建筑仿生设计

建筑仿生设计（精选10篇）

建筑仿生设计 篇1

仿生设计理念之所以受到了国内外设计人员的青睐, 主要是因为该设计理念比较自由, 设计人员完全凭借自己对自然的理解与感悟进行设计, 同时也可以选择自己喜爱的动植物来形成建筑结构主体, 进而实现建筑主体结构与周围环境的协调统一, 给人一种艺术美感与自然美。

1 仿生设计在建筑艺术中发展现状

在建筑艺术发展的历史长河中, 出现了很多设计理念, 每种理念都有一定的设计形式, 仿生设计形式就是其中一种非常重要的形式。仿生设计突出的特点就是能够非常明确的表达出建筑结构自身所具有的个性, 该设计方式主要是应用在材料中, 通过材料来体现建筑结构独有的风格。利用仿生设计理念, 最突出的优势就是能够将建筑结构的使用价值提高一个层次, 与此同时, 也能使建筑与周围的大自然环境有效融合起来, 进而体现出建筑的艺术美。

仿生设计理念以被应用到世界各国, 甚至有些国家别有特色的餐馆都是利用仿生设计理念而成, 这为国家的旅游业的发展奠定了良好的基础。每个建筑结构经过仿生设计理念的运用, 其结构特性将十分突出, 因为自然界中动植物的种类多种多样, 只要符合建筑结构设计特点, 都可以运用各种动植物来进行建筑的设计, 通过该种设计既能够体现出当地的地理与民俗环境, 从建筑结构中能够让人有一种赏心悦目的舒畅感觉, 与大自然的融合是建筑设计所要追求的终极目标。这本身也是对当地文化宣传的一种良好的方式。仿生设计在建筑艺术中的应用, 建筑是主体, 周围的环境是辅助, 只有将两者有机结合, 才能更好的展现出仿生设计的灵性, 反之, 则会有副作用。

2 国外仿生设计的应用

国外建筑设计人员对仿生设计理念的应用时间非常长久, 通常情况下, 国外都将融入这种理念的建筑称之为有机建筑, 其设计的原则也主要是建筑与周围环境的有机结合, 这也正是将称之为有机建筑的重要原因。流水别墅是运用仿生理念的最典型的建筑, 设计人员运用仿生理念, 将其设计为方山之宅, 给人一种大自然自己打造的房屋的感觉, 因此其设计方法就是运用楼板与山体自然的结合, 在具体施工时根据建筑整体来选择所需要的建筑材料, 仿生设计与普通的建筑设计相比, 其对建筑设计人员的要求更高, 而这种流水别墅的设计则有更加严格的要求, 尤其是突出体现出建筑艺术美感, 而且要保证这种美感不能脱离实际。从上述中, 我们能够明显的知道, 流水别墅是一个非常具有超越性的设计, 该设计将建筑结构与周围环境之间的融合达到最佳的切合点, 从而给人一种自然美与艺术美。居住舒畅, 身心放松, 浑然天成, 这是流水别墅给居住者切实的感受。

目前国家建筑设计人员越来越多应用仿生设计理念, 运用原始自然环境中所拥有的物质进行设计, 将自然中天然的美感融入到建筑设计中, 使建筑具有大自然的气息。最为重要的是, 国外建筑设计人员之所以大量的使用这种建筑设计理念, 主要是因为这种设计理念比较自由, 主要是看设计人员对自然的理解, 对美的追求, 而且设计人员完全可以按照自己的感情来设计, 其约束力比较少。比如有些建筑设计人员比较喜欢动物, 其设计的建筑往往类似于某种动物, 尤其是动物中某些细节部分, 比如纹理等。

3 我国建筑结构的仿生设计

我们就以我国园林设计为例, 其特点是动静结合, 动中有静, 静中有动。用色淡雅, 朴实, 与自然景观相互融合, 既不显建筑的单调, 又极好地烘托了主题。同时, 苏州园林体现了古人对天时, 地利, 人和的追求。把山、水、树完美地融入他们的生活之中, 增加了许多生活情趣。中国古人的园林建筑, 讲求一步一景, 步步为景, 一景多观, 百看不厌。因此, 中国的苏州园林, 讲究心境和自然的统一, 互为寄托, 即古人所讲的“造境”一一有造境, 有写境, 然二者颇难分别。山川草木, 造化自然, 此实境也。因心造境, 以手运心, 此虚境也。虚而为实, 是在笔墨有无间, 故古人笔墨具此山苍树秀, 水活百润。于天地之外, 别有一种灵寄。或率意挥洒, 亦皆炼金成液, 弃滓存精, 曲尽蹈虚揖影之妙。

此外, 中国的民居建筑和村落也很受国外人士的欢迎。来中国旅游的客人, 大都选择住在四合式的小旅社, 而不是高级宾馆。不仅是外国人, 中国人也越来越重视人与自然的结合。在已批准实施的《中国21世纪议程》中, 就将“改善人类居住环境”列入重点内容。强调“森林资源的培育、保护和管理以及可持续发展”和“生物多样性保护”。可见, 在人类意识到其重要性后, 仿生建筑的概念将逐步深入人心。用仿生学的原理进行城市规划和设计是中国古代传统地理在城市选址、规划、布局和建设的一大特色。中国古代传统讲求天文, 地理和人文的相互结合, 故而产生了青龙、朱雀、白虎、玄武之说。古代人根据这些条件, 创造了许多优秀的建筑。这些环境设计上精心营造“天人合一”意境, 刻意体现园林化情调“天人合一”意境和园林化情调, 是徽派古民居环境设计中刻意追求的特色和目标。

除了这些, 还有很多这样能体现本国个性的建筑。而这些建筑, 均不是凭空产生, 而是建筑师们的精心设计。所谓“设计”, 是指在建筑物的外形, 色彩, 材质等方面的改革, 使之更能吸引人们的眼球, 间接增加它的物质利益。当今建筑, 从低空间到高空间, 从色彩单一的白墙黑瓦到各种色调的钢筋混凝土, 其风格受西方影响越来越显示出现代色彩, 国际建筑风格趋于统一, 地域特色逐渐变的不明显。为了使本地的建筑有地方特色, 成为地方标志性建筑, 建筑师们通常仿照一些物品使人们对其印象深刻。虽说现代城市建筑所用建材及造型相差无几, 但每个国家都有它独特的建筑风格, 即国家个性。只有反映国家个性的建筑才能流传至今, 为后人树立典范。

结束语

综上所述, 可知对仿生设计在建筑艺术中的应用进行探讨非常重要, 因为这种设计理念越来越受到建筑设计人员的青睐, 对其进行研究能够为更多的建筑设计人员提供借鉴。我国运用仿生设计理念的建筑结构也有很多, 这种设计理念的运用, 能够让人们更多的意识到天然美的重要性。

参考文献

[1]程华, 黄宗明, 石少卿, 刘颖芳.应用仿生原理设计遮弹层及其抗侵彻数值模拟分析[J].应用力学学报, 2005 (4) .

[2]张辰燕.翻译自然的设计——建筑设计中的仿生学[J].百科知识, 2009 (3) .

[3]周小儒, 徐宏.仿生设计在建筑艺术中的运用[J].南京艺术学院学报 (美术与设计版) , 2005 (2) .

探析形态仿生在建筑设计中的应用 篇2

不可否认，在全球化科技浪潮席卷下，建筑设计正在并将继续以前所未有的速度发展着。很多当代建筑师也正在考虑在其作品中反映当代科技的意义与目的的同时，转变一贯的“机械意象”的坚持，尝试科技、自然、设计的互动发展，运用更有机的手法结合现代科技来传达自己的设计理念，以此形成一个整体循环的设计系统。仿生学的发展无疑为此注入了一股活力。

关于仿生学

所谓“仿生”，顾名思义就是向生物学习、模仿或取得启示，仿造各种生物的优点以用于人类科学技术的创造或改进。仿生学的问世，标志着人们对生物科学的研究进入一个崭新的阶段，也意味着人类文明程度的显著提高。而“建筑仿生学，指在建筑学固有的性能与特点范围内，将现实中自然形态、社会生态的特征与规则合理运用到建筑设计中的一项学科。”它有着多方面和多层次的分类，如结构、外形、功能、材料等，适用领域极为广泛。从国内外建筑仿生设计学的发展情况来看，形态仿生设计和功能仿生设计是目前建筑仿生设计研究应用的重要领域。本论文将着重围绕建筑设计与形态仿生设计的相关内容做进一步的阐述。

建筑形态仿生分析

生物形态反映的是自然届生物存在的一种客观状态，是生物体内在属性的外在表现，对于生物体来说，脱离了自然环境和功能等因素的单纯的形态没有意义。但是对于仿生设计来说，单纯的生物形态本身也具有丰富的借鉴意义和启示作用。

建筑形态仿生设计是指直接从模仿自然生物的形态特征入手，并加以戏剧性和艺术性的效果处理的一种设计手法，是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，在依据原型的基础上发挥创造性思维而创造出更优良、多样化的形态的过程，一般可以从以下几个分类来研究：

1.直接形的仿生

直接形的仿生也指比较形象、逼真地再现事物原来面貌，尤其倾向于对大自然各种各样的看得见，摸得着的实体进行模拟，它给建筑带来新颖的造型和生动的形象，让人们立刻产生对生物的联想，被认为是实现仿生的最直接的方法。它一般比较注重自然形态本身的物理几何构成，传达的主要是生物形态的物理属性，通常具有很好的情趣性、有机性、可爱性，所以在各地少年宫、幼儿园和其他具有特殊使用用途的建筑物上有更明显的体现。

直接形的仿生不等于直接原封不动地照搬自然形态，对具体物象的直接套用，而是要经过适当的处理，使其吻合现代建筑设计的功能和审美需求的形态特点。这是进行直接的具象形态仿生的设计基础。墨西哥建筑师哈维尔·赛诺西设计了一座形如“鹦鹉螺”的小屋，整个外形模仿鹦鹉螺贝壳的形状，在巨大的镶嵌着彩色玻璃墙的房屋内部，到处种满了各种植物和小树，从楼梯盘旋而下的时候感觉就像软体动物趴在植被上，被建筑师本人称为“生物建筑”。

当然，我们也经常会看到一些简单模仿某一形象的作品，大都已背离了建筑仿生的意义，只是一种单纯追求新奇噱头的效果，它既无创新的价值，又破坏了周围的环境，需要引以为戒。

2.间接意的仿生

所谓“意”即指“心理意象”，也就说事物可以根据不同的需要抽象成不同的程度，可以是对事物的具象的模糊性再现，也可以是高度抽象的模仿性再现，还可以是高度抽象的非模仿性再现。

间接意的形态仿生过程不仅仅只是停留在建筑物的外形设计，而是赋予了建筑物更为深层的含义，让人产生联想与想象，也是在现代建筑仿生设计中用的最多最普遍的一种方法。这种仿生设计不仅能够反映建筑物的艺术造型美，还往往蕴含着机智与深邃的知识内涵，这点无论从古希腊利用多利克柱式体现男性的阳刚，利用爱奥尼克柱式体现女性的柔美，还是到现代的各类千奇百怪的仿生建筑形态设计都能看出来。

此类形态仿生与直接形的仿生最大的不同之处在于它通常具有高度简化的特征，能用点线面的变化组合来表现建筑的美感和神韵，抽象的转换所得的建筑造型韵味、特色十足。意象仿生通过研究生物千姿百态的规律，然后探讨它们在建筑上应用的可能性，这不仅要使功能、结构与新形式有机融合，而且是超越模仿而升华为创造的一种过程。这样也对建筑设计师的审美、综合素养以及创新能力提出了更高的要求。

比如扎哈.哈迪德设计的广州歌剧院，主要受到了河谷概念以及卵石在水中受到侵蚀过程的影响。整个外形设计就像河流中被冲刷平滑的鹅卵石，圆滑的过度贯穿在不同的元素和不同的楼层间，使得流动的感觉在空间内得以延续。这不仅是一次对仿生形态设计的实验，更体现了一种对城市文脉的独特探索，对未来充满了雄心壮志和乐观主义精神。

3.综合的形态仿生

“形者神之质，神者形之用”，所谓综合的仿生即指形与意结合的仿生方法，对一种物态既要模拟它的形体，同时又考虑对其神韵的传达，达到形神兼备的目的。实际上建筑的形态是集功能材料、色彩、肌理等物质要素以及当代科技、文化、艺术等要素于一体的综合的视觉呈现。在真实的建筑设计中，生物的形态模拟和意义的传达往往相互交叉融合，没有明显的界线。

最具代表性的例子莫过于台北101大楼，设计灵感源于竹子，寓意学习和成长。建筑多节式外观，高耸入云，宛如花开般节节登至富贵顶峰，象征生生不息的中国传统建筑意涵，无论形态还是寓意都把竹子这种自然物态的仿生学意义发挥到了极致。

形态仿生对现代建筑形态探索的意义

1.仿生思维提高了概念设计的效率，丰富了建筑造型语言

通常来讲，一个设计的概念决定了设计的方向，利用仿生思维不仅节省了时间，还大大提高了概念设计的质量，丰富了造型语言。大自然丰富的形体结构， 多维的变化层面， 巧妙色彩装饰和图形组织以及它们的生存方式、肢体语言、声音特征、平衡能力为我们人工形态设计提供了新的设计方式和造美法则。有机多层次的结构给建筑设计带来了新的审美标准和多元的造型语汇，建筑师不必参照过去或现在的历史形式和艺术风格，使建筑摆脱了固有的思维模式，拓展了设计的可能性，增加了设计的复杂与趣味性，是设计创新不断的源泉，为城市注入了新的活力。

2.迎合了人们回归自然的精神需求

在没有文字的年代，不仅精神功能需要语言的传承，物质性经验总结也需要语言来表达，于是在这个过程中，作为物质文化的住房形式便以之为媒介与大自然紧密的联系在一起。例如我国云南景颇族和哈尼族的建房歌就深刻的体现了他们早期受自然启示运用仿生学的意识。“看见了野猪拱地学会了挖地基，看见了牛甩尾巴学会了用大刀和斧子，看见了蛇横架在树上学会了架梁子，看见了牛肋骨学会了架椽子……”

利用现实事物建构的口承民俗传说，从最初把客观的人与自然的关系主观化为人神关系，到还原为客观的人与自然、人与人的关系，反映了人们各个时期主体意识的觉悟，它所倡导的社会规范贯彻到人们的日常行为活动中，指导着人们的建房活动等社会实践。随着科技的发展，其精神意义也会不断传承，发挥其效能和影响。

当今的信息时代，人们对设计的要求不同于过去只注意功能的优异领先，而是追求清新、淳朴，注重返朴归真和探讨个性的自律。形态仿生让设计回归自然，赋予设计形态以生命的象征是人类对精神需求所达到的共识。各种生物符合自然生存法则的自身特性的生长机制也让设计师必然考虑设计的灵活与社会属性，以期能更好的达到宜人性的目的。

