建筑仿生结构（精选7篇）
建筑仿生结构 篇1
1 概述
目前,建筑智能化主要分布在楼宇设备、通信、办公,消防、安防等建筑的外部系统,而没有深入建筑本体结构,其智能“外强中千”,无法提高建筑结构的可靠性、安全性与抗灾能力。当遭受地震、飓风、爆炸等灾害侵袭时,或当建筑结构设计、施工、使用不当时,都可能导致工程失效、破坏,乃至倒塌,造成土木工程灾害。如法国戴高乐国际机场航站楼,虽然拥有先进的智能化系统,但却在没有任何预警信号的情况下突然倒塌,造成了重大人员伤亡;四川汶川地震中,也有一些智能化、信息化水平较高的学校、办公楼、厂房倒塌伤人,凸显了智能建筑在结构监测、控制方面的软肋。笔者认为:智能建筑的主要发展方向,就是要研究基于“4S”仿生学的建筑结构智能化理论,突破建筑结构不可知、不可控、不反应的“黑箱”屏障,并通过嵌入“3i”智能工具,形成智能建筑结构(Intelligent Building Structure),以提升结构安全性、可靠性和抗灾能力。智能建筑结构可以在军事建筑、大型公共建筑、超高层建筑等特殊重要工程中先行先试,待理论完备、技术成熟、造价降低后再行推广。
2 建筑结构智能化系统
近年来,建筑结构安全与抗灾设计思想正在发生四个方面的转换:当遭遇地震等异常荷载时,要求结构从消极承受转换为积极应对、从被动设防转换为主动控制、从硬性对抗转换为柔性适应、从外部检测转换为内部诊断。新思路提出了传统建筑结构无法满足的要求,从而催生了智能建筑结构。
智能建筑结构是将具有仿生命功能的感知材料(传感器)、驱动材料(作动器)、修复材料(修复器)融合于基体材料(如钢筋混凝土)中,使制成的建筑构件(结构)具有人们期望的智能功能。其中的智能传感器si(sense implement)、作动器di(drive implement),修复器ri (repair implement)可称为“3i”智能工具。这种结构应具有神经和触觉,能感知结构整体形变与动态响应.局部的应力应变和受损情况;应具有肌肉和骨骼,能自动改变或调节结构的形状、位置、强度,刚度、阻尼或振动频率;应具有大脑和思想,能实时监测结构健康状态,处理突发事故,并自动调节和控制,使系统始终处于最佳工作状态;还应具有生存和康复能力,在危险发生时能自我保护,从而赋予建筑结构自诊断、自控制、自修复、自适应等生命特征,以保证安全、减轻质量、降低能耗.提高性能。这就是笔者提出的“4S”仿生学智能原理,并根据该原理,构建了建筑结构智能化系统,如图1所示。下面主要研究健康自诊断、安全自控制、损伤自修复系统的组成、原理与应用前景,由于环境自适应系统较为简单,本文不再赘述。
3 建筑结构健康自诊断
通过嵌入在建筑结构内部的光导纤维、压电陶瓷、压电高分子、应变合金等感知材料或传感元件,构成智能传感器,自动感知并采集结构变化参数,使人们方便地了解结构内部物理、力学场的变化情况,并通过数据传输和智能处理机制,使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力,并及时给出结构性能及安全状况评价,这就是建筑结构健康自诊断系统(Self-diagnostic Building Structure Health)。该系统可把传统的离线、被动的检测转变成为在线，动态、实时的健康诊断,为工程结构防灾减灾、防止余震损伤和灾后修复加固提供科学根据。
如国防工程地下建筑(洞库)防护要求较高,必须能够有效承受地震、海啸、泥石流、爆炸等异常荷载,应当设计基于智能洞库结构的健康自诊断系统。该系统主要由智能传感器子系统、数据采集与智能处理子系统、健康诊断子系统等三大部分组成,如图2所示。
3.1 智能传感器子系统
直接影响洞库结构安全的监测量主要包括局部应力应变、裂纹扩展以及结构变形和位移等。针对洞库结构的实际特点,可采用缠绕式光纤应变传感器,其结构采用多模光纤缠绕在钢筋或尼龙筋上。该传感器的应变传感机理主要基于微弯原理:当钢筋或尼龙筋受轴向应力作用而被拉伸,或受横向应力而发生弯曲变形时,光纤跟着被拉紧并贴敷在钢筋或尼龙筋上,从而使光纤产生侧向变形,进而导致光纤中的光功率损耗,建立光功率损耗与应变之间的关系,从而实现对应变及其它物理量的测量。
