慕ㄖW(xué)院建筑學(xué)專業(yè)畢業(yè)，后人瑞士蘇黎世大學(xué)土木系學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)工程，畢業(yè)后又于 1981年獲該校建筑系技術(shù)科學(xué)博士學(xué)位。他的博士論文題是“結(jié)構(gòu)的可折疊性”。畢業(yè)后他留居瑞士開業(yè)，繼續(xù)致力于折疊結(jié)構(gòu)與仿生結(jié)構(gòu)的實(shí)踐，他觀察狗的骨架和腿的活動支撐，已作出了許多可喜的成就。他在1983年建造的瑞士盧塞恩市郵局前的大雨蓬就是最早應(yīng)用活動關(guān)節(jié)的實(shí)踐。1986—1987年他在巴塞爾市一座中世紀(jì)古建筑的改建中，將咖啡廳上的天花鋼梁架做成仿動物骨架的自由曲線，既有著新穎的觀賞效果，又能符合受力的特性，是一種大膽的嘗試。此后，他在1987年為加拿大多倫多市建造的BCE文化廣場大廈，創(chuàng)造性地模仿了樹干分叉的生長肌理，設(shè)計了兩邊的支柱與頂柵的弧形肋架，取得了非凡的藝術(shù)效果。1991—1992年他在西班牙的塞維利亞1992年國際博覽會為科威特設(shè)計的展覽館，其屋頂是可自由啟閉的結(jié)構(gòu)，模擬著動物關(guān)節(jié)的自由運(yùn)動。夜間屋頂肋架敞開，下面平臺上便可進(jìn)行露天的各種活動，它不僅在結(jié)構(gòu)與功能上能夠有機(jī)結(jié)合，而且也給人以無限的遐想。1989—1993年他在為法國里昂塞托拉斯機(jī)場（Satolas　Airport）附近的鐵路車站設(shè)計建造中，完全應(yīng)用了動物骨架的結(jié)構(gòu)原理，充分發(fā)揮了節(jié)省材料提高效能的特性，并且造型新穎，令人刮目。此外，他還為1992年巴塞羅納奧運(yùn)會設(shè)計建造最有標(biāo)志性的電訊塔，也是吸取了植物干莖自由平衡的形態(tài)而獲得新穎構(gòu)思的。

    總之，建筑仿生可以是多方面的，也可以是綜合性的，如能成功應(yīng)用仿生原理就能創(chuàng)造出新穎和適應(yīng)環(huán)境生態(tài)的建筑形式。同時仿生建筑學(xué)也給人們暗示著必須遵循和注意許多自然界的規(guī)律，它告訴我們建筑仿生應(yīng)該注意環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益與形式新穎的有機(jī)結(jié)合，仿生創(chuàng)新更需要學(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的特點(diǎn)，要做到這一點(diǎn)，建筑師必須善于應(yīng)用類推的方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感，同時學(xué)習(xí)生物科學(xué)的肌理并結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)來為建筑創(chuàng)新服務(wù)。建筑仿生學(xué)是新時代的一種潮流，今后也仍然會成為建筑創(chuàng)新的源泉和保證環(huán)境生態(tài)平衡的重要手段。