3.促进自然与技术的结合发展

形态仿生设计是在与技术的相辅相成中得到发展的，设计师每一次灵感的汲取，每一次造型的分析，都需要与之相应的技术支撑。而每一次技术的进步又要求仿生形态的更进一步的纵深发展，促使人们去探索生命的本质意义。自然界中鸟给人类设计的启示应该是最早和最丰富的，从早期受鸟巢启示的树上巢居到架空盖房的“干栏”楼居，再到今天运用高科技的模型手法对生物原型进行定量分析的国家体育场，是人类在与大自然的反复磨合中创造出来的空间结构形态的演进，是技术与自然结合发展的最好证明。而在未来，随着社会和科技的发展，建筑普遍向垂直方向演进，“空中楼阁”的概念似乎与之又不谋而合。“空中楼阁”这几个字的意思原来是用来描写一些不可能实现的事情，或者形容一些幻想中虚构的房屋建筑，利用空间建造超高层的高楼大厦，还会继续发展下去，仿佛又回到了人类居住之初的巢居时代。大自然生物是一个不断进化的过程，建筑空间结构形态也将随着科技的进步，在与自然的紧密结合中实现否定之否定的辨证发展。

结语

当然，我们得承认，所有的仿生设计作品都不可能是形式或结构或材料的单一或简单的仿制，它涉及到多领域、多学科的知识的综合运用和协调。在仿生形态的研究和应用中，应该从具象的形态与结构中探索其特殊的功能结构与形态协调特点，通过对生命系统的构造和工作原理研究，总结出仿生形态的科学规律。

而就目前科学技术发展的水平而言，我们对于自然界的认识还是很肤浅的，这就更需要科技、设计与自然的互动，从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感，同时学习生物科学的肌理并结合现代建筑技术来为建筑创新服务。

（作者单位：苏州工艺美术职业技术学院）

基于仿生的建筑暖通空调设计理念 篇3

1 建筑仿生历史回顾

1.1 早期建筑仿生现象

早期建筑的仿生大都体现在生物形态的模仿上。早在16世纪, 乔吉奥·瓦萨里 (Giorgio Vasari) 就提出了一个理想宫殿的初步设计方案———建筑正面模仿人的脸部, 庭院模仿人的躯体, 楼梯模仿人的四肢。这一理论将宫殿建筑各部分的布局与在自然规律变化条件下创造出来的人类形体进行类比, 体现了仿生的理念[3]。

1.2 仿生学的诞生

尽管建筑仿生有了一些进展, 但“仿生”这一概念却迟迟未定。直到1949年, 控制论创始人, 美国科学家维纳 (N.Wiener) 《控制论》的提出[4], 带给人类无限的思考, 工程技术的创新可从生物科学的角度去寻找发展。仿生学再一次的转折点发生在1960年9月13日到15日, 在美国俄亥俄州达顿城 (Payton) 的一个空军基地里, 第一届仿生学讨论会召开, 正式将这一跨领域的学科命名为“仿生学”[4]。

1.3 建筑仿生的推进

从建筑仿生的提出到20世纪70年代, 这一科学领域受到社会广泛关注。我国仿生学研究工作始于1964年前后。1975年-1976年, 中国科学院召开了我国第一次仿生学座谈会。不久之后, 在全国自然科学学科规划会议上制定了我国关于仿生学的研究规划。直到1983年, 德国人勒伯多 (J.S.Lebedew) 著写的《建筑与仿生学》, 才从理论上将建筑仿生与生态学, 与美学等关联起来, 并在仿生建筑的应用方面进行了深入的探索[4]。

1.4 现代建筑仿生学

1990年代晚期, 毕尔巴鄂古根海姆博物馆的设计, 运用计算机技术使建筑在非线性空间具体成型, 受到人们广泛关注[5]。从早期的自然形式上的模拟提升到生物技术的模拟, 再到生命原理的模拟, 仿生建筑逐渐成熟。

2 暖通设计中仿生学应用的新思路

2.1 巴黎建设对暖通空调设计仿生的启发

城市环境仿生是人类利用仿生学的理念和特征来改造环境, 从而创造出高度人工化的生存环境。例如, 1853年法国皇帝拿破仑第三任命赛纳区行政长官欧思曼 (G.E.Haussmann) 执行的巴黎建设计划, 把整个巴黎模拟成人的生态系统, 在巴黎的东西郊建立两座森林公园仿照人体两肺, 将巴黎各处的绿化带与塞纳河模拟成人体呼吸管道, 环形和放射形的道路模仿人体的血管系统[6]。

换一个思考的角度, 巴黎仿生改造的理念也可以运用到空调制冷机房设计中来。将整个制冷系统模拟哺乳动物, 制冷机组中的冷凝器和蒸发器分别模拟哺乳动物心脏的左心房和右心房, 压缩机则模拟其肺部, 各部分管道设计仿照哺乳动物的血管分布。将哺乳动物身体各部分之间的联系合理运用到空调系统中, 使制冷机组部分与管路部分更具有整体性。

2.2 暖通空调功能设计仿生

将自然生物的某些生存功能运用到建筑暖通空调设计中, 即为功能设计仿生。例如, 建筑大师丹下建三设计的日本山梨县文化馆, 由4行16根5米长直径的圆筒结构做主要支撑体, 模仿了植物的新陈代谢功能。在圆筒内设楼梯, 厕所等, 圆筒之间架设播音室, 印刷厂和办公室, 这充分考虑了功能上使用的特点, 使报社和电台的办公、印刷、出版和播音空间四者之间既相互联系又各自独立[7]。

由植物新陈代谢系统推想到建筑布置, 大师的设计理念充分体现了仿生的灵活性。例如, 人类根据萤火虫的发光原理制造出的人工冷光, 提高了发光率, 降低了热量消耗。从生物体的生命现象推想暖通空调设备的设计, 有利于改善设备外观并提升其功能。

2.3 暖通设计形式仿生

1958年埃罗·萨里宁 (Eero Saarinen) 设计的美国耶鲁大学冰球馆, 仿自一只畅游海洋的海龟, 建筑师萨巴 (Fariburz Sahba) 在1975年-1987年设计建成的印度新德里母亲庙仿佛一朵圣洁而高贵的荷花, 英国伯明翰塞福瑞吉百货大楼外型轮廓犹如女性的身体, 这些建筑仿生的成功案例启发建筑设备设计形式朝多样化方向发展。

如今市面上的空调机组大都造型单一, 对家用空调室内机进行外观上的仿生设计, 能使其外观构造更加生动活泼, 成为家庭装饰品的一部分, 与整个家庭环境相融合。但要避免出现简单模仿生物外观的作品, 一味夸张和新奇, 毫无美感和创新可言。这类设计带给人们的是“惊讶”而非“惊喜”, 任何设计形式上的改变, 都要在保证其功能正常使用的基础上进行。

2.4 建筑暖通空调结构设计仿生

结构组织仿生即研究生物内部结构, 类比建造出与生物体或其某部分相仿的机械装置。1957年, 奈尔维和维特罗西建造的罗马奥运会小体育馆, 其内部钢筋混凝土网格结构系统, 就是受葵花的启发, 该结构不仅用材经济, 受力合理, 而且内部装饰新颖。

对于向日葵, 最显著的特征便是其向阳生长, 其原理是向日葵的顶部富含有生长素, 受到阳光的刺激使生长素分布不均匀, 从而出现向阳生长的现象。仿照向日葵的原理, 在设计空调系统的送风口时, 在其周围安装温度感应装置相当于生长素的作用, 受到周围环境温度的感应, 适当调节各个方向的送风量, 使整个房间气流组织形式更合理。

20世纪70年代, 德国科学家发明了毛细管平面辐射式空调末端系统, 这种模仿人体毛细血管散热的新型空调末端系统被视为一次“末端革命”。这种系统的毛细管中充满具有高效传热功能的介质与传统对流式空调系统相比, 在冬季, 供水水温只需30℃-35℃, 即能满足室温20℃±2℃的要求;在夏季毛细管辐射供冷工况下, 辅以置换新风的除湿系统, 供水水温只需18℃, 即能使室温达到26℃±2℃。而且由于毛细管末端系统换热面积大、传热速度快, 因此它传热效率更高, 向房间辐射冷量和热量更加柔和, 房间温度分布更加均匀[8]。

在津巴布韦的哈拉雷, 矗立着一座体型庞大的办公及购物群———约堡东门购物中心。该购物中心并没有安装空调, 但却凉爽宜人, 它所消耗的能量只是与其同等规模常规空调的十分之一。它的设计灵感来源于非洲的白蚁, 这些小生物们能够在其塔楼巢穴中维持一个恒定的温度。它们经常开启和关闭自己塔楼巢穴中的气口, 使得巢穴内外的空气得以对流———冷空气从底部的气口流入塔楼, 与此同时热空气从顶部的烟囱流出, 这一发现被建筑大师麦克·皮尔斯运用到建筑中去。这项仿生科技的应用, 不仅节能增效, 而且省下的空调设备的成本汇聚成了涓涓细流, 造福了该建筑的租赁者, 他们所付出的租金比周边建筑的租赁者要少了20%。

日本夏普公司推出仿生型空调扇叶, 在室内机送风板的设计上采用了类似鸟类羽毛的涡流器, 使空调风轮送风效率调高30%, 最大风速比以往提高14%, 在送风量不变的前提下, 鸟翼形状的风扇比传统风扇节电10W[9]。

3 结论与展望

暖通空调的仿生应用这一概念提出较晚, 一方面说明在现阶段其仍不太成熟, 而另一方面也说明它是社会经济发展的产物, 是一种新思想, 新理念。将仿生学运用到暖通空调行业的发展中, 主要目的即实现建筑环境的节能环保以及创新。这也是目前解决城市环境污染, 人们生活品质下降问题的一种新思路。然而, 暖通空调仿生涉及多个领域, 多种学科, 目前缺乏系统性研究, 成功案例鲜见。其主要原因是因为“生物体普遍存在以较大的密度和较高强度的材料配置在高应力区, 并以最少的结构材料来承受最大的外力。而且, 根据外界条件的变化, 部分地调整和改变组织结构, 并具有再生的能力”。而建筑设备或系统是一个无生命体, 不可能时时对外界的改变做出相应的改变。

此外, 建筑暖通空调设计模仿的是生物的独特性, 而这些优良的特征都是经过长期历史的演变才形成的, 在这个仿生成为潮流的时代, 对于暖通空调的设计过程或许可以模仿生物的进化史。尽管自然界进化过程比较缓慢, 但每一步都是适应自然环境的正确选择。因此, 暖通空调设计师们不要一味求快, 优秀的作品都是在汲取前人的经验并不断地改进之下才形成的。并且, 当代建筑暖通空调仿生设计的产品层出不穷, 如何进一步优化仿生产品, 使其功能更加完善, 也是在未来仿生设计中值得思考的问题。

参考文献

[1]王立福, 单欣, 李尧.仿生学在建筑设计中的应用[J].山西建筑, 2008, 34 (9) :78-80.

[2]贾贤, 等.天然生物材料及其仿生工程材料[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[3]Hugh Aldersey-Williams.当代仿生建筑[M].卢昀伟, 等, 译.大连:大连理工大学出版社, 2004.

[4]徐晓琳.浅谈建筑仿生文化的发展趋势[J].四川建材, 2006, (2) :71-73.

[5]何炯德.新仿生建筑[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[6]史蒂芬·柯克兰.巴黎的重生[M].郑娜, 译.北京:社会科学文献出版社, 2014.

[7]马国馨.丹下建三 (国外著名建筑丛书) [M].北京:中国建筑工业出版社, 1989 (3) .

[8]杨曦, 黄磊.基于暖通空调的设计分析[J].北京科技资讯, 2014.

浅谈仿生建筑与太阳能的利用 篇4

关键词：仿生学；建筑发展；建筑设计；新能源

中图分类号：TU201 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0051-02

仿生学是1960年正式诞生的一门综合的边缘科学。它研究生物系统的结构性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现有的或创造崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程。因此，生物模拟就成为现代发展新技术的重要途径之一。我们所认知的仿生设计，是在自然界中吸收其精华，以生物的方式去模仿、学习，把其运用到建筑当中，在利用动植物利用太阳能的方式，用到建筑当中，完善建筑的功能。即将生物和太阳能的完美结合方式，有机地融入建筑当中，不仅能够促进建筑与自然的和谐型，还可有效地降低人们的生活成本，使建筑、人、自然共同发展。

1 仿生学与仿生建筑

1.1 何为仿生学

仿生学是在社会发展的过程中，人们认识到科学循环的重要性，在20世纪50年代，人们运用生物系统去开发研究的另一方向。当前的设计者和建造者利用数学和物理学的知识和理论，采用新的技术模型对仿生系统进行研究，全面地提高了生物仿生学的发展和提高，从另一个方面对生物的内在结构和生理特性进行了分析。因此，模拟生物不再是空泛的幻想，做到了现实。设计者和生物学者要一起努力，在未来的生物和建筑领域，开发、研制新的工程技术，为实现未来的发展奠定基础。这些技术要在当代的航空领域进行实施和应用，例如航海、自动化控制等多方面去开展。要把生物学和工程学融合在一起，让它们互相吸取精华，为我们的仿生学发挥作用。

1.2 何为仿生建筑

我们认知的自然界是和谐有序发展而来的，是一个整体，许多物种在自身的进化过程中，都有对自然的依赖和共存性，它们相互依托于自然界的天然性，保持着平衡的发展。每个个体都要已存在这个大的自然环境体系中，不可能单独地存活和发展。

建筑仿生学以及建筑生态学，是在当代科学理论与实践的基础上发展和形成的，但全面分析西方以及中国的文化，我们会发现其中的某些思想与思维方式对现代建筑生态学和建筑仿生学的研究仍具有指导作用。

2 建筑行业太阳能现状

太阳能资源的合理利用与开发是建筑行业的追求，它主要分为以下两个方面：被动式太阳房，它的运用是按照建筑物的方向和环境去合理安排，能够有效地利用材料，发挥其作用，充分地采集和收取、太阳表面发出的热能、光能，运用于建筑物中；主动获取太阳能量的房屋建筑，是通过对建筑本身设置安装大量的太阳能采集设备、风机以及泵和管道，把收集到的热量存储到太阳能设备系统中去，利用太阳能设备的能量转化给建筑物提供制冷或供热的需要。

3 生物利用光能量的发现

光合作用是植物赖以生存的保障，它们通过光合作用，以化学的方式进行养料的收集、存储和吸取。太阳能是大自然生存发展的重要作用，它支撑着整个生态循环系统。植物等通过光合作用能够生存，这可以看作是生物整个生命体协调运作利用太阳能的过程。

在建筑中不应该是零散和附加的，应该有效地利用太阳能，全面、整体地去开发和使用，可以在建筑物的外墙、屋顶等多部位安装电池板和太阳能热水器，这样能够有效地降低建筑物的电量损耗，给建筑以生命和活力，就像植物一样运用太阳的表面的光能、热能。