3.2 数据采集与智能处理子系统
为解决光纤传感器信号检测问题,可采用光时域反射计(OTDR)来检测因光纤侧向变形而引起的光功率损耗。其工作原理是:当窄带光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中实际存在的折射率的微观不均匀性,沿光纤各点会产生散射,散射光沿着与入射光相反的方向返回到光纤的注入端,通过测量背向散射光强随时间的变化关系,就可以确定光纤各点的损耗大小及其位置,从而实现分布式信号检测。然后应用具有自适应性、自组织功能的人工神经网络来进行信号处理,多层感知机网络(BP网络)是目前最常用的神经网络之一,其结构如图3所示,BP网络可仿真解决洞库结构中受力或损伤的定位与程度问题,实现对光纤传感阵列网络输出信号的智能处理。
3.3 健康自诊断子系统
结构健康诊断包括在线损伤识别、损伤评定与定位、体系可靠度分析与专家系统等方面的理论、方法与软件。神经网络方法具有较高的损伤识别率,能够对损伤进行定量和定位,是一种比较理想的、极具潜力的损伤评估方法。通过构造若干神经网络专家系统,如损伤识别专家系统、损伤定量专家系统、损伤定位专家系统、损伤诊断专家系统等,构成智能诊断模块,利用输入的结构特征信息,通过推理,演绎、解释等过程,给出结构安全评估结论和建议,如损伤与否、损伤严重性、损伤位置、损伤原因以及建议措施等,以供管理部门决策参考。
4 建筑结构安全自控制
建筑结构自控制系统(SelfControl Building Structure),是在工程结构中嵌入智能驱动装置,也称智能作动器,自动感知荷载变化并产生相应的控制动作,以保护结构安全。智能阻尼器是一种很有发展前途的作动器,它能够自动感知、判定异常荷载并激励阻尼器产生较大阻尼,大量消耗输入结构的震动能量,迅速衰减结构的地震或风振反应,保护结构免遭破坏。结构控制方法包括被动、主动、半主动以及复合控制等,目前在土建结构中最具发展潜力的是综合主动与被动控制优点的智能阻尼装置(SDDs),包括智能流体阻尼器、调谐流体阻尼器、粘滞流体阻尼器等。
4,1智能流体阻尼器工作原理
该装置由阻尼器本体及外部附件两大部分组成,其结构如图4所示。在密闭的缸筒内,充满了智能流体(MR),这是由铁钴钒合金粉与硅油混合而成的一种自适应材料,在电场或磁场的作用下,能够在毫秒时间内,实现从自由流体到黏性流体,到半固体状态变化。在活塞体周圈的凹槽中缠满了电流线圈,将活塞体变成了电磁铁。活塞可在缸筒内沿轴线方向往复运动,其阻尼的大小由智能液体的黏度决定。当地震,飓风等灾害发生时,嵌入在结构中的信号传感器感知到异常震动荷载后,立即通过信号处理器进行模式识别并上传到信号控制器,信号控制器根据异常荷载自适应算法确定控制策略,即刻向安装在工程结构内的各个减能驱动装置——阻尼器发出工作指令,阻尼器按指令增强电磁铁的磁场强度,智能液体在强磁场作用下增大黏度,产生“半固化”作用,从而增加活塞与缸体相对运动的阻尼力,达到消能减震的目的。确定流体阻尼器的阻尼力模型是其应用中的一个重要问题,本文推荐如下阻尼力模型:
式中F(t)为阻尼力,N;L为线圈长度,M;Ap为活塞面积,m2:D为活塞外直径,m;h为内直径,m;x(t)为MR阻尼液运动速度,m/s;τy为剪应力分量,N;η为流体的动力黏度,pa·s;f0是活塞轴与密封圈之间的摩擦力,N;K0是修正系数,可按照一定的算法确定。
4.2 智能流体阻尼器的应用方式
在高层建筑、桥梁、塔架等工程结构中,可以把某些非承重构件(如支撑、剪力墙,连接件等)设计成消能杆件,并安装流体阻尼器,常用的安装形式有人字撑框架双阻尼器对角安装等,如图5所示。如某军事工程建筑,主体12层、裙房3层,总高度48m,主楼平面长40m、宽16m,抗震设防烈度为8度,并应适当考虑战时爆炸冲击荷载的要求。如采用传统框架的抗震墙抗震体系设计,原方案要求必须在结构的横、纵向各设置6道抗震墙,下部主要柱截面850×850mm才能满足要求,但是这将导致构件截面过大、配筋过多、造价提高。为此,该工程拟采用智能流体阻尼器的消能减震设计方案,在其半地下室和结构1～6层原布置钢筋混凝土剪力墙位置设置两种共52个阻尼器,计算分析表明,此设计可使结构的地震反应降低,可取消剪力墙的设置,梁、柱断面尺寸和配筋可相应减小,结构综合造价可降低约8%。模型试验表明,安装阻尼器后,建筑的加速度反应峰值减少30%,相对位移峰值减少50%,如图6、图7所示。