4 建筑业的太阳能与仿生

4.1 太阳能利用的仿生渊源与理念

太阳能在仿生建筑中的利用和理念，包括以下两个方面：一是建筑物自身去利用太阳能，其中包括建筑物的结构特点、外部环境和功能的体现，一次建造一个完整的仿生建筑生态体系，以太阳能为主导，发挥仿生建筑物的作用，如：利用仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，促成了自然与人类社会的统一性，已经成为了在建筑设计中的重点，人类社会在自然界中吸取了大量的自然因素，更是建筑和仿生学发展的基础。自然界中动植物的发展和进化，为人类提供了许多借鉴因素，人们也在自然界中学到了本领。仿生学的重要性在于能够帮助和指导建筑设计和实践的作用，对建筑的科学发展有重要意义。二是将建筑看成一个具有仿生学的整体，从能够充分满足建筑物光能热能需要的太阳能系统设备开始，在设计的最初即要考虑到将太阳能与建筑本身合理的有机的结合为一体。

4.2 太阳能利用的仿生解析

4.2.1 仿生原型。仿生建筑在太阳能的利用方面主要分为：一是仿自然界生物体的性能；二是仿生物的栖居物。

4.2.2 仿生物体本身的性能。在仿生学理论角度出发，仿生建筑通过模仿自然生物系统的结构特征、运用自然去转换能量以及交换信息方式等，可以直接为建筑物提供能量，也可以去适应自然气候，对建筑物的仿生学发展起到良好的作用。

4.2.3 仿生物的栖居物。自然界生物的栖居物往往有着优良的物理性能，具有出色应用太阳能的技巧，对材料的利用也十分节省、到位，具有很好的综合生态效应，还能够自然降解，如蚁穴。

4.3 仿生利用太阳能的构成解析

自然界的植物经过漫长的进化，都已经适应了自然气候变化的特点，形成了一整套有效的应对系统，也正是如此影响了建筑物的仿生设计。建筑是人们赖以生存的地方，结合自然特点，融入仿生学理论，采用太阳能的方式去建设，和自然界成为一体，充分体现自然生物和太阳能、仿生建筑间的和谐共存理论。

5 结语

本文通过太阳能在仿生学建筑中的应用进行了分析，得出了仿生建筑物在与自然界以及太阳能之间，是能够形成一种相互融合的生态系统的，它们有着自己的生态调节系统，不仅节约了资源，更促进了自然与人们的和谐共存。

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仿生元素在中国建筑设计中的应用 篇5

为什么仿生建筑如此受世界各地建筑师的青睐呢?因为在当今社会, 我们对一栋建筑的评价, 已不仅仅停留在它的使用功能的划分、建筑形式的设计上, 同时也在评估它是否符合生态和环保标准, 生态环保问题已经成为世界各国和社会各界关注的重点, 而仿生建筑正是因为具有大跨度、高强度、安全、轻质、节能、经济和适用等特征而广受青睐。

仿生建筑因其高效、低耗、节省建筑材料和可再循环的特点而在世界上广受欢迎, 全球各地出现大量仿生建筑。中国古代的建筑结构即存在大量仿生元素, 现代建筑设计中更是在有意无意地借鉴使用仿生元素。因此, 对我国现代建筑中仿生元素的应用进行研究有着实际的指导意义。

一、仿生建筑的概念

仿生建筑以生物界某些生物体的功能组织和形象构成规律为对象, 探寻自然界中科学合理的建造规律, 并通过对这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法, 促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成的建筑形式。

仿生建筑学暗示人们必须遵循和注重自然规律, 重视生态环境、经济效益与新奇形式的有机结合, 仿生创新需要学习和发挥新科技的特点, 要做到这一点, 建筑师必须善于应用类推方法, 从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感, 同时结合生物科学与现代建筑技术为建筑创新服务。

二、仿生元素在中国古代建筑中的应用

中国古代的仿生建筑创作, 可以追溯到远古人类时期, 北京周口店龙骨山的山顶洞人就是模仿动物居住在天然形成的山洞中, 黄土高原上特有的民居形式“窑洞”, 与动物的巢穴相似, 是在土崖畔上开掘洞窟, 省工省力、冬暖夏凉, 十分适宜居住生活。

在中国古代的城市规划和设计中, 古人就已经开始将仿生学原理应用于城市选址、规划和布局中。古代传统讲求天文, 地理和人文相互结合, 故而产生了左青龙、右白虎、前朱雀、后玄武的说法。著名古镇“宏村”就是以它先进的规划和建造模式, 成为中国古代建筑仿生的典范, 它的人工水系运用了动物的仿生学原理, 600年前的天津城选址也运用了建筑仿生原理, 按照几何学原理, 根据其轴线和特征线切划出来的最佳位置就是天津卫城所在地。依据现有的天津最老的地图, 按主河道曲线可以清晰的画出3个太极图, 反映出宇宙万物运化的全息静态模式, 体现出中国哲学的精华。

三、仿生元素在中国现代建筑设计中的应用

中国现代建筑的仿生形式归结起来有以下几大类:仿壳体式、仿动植物纤维式、仿气泡式、仿双螺旋式等。

1. 仿壳体式。

人们通过对蛋壳的研究在建筑业上取得了巨大的成就。现代建筑师受蛋壳的启示, 设计出许多大型薄壳结构的优秀的建筑作品。北京国家大剧院就采用了壳体结构, 建筑外形是半椭圆球形, 屋面采用钛金属板, 整个网壳外环绕着人工湖, 各种通道及入口均设在水下, 既节省建筑材料又坚固, 而且由于壳结构的力学原理, 使建筑取消了仅靠地面承受压力的柱子, 这样也使视野变得开阔, 更能体现建筑的美感。

2. 仿植物纤维式。

大多数生物体都由纤维和细胞构成, 纤维结构有着独特的受拉特性, 人们因为受到这种纤维结构的强受力、受拉特性的启示, 发明了结构独特的索网结构。上海世博会的世博轴在外观设计中即充分运用了钢结构和膜结构, 6个“阳光谷”共有1万多个钢结构节点, 每个节点都有4~6个杆相交, 使得整个建筑造型受力均匀, 在整个世博会场的景观中起到了标志性作用, 而且在形式上, 有很强的节奏感、方向性。

3. 仿气泡式。

动物和植物的细胞内充满的液体或气体会对细胞壁产生一定的压力, 科学家把这种压力称为细胞的胀压, 根据细胞胀压原理, 人们设计出各种新颖别致的充气、充液结构的大型建筑。“水立方”借助对生物机理的模仿, 为建筑提供了全新、环保的外表皮。自然通风、水循环系统的合理开发, 高科技建筑材料的广泛应用, 这些因素都使得“水立方”成为最适宜的游泳比赛场所。

4. 仿螺旋式。

自然界很多生物都具有美丽的螺旋线, 螺旋形往往是建筑造型的母体, 而螺的外形也是建筑师设计的元素。上海世博会的上汽-通用汽车馆外观设计的灵感即来源于大自然与汽车工业。螺旋形的曲线象征着自然旋转与升腾的动力, 融合来自汽车工业的线条与元素, 勾勒出一条联系现在与未来的科技之路。

四、结论与建议

建筑设计中仿生元素的应用不仅能够让人类回归自然, 享受舒适生活, 还是实现低碳、环保发展的有效方式, 它将是21世纪和以后更长一段时间内的中国建筑设计发展的主流, 将会促进建筑多元化和人类总体文明的发展, 是解决能源危机的良好途径。

仿生学在建筑设计中的应用 篇6

生物在千万年进化的过程中,为了适应自然界的规律而不断完善自身的组织结构与性能,获得了高效低耗、自我更新、新陈代谢、结构完整的保障系统,从而得以顽强的生存与繁衍,维持了生物链的平衡与延续。研究建筑仿生学就是为了从自然界中吸取灵感进行创新,以便与自然生态环境相协调,保持生态的平衡发展。尤其是在大力提倡节约能源,减少环境污染,建设节约型社会的环境下,研究仿生学在建筑工程中的应用更具有十分重要的意义。

2 仿生学在建筑设计中的应用

2.1 城市环境仿生

城市环境仿生由来已久,比较有代表性的例子是法国巴黎的城区改建规划。早在1853年时,巴黎塞纳区行政长官欧思曼(G.E.Haussmann)为了执行法国皇帝拿破仑第三的巴黎建设计划,曾对巴黎市区进行了大规模的改建,它不仅要表示对帝国首都的赞美,而且要在城市结构功能上进行改善,使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界。为了实现这一设想,巴黎改建规划在某种程度上就是模拟了人的生理循环系统而进行设计的。这种城市环境仿生思想,不仅在当时已起到了积极的作用,解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题,使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例,而且它的城市环境仿生理念为今后的城市规划提供了很好的借鉴经验。

目前,国内许多城镇的小区规划设计与“簇群城市”规划思想颇有异曲同工之处。

2.2 造型仿生

建筑造型仿生是建筑创新设计的一种有效方法,它是通过研究自然界生物千姿百态的规律后而探讨在建筑上应用的可能性,这不仅使建筑形式与功能、结构有机融合,而且还是超越模仿而升华为创造的一种过程。造型仿生在建筑工程设计中较为常见,它不仅可以取得新颖的造型,而且往往也能为发挥新结构体系的作用创造出非凡的效果。

美国建筑师埃罗·萨里宁(Eero Saarinen)是一位将建筑的功能与艺术效果真正完美结合的建筑大师,他独特的艺术想象力和建筑思想以及留下的雕塑性非常强的作品,对后来的建筑影响深远。他最著名的作品是纽约肯尼迪机场的美国环球航空公司候机楼,建筑外形就象展翅的大鸟,动势强劲,屋顶由四块现浇钢筋混凝土壳体组合而成,几片壳体只在几个点相连,空隙处布置天窗,楼内的空间富于变化,这是一个凭借现代技术把建筑同雕塑完美结合的作品。

日本建筑师丹下健三为1964年东京奥运会设计的游泳与球类比赛馆,利用悬索结构仿贝壳体形,使功能、结构与造型达到有机结合,令人耳目一新,成为建筑艺术作品的优秀范例。

建筑大师赖特是一位善于结合自然环境的建筑师,他早年曾攻读过结构专业,因此能在建筑造型与结构体系的融合方面运用自如。1950年他设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼就是仿照地面菌菇类植物的结构特点,把主要支承结构放在建筑中央,四周楼板悬挑,外表形成幕墙,给人以自然的形态,达到和环境融为一体的境界。

上述建筑师的作品无疑值得在建筑创作中借鉴,只要善于观察和吸收自然界中千变万化现象的内在规律,就能有取之不尽的灵感源泉。遗憾的是,国内外也曾出现一些简单模仿某一形象的作品,但这些都已背离了建筑仿生的意义,而只是单纯追求一种新奇的效果,它既无创新的价值,也不能与周围生态环境取得协调,是一种建筑文化的糟粕,这是特别需要引以为戒的。

2.3 功能仿生

在建筑使用功能方面的仿生,应用也很普遍,表现形式也是多种多样的,只要善于应用类推的方法,就可以从自然界中吸取无穷的灵感,使建筑的空间布局更具有新意。例如,芬兰著名建筑师阿尔托(Alvar Aalto)设计的德国不莱梅高层公寓(1958年～1962年)的平面就是仿自蝴蝶的原型,他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀,不仅使内部空间布局新颖,而且也使建筑的造型变得更为丰富。

建筑的功能往往是错综复杂的,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。如何有机地组织各种功能成为一种综合的整体,自然界生物也为人们提供了交织组合的范例,这使得建筑师在建筑功能组织中有所启发。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,这就要求在有限的空间内要高效低耗地组织好各部分的关系,使这些空间可以适应多种功能。建筑师没有理由在复杂的功能组合中浪费空间和材料,也没有理由不向大自然这位最好的老师学习。

2.4 结构仿生

美国工程师富勒(Buckminster Fuller)从自然界的晶体与蜂窝的菱形结构中获得了启发,设计了加拿大蒙特利尔国际博览会美国馆。他仿照一种深海鱼类的网状骨骼结构和放射虫的组织结构,创造了立体网架的短线弯窿,高度达60 m,直径为76.2 m,弯窿外部用塑料敷贴,并可启闭,夜间灯光照亮,通体透明,犹如星球落地。

在结构仿生方面,最著名的还有西班牙工程师圣地亚哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)。他为1992年西班牙塞维利亚国际博览会设计的科威特展览馆,其屋顶是模拟动物关节的自由运动而可自由启闭的结构,夜间屋顶肋架敞开,下面平台上便可进行露天的各种活动,它不仅在结构与功能上能够有机结合,而且也给人以无限的遐想。

形态万千的自然界生物根据自己不同的构造和存在方式,有着不同的特征,存在不同的体现自身特点的尺度,只要认真研究客观生物实体构造和空间结构形式之间的相似离合度,认清生物体的优化程度和结构限定性,探寻空间结构形式与生物形体和构造之间的内在关系,有利于人们对结构仿生工程的认识,找到一条发展仿生建筑结构新形式的途径。

2.5 建筑材料

科学家们通过对某些生物特殊的有机构成结构所进行的广泛而深入的研究与试验,总结出某些仿生材料学方面的经验和规律。比如,模仿蜂巢创造了既轻又美的网格结构,而且也用于建筑材料的设计,设计出了各种轻质高强的泡沫蜂窝材料和结构。泡沫混凝土、泡沫塑料、泡沫玻璃和泡沫合金等都已得到大规模的使用。实践证明,这种材料中由气泡组成的蜂窝,既隔热又保温。最近,英国的建筑师试制成功一种蜂窝墙壁,中间填满由树脂和硬化剂合成的尿素甲醛泡沫,用这种墙壁建造住宅,结构轻巧,冬暖夏凉。

3 结语

建筑仿生是多方面的,也是综合性的,合理运用仿生原理,可帮助人们创造性地设计出新颖和适应生态环境的建筑形式。同时,仿生建筑学暗示着人们必须遵循和注意许多自然界的规律,它告诉人们建筑仿生应该注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合。

建筑仿生的创新更需要学习和发挥新科技的特点,要做到这一点,从事建筑行业的设计师必须善于应用类推的方法,从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感,同时学习生物科学的机理并结合现代建筑技术来为建筑创新服务。建筑仿生学是新时代的一种潮流,它必将促进建筑工业的不断发展,成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。

摘要：从城市环境仿生、造型仿生、功能仿生、结构仿生以及建筑材料仿生等方面探讨了仿生学在建筑设计中的应用,指出建筑仿生应注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合,从而促进建筑业的不断发展。

关键词：仿生学,建筑设计,功能仿生,环境

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[6]李保峰.仿生学的启示[J].建筑学报,2002(9):121-122.

生态建筑与仿生建筑(下) 篇7

仿生建筑

大自然是人类生存的场所,也是人类知识的重要来源。从人类最初的木结构棚屋,到当代的摩天楼和航天飞机,自然界一直是人类获取各种资源和能量的补给所。自然与建筑的联系更是有着深远的历史。在古典建筑中,除了建筑材料全都来源于自然以外,建筑中还要设置大量从自然界中提取而来的装饰图案。从古埃及时期各式各样的纸莎草,到古罗马时期标志性的苕茛叶;从文艺复兴严谨的花纹装饰,到巴洛克时期那些灵动而抽象的图案,无一不追求自然与建筑的和谐。但对于绝大多数现代建筑来说,除了获得与自然相协调的关系,以及采用自然建筑材料以外,似乎很难让人们与大自然联系到一起,无论是现代建筑简洁、理性的结构还是建筑那“钢筋铁骨”、玻璃外皮的形象,都带有强烈的人造意味。

虽然如此,建筑与自然形象的天然联系从现代建筑萌芽时期就从来没有中断过,只是在不同的时期有不同的表现,有时以更加抽象、概括和含蓄的方式出现。在一个世纪之前的西方社会影响深入的工艺美术运动、新艺术运动等针对工业品与建筑设计活动展开的一系列艺术运动,都以主张回复自然形态为主要宗旨。只是在建筑中,这种对自然形态的模仿和表现大多体现在了细部的装饰上。

以早期的有机建筑风格(Organic Architecture)为代表,随着现代建筑的迅速发展以及建筑结构和技术的改进,尤其在能源问题出现之后,人们又重新开始研究自然形态与现代建筑形象之间相结合的问题。从沙里宁(Eero Saarinen)设计的具像鸟形候机楼、鲸鱼形冰球场,到夏隆(Hans Scharoun)用抽象有机线条设计的音乐厅,这些作品都直接表现了来源于自然界的生动形象。而这些建筑的形象,不管是逼真地模仿还是抽象地表现,都能够让人们很容易联想到自然界与之相对应的形象。

就像文艺复兴时期达·芬奇和帕拉第奥等,许多大师级人物发现的新比例关系那样,在当代精密的计算机运算出的各种复杂的比例关系,很多早已经蕴含在自然界当中。人们仿照鱼的比例建成了流线型的抗阻建筑,仿照蜂巢的结构做出了供航天飞机使用的超轻高强度材料。事实上,许多科学技术上的进步都与人们对自然界不断深入地了解有关。

建筑界也有一些建筑师走上了专业的模仿自然生物形象设计建筑的道路上来,由此诞生了一种新的建筑类型——仿生建筑(Bionic Architecture)。美国建筑师尤金·崔(Eugene Tsui)就是一位专门设计仿生建筑的建筑师,他用一些简单和普通的建筑材料,靠模仿动物具有的一些优良结构和富于表现力的外形,创造出了各式各样既实用又新奇的建筑形式。

2001年,崔在他的故乡美国加利福尼亚州设计了一组为培养旋水按摩人才的国际性学院。由于教学的需要,建筑与水池紧密相连。这座建筑体的结构和用料都非常简单。首先是用混凝土砌筑不规则弧线形的基座,这些基座在水池的映衬下犹如曲折蜿蜒的堤岸。基座上的建筑采用圆球形式,这是一种经典的省材又得到最大使用空间的几何图形。支撑圆球的是天然的木结构,而球形结构表面则用混凝土与一种特殊的乙稀类材料混合后覆盖而成。用这种材料覆盖后的建筑表面没有做过多的粉饰,而是直接裸露着粗糙的墙面,但围绕这些球体却做了一些连续而突起的曲线,使建筑更具有生命体的特征(图13)。

这种建筑不仅省时省料,制作简单,而且非常实用。相比起那些大体积的建筑来说,造价相当低廉,这也是崔设计的仿生建筑的另一大特点。早年,在崔所设计的一座小住宅的加建项目中,他更是大胆地使用了一些天然材料。由于住宅背靠一座小山,因此加建的一层就像是一个地下洞穴,颠覆了传统建筑的形象,用混凝土的基座与钢铁架分隔的高窗围合而成。窗框全都使用木材,并且整个建筑没有基座和屋顶的形象。除了在混凝土基座外嵌入一层当地的石块以外,建筑顶部还特别设置了一个蜻蜓形式的遮阳棚。这个遮阳棚利用钢索悬挑两翼,可以随需要拉起或放下,从远处看去,就像是一只巨大蜻蜓落在上面。

这种仿照动物形态建造的小建筑,大多因其单一的使用性而对建筑面貌的形式要求比较自由,而这些用石材、木材和混凝土、塑料等材料建成建筑较低的维护费用也是吸引人们的因素之一。在追求个性化和独特性的今天,这种建筑开始受到人们的喜爱。随着这种模仿生物体形式的建筑越来越受到人们的欢迎,建筑师开始把它们应用到稍大型的建筑项目中。无论业主还是用户,似乎也都很乐意接受通过独特的建筑形象来彰显企业形象和特色的这种安排,因此仿生建筑得以不断发展壮大。

与环境形态结合的建筑

最初人们大多认为,当仿生形式的建筑位于郊外或自然环境中时,由于不受周围建筑的限制,不仅可以使建筑本身的造型更加自由,还可以显示出一种与城市建筑完全相反,却与自然环境相契合的张扬、蓬勃的生命力来。来自日本的建筑师叶祥荣(Shoei Yoh),是一位注意探求现代建筑自然性的建筑师,他在日本福冈地区茂密的丛林中设计了这样一座活动中心建筑(图14)。

这座小型的活动中心建筑中使用了竹子、木材、钢铁构架、混凝土、玻璃等建筑材料,让人们看到了现代材料的传统气息和传统建筑材料的现代气息。整个活动中心是一个不规则倒椎形建筑,像一朵倒扣的花朵,又像是八爪鱼一类的海生物立在平坦的草坪上,在它后面,还有一条向外延伸出的建筑部分,像一条拖后的尾巴,又像一只巨大的触角。

建筑内部的结构实际上非常规整。因为虽然整个建筑的形态极不规则和充满变化,但支撑屋顶和主体建筑的却是规则的网格形结构。而且这个网格形结构都由自然生长的竹子编成,编好后的竹子结构上面用混凝土浇注成薄壳体,并涂以防护材料,整个屋顶系统就全部完成。虽然整个屋顶仅靠薄壳屋顶不足以获得坚固的支撑,但由于将建筑底部围绕的金属支柱系统巧妙地设置在建筑边缘的皱褶处,所以这部分结构被很好地隐藏了起来。在主体建筑内外,人们看到的都只是纤弱竹网外包裹的混凝土薄壳屋顶,十分独特。

仿生建筑具有优美又独特的建筑形象,因此除了用于兴建一些小型建筑之外,人们也一直在探索将其与都市建筑、大型建筑类型相结合的出路。在这方面,日本建筑师伊丰东雄(Toyo Ito),就是通过现代高科技手段的辅助,来实现对自然界简单生物形象的模仿的。

2004年,伊东丰雄在日本东京表参道地区设计的大楼,是一座位于东京最繁华商业城区的高层建筑。受到基址的限制,建筑平面呈“L”形,将容纳商业、办公、会议等多项功能于一身。并且,作为永久性建筑项目,该建筑还要达到足够的坚固性(图15)。

由于大楼本身是一座商业建筑,因此要想在繁荣的商业建筑聚集区引人瞩目,以最大限度地达到招揽顾客的目的,就要赋予建筑独特的建筑面貌。同许多繁荣的国际大都市的商业区一样,表参道地区云集了大量的商业建筑,而且各个店家都极尽所能地求新、求异,以便在琳琅满目的商业背景下突出自己。因此本地区传统多样化的结果是没有了传统。

为此伊东丰雄回到本街区的自然周边环境氛围中,将道路两边郁郁葱葱的桦树作为新建筑的外观形象。这个建筑的形象来源其实很简单,设计师将茂密的桦树林复写在一张矩形的纸条上,再将这个纸条折叠成“L”形的纸筒,整个建筑也就呈现在人们眼前了。但在实际建设中,要想既保持树的形象,又保证建筑受力结构的合理性,却不是那么容易的事情。因此在整个建筑的设计过程中,全程引用计算机模拟建筑各部分结构的受力情况,再通过对细部结构进行不断调整,才得到了最终的建筑形象。

建筑真正的结构部分反而相对简单,通过计算机指示的科学结构构造,建筑表面纵横的“树枝”采用钢筋混凝土结构建造。在铺满建筑表面的枝杈中,既有真正的承重结构,也有为增加表现力而增加的装饰部分,但这两部分完全融汇在了一起。底部粗壮的树干部分为高敞的商业层提供足够的支撑力,而上部较细的枝杈则是规整的办公空间。树杈间的空隙大部分都采用玻璃幕墙形式,但也有一小部分采用了铝板。

无论黑夜还是白天,这座充满自然气息的建筑都比旁边高科技含量十足的玻璃盒子式建筑显得更加玲珑通透,而特殊的造型所带来的人们的极大关注,也满足了商业建筑的要求。在这里,现代主义整齐的框架结构成为一种老套的传统,建筑师真正用自然形态所具有的特殊力学结构与现代建筑材料相结合,产生出了具有生命动态的建筑。

高科技的仿生建筑

如同现代主义早期小沙里宁所做的那样,将现代建筑中应用最普通的材料,与高科技(HighTech)建造技术以及独特的仿生建筑形象相结合,创造适用更广泛的动人建筑形象,成为当代建筑积极探索的方向。而像卡拉塔瓦(Santiago Calatrava)、格雷姆肖(Nicholas Grimshaw)这样身兼结构工程师与建筑师双重身份的人,则为赋予钢铁建筑新形象做出了杰出贡献。

英国的建筑师尼古拉斯·格雷姆肖,是一位擅长运用钢铁结构和玻璃、铝等材料创造惊人建筑形象的建筑师。他虽然常被人们归为高技派建筑师一类,但在他的设计中不仅体现出对高科技结构的关注,还体现出对建筑本身在情感表达方面的高度关注。

1998年,格雷姆肖在德国柏林设计的一个工商协会建筑中,使用了15组半椭圆形弧线的钢架拱结构并列组合,作为内部办公空间的主要承重框架。这种新的外墙结构支撑着内部的办公楼层,不仅使内部空间的分隔更加自由,也让这座建筑呈现出如同穿山甲类动物一样的形象。极具生命体态的巨大办公楼,在方方正正的现代高层建筑群中显得极为特殊。虽然新办公楼的使用功能和内部空间设置与一般的现代办公建筑并无本质差异,但它不仅为现代都市增添了新奇的景观,也为人们营造了一个趣味十足的工作空间(图16)。

当然,作为高技派的代表性建筑师,格雷姆肖对仿生概念的研究并未停留在外部形象的模仿方面。在他受英国铁路部门委托设计的滑铁卢火车站(Waterloo International)中,就体现出了对“仿生”这一概念的更深入诠释。在这座大型综合性车站项目中,无论在大的结构部分还是细小的玻璃板上,建筑师都使用了来源于自然界的处理方法。车站是一个包裹住铁路的钢铁拱棚,这个拱棚的宽度采用逐渐变小的锥筒形式(图17)。

长长的拱棚以不锈钢框架为主,而结构框架上所覆盖的玻璃屋顶不是按照传统的做法相互衔接成无痕的镜面形式,而是像屋顶上铺设的瓦块一样重叠连接。而且每块玻璃板只有一边悬固在支架上,其余三边则与可滑动的轴或可折叠的垫圈相连接。采用这种复杂结构的屋顶造价要远高于普通的屋顶形式,但这种仿照穿山甲类动物鳞片镶嵌的玻璃屋顶,由于顶部每块玻璃都可以根据火车进站时所引起的车站内部气流的变化自动开合,因而就像具有自动呼吸能力一样,可以随着站内气流的变化自动进行调整,从而大大减弱了瞬间增大或减少的气流变化对结构体的冲击力,如果从长远的经济利益和安全性上来考量,投入产出比还是令人欣慰的。

追求生物形态语言的建筑

像格雷姆肖这样深入探索现代建筑材料与自然结构相结合的建筑师,已经变得越来越多,来自西班牙的建筑师圣地亚哥·卡拉塔瓦也是一位这方面的专家。卡拉塔瓦不仅致力于研究和表现动植物体的结构与形象特点,还将眼光放得更远,研究起动、植物本身运动状态下的内部结构变化在建筑中的应用来。

位于葡萄牙里斯本的车站(Orient Station)1998年建成,可说是卡拉塔瓦仿生建筑设计体系的开端。新车站由站台部分与底部的换乘、服务站两部分组成(图18)。

站台覆盖八条车道的是一种树形结构的巨大支柱。这些支柱在底部是截面为方形的钢柱,向上逐渐像树一样分成若干条主干,而这些主干再向上则分解出更多的支干。主干与支干相互配合,向四个方向分别支撑起一个菱形平面的玻璃屋顶,至此,一株由钢架与玻璃屋顶组成的“钢之树”便形成了。而整个车站就是由很多株“钢之树”沿着平面坐标轴不断重复形成的。屋顶起伏不定的形象与底部行列整齐的钢柱相互对应,使车站就像是一片树林。

在站台一边的换乘、服务站,是一条被托起在空中的长向走廊。这条走廊也是旅客们的换乘通道。在走廊内部,设有售票口和商店等各种服务性空间,在走廊两边,对称设有像机翼一样轻薄、透明的候车站顶棚,使这个换乘、服务站就像是一只偶尔停留在站台边的蜻蜓。

在卡拉塔瓦设计的这座车站中,巨大的钢铁构架和玻璃是主要材料,但两个建筑部分却都给人轻盈、自然之感。整个车站不仅富有生命的动态,还具有生命体那种强烈的生长态势和勃勃生机,让人们看到了传统材料的新形象。

卡拉塔瓦对于钢铁与生物形态的追求是无止境的,它总是能将来自于自然界的活灵活现的形象与钢铁相结合,并创造出优雅、灵动的建筑形象。而且卡拉塔瓦还将建筑的生态性质又向前提升了一个层次,新建筑不仅拥有生物体的造型,还拥有生物体最主要的一项特征——运动及运动感。

这座最具生命体运动特征的建筑,是位于美国威斯康星州密尔沃基市的艺术博物馆(MilwaukeeArt Museum)。博物馆的主体采用规则的长钢架系统,使它外部的造型就像是一艘停泊的航船,而最富于魅力的部分则集中在尽端屋顶的部分(图19)。

这个屋顶由飞鸟状的锥形屋顶、可闭合的巨大扇叶与一座斜拉人行天桥组成。斜拉钢索桥以与地面呈47度角度斜向而立,50米高的斜拉杆与来自73米跨度桥面所产生的反向力相互平衡,并由此成为桥体的主要支撑力。这种利用反向力学平衡的原理,作为建筑承重结构的做法,也是卡拉塔瓦在以前桥梁工程中使用过的成熟方法,虽然也具有很高的技术含量,且需要精确的力学分析,但在此并不是整个建筑中最复杂的结构。

真正具有造型创新性和技术创新性的设计,是人行天桥尽端锥形屋顶上可动的遮阳屋面。抛物线型的屋面由底部螺旋形排列的钢管悬臂式结构支撑,这些钢管从最前部的32米向内长度逐渐递减,而到达最后时,钢管长度只剩下原来的1/4。可活动的两扇屋面各由36根这样逐渐递减的钢管组成,其排列角度则与屋面的弧度相吻合。这样,在两边的屋顶被拉开时,后部就呈现出起翘的效果,使整个展览馆就犹如一只滑翔的飞鸟。