5 建筑结构损伤自修复
建筑结构损伤自修复(Self-repair Building Structure)是借鉴生物体损伤自愈合机理,在结构内部嵌入智能修复器,自行感知外部环境变化,对结构自身的裂缝、损伤做出自诊断并以一种优化的方式做出响应,通过自生长或原位复合等再生机制实现自愈合、自修复。目前,土木工程智能修复器材主要有智能混凝土和智能合金材料等。
5.1 智能混凝土
智能混凝土也称机敏混凝土和仿生混凝土,它是模仿生物组织,对受创伤部位自动分泌某种物质,而使创伤部位得到愈合的机能。在混凝土基体中掺入修复胶囊(或液芯纤维管),修复胶囊(或纤维管)内含有可流动的物质——修复胶粘剂,形成智能型自修复神经网络系统。在外界环境作用下,一旦混凝土基体开裂或出现损伤,部分胶囊(或纤维管)破裂,胶粘剂流出、并渗入裂缝处硬结,可使混凝土裂缝重新愈合,从而实现混凝土裂缝及损伤的自修复。自修复混凝土机理如图8所示。
某军事工程曾以玻璃胶囊为修复胶囊进行试验,胶囊外径5、0mm,壁厚0.5mm,长30mm,体积掺量为3.5%。采用氰基丙烯酸脂胶粘剂为修复胶粘剂。试验结果表明,在试验机压力作用下,混凝土开裂,胶囊及时破裂后,胶粘剂流出,混凝土性能得到了良好的修复,修复后的试件在第二次试验时,其强度比原始状态提高了2、5%—6,3%。智能混凝土作为危险条件下的密封装置和战时抢修材料有巨大的应用前景,如洞库、阵地、军港等国防工程设施等。
5.2 智能合金材料
智能合金又称形状记忆合金I Shape Memory Alloy,简称SMA),具有独特的形状记忆效应,当材料遭遇异常荷载、产生过大变形后,若适当加热提高温度,材料的变形消失,又自动恢复到初始形状。在土木工程中,一方面可以将其用作传感器件,利用其电阻、应力、应变等参量的变化来传感外力、温度等的变化,为控制提供输入量;另一方面,还把它用作驱动器件,通常用电加热法促使其相变,产生回复动作,达到驱动目的。在工程结构中,可以将SMA丝或膜片埋入基体,当构件产生裂缝后,位于裂缝处的SMA将产生局部变形,使其内部电阻值发生变化,通过测量电阻值变化量,可以监测裂缝大小。当构件的裂缝达到需要控制的范围时,智能控制系统将SMA通电加热,它的内部就会产生恢复效应,通过收缩驱动裂缝闭合,实现裂缝的主动控制。
如大型厂房的智能预应力吊车梁就是SMA的一种典型应用。该系统包括传感器、驱动器和控制回路,其中驱动器就是应用SMA制作的智能预应力筋。如图9所示、当吊车等动荷载作用于梁上时,梁关键部位的应变传感器将信号发送至数据采集器、控制器,经控制器分析处理,计算出所需电流,传至数控电源对形状记忆合金(SMA)预应力筋进行加热,使其发生相变诱变,从而产生所需预应力来平衡由动荷载引起吊车梁的挠度。同时,在SMA筋上粘贴热耦电阻,以反馈温度状态,调节预应力筋的加热电流大小。
6 结论
在社会经济、科学技术高速发展的今天,智能建筑不仅要追求高效、节能、环保、健康的目标,更要设法提高建筑结构的安全性、可靠性与抗灾能力。现有建筑智能化理论没有深入建筑结构的“黑箱”,具有技术局限性。因此,要运用“4S”仿生学智能原理,研究建筑结构智能化理论,并通过嵌入“3i”智能工具,探索具有健康自诊断、安全自控制、损伤自修复,环境自适应的智能建筑结构。这既是提高建筑结构安全可靠性的科学手段,又是智能建筑新的发展方向。
参考文献
[1] 田佳宁,郑连芳.一种新型结构智能振动控制装置-磁流变液体阻尼器.矿冶,2007,6:16-2．
[2] 张海涛,涂亚庆.智能结构系统用于洞库结构安全监测技术探讨.地下空间.2001,12:21-5．
[3] 匡亚川,欧进萍.智能混凝土损伤自修复全过程分析.功能材料.2007(38) .