虽然整个可活动的屋顶是重达115吨的庞然大物,但却对湖边的风速非常敏感。屋顶上由电脑控制的风速测量装置可以感应外部的天气变化,而一旦达到事先设定的标准,巨大的屋顶就会缓缓闭合。此时,整个建筑也散发出生命气息,仿佛一只湖边休憩的巨鸟,在小心翼翼地收拢它的翅膀。

卡拉塔瓦的这项可动屋顶的设计,可说到达了外观仿生建筑形象的极限。建筑无论是从外观造型,还是可动特征上来看,都与传统建筑的特征相距甚远。更为重要的是,在密尔沃基艺术博物馆建筑中,可动屋顶不仅是作为建筑塑造仿生建筑形象的重要装饰部分,同时还具有为内部展览室遮阳的实际功能。而仿生建筑从早期单纯在外观形象上的模仿,到密尔沃基博物馆这样在形象和深入的功能方面的双重模仿,所表现出来的不仅仅是建筑外形上的变化。

像密尔沃基艺术博物馆这种在大型建筑中设置可动幅度较大的建筑结构的做法,不仅需要相关动力设备和可动结构自身的配合,在建筑材料、结构造型等方面也需要各种高水平科学技术的辅助。由可动结构部件运动所引起的建筑各部分承重力的变化,对底部固定建筑部分的承重结构设计有很高的要求。而且,像密尔沃基艺术博物馆这样,通过计算机系统控制可动结构部件的运动,使庞大的钢铁结构部件对自然界的风向变化,具有像生物体一样的敏感性,更是需要有一套缜密的控制系统与复杂的结构部分相配合。

节省能源的建筑

人类的智慧从第一次工业革命开始显现出强大的力量,但对自然界和我们生活的地球,却表现为越来越大规模和不可控制的破坏。代表人类现代化发展水平的大都市和高楼大厦,却同样成为给自然界带来最大负担的污染源。一座现代化的建筑,其外部通透、光亮的外观;内部明亮、舒适的空间的另一面,则是为了遮阳、照明、制冷、取暖、通风、交通而付出的大量能源代价。

在此基础上,人们才开始重新注重生态建筑的发展,由此也带动了诸如建筑与自然的融合、仿生等新建筑形式的发展。而无论是深入地模仿生物体的结构,还是生命体态,虽然在很大程度上加强了建筑与自然界的联系,也带给人们更多的生活乐趣,但从实质上说,这些建筑在耗能方面与一般的现代建筑仍无不同。通过覆土、遮阳等各种手法处理过的建筑,虽然与普通的现代建筑相比,可能在一定程度上具有低能耗和创造更加舒适使用空间等优势,但并未将对自然环境的破坏和自然资源的耗费降到最低。

因此,当人类的科研水平和技术条件具备一定的实力之后,开始深入到建筑本身如何降低自然能源耗损的议题上来。实际上,人类对于自然能源和洁净能源利用的研究也是久已有之的,同时在建筑上利用自然能源的做法,也已经进入全面试验阶段,并取得了一定的成就。

除了上面提到的,经过高科技工艺处理诸如木材等自然材料,以使其能够应用于现代建筑之外,人们也开始寻求将一些自然的原理应用到新建筑,尤其是大型建筑当中,并以此来达到降低能耗等环保的目的。这种做法引用的比较成功的是技术派大师福斯特(Norman Foster),而随着能源危机与人类环保意识的不断增强,此类做法正成为建筑师和科学家研究的重点。

英国建筑大师诺曼·福斯特很早就开始关注,通过设计降低建筑人工能源耗损方面的方法和技术,并通过与相关研究成果的紧密配合,逐步探索出通过综合运用设计与高新技术和材料相配合,以降低建筑能耗的一套方法。

早在1997年,福斯特设计建成的德国法兰克福(Frankfurt)德意志商业银行总部办公大楼(New Headquarters for Commerzbank)建筑中,就在这座高层塔楼中部预留了通层中庭,且在楼体中形成办公层与花园相间而设的形式。这样,通层中庭利用自然原理成为拨风筒,通过外立面进入的自然空气,在双层玻璃幕墙间自然被温热或冷却,办公空间可根据面向中庭开窗的大小决定室内空气流动的强弱。同时,在建筑内部与办公空间相间而设的花园,不仅为办公人员提供了短暂休息的场所,也提供了清新的空气和良好的办公环境。因此在法兰克福德意志商业银行建筑中,不仅建筑在空气调节方面的耗能大大降低,还获得了优质的办公空间,在当时是一座极具先锋性质的生态建筑代表(图20)。

此后,随着相关科学技术的发展,福斯特的生态建筑设计又不断创新。比如在1999年竣工的德国新国会大厦(New German Parliament)改造项目中,福斯特事务所除了在老建筑层内部使用钢框架等现代结构提供了新的结构层之外,也做了系统的节能生态设置(图21)。

这座建筑最大的亮点就是中央穹顶的设置。老建筑原有的穹顶在战争中被毁,而福斯特为新建筑新设计的玻璃穹顶,正位于原建筑主立面的中心门廊后部,也成为整个建筑的最高点。穹顶的建成不仅在屋顶提供了餐厅、露台等公共休息场所,也同时成为底部新议会会场室内的自然采光点。

玻璃穹顶共有两层,内层是底部会议厅上方的覆盆状玻璃顶,这层玻璃顶是密封的,只在顶部单层的夹建层结束。这层玻璃顶既围合会议室的顶部,又在上层提供了一个360度的观景墙面。外层的大穹顶罩在内层盆形玻璃顶之上,并高高竖起。这个穹顶采用钢肋为主的构架形成完整的穹顶框架与硬质玻璃完成,由于结构提供的可能性,内部紧贴穹顶内壁建有螺旋而上的坡道,人们可以顺着坡道直达顶部俯瞰柏林市区。

整个加建工程最精彩的部分也位于这个穹顶里,那就是穹顶中心竖立的超大尺度倒立着的玻璃椎体。这个巨大的椎体外部由光电池与镜面玻璃覆盖,其底部的锥尖一直穿透底部的盆形玻璃顶,将细尖的末端深入底部会议大厅当中。

在自然光的引入方面,除了四周宽大的开窗引入平射光以外,还有来自穹顶的自然光源。自然光线从各个方面照射进大穹顶,并经过长长的中心光锥反射后将直射光转化为漫射光投入底部的会议厅,在提供充足光线的同时,避免了过强的光照和眩目光的产生。此外,为了控制来自正面过于强烈的光照,在穹顶内壁还设置了巨大的百叶以屏蔽多余的光照。

在内部气候调节方面,在老建筑与新结构的夹层中设置了自然风道。最大的会议厅则利用空气压力通风系统将引入的自然空气从座椅底部送入大厅之中。而顶部的巨大光椎是中空的,它在顶部形成自然的拔风筒,自然将废气吸出。这种利用自然原理保证空气流通的做法,大大节省了能源的消耗。此外,隐藏于地下的两个蓄水池也是两个能源储存库,在不同的季节为室内提供制冷和供暖。

在能源利用方面,福斯特使用了早在德国杜伊斯堡(Duisburg)微电子中心(Microelectronic Centre)建筑中设想但未能实现的,利用菜籽油作为主要燃料的做法。这种取自天然的燃料不仅成本低廉,其燃烧后所产生的二氧化碳气也远低于普通燃料。穹顶中巨大的采光锥所使用镜面玻璃也同时是太阳能转化器,而这部分所产生的能源维持内部空气调节设备运转并大大节省额外能源支出。更重要的是大楼打下两深两浅共四口井,并建设了大楼自己的小型发电站利用地热发电,不但供自身使用,还有富余向外输电(图22)。

由于柏林议会大厦在利用自然资源方面的种种巧妙设置,使它成为世界上第一座新型的生态型政府办公建筑。福斯特不仅在建筑形体上最大限度地尊重了历史,也在内部设置上最大限度地尊重了自然。建筑师在建筑中所体现出的对于历史、自然和人类智慧的尊重,也是当代建筑所应该追求的新目标。

提供自然光热的建筑

继福斯特之后,这种将自然光、热综合用于一座建筑中,以最大限度地降低建筑对人工能源的耗损的做法,也越来越普遍。比如2002年,荷兰建筑师麦耶·斯高特(Meyer En Van Schooten)为荷兰国际集团(Ing Group Headquarters)设计的办公大楼,就是一座借助于自然原理有效降低能耗的建筑。在这所建筑中所使用的一些做法,也是国际上通行的手法,比较具有代表性(图23)。

坐落在荷兰阿姆斯特丹(Amsterdam)城市边缘的办公大楼正位于繁荣的商业区与大片的绿化带之间,并由于毗临一片水面和一条环城公路,因此整个建筑基址呈狭长的带状。建筑体也顺应地势呈带状,但底部却由9-12.5m高的脚柱支起,这样做的目的拉大了内部办公空间与高速路之间的距离,有效降低了噪音,同时通过抬升高度,避免处于高处人行道和车道上的行人将玻璃幕墙围合的内部办公室一览无余,保证了私密性。

建筑外部使用了双层玻璃幕墙形式,既隔离噪音又有利于室内的保温,而对于建筑内部环境的调节问题,在建筑外部就已经有了充分地准备。首先,建筑的屋顶上铺设太阳能收集板,将光照转化为电能,作为长效能量源支撑部分设备的运转;其次,除天花板上安装有机械通风系统以外,建筑底部的一个蓄水池还与制冷与制热系统相连接,最大限度地利用水体自然温度调节室内气候;最后,为了解决光照问题,整个建筑走向进行了调节以外,还在主要接受阳光的端头增加了遮阳板。

建筑中天井、中庭、室外走廊和微缩花园的插入,不仅增加了建筑体本身的空间变化,也使得室内空气、光线的分布更加均匀,也大大美化了人们的办公环境。

在完善的现代科学技术与材料的基础上,人类种种的生态建筑设想纷纷得以实现,也因此使人们有勇气尝试更大胆的现代生态建筑设计。2004年在英国萨里(Surrey)建成的麦卡伦技术研究中心(McLaren Technology Center),是福斯特在技术探讨生态领域的又一次全新尝试,也是一座极具有创新意义的建筑。在这座建筑中,建筑师通过对生命循环原理的模仿,来转化工业生产所带来的种种问题。而这种尝试也是建立在资源合理化利用与可回收循环能量理论基础上的(图24)。

这座建筑为麦卡伦公司的主要研究机构提供办公空间,同时为旗下的法拉利一级方程式赛车队提供强大的技术保证。因此研究中心不仅包括不同研究与测试设备的各种实验室,还提供一个世界上最先进的风洞测试研究室。但风洞系统本身不仅相关设备与空间占地庞大,最重要的是为了平衡风洞试验所产生的巨大热能,还要为之配备一个基本水容量为50 000m3的冷却水池。

为了将建筑所侵占的地面面积减至最小,同时不破坏建筑所在郊外用地的自然地貌,主体建筑大部分被移入地下,由于建筑空间挪移地下而空出的大片土地则仍旧种植了树木进行绿化,将研究中心掩映在森林深处。而为了满足风洞设备所需要的巨量用水,福斯特大胆地在研究中心所在基址上开掘了人工湖。

真正的建筑部分与人工湖毗临而建,并围合成圆形。由于建筑本身独特的平面,从空中看去,建筑与人工湖正如中国的太极图一样,一虚一实、一静一动。建筑地下部分配合特殊的要求使用钢筋混凝土结构,而地表部分则采用钢构架,半月形的建筑外部采用特殊的铝制“风刃”玻璃,为内部提供通透、明亮的自然光照。

然而这些都不是研究中心最大的特点,其最大的特点在建筑底部,有专门的水泵将经过自然过滤的湖水吸入热交换器,并通过冷动缓冲器为风洞提供降温保障。加热的湖水在流出时又经过特殊的热能转换器,将其吸收的热量用于发电。而在完成一系列的能量转化之后,湖水流入湖中自然冷却,继续为下轮的循环做准备。

正常情况下,要维持麦卡伦研究中心这样大规模的风洞设施要有7台大型冷却设备。由于这套先进的能量转换设备和整个人工湖的保障,冷却设备被减至2台,热水所产生的电量不仅可以维持研究中心的使用,还将多余的电量输出至附近的小镇上。

在这座高技术的研究中心,建筑与人工湖所组成的特殊建筑形式是对其特殊功能性的反映。无论从半湖半建筑的外部环境,还是如生命体般自供能源的特性来说,都是对传统建筑形式的突破。但是也应看到,整个建筑及生态性能的实现,是以巨额的资金、技术与人力的投入为条件的,属于生态建筑的特例。相信随着科学技术的不断进步,此类自供给能源并低耗费的形式必将成为建筑的主流。

生命体态建筑

基于这种从建筑体到使用功能上对自然界和生命体态(Self-service System)特征的学习,建筑师们开始深入思索建筑提供的空间本身所应该具有的活力。麦卡伦技术中心“自产自销”式的能量转换体系,为生态建筑描绘了全新的发展蓝图,既然建筑在使用过程中也像生命体一样具有“新陈代谢”的特征,那么利用各部分不同能量间的相互转化作为维持建筑的新能量,就成为了可能。

对这一新奇设想积极进行实践,并取得成就的,是来自荷兰的一个年轻设计小组——MVRDV建筑事务所。在2000年德国汉诺威举行的世界展览会上,这个先锋小组设计的,带有生命体态特征的荷兰展览馆(Pavilion of the Netherlands),不仅重新引发了建筑界对于生态建筑诸多问题的争论,也似乎为生态建筑未来的发展指明了方向(图25)。

荷兰展览馆平面为方形,连同开敞的顶层共有六层,但几乎每层的高度都不相同。不仅如此,建筑每层的形象和功能也都不相同,组合在一起就像是超级巨大的汉堡包。建筑的地下层是沼气池,负责将建筑中来自卫生间、厨房和其他部分的有机废物转化为能量,因而底层较高,建筑师将支撑整个建筑的粗壮混凝土墩柱都藏在了中央,而在外部则用不规则的“V”字形托柱相连接。这些外围托柱和中心部分的墩柱的表面都被进行了特殊的处理,呈现出一种海洋生物的形象,这种表现手法同西班牙建筑大师高迪的做法极为相像,赋予建筑生命体般的形象。

除了底层以外,建筑的第四层也是建筑中最高的一层。这里也由“V”字形的粗柱支撑,其中遍植花草树木,是名符其实的空中花园,同时这里也是整个展览馆的空气调节层。在这个空中花园下面的两层,是比较低矮的使用层,人们可以享受这个人造自然生态系统带来的种种生活便利。

除了底层利用人造生态系统改造居住环境以外,建筑的顶层平台上还设置了风力发电装置。利用天然的风力带动风车提供动力,是荷兰最具特色的传统之一。风车更是成为荷兰的象征。如今,那些纤细的支柱与薄薄的扇叶都因金属而脱离了沉重的形象,并以其强劲的动力为整个建筑提供所需要的能源,古老的传统在建筑师手里传承,但形象却焕然一新。