[4] 李惠,周文松,欧进萍,杨永顺.大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究.土木工程学报,2006,2:39-2．
[5] Ackerman A E,liang Chen,Rogers C A.Dynamic transduction characterization of magnetostrictive actuators, 1996[J]. Smart Mater. Struct. Vol.5: 115-120．
[6] Cuti llas S,Bossis G,Cebers A.Rheological propertiesof MR fluids[J]. Phys Rev E, 1998,57( 1 ) :804～811．
[7] BirmanV,Review of mechanics of shape memory alloy structures[J],Appl Mech Rev, 1997, 50( 11 ): 629～645．
东京树型结构仿生宅 篇2
与传统多层建筑中常见的堆积楼层的设计模式不同,此项目的设计目的在于创造一种有机的多层系统,包括外部三维空间的形成、与街道空间的相互渗透等多层次的空间处理,而这些层级往往被传统设计模式忽略。举例来说,设计创造出的这种空间更像是一棵在空中自由生长出来的树,这种令人迷惑的建筑生成模式模糊了内与外的空间分界。设计通过箱形空间的组合,创造出带有多层空间体系的建筑体。箱形空间内部是诸如卧室的封闭空间,外部则是阳台或由玻璃围成的开放型空间。箱形空间表面设有多界面围合的褶皱式出入口,这些出入口营造出一种内与外的模糊性界面关系。同时,设计师在这些褶皱周围种有绿植,在建筑体外围营造出三维立体花园。
综上所述,树型结构仿生宅利用建筑体量、空间围合、出入口和绿植元素等多元配置,构筑仿生形态的建筑有机体,并将复杂的生态系统与城市相连接。通过此项目的构思到实施过程,自然仿生型建筑理念得到了进一步的拓展,同时拓展了仿自然建筑理念实施的可能性。尽管树干和叶子有不同的外观,但它们在本质上却拥有相同的特点,这种共性也为建筑创造出一种有机的多层空间结构—从建筑走向城市。
The building’s program is a residential complex and tenant spaces located in Tokyo,Otsuka.The site has a narrow width and long depth,allo wi ng for a narrow profile volume to be assumed from the condition.In contrast to typical layered architecture which only stacks floors,this design includes objects which typical architecture doesn't count in,such as esterior spaces and the street to generate spaces that are 3-dimensional.For example,much like a tree creates spaces in the air, the design creates a tangled space which is ambiguous in interior-exterior for the people.
By composing boxes, a layered volume with voids is created. Inside the boxes,there are closed spaces like bedrooms and outside boxes are for the terraces or open interior spaces enclosed by glass.Boxes have pleated openings and this allows the ambiguity of the inside-outside relationship. Around these pleats, greenery is planted and this creates 3-dimensional gardens on the perimeter of the building. The arrangement of functional volumes and voids, openings, and greenery tangles and integrates into an organic whole. The design aims to develop the possibility of nature-like architecture in other