MVRDV为人们提供了一种未来可能性的建筑形象,整座建筑不仅拥有不同功能的建筑空间,同时还有一个包括地下能量转换层和顶部能量层、中部自然空气调节层在内的人造微形自然生态系统,它不仅为人们的生活提供良好的环境,也消耗着人们产生的有机废物。在整座建筑中,必不可少的能源大都是来自天然的,这是最古老,也是当今最理想的能源供给方法。

虽然MVRDV设计小组所设计的荷兰展览馆,还只是一种试验性的建筑模型,其各部分能量的提供与转化只能满足于很小规模的实际功能需要,并且在整套建筑模式中还存在一定的技术与理念缺陷。但是,这座极具生命体态特征的展览馆,却实实在在地为人们展现了一种未来生态建筑的结构模式和发展方向。在当代,绿色建材和技术节能是生态建筑发展的两大潮流,而将外观模仿、结构模拟和生态运转模仿集中于一身的生态建筑理想,相信也将在不久的将来得以实现。

生态建筑的探索和阶段性成果的普及工作,已经在西方世界得到普遍认可和越来越广泛地应用,同时也以其所营造的最舒适的环境而受到使用者青睐。因此可以说,对于生态建筑的试验、应用与普及,已经形成良性循环并得到了很大的发展。

仿生建筑学及其应用研究 篇8

1 仿生建筑学的应用

仿生建筑学的内容极其丰富, 根据仿生建筑的表现形式和应用方法的不同, 东南大学刘先觉教授将仿生建筑的设计内容主要分为建筑功能仿生、形式仿生、结构仿生、城市环境仿生等几个方面[2]。下面分别从建筑的形态、结构、功能、材料等方面论述仿生学在建筑领域中的发展现状。

1.1 建筑形态仿生

建筑形态仿生是人们在一般意义上对于仿生建筑的理解, 并且利用其原理所建造的建筑不胜枚举。传统民居干阑建筑所采用的地下架空结构, 其原理就是受到鸟的筑巢位置的启发, 不仅防水防潮而且具有防禽的优点;建造于美国的肯尼迪机场航站楼 (见图1) , 屋盖结构酷似展翅飞翔的巨鹰, 让人身处其中不觉得就感受到现代空中交通工具的舒适与享受。

作为一个有机整体, 生命皆是由器官各自的功能与形态按照相应的构成规律组合而成, 生命体的各器官要想相互协调的完成生命活动, 适应周围环境和自身内部的荷载作用, 就必须努力调整自身结构以适应环境, 例如鸟中空的骨骼就是通过减少自身骨骼重量以适应飞翔的需要, 殊不知只有飞的快的鸟才能有最好的虫子吃, 才能更好的生存繁衍。大自然的生命繁衍生息无不体现着一条原则:以最优的形式、最少的投入, 取得最大的收益。形态仿生建筑将这一大自然中关于形态与构成的发展规律应用到建筑学中, 无论在形态还是质量上都会使得建筑结构的层次得到提高。中国国家体育馆、悉尼歌剧院、天津博物馆、鱼舞餐厅等都是形态仿生建筑的代表之作[3], 见图2~图5。

1.2 建筑结构仿生

建筑结构仿生是仿生建筑学发展的重要分支, 建筑师们利用大自然的恩赐, 结合现代科学技术, 从生物体中不断总结、深化、试验、组织, 经过几十年的努力, 现代建筑结构仿生已经开辟了崭新的仿生结构体系[4]。这方面的事例举不胜举, 从发现自由抛物线形曲面的张力的水滴到薄壁高强的性能的蛋壳, 再到交叉网状支撑组织机理的叶脉和类似拱形结构的恐龙庞大的骨骼, 无不给建筑结构带来新鲜的设计灵感[1,5]。很多正确的仿生建筑实例, 其结构形式或多或少都模仿了生物体的整体或部分合理结构形式, 同时还总能达到经济、美观、耐用的设计目的, 建筑结构仿生已成为建筑学发展的重要方向。

1.3 建筑功能仿生

建筑结构一定体现了某种设计功能, 如何将自然界的生命体功能如实的体现到建筑结构中去便是建筑功能仿生的目的所在。大自然是人类创作灵感的宝库, 从空心的竹子想到支撑与传输“管道”功能的结合, 从甘蔗的生命周期与使用周期想到“薄壁承重结构”和“轻质填充物”, 它们都是结构与功能完美结合的生命体, 类似的功能建筑结构也已得到广泛的应用, 慕尼黑BMW公司办公楼就是采用圆筒结构, 将电梯楼梯布置其内, 起到建筑物支撑与竖向交通的功能, 慕尼黑BMW大楼见图6。从竹子的节理与生长高度的关系到110层美国芝加哥西尔斯大厦的方筒套箍结构 (见图7) , 再到芝加哥60层第一联邦银行大楼的竹节的水平结构层 (见图8) , 其建造原理均是生命体功能与结构的完美统一的体现[3]。

1.4 建筑材料仿生

根据生物体的结构、成分、色彩与生命特征, 结合现代化的科技手段, 对天然生物材料的组成结构、材料性能和生长机理的分析, 并对其进行仿生复制, 研制出高效的新型建筑材料, 不断满足人们对建材性能日益提高和增长的需求, 即为建筑材料仿生。

借助仿生学原理, 建筑材料仿生也已取得很多成就。首先是利用蜜蜂构筑的蜂巢创造发明了泡沫建材结构, 不仅保温隔热, 而且结构轻巧美观;其次是建筑师制作的蜂窝隔墙, 中间填充了树脂和尿素甲醛泡沫, 起到了结构轻巧、冬暖夏凉的作用[4]。

2 仿生建筑学的发展

将仿生技术应用于建筑学并非简单的合并与拼接, 而是建筑师们在遵循和敬重自然界规律的前提下, 运用逻辑推理方法, 从自然界汲取创作灵感, 同时注意保护人与自然的和谐统一, 避免不必要的浪费, 使建筑学与仿生技术完美的融合, 从而为人类的生活提供服务。作为仿生建筑学所采用的主流形式, 绿色节能建筑、标准化建筑、智能建筑和多维空间建筑必将成为21世纪建筑结构发展的趋势。

2.1 绿色节能建筑

绿色节能是当今社会最为提倡的生活方式, 因为社会的和谐发展无不受到环境破坏和能源危机的制约, 人类想要继续繁衍生存就不得不寻求最为合适的生态建筑环境, 以社会、自然、人的协调发展为目标。我国是能源大国, 然而总量上的优势并不能掩盖其结构不合理、资源分配不均匀的缺点, 随着我国经济社会的快速发展, 建筑所占用的能耗百分比从25%上升到35%以上。如果不尽快加大绿色节能建筑研发力度, 降低建筑能耗百分比, 必将带来环境社会经济发展的新问题。相反采用绿色节能建筑不仅可以采用自然光达到建筑节能的目的, 而且研究表明在绿色建筑中员工的工作效率可得到增进。可见建筑节能有很大的空间, 绿色节能建筑对于社会的可持续发展意义重大。专家预测未来5年内, 绿色节能建筑将成为建筑行业的主流设计思想。

2.2 标准化建筑

标准化建筑是指建筑空间结构的功能也不再仅仅局限于承载传力, 而是像生命器官那样具有多重功能, 用于组成建筑结构的构件进一步标准化, 结构空间效用将大幅度提高。节约与合理利用能源也将成为建筑结构功能的一项重要内容, 同时也是一个国家、民族稳定、健康、可持续发展的重要内容。解决能源问题不仅在于空间的组织与设计, 采光技术、通风技术、保温技术、照明技术等现代科技手段也具有极大的可操作性。

2.3 智能建筑

当今新型空间结构型式、智能材料、多功能材料、传感技术、计算机技术飞速发展, 21世纪是智能建筑的时代。人类的生存环境日趋恶劣, 所建建筑必须朝着降低能耗, 减小占地空间, 一体多用的方向发展, 所用建筑材料不仅要轻质、高强, 而且要多效、节能。例如现有的许多建筑隔墙在具有保温、隔热等基础功能前提下, 同时具有防辐射、高强度、多效的性能。不仅如此建筑物还应向着进行自诊断、自调节、自修复的方向发展。在知识经济高速发展的当代, 城市规划、建筑设计必须以经济、安全为前提, 同时兼顾节能、高效和生态平衡, 追求人与自然的和谐统一, 智能建筑是实现上述目标的重要途径。

2.4 多维空间建筑

随着21世纪人口增长的大爆发, 世界建筑业也进入了建筑大膨胀时代。人类吃、穿、住、用、行样样离不开土地, 地球只有一个, 耕地面积又不能一再减少, 因此, 人们考虑将建筑物向空间、海洋和地下等多维方向发展, 仿生建筑学将发挥更大作用。

建筑向空间的发展起步较早, 如今世界各国早已是高楼林立, 建筑物高度像大树一样一个劲往上长, 但是人们必须注意物极必反的道理, 如果这种增长, 毫无规律节制, 后果将十分严重, 交通堵塞, 地基塌陷, 热岛效应, 环境污染将比比皆是。为此, 建筑向空间的发展, 应在遵循科学、原则、规律的前提下进行。大自然中的森林树木茂密高度相差很多, 然而各种树木都能找到适合自己的生存空间, 不仅层次分明而且营养分配均匀, 将其引入现代城市规划设计中, 必将给人们带来更加舒适的生存环境。

建筑向海洋的发展势在必行, 地球上1/3是陆地, 2/3是海洋, 建筑向海洋的发展必将成为21世纪乃至22世纪建筑发展的重中之重, 那么学习海洋生物是如何适应海底环境而坚强生存下来, 并将其中原理应用到建筑学中就变的十分急需。

建筑向地下的发展是适应土地资源不断减少的大势所趋, 地下资源的开发利用如雨后春笋般悄然出现。地下商场、娱乐中心, 地下隧道、铁道以及地下工厂的建设已经为促进世界各国经济、社会发展, 方便人民生活等各方面发挥了积极作用。这方面当然也要向地下生物效仿, 研究蚯蚓为何能在坚硬的泥土中自由穿行, 各种穴居生物的筑穴本领, 无疑我们将获益匪浅。

3 结语

随着社会资源能源环境的变化, 仿生建筑学成为当今建筑发展的主流。人们在不断从大自然汲取灵感的过程中, 将自然界动植物的生存本领、生长机理和生态规律与建筑物自身的特点和功能相融合, 该过程并非简单的模仿照搬, 而是有继承也有发展的创新过程。将自然生物体的存在合理性运用于建筑物结合自身特点而适应新环境的需求中去, 这无疑是建筑物最具有生命力的诠释。仿生建筑学为人们提供了这样的机遇与可能, 这无疑将极大的改善人们的生存环境, 在促进建筑学发展的过程中起到举足轻重的作用。

摘要：基于仿生建筑学的应用现状, 从建筑形态、结构、功能、材料四个方面阐述了仿生建筑的设计思路, 指出现代生物是物竞天择、适者生存的优胜者, 仿生建筑必将成为未来建筑发展的趋势。

关键词：仿生建筑,绿色建筑,智能建筑

参考文献

[1]杨小峰, 罗文媛.仿生建筑浅析[J].青岛理工大学学报, 2005, 26 (6) :67-70.

[2]刘先觉.仿生建筑文化的新趋向[J].世界建筑, 1996 (4) :67-68.

[3]祝玉龙, 蒋欢军.我国钢结构仿生建筑的应用与展望[J].结构工程师, 2014, 30 (2) :64-69.

[4]周立.仿生建筑学在空间结构中的应用[J].消费导刊, 2007 (10) :207-208.

[5]李建华, 张龙, 黄锦源.浅谈结构仿生在大跨度建筑中的应用分析[J].科技信息, 2013 (23) :220.

[6]高福聚.空间结构仿生工程学的研究[D].天津:天津大学, 2002.

最巧妙的仿生设计(下) 篇9

美国麻省理工学院的专家研究了人耳如何把声波转化为电波传递给大脑的原理，发明了人造耳蜗无线电芯片，这种芯片可以同时接收到手机、网络、收音机和电视的信号。

8仿雨燕微型飞机

当右图这架飞机飞过你的头顶时，你恐怕还以为它是只不寻常的鸟或者蝙蝠。“机械雨燕”微型飞机，借鉴了鸟类中飞行速度极快的成员——雨燕的生物结构。它最巧妙的设计是迎风飞翔时，它的“羽毛”可以像鸟类一样向后弯曲。

9仿壁虎脚黏性机器人

美国斯坦福大学的一位教授根据壁虎脚趾上密密麻麻的毛发制成一种速干胶，并应用它发明了一种“黏性机器人”，它可以附着在任何垂直的、光滑的表面上，而且像挂钩一样方便挂取。

10鹿角构造建筑材料

为什么鹿角会那么强壮？英国科学家对此进行了研究。他们选取了成年公鹿为抢夺配偶而决斗前夕的鹿角，结果发现：在这个阶段，鹿角是干透的。通常干燥的坚硬材料也是极脆极易碎的，但干透的鹿角却比湿的强韧2.4倍。工程师或许可以从这得到启发：模仿鹿角的构造，开发出既干燥、坚硬又强韧的建筑材料。

11牙齿结构和航天技术

科学家研究发现，在压力下，牙齿表层的高度复杂结构会出现许多微型龟裂，但这些小裂缝能够随着时间的推移而自动愈合，因此牙齿能够咀嚼很多坚硬的食物。如果航空航天技术能够复制这种波状、多层结构的合成材料，就能造出更轻便、抗冲击性更强的飞行器。

12壁虎眼镜头和透镜

科学家发现壁虎眼睛的独特构造能够使它在夜间分辨颜色，这是极少有生物能做到的。另外，壁虎眼中的多焦点光学系统比人类敏感350倍，且能同时聚焦于不同距离的物体。因此，壁虎眼睛的光学结构能够启发人类开发出更多具有多种功能的镜头和透镜。

13知更鸟羽毛颜色的光学意义

雄性东方知更鸟羽毛上灿烂的色彩并不像大部分生物那样是由天然色素造成的，这种逐渐变化的蓝色实际上是由自己聚合的纳米结构形成的，就像啤酒泡沫一样，通过自身发酵和接触空气产生变化。这种复杂的光学结构，可以用在实验室里新一代光学材料上。

14人眼广角镜头

人类眼睛的弯曲表面能够提供更宽的视野，这为摄像镜头的发展提供了借鉴。美国西北大学和伊利诺伊大学的两位科学家就根据人眼的弯曲表面发明了一种新的电子元件，把它接在一张网状材料上，并贴在弯曲的镜头上，制成了一种和人眼一样大小、形状和层次的数码相机。用这种相机拍出的照片视角更加宽广，也更加清晰。

建筑仿生设计 篇10

五、仿生法植物的意匠

莲花形

夏氏万秋楼位于粤东梅县程江镇夏屋村。笔者于2007年2月22日(农历年初五)与亲友家人一同到万秋楼品尝客家菜,并考察这座中西合璧的民居建筑。楼主夏万秋是马来西亚的华侨富商,东英公司大股东之一,于20世纪30年代返乡,以48万银元,兴建两座大建筑,一座为“万秋学堂”,免费供同乡子女就读,一座万秋楼。