projects too, but the design developed further more in this project. The trunk and leaves have a different apperarance but the same quality in the foundation and this relationship creates an organic layering structure for architectur. The design releases this new architectural principle which is able to connect a complex ecosystem to the city.
项目概况
项目名称:东京大塚住宅综合楼
建设地点:日本东京大塚
用地面积:138.7m2
建筑面积:450m2
建设规模:1~6层/18.2m
建筑设计:平田晃久建筑设计事务所
项目功能:住宅、画廊
结构体系:钢筋混凝土(RC)
仿生纳米减反结构的制备 篇3
人类对光的应用大致可分为3类:一是发光,如灯具、显示器、发光二极管等;二是感光,如镜头、光传感器等;三是光能转换,如太阳能电池、光催化材料等。在这3种应用中,反射在折射率不同的2种介质界面处都普遍存在。不必要的界面反射会降低透光率,进而制约各种光器件的工作效率。根据Fresnel理论[1],光由折射率为n1的介质垂直射入折射率为n2的介质,界面处的反射率为:
undefined
由此可见,界面两侧折射率的突变是导致这种反射的根源:折射率差别越大,界面反射程度越大;如果能减小甚至消除折射率突变,那么界面反射也将大大减小。因此,如何构建一种折射率渐变层成为减反的关键。
长期以来人们为设计制备减反结构进行了大量的探索和研究。最早的解决方案应用了干涉的原理,即在介质间均匀地镀上一层减反薄膜,其厚度为某种光在其中波长的1/4,使得该波长的光在薄膜前后表面的反射光形成相消干涉,从而减少反射。这种方法只能对垂直入射的特定波长光起到减反作用,并不能实现全角度广谱的减反效果。继而被采用的多层减反膜,使用一系列折射率渐变的材料匹配界面两侧的折射率突变。然而,由于低折射率材料较难获得,同时所选用材料相互之间要有化学惰性和物理相容性,因此其应用范围受到极大的限制[2]。
自然界各种生物在长期的进化过程中形成了大量具有高效减反作用的光学结构,如在生物界无处不在的分级结构、昆虫复眼和膜翅表面的二维凸起阵列结构、蝶翅黑色鳞片的吸收结构[3]等。这些结构为人类设计制备减低界面反射的折射率过渡层提供了解决方案。近年来人们在“师法自然”思想的指导下,提出了多种富有想象力的思路,制备了形式各异的仿生减反结构,可归纳为有序纳米阵列结构、无序纳米结构、分级纳米结构和蝶翅鳞片结构等。本文将按以上4种类型阐述仿生减反结构的基本原理和主要制备方法的进展。
1 有序纳米阵列结构
昆虫的复眼(图1(a))和膜翅(图1(b))表面常见有二维凸起纳米阵列。Bernhard等[4]最初在夜蛾复眼上发现了这种结构;继而Yoshida等[5]发现在咖啡透翅天蛾的翅膀上也具有类似的点阵结构,他们用泡沫聚苯乙烯压平其表面阵列,得到了光滑表面的翅膀,发现其对200～800nm光的反射率增大到原始翅膀的2～4倍,证明这种点阵结构具有明显的减反作用。对此的解释通常基于有效介质理论(Effective medium theory, EMT)。从空气到几丁质区域可以做无限个假想层垂直于凸起方向(图2),由于点阵的尺寸通常小于可见光波长,因此每个假想层的有效折射率(Effective refractive index,ERI)取决于几丁质和空气本身的折射率以及体积分数;由于每一层中空气和介质的比例连续变化,因此其ERI也连续变化。这样,处于空气和几丁质间的纳米阵列就可以看作一个折射率渐变区域,从而实现了消除折射率突变、减小界面反射的作用[6]。
Stavenga等[7]通过对19种蝴蝶复眼表面的观察,发现这种凸起阵列是一种二维密排结构,点阵常数为180～240nm,单个凸起的高度由0～230nm不等。基于这些数据及有效折射率理论,他们对高度为50～250nm,截面分别为锥形、凹抛物线型和高斯钟型点阵的反射率用严格耦合波理论(Rigorous coupled wave analysis,RCWA)进行了计算,发现反射率随凸起高度增加而降低,且截面为凹抛物线型的点阵在三者中减反效果最好。
制备有序的纳米阵列结构一般可用反应离子刻蚀法(Reactive ion etching,RIE)和纳米压印法(Nano imprint lithography, NIL)。
1.1 反应离子刻蚀
反应离子刻蚀(RIE)是一种采用化学反应和物理离子轰击去除晶片表面材料的技术。使用RIE制备微结构的一般步骤是先在基底上制备一层具有一定形状且不易被刻蚀的物质作为掩模,然后通过刻蚀除去未被覆盖区域的材料,最后清理掉表面的掩模和反应产物以得到所需结构。作为一种相对成熟的工艺,RIE可通过控制掩膜形状和刻蚀工艺参数实现尺寸可控,适用于在半导体和金属材料上制备减反结构。RIE通常还包括电感耦合等离子体(Inductive couple plasma,ICP)刻蚀,其离子能量与密度可以分别得到控制,能在低电压下实现高离子密度,因此可在不损伤基底的前提下实现更大的刻蚀深度,尤其适合高轴径比微结构的制备。
Jiang等[8]提出一种高轴径比柱状阵列结构的制备工艺,使用旋涂法制备出含有二维非接触密排SiO2小球阵列的单分子胶体层,继而用等离子态O2除掉胶体,仅剩下SiO2小球作为掩模,然后用等离子态SF6刻蚀出柱状结构,最后用HF除去SiO2掩模。在特定的RIE工艺下,SF6刻蚀对于Si和SiO2的选择比高达10∶1,因此可以达到较大的刻蚀深度。通过控制SiO2小球的尺寸和刻蚀的时间可以实现对柱状凸起截面大小和高度的控制。他们最终制得底部直径210nm、高度为800nm的柱状Si纳米阵列。实验测得该结构对于300～900nm范围内的光反射率在5%以下,可用于单晶硅太阳能电池表面的减反设计中。
Lin等[9,10]制得倒锥台结构纳米阵列(图3、图4)。其工艺为先在Si基底上使用胶体自组装法制备密排的聚苯乙烯(Polystyrene,PS)小球阵列,继而用SF6/O2混合等离子进行刻蚀。O2与PS反应使球的直径变小,SF6与Si反应在基底上形成柱状结构,两者同时进行可以得到具有倾斜侧面的结构,其侧壁斜率可以通过控制SF6/O2流量比实现。如果在此步骤前先用O2等离子处理,则可以减小PS小球的直径,从而减小倒锥台顶面大小,获得斜率更大的侧壁。他们使用SF6/O2流量比分别为1.5、2.0、4.0的工艺制备了侧壁斜率递增的3种倒锥阵列,并用先O2刻蚀再SF6/O2刻蚀的两步刻蚀工艺制备了斜率更大的“蛾眼结构”阵列。对这几种阵列的反射率测试表明,对300～900nm的垂直入射光减反效果随侧壁斜率变大而依次变好;改变入射角度,则侧壁斜率大的阵列对小角度入射光的减反效果最好,对于大角度入射的结果则相反。
Yu等[11,12]用2种方法制备了抛物面凸起纳米阵列结构。这2种方法都是先在材料表面涂覆光刻胶,然后用夹角为60°的干涉光条纹光进行光刻,得到二维密排的柱状掩膜阵列。在后续步骤中,一种是直接进行RIE刻蚀得到密排点阵,然后以该点阵为籽晶进行喷涂使之长大,得到抛物面凸起纳米阵列(图5);另一种是将基板置于加热板上,使柱状光刻胶重新具有流动性,在重力作用下形成透镜状的掩膜阵列,再对其进行ICP刻蚀,最后获得抛物面凸起纳米阵列。RCWA模拟表明,在任意高度和任意入射角度下,抛物面型凸起阵列都比倒锥型阵列在长波区域具有更好的减反效果,实验测量也证明了这一点。
上述制备的阵列结构中,凸起的成分与基底材料相同,而与之相反的“空气凸起”阵列,或反阵列材料也可通过RIE方法制备。Hirai等[13]用聚乙烯醇(Polyvinylalcohol,PVA)作掩膜实现了这一结构(图6)。其步骤为:先制备出具有三维蜂窝状结构的PVA,将其固定在硅基板上后撕去,留下一层二维密排孔洞的掩膜,再用ICP刻蚀,得到具有如图6所示的反二维阵列结构。选用不同类型(N型或P型)、不同裸露晶面(110或111面)的硅基板,改变刻蚀时间,可以获得不同形状的结构。这种结构在光波长300～1800nm范围内反射率不到0.5%,具有优异的减反性能。
1.2 纳米压印
纳米压印借用了透射电镜试样制备中的“复型”思路:使用纳米阵列结构作为模板,先用高分子材料进行一次复型制备出反模,再在该反模上涂覆其他材料,在一定条件下成型,然后从反膜上剥离以得到所需的结构(图7)。用于制备反模的高分子材料需满足形状分辨率高、易成型、易剥离等要求,最常使用的有聚氯乙烯[14,15,16](Polyvinylchloride,PVC)、聚二甲基硅氧烷[17,18,19,20](Polydimethylsiloxane,PDMS)、全氟聚醚[21](Perfluoropolyethers,PFPE)等。可用于点阵结构制备的材料比较广泛,如氧化物、金属、各种热固化及光固化树脂等[14,15,16,17,18,19,20,21]。与RIE相比,NIL制备成本低,在大规模制备时操作简单。
蝉翼、复眼等表面的天然纳米阵列结构可以用作制备的模板。Zhang等[17]对蝉翼先进行处理,除去表面的蜡质成分和翅脉,再以PDMS为复型材料制备出反膜,然后在PDMS复型上喷金并覆盖Si基底,成功剥离后得到了Si基底上具有二维密排点阵结构的金涂层。该涂层完整地保留了蝉翼表面点阵的形貌。而在使用复眼作为模板时,Ko等[21]使用PFPE作为复型材料,相比于PDMS,它的表面粗糙度小,化学惰性好,成型温度低,并具有非浸润性,从而易成型和剥离。他们接着在制得的PFPE反膜上,用光固化的聚氨酯(Polyurethane,PU)得到了复眼阵列材料。复眼本身的曲率、六边形结构单眼及表面的纳米阵列得到了完美的复制。