万秋楼前院围墙中轴线上设一院门,硬山顶,山墙为五行山墙的大北水式(图29),院门门匾为“万秋楼”三字(图30),石门框上刻二只石门簪,方形,右边的刻“福禄”,左边的刻“寿壼”,壼(kǔn),有几种含义。一为居所。《广韻·混韻》:“壼,居也。”一为“广”。《诗·大雅·既醉》:“其类维何?室家之壼。”毛传:“壼,广也。”门簪四字,解为“福禄寿居”,或“福禄寿广”,皆成立。

该楼坐南朝北,三堂、二横、一围龙,平面呈一瓣莲花状,莲瓣形状装饰随处表现,重要柱础用莲花饰(图31)连大门围墙也做成曲线形,中央门楼的山尖装饰也用了三座佛塔(图32),反映出主人的佛教意识。

建筑全部为两层,外观也以山花朝外,双柱重叠。而二横屋还用瓶式栏杆、平顶屋、双联拱券等西式建筑形式。其门廊及堂等部分用爱奥尼克柱式(未刻凹槽)(图33),次要部分用塔斯干柱式。楼内大门、小门、窗及主楼骑楼、走廊都设铁栏防护,天井上空设防盗网。楼内、家俱一律用红木,灯饰华丽,瓷盆洁白,堂内设哈哈镜,别有风味。万秋楼落成时,名噪一时,当时门联为:石璧如椽,倒写河山壮丽;梅江如常,环绕万世千秋。点出了万秋楼的含义。现万秋楼已由台湾龙振水先生独资经营客家饮食文化。38)

六、象物的意匠

非生物形为人所仿者,多为人所制作的器具或符图,如琵琶、船、盘、盂,钟、棋盘、八卦等等。

1. 八卦形

八卦,相传为伏羲氏所作。《易纬》:“卦者,挂也,言悬挂物象以示于人,故谓之‘卦’。”以一长横(阳爻),一断横(阴爻)两种为根本,由三个阳爻、阴爻,或一阳爻配二阴爻,或一阴爻配二阳爻,共为八种形式,故曰八卦。八卦象征天、地、雷、山、火、水、泽、风八种自然现象和多种社会现象。八卦之两卦,两两相叠又成六十四卦,以象征自然现象和社会现象的发展变化。

八卦中的每一卦之上、中、下三爻,又分别代表天、地、人三材。

营造建筑、村落、城市以八卦为模式,是追求天地人和谐合一的理想居住环境的体现。这方面例子很多,成都青羊宫三清殿南有八卦亭,客家民居有福建诏安的在田楼、永定的承启楼、永定西坡天后宫土楼塔、广东饶平的道韵楼等,均以八卦为营造模式。

(1)在田楼(图34,35)

在田楼坐落在诏安县官陂镇大边村,是单元式土楼的一种变异。其外环楼为八角抹圆的形式,高三层,共64个独立单元。其南北宽86.6m,东西长90.6m,规模可谓宏大。大门朝西。环楼内院中套建一座前方后圆的两层单元式方楼。方楼大门朝南,其中轴线与外环楼中轴线正好垂直。外圆内方是其平面布局的突出特点。现楼内居住63户、二百余人。39)

在田楼主楼以八卦和六十四卦为意匠建造,分为八大部分的对应八卦,每大部分分为八间,一层共64间对应64卦。笔者以为,其外环主楼形为八角抹圆,其内方楼为其祖祠,以象天圆、地方,其内居人,以应八卦之天、地、人三才。

(2)振成楼(图36)

振成楼坐落在福建省永定县湖坑乡洪坑村,是内通廊式圆楼。由众议院议员林逊之始建于1912年,历时五载建成。现楼内居住林姓6户40多人。圆楼由内外两个环楼组成,外环楼四层,环周按八卦方位,用砖墙将木构圆楼分隔成八段,走马廊通过隔墙的门洞连通,砖隔墙的确起到了隔火的作用。后楼有两段曾被匪兵烧毁,由于隔火墙的作用,其余六段仍完好保存。走马廊的木地板上还加铺一层地砖,也起到防火作用。外环楼中对称布置四部楼梯,第三、四层走马廊的栏杆还做成“美人靠”式,便于人们依栏而坐,这在客家土楼中是不多见的。

内环楼由两层的环楼与中轴线上高大的祖堂大厅围合而成,楼房底层用作书房、账房、客厅,二层为卧房,设两部楼梯上落。内天井全部用大块花岗石铺地。祖堂为方形平面、攒尖屋顶,正面四根立柱采用西洋古典柱式,柱间设瓶式栏杆,为中西合璧的作法。

在外楼两侧还有两段弧形的小楼,形如乌纱帽的两翼,自成合院,别有洞天,用作书房,二楼亦可住人。40)

(3)道韵楼(图37)

道韵楼位于广东饶平县三饶镇南联村,因平面呈八卦形而别具一格。

道韵楼始建于明万历十五年(1587),历三代人建设而告完成。门上方有“道韵楼”三字匾额,为邑人黄锦(据传曾任明末礼部尚书)于清顺治四年(1647)所题。

当地文化部门总结道韵楼特点,有古、大、奇三点。

古,是其历史久远,建于明代万历十五年(1587),至今己有400多年历史。

大,是其建筑规模巨大。其周长328m,直径101m,占地面积8 540m2,建筑面积约为11 110m2。最外一环围高三层,内二环围均高一层。楼内中心是卵石铺边内为黄土夯实的庭院。外墙高11.5m,厚1.6m,下部以三合土夯筑,上部用黄土夯筑。墙下部可见二层青砖。全楼有正房56间,另有角房16间。即每卦有九间房,其中正房7间,角房2间,八卦合有72间房。二层、三层均为卧房,每层72间,共216间房。曾居住600多人。

奇,是其与众不同之处:

1)以八卦为布局,全楼三进三环围共同构成八卦的爻卦。

2)楼内广场左右两公用井,井底垫有八卦石,为太极图之两仪,即俗称的“阴阳鱼”。

3)土楼一般只开一门,该楼有二道门。

4)一般土楼水井为1至数口,不会超过十口井。道韵楼有公用井两口,私井30口,共32口,为开井最多的一座土楼。由于道韵楼采用单元式布局,这30口私井设于正房界墙之下,两家共享一井,各得其半而皆可汲水,这又是其奇特之处。

5)全楼底层有正房,角房72间,面积和内构不同,门均不相对。

6)全楼外墙一、二层不开窗,三层开窗72个,开天窗16个,窗数均以8为倍数。

7)墙体为下用三合土夯筑,上部用黄土夯筑,己历400多年,至今完好,比现代水泥等材料所筑毫不逊色。

8)用竹钉固定桷板,不用铁钉,竹钉不生锈,比铁钉更耐久。

9)楼外墙设枪眼、炮眼,楼门顶设消防注水暗函,可以防火攻。

10)道韵楼有防兵乱、防乡斗、防盗贼、防兽害、防干旱、防火灾、防寒暑、防地震等“八防”作用。

道韵楼为单元式布局。现居民操潮语、同潮俗,但认同自已的祖先是来自福建宁化石壁和汀州的客家人。现三饶南联是潮客临界点。41)原是客家人,却讲潮州话,同潮州俗,土楼也不用通廊式,而用单元式。这正是客家文化与闽南文化交融所致。道韵楼所在的三饶与福建诏安的官陂、秀篆紧密相连,其人文、风俗、习惯、语言及土楼的平面布局、空间构成、建造方式均无不同,且闽南诏安、平和一带的土楼有半数以上出自饶平工匠之手。42)在这种环境下,客家土楼与闽南土楼之间,你中有我,我中有你的情形,自是不足为奇。

(4)葸茅围(图38)

葸茅围位于粤北翁源县江尾镇葸茅岭村。葸茅围张氏,自称为唐代贤相曲江张九龄的后裔,有围内张氏宗祠的堂联:“千秋事业承京地,十策家声继曲江”。该围始建于明弘治年间(1488~1505),开基至今已24代,500年左右。

葸茅围坐西朝东,清澈的溪水自北而南经东门流过,是一座占地12 000多m2的平面近圆形的八卦式围村。该围村正门朝东,有红条石砌的拱形门楼,门后有“泽及粤西”的匾额。中轴为三堂屋——张氏宗祠,雕梁画栋,古朴典雅,石柱上均镌刻有楹联,文化内涵十分丰富。祠堂后隔三栋屋背为“葸茅岭”,现为中间隆起的广场,是葸茅围的风水宝地,据说曾有玉兔藏于郁郁葱葱的草丛中。

整个围村呈八卦形。外围高6m(二层),用卵石砌筑,有乾、坤、巽、兑四门,在阴阳八卦上分别象征天、地、风、泽。围村内有大小巷道数十条,宽约1.5m,用卵石铺设,纵横交错,四周相连,内外相通,初入围村如入迷宫,熟悉后则有道可循。民宅多为砖(青砖、泥砖)、木结构,东西向和南北向,也有抹角的。现有房屋1 650多间、300余户。据说最兴旺时期曾居住过1 700余人。围村的葸茅岭上有一口四季不涸的大圆水井,可供全村人饮用。这是一座典型的防卫严密又生活方便的聚族而居的客家围村。43)

除以上数例外,饶平县饶洋镇詹氏听捷楼44)、永定县胡坑镇新南村衍香楼45)、龙南县里仁镇栗园村的栗园围46)、永定县湖坑镇南江村的振福楼47)等客家民居,均是以八卦布局为意匠设计建造的。

2. 五行

五行指木、火、土、金、水五种物质,中国古代哲学以上述五种物质来说明世界万物的起源和多样性的统一。战国时,“五行”说颇为流行,并出现“五行相生相胜”的原理。“相生”即相互促进,如“木生火,火生土,土生金,金生水,水生木”。“相胜”即相克,意味着互相排斥,如“水胜火,火胜金,金胜木,木胜土,土胜水”等。这些观点具有朴素唯物论和自发的辩证法因素。

除八卦外,中国传统的象征宇宙的符号还有太极、日月、四时、五行等。客家民居以太极、八卦图为装饰者很普遍,粤东客家民居以金、木、水、火、土五行封火山墙为饰。祖堂后方、胎土下方砌有五块石头,分别代表五行,中央一块较大,象征土。凡此种种,均表达了宇宙意识。

以五行为建楼意匠的例子有南靖书洋镇下坂村的裕昌楼(图39)。

裕昌楼始建年代,一说为明末清初,为刘姓所建48),一种说法为始建于元朝中期(1308~1338年间)。49)其实际的始建年代,有待进一步研究、考证。

裕昌楼为刘、罗、张、唐、范五姓合建,高五层,是最高的福建土楼之一,为圆楼,檐口总高度为13.25m。全楼分成五大单元,每一单元有一部楼梯。5个家族各居一个单元。后半楼的每家每户的一楼灶间,都有一口水井,天井中心还建有一座单层圆形的祖堂,前面用河卵石铺成一个大圆圈,根据金木水火土等分五格,形状各异。50)楼内目前仅住刘姓100多人。

裕昌楼为目前所知层数最多的内通廊式的圆楼。51)

3. 文字

以文字的意义、形状为意匠建楼,是客家民居建筑的一大特色。下面举例说明之。

(1)富紫楼(图40、41、42)

富紫楼坐落在永定县下洋镇中川村,前临中川溪,后依山林。这是一个奇特的两层方楼,面宽21.5m,进深47m,平面按“富”字布局。楼门朝西,南北各有两个边门。楼东隔一小巷,是一排厕所、库房。在平面上它与方楼环周的楼房组合成“富”字的宝盖头。楼中正对大门是一条宽2.3m、长27m的小巷,居民称之为“天街”。天街尽端的门楼内,由祖堂与书房围绕小天井组合成一个四合院,从平面上看这是“富”字中间的“口”。天街中段,四个门楼隔街相望,进门是四组带天井的大厅,它们的平面构成“富”字下面的“田”。外围的楼房由内侧的回廊联系,设6部楼梯上下。“富”字的布局使楼内空间别具一格。“富家占大吉,紫气自东来。”这对门联点明了富紫楼按“富”字布局,追求富贵吉祥的本意。52)

楼内另有对联:“富贵花开十分锦绣,紫红春色大块文章。”显示出世家气派。清代富紫楼还真出过州判这样的官员,后来又出过不少杰出的人物。53)

(2)国字围

(1)江东围(图43)

江西的客家围屋有口字围、国字围和复杂的套围多种形式。国字围是在封闭的一圈围屋中设一祖屋,祖屋多为王字形平面,这样就成为一个国字。江西全南县乌柏坝大岳沙垢段的袁氏围,即江东围就是例子。54)

(2)龙南杨村水东村杨大围(图44)

杨大围位于龙南县杨村镇水东村,始建于嘉庆元年(1796),历18年建成,围屋呈方形,内院中建王字形平面的祖屋,组成国字形平面。围内的墙分隔为18个小院,院墙有门,白天通行,晚上关门,自成独立院落。

国字围是赣南客家围屋的一种类型。

国字围即在围屋的内院中建王字形平面的祖屋,组成国字形平面,如龙南县关西“新围”,其祖屋三进三排,共14个天井,蔚为壮观。又如龙南县的“杨太围”和莲塘村的“马头围”,全南县中寨村的“里坊围”等也是典型的国字围。其变异形式如定南县月子乡的“下圳围”,内院中只有两排内围屋。在国字围的中轴线上,祖屋的上堂均为祖厅,用作家祠以维系宗族的权威。

(3)口字围

燕翼围为口字围的典型代表(图45)

燕翼围位于江西龙南县杨村镇镇政府附近,北距县城60km。其创建人为赖上拔。据《八修桃川赖氏族谱·福之公传》载:“赖上拔,字福之,龙南杨村人,幼豁达,有智略。及长,好读书、贯穿经史,为文直抒己见,下笔千言立就。”传中记载,清初顺治三年(1646)至四年(1647)间,“山寇猖獗,劫掠无虚日。”为避寇,他们离家而去,当回来时,庐舍已成为灰烬。“乃请于父筑楼,以保家计,是时宗族逃亡者,亦稍稍渐复,乃相率共守焉。”据此记载,燕翼围乃清初所筑,至今已有三百多年历史。

其平面为长方形,对角上左右各有一座凸出的碉堡。总占地面积约1 440m2,高4层,约高15m。底层外墙厚1.5m,采用“金包银”的砌筑法,地上外墙下部外包砌以高达八尺的花岗条石。该围建造前后历时27年才完成。

围门朝西北,门额匾上有阴刻颜体“燕翼围”三个大字,相传为清道光年间(1821~1850)殿试钦点探花周玉衡所书。围门前面已述,有包铁皮的板门、闸门和便门三重,最外的铁皮板门上有防火攻的水漏。门厅兼作楼梯间,它是全围居民的唯一出入口,也是平常围民聚会的社交场所。赣南大户民居,平面一般按三进三堂式布局。燕翼围则例外,但仍略存中轴在线三堂制之意:门厅(下堂),禾坪(中堂),祖堂(上堂)。