天然模板一般比较小,无法用于制备大尺寸的点阵结构,人工制备模板很好地改进了这一缺点。人工模板通常是用RIE在金属或Si基底上刻蚀出所需的阵列结构得到。由于凸起的形状尺寸已实现可控制备,刻蚀缺陷可以通过挑选模板先行排除,因此人工模板NIL的制备精度可以得到控制。模板在RIE制备成型后可以被重复使用,从而大大降低了刻蚀的成本。
Han等[14]使用Ni模板在PVC树脂两侧分别进行NIL得到双面反阵列结构的减反膜,然后将其覆于Si太阳能电池表面,与无减反膜、平面PVC减反膜、单侧反阵列结构PVC减反膜的Si电池进行对比测试。结果表明,双侧反阵列膜的减反效果最好,相应的电池有最高的光生电流。这是由于另一侧的反阵列一定程度上减小了PVC-Si界面的反射,提高了减反膜本身的透光率。
Chen等[17]使用RIE制备Ni模板,通过PDMS复型,在Si太阳能电池表面制得纳米阵列结构的PMMA减反膜。他们使用不同的Ni模板得到4种结构的PMMA减反薄膜,与覆有80nm SiNx减反膜和无减反膜的Si太阳能电池进行对比测试,结果表明PMMA阵列的反射率略高于SiNx减反膜,但2种电池的光生电压和光生电流比较接近,证明这种工艺制备的减反薄膜具有一定的商用前景。
Jiang等[19]在以前述工艺制备出Ni柱状纳米阵列的基础上,用PDMS制备该阵列的反膜,再在玻璃板上涂覆溶胶-凝胶玻璃前驱体,用反膜在该前驱体上压印,并在120℃烘焙5min使之固化,得到了具有高纵横比的玻璃柱纳米阵列。该阵列反射率不到1%,远优于玻璃基板4%左右的反射率,同时模拟值和实验值具有很好的吻合度。
2 无序纳米结构
根据有效折射率理论,构建类似复眼的二维凸起点阵结构的折射率过渡层,其关键在于让假想层的折射率发生渐变,亦即使其中2种介质的比例发生渐变,而不需要介质在假想面上规整的排列。这启迪人们跳出有序结构的限制,制备无序的纳米减反结构。虽然不规律性会使同尺度结构的减反效率降低,但是无序结构可以使用更多简单的工艺制备得到,具有更好的应用性,一定程度上弥补了这一劣势。比较常见的两种无序纳米结构为纳米棒阵列和粗糙多孔表面。
2.1 纳米棒阵列
纳米棒阵列是一种有效的无序减反结构,它可以看作对规整的二维凸起点阵的拓扑抽象。这种阵列既可以通过外延生长、溶液生长等自下而上(Bottom up)的工艺制备,也可以用无掩膜刻蚀等自上而下(Top down)的工艺制备。
Lee等[22]使用低温溶液生长的工艺在Si上制备了ZnO纳米棒阵列,通过控制制备条件可以获得平端和尖端等几种不同的纳米棒形状,其减反性要优于溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜和商用的SiN减反膜。通过RCWA计算,他们发现纳米棒长度、底部扩散层厚度和顶部的斜率都对阵列的减反性能有影响,并认为这是降低广谱反射和减少干涉条纹带所造成的。
Huang等[23]在(100)面单晶Si基板上通过电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,ECR)等离子刻蚀的工艺制备出高度分别为1.6μm、5.5μm和16μm的Si纳米棒阵列(Si nanotubes, SiNTs),得到具有减反表面的14.4cm(6英寸)Si板,并对其进行了细致的反射率测试(图8、图9)。结果表明,对波长为0.2～20μm的光,3种阵列的反射率都比光滑的Si基板低了约1个数量级,且随着阵列高度降低,减反效果依次变好;在波长0.2～2.5μm范围,高度为5.5μm和16μm的Si纳米棒点阵的反射率低至1%以下。对16μm Si阵列的进一步测试表明,在光波长0.2～2μm范围,该阵列对不同入射角度和不同方向偏振光的减反效果基本保持一致,反射率在0.1%以下;在光波长2～20μm范围,阵列对于大角度入射光的反射率有明显提高,对60°入射光反射率达到约10%,但仍然优于无结构单晶Si基板。这一性能优异的减反结构将在光电和军事领域有着广阔的应用。
2.2 粗糙多孔表面
制备粗糙多孔表面的一种思路是,先将2种不相反应的高分子材料充分混合,制备一层二元高分子膜,再用具有高度选择性的溶剂溶解掉其中一种组分,剩下均匀的三维骨架结构。Jiang等[24]采用这种思路制备了PMMA多孔涂层(图10),其步骤为先用微乳液聚合法合成含65nm PMMA和48nm PS纳米微球的胶体,将其旋涂在PMMA基底上,然后分别用50℃去离子水和70℃环己烷浸泡除去PS微球及反应中的其它产物。他们使用含40%PS的胶体制得的涂层可将PMMA板反射率由4%降低到1%以下。Tahk等[25]使用聚氨酯-丙烯酸酯(Polyurethane acrylate,PUA)制备了“纳米草皮”状掩膜,结合RIE制得粗糙减反层(图11)。其步骤为在约50μm厚的聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)膜上压覆10μm光固化树脂PUA,施以20s光照使其发生部分固化,即在其中形成一部分交联的体型大分子,再用大分子作掩膜,用等离子Ar进行RIE,除掉未交联的单体,最终在PET膜表面得到“纳米草皮”状粗糙表面。改变RIE时间可以得到不同粗糙度的表面,透射率测试表明120s的RIE后透射率最高,在可见光区域可达90%以上。