围内底层为人畜的主要活动区和安栖所。二、三楼为卧室和储藏间,内檐有1m多宽,可环行的内通廊,将各家各户串在一起。四楼战备楼层,四楼外墙只用50cm厚的砖墙至顶,在下面砌土坏墙的地方,四楼外环有1m宽的“坎墙通廊”,俗称“外走马”。四楼是专为军事防守而用,平时不住人,也不设内檐墙,在四楼外墙上设有枪眼望孔。万一敌人冲进围屋,可将上四楼的活动爬梯口守住,仍可抵抗以待援兵。

为防止敌人长期围困,围内有水井,还在底层和顶层四角设计了排污通道,可排泄粪便和污水。相传在围内的禾坪中,还掘有两口暗井(窑藏),一口藏蕨粉,以备紧急情况下启用,可供三个月之食用。

赖上拔有三子,燕翼围给长子从林;在燕翼围的东北边建“永臧围”,也是四层方围,给次子德林;从林和德林帮助老三,在燕翼围的西北边建了“光裕围”,规模仅为燕翼围的一半。55)

4. 棋盘

以棋盘布局为意匠,广东始兴县的客家围出现了棋盘围(图46)。

《史记·律书》云:“箕者,言万物根棋。”棋盘围屋以棋盘布局为意匠,有规整的建筑轴线布局,建筑沿轴线南北或东西纵深发展,中轴线为主要轴线,其两侧为次要轴线。重要建筑居主轴线上,主次分明,统一有序。

棋盘围有多种布局形式,依需要而设计。有的像秦汉时的围棋盘,轴线纵横17道。有的像隋唐时的围棋盘,轴线纵横18道。有的像唐宋以后的围棋盘,轴线纵横19道。还有的不拘一格,大门、大厅、祠堂局中轴线上。巷道又如象棋盘中的“楚河汉界”布列,居室厅房的分布又似象棋盘中的“日”字和“田”字的组合,形成整体平面呈围棋盘,局部呈象棋盘的巧妙布局。在民居围屋中可谓独树一帜。

围屋中四角有角楼、炮楼也叫围楼,四围墙壁布枪眼。围楼大门设有铁板门、铁皮包木板门、木板门、石闸门、铁栅门、木栅门等3~6道门。独立兴建的围楼,里面专设有水井、住房、存粮房、武器房等。若遇盗贼兵匪前来劫掠,全村老少离开围屋进入围楼,围门一关,围楼成为固若金汤的城堡。56)

(1)始兴沈所镇石下李贞胜公棋盘围屋(图47)

沈所镇石下李贞胜公棋盘围屋,建于清乾隆年间,前后历时20年建成。由贞胜公居室、贞胜公祠堂和李氏宗祠3座围屋组成,通面阔157m,通进深74~82m,面积12 014m2。其中李氏祠堂,为周围几个李氏家族共有的宗祠。有主体轴线纵4横18道。由横向5栋厅堂和纵向6栋厢房共10栋屋构成,寓意十全十美。内有一个宗族祠堂,3个大厅,36间厢房,7个大小天井。祠堂位于横向第3栋屋中间。36根厅堂立柱,称“通天柱”,能通天达地,表示岁月中有12个月,天时中有12个时辰,生命中有12个生肖,构成“天地人和”的意匠。57)

(2)始兴太平镇下窑背曾国柱公棋盘围屋(图48)

曾国柱公棋盘围屋,建于清乾隆年间,前后历时40年建成。通面阔133m,通进深174m,面积1.9万m2。俗称“九栋十八厅”,有542间厅堂房,26根厅堂立柱,分为南、北、东、西四大部分。

南面为日常生活区,有主体轴线纵横18道,由横向6栋正屋、纵向2栋侧屋构成。正屋有一个祠堂,5个大厅,4套众厅(又称众屋、厢房、公厅)26间房,10套居室150间房。侧屋有厨房、杂间38间房,合计220间厅堂房。祠堂位于第三栋正屋中间。

北面为自卫防御区,有主体轴线纵24横12道,由围楼和横向3栋正屋,1横2纵3栋侧屋构成。

东面为文化教育区,由花园和横向七栋屋构成。有主体轴线纵11道,横18道。分前后两部分。

西面为牲畜饲养区,俗称马房,分前后两部分。

大门口的门坪上,耸立着一对旗杆,是为族人考取功名树立的,是客家人崇尚科举功名的标志。58)

除以上例子外,广西昭平县樟木林乡新华村叶氏国望堂也属棋盘围,布局呈当地一种“六子棋”的棋盘形状。

5. 船形

船是水上交通工具之一,船文化是中华文化之水文化的重要组成部分之一。在园林中以船形建屋,便出现石舫、船厅之类建筑。划龙船、赛龙舟是中国人家喻户晓的文化及娱乐节目。船棺葬在古代中国南方一带盛行。“同舟共济”是激励中国人民团结一心、克服困难、互助互爱、勇往向前的格言。在战争中,同城人的命运如同是乘坐在同一条船上的人的命运,城的存亡关系到每一人的存亡。以舟形为城形,便产生了船城。以船形设计城门瓮城,便产生了船形瓮城门。

(1)丰顺建桥张氏建桥围59)(图49)

张氏建桥围位于粤东丰顺县建桥镇建桥村,坐落在建桥镇西南面的小溪旁,为明崇祯十三年(1640)都乡佥军事张乾福为防御盗贼而建,称建桥围。

建桥围占地面积15,780m2,围外设置回环的池塘(宽18m),北面以溪为沟壑,是防盗、防火、平衡气温的重要设施。远眺整座围似浮水大船,俗称船形围。其建筑原则祖训为:“经营屋宇地基必求其敞,房间必求其多,厅庭必求其大,墙壁需坚固,形式务极整齐,环境位置之选择,利于集体群居和防御外敌入侵。”

船形围遵循内方外椭圆轮廓。绕围墙建有四环的单夸四合院建筑(10.6×6.6m回形),围内布局三街(直向)加两巷(横向)总共有11幢,各幢自成一体,建筑普遍为两堂两横、三堂四横硬山顶构筑。建筑构造形式巧妙地解决了通风、采光、排污等设施。建桥围建筑重视人与自然的和谐,按祖训选择在河流边,不仅便于取水;围以南是一片平地,地处回流阶地上,既有肥沃的耕作土壤又有河水灌溉,便于农业生产的开展。同时,建桥围地处河流交汇处,交通便利,是理想的民居住地。建围时,依照地理风水之要求,以传统的《阴阳蓝图》分为八等分,乾、癸、坎、艮、坤、震、离、兑的八卦之求和阴阳对立互补的原理,将围四个门建成八卦形。东西门大小不一,围门内用12条长花岗石铺地,而南北门坐向各有所翼,围门内用十条长花岗石铺地。但是为了控制人口增长,特将四围门第留存断裂(在1/3处有断裂口)。几百年来,围内人口一直在1 000多人左右,其中东西两围门出入的人口发展较快(从光大堂、保大堂搬出围外发展,将近有2万多人)。

围内建有张氏各世府第宫室。如图南居、敦善居、永盛居、复昌居、凤实楼、儒林第、都尉第、荣封第等。采用传统四合院的建筑工艺,用抬梁、穿斗的混合结构建造,布局严谨。讲究坐向,沿中轴线上中下三个大厅,系奉祖先祖或公共娱乐场所。厅左右设对称的二厢房或四厢房,为生活区。

(2)始兴隘子官氏满堂围

满堂围在始兴隘子镇满堂村,为官乾荣所建。官乾荣,字佐安,号靖亭,生于乾隆四十四年(1779),卒于咸丰四年(1854)。其承父业经营木材生意,家资丰厚。据《始兴县志》载:“(官乾荣)家资百万,慷慨好施。”60)

隘子镇满堂官乾荣公棋盘围屋(图50,51),建于清道光十二年(1832)至咸丰十年(1860),历时27年建成。由上、中、下三座围屋构成。通面阔173m,通进深83m,共有面积13544.96m2。高2至5层,有厅堂、房770余间。

围屋建筑结构牢固,布局奇特,规模宏大,具有古城堡之雄风。61)

据说原创意整体形象为一条大航船。中心主楼的四围为3层,四角碉楼为4层。主楼为二堂一围屋,前堂3层,后堂为4层望楼,望楼居高临下,巍峨壮观,从远处望去就像船身上的船台,俗称“太子楼”,平时作教育子孙的学堂用。主楼有城楼式的门楼,上嵌清咸丰庚申十年的“奠基”石刻。券顶方框门用青条石砌成,整个门框和门楼墙厚3.5m,据说中间夹有砂石,若被枪炮击穿,砂石会自动填补弹洞。楼门有趟拢、铁皮门、竖杠和灌水洞(门上)等设施,用于防盗和防火。堂屋四周为三层的围屋,堂、围之间有天街隔开,围屋四周可以相通,俗称“走马楼”,通廊单间住房。四角碉楼墙壁1/3为卵石砌的墙基,2/3为青砖砌筑,四层碉楼高约15m。

值得注意的是,满堂围是建在石下河与黄水河的交汇处,中心围楼的地基用了九层生松木打桩垫底,非常坚实。围的外墙皆用水磨青砖砌成,接缝用糯米灰浆,异常牢固美观。其正堂用金漆木雕屏风,彩绘藻井,梁柱雕刻龙凤花鸟,每一住房的客厅均在檐墙内瓦面开有天窗,放置玻璃明瓦,明瓦下方墙上留有一个椭圆形通气孔,使客厅明亮通风。而天窗下之墙壁灰塑人物、花鸟、山水,以及象征五谷丰登、福禄双至、吉祥如意的浮雕。62)原木栋梁,加上条石门窗,建筑显得富丽堂皇。三座围楼的主楼前面,均建有凹字形的二层倒座(前围),设有门楼和碉楼;堂横屋与倒座间有宽阔的长方形天街。显得外面严密封闭,里面宽敞舒适。

满堂围的创建者官乾荣,为清道光年间侯缺正五品官员,兼营木材生意,为当地首富。故满堂围能集赣南、粤北、粤东四角楼之大成,无论从规模、造型、材料到工艺,都堪称粤北客家围之最。63)

(3)江西广昌船形古屋64)

在江西广昌的驿前镇上街东头,有一幢形状独特的古代建筑,它座北朝南,建筑整体仿古代官船之形,临江而建,重檐亭式屋顶,穿斗式结构,当地居民称之为船形屋。

走进屋内,圆拱形的天花板,犹如船篷,前舱、后舱,应有尽有,船头、船尾,惟妙惟肖,让你分不清这到底是水边人家还是水中船上。东边弧形的檐脚石块,恰似那悠悠弯弯的船舷甲板,隔江而望,一艘逆水而行的古代“官船”跃入眼帘。

此船占地面积540m2,有大小厅堂、厢房36间。大门建在中轴线之右侧,牌坊式的门楼,门楣上行书题刻“清汲与盱源”匾额,无落款,无年号。整幢建筑全用杉木榫卯接合,柱梁楚楚,古朴庄重,其檐下木制斗拱,木质浮雕流云、花卉、动物、人物等图案,雕工精湛,剔透有致。在主建筑的中部,设有重檐亭式屋顶,屋顶之下的藻井中,绘有缠枝牡丹童子、缠枝莲花童子、出行图等图案,线条明朗,图案优美,有较高的艺术价值。

驿前船屋就是洪门(天地会)会员的联络地点,其文化表征36间为洪门建筑的独特标志,72为地煞,36为天罡,天地之合数为108,为三合会,模仿宋代梁山好汉108将江湖结义,同舟共济,广昌船屋是洪门“洪船”早期形态的建筑遗存。

明末清初,天地会,活跃在我国南方数省以及海外华侨中间,会内称洪门。洪门是明朝遗老为了反清复明而在江西南城县洪门镇而创立的。

6. 盘石

盘石围(图52)

盘石围,位于龙南县杨村镇乌石村,北距县城60km,南距杨村镇5km。据本村乡绅村民赖吉生言,围之得名,是因其形如磐盘石。而据《桃川赖氏八修族谱》中的《东水盘石围记》所载:“取中石砥柱,二水合流,爰是而筑居焉。名曰:‘盘石围’”。

村中相传:乌石村是其先祖“绍先创基,元宿开基”。老围是历三代人完成的。“乌石村”之得名,是取自老围门坪上的那块“乌石”。此说征之《龙南县地名志》也相吻合。说乌石,其实是块地质史上因河川作用而形成的花岗岩岩石。由于自然界的侵蚀,使岩石表面呈黑色,故名。此石现成为村民心中的一块神石,他们赋予它一些神秘色彩,敬崇它、爱护它,不仅没有嫌它兀然突起在平整的禾坪上,有碍晒场而将之做平,而且还将它过去崩裂了的一角,修补成形。传说乌石在开工建屋时被凿开后,里面飞出一只金乌鸦,后来便把盘石围改名乌石围。65)

盘石围的平面形式,应属围龙屋类型:它前方后圆、前低后高,围龙后部也有隆起的“化胎”。门前有方形的禾坪,禾坪之前是口半月形的水塘。但盘石围四周有炮楼设施,围龙屋高二层,并设有内大外小的枪眼(也许兼作气窗或望孔),围内还有一组“三堂两横”府第式两层楼房。一般围龙屋只在后部有圆弧,而盘石围除正立面用直线外,其余皆圆弧线,状如一个圆楼切去三分之一似的。它兼有粤东围龙屋和赣南方形围屋特点,似乎还含有闽西土楼的基因。66)

7. 锁头屋

小型的杠屋像古时的锁,称为锁头屋(图53)。

杠屋是多开间民居及前天井所组成的无明显轴线的一种天井式民居,其大门在侧面开启。因民居平面形状像一条杠杆,故名杠屋。

8. 合面杠

两杠屋合用一天井,称合面杠(图54)。

9. 茶盘屋

周围有屋相围,称茶盘屋。(图55)。

杠屋可以有多种组合。大型者有四杠屋(图56)、五杠屋,甚至有六杠屋。其优点是各杠屋可单独使用,但又有联系,且互不干扰。在客家地区一些多子的家庭常采用它

10. 簸箕形(图57)

德辉楼位于永定县下洋镇,是小型的三层方楼,属内通廊式。建于1937年,至今保存完好。现住4户20人。方楼内院中设置精致的围墙和厅廊,在方楼的中轴线上形成两个尺度宜人的小天井,空间既分隔又流通,天井廊沿石板铺砌,院中置花木盆栽,显得亲切舒适,创造了理想的居住环境。这个方楼并非标准的方形,其正面的宽度比背面窄十几厘米,前窄后宽使整个平面微呈倒梯形,形如收谷子的簸箕。相反,若前宽后窄则形如倒垃圾的扫箕,当地人认为不吉利。前者收进则聚财,后者倒出会破财。因此,当地的方楼总是做成前窄后宽式,这是民间俗念影响建筑形式的一个例证。67)