Prevo等[26]用堆叠小球的方法直接制备了粗糙多孔减反涂层,其工艺非常简单:将分散好的SiO2纳米球胶体(直径(74±14)nm,体积分数2.58%)滴入23°倾斜放置的玻璃片与Si太阳能电池之间的尖劈状缝隙里,按一定速度转动电池,将SiO2胶体均匀地涂在其上表面,待溶剂挥发后,SiO2球就形成了多孔层。后续测试表明,其反射率介于有SiN减反膜的Si电池与无减反膜的Si电池之间。
3 分级纳米结构
分级结构在自然界普遍存在,如树枝的分叉形成的浓密的树冠、叶脉由主脉到多达七级支脉的传输结构、荷叶表面毫米级凸起-微米级凸起-纳米级蜡质晶体的超疏水结构等。分级结构通过不同尺度结构的组合可以以低代价实现高性能。目前制备的有序纳米阵列结构中,大部分仍存在亚微米级的平滑界面。如果用更小的亚波长尺度结构(Sub wavelength structure,SWS)的过渡层替换这些光滑界面,得到分级的结构,将进一步提升减反效果。SWS可以用更小的掩膜再进行一次刻蚀获得,也可以直接在已有结构表面通过沉积、水热生长等工艺生长得到。
Zhang等[27]用两步沉积的思路制备了SiO2-TiO2分级球涂层。其步骤为首先将聚二甲基二丙烯铵(Polydiallyldi-methylammonium,PDDA)和聚苯乙烯磺酸纳(Sodium poly(4-styrenesulfonate),PSS)的混合液滴在清洁的玻璃基板上,在上面沉积SiO2纳米球胶体,500℃烧结;然后以此为基板,在上面滴加稀释的PDDA/PSS混合液,沉积尺度小于SiO2的TiO2纳米球胶体,同样500℃烧结后得到分级球涂层。该涂层可将玻璃基板的透射率由90%提高到96%以上(450～800nm)。
Wang等[28]用1.1μm和580nm两种尺寸的PS球作为掩膜,经过2次ICP刻蚀在Si表面制得了锥状分级减反结构(图12(a)),其镜面反射率在1%以下,半球反射率在5%以下(光波长400～1000nm)。这是单级减反结构难以实现的。与之类似,Yu等[29]在AlGaInP红色LED的GaP表面制得规则的二维阵列微结构(Micro structure,MS),然后以反润湿法形成的Ag纳米颗粒层为掩膜再进行一次干刻蚀,在MS表面得到亚波长的粗糙表面,MS和SWS共同构成分级结构的GaP表面(图12(b))。由于有效减少了界面反射,这种LED的透光率比无表面结构的AlGaInP LED提高25%以上,相比只有MS或SWS结构的LED也有明显提高。
Yu等[30]还设计并制备了另一种具有半海胆状分级结构的ZnO减反层(图12(c))。他们以制备好的Si纳米凸起阵列作为基底,先在其表面喷涂一层Al掺杂ZnO(Aluminum doped zinc oxide,AZO)作为籽晶,然后用水热法在其侧壁上生长ZnO纳米棒,从而得到二维凸起阵列-一维纳米棒的分级结构。他们首先通过模拟确定了最优的凸起截面形状及ZnO纳米棒尺寸,再直接制备该结构。实测的变角度(20～70°)反射率基本在5%以下,相比于单纯的ZnO纳米棒层10%～20%的反射率,减反效果明显。同时,这种设计-优化-制备的思路是人工设计新材料的经典范例。
4 蝶翅鳞片结构
蝶翅的黑色部分通常具有脊-孔复合结构(图13)。Vukusic等[31]提出该结构对于蝶翅黑色具有辅助作用。他们认为鳞片中的脊状结构能散射入射光线,增加了光在鳞片结构中的传播距离,提高光与黑色素作用的概率,从而增强吸收,减小反射率,在宏观上表现出更纯的黑色。Zhao等[32]为了进一步解释该现象,对黑色蝶翅鳞片中典型的脊-双排孔结构进行了3维时域有限差分法(Finite difference time domain,FDTD)模拟。结果表明,垂直入射光下,脊处的反射率最高;光在脊上发生几何散射,进入纳米孔阵列区域;隔开各个小孔的肋板从上方看呈小角度尖劈状,与孔一起构成了折射率过渡层,从而减小了光的反射;大部分可见光波长大于孔的尺度,无法透过,从而在多次反射中被黑色素吸收。脊与孔阵列的协同作用起到了结构辅助减少反射,增加吸收的效果。前文提到的3类结构作为一种界面减反结构,具有减反增透的作用;而这种脊-孔结构是一种减反减透结构,用相对较少的材料实现了对光的高效利用,因此可用于各种感光和光能转换领域。
基于以上研究,Liu等[33]提出并制备了一种具有蝶翅结构TiO2材料原型。他们通过遗态制备工艺[34],用TiO2替换蝶翅本身的几丁质材料,同时保留了鳞片的微观结构,仅在尺寸上有一定的缩小。实验证明,这种蝶翅结构TiO2在紫外光区(200～400nm)的吸收率提高约25%,光解水制氢的产出率是无结构TiO2粉末的7倍。在表面载Pt后,产氢率更可高达41.32mmol·min-1·g-1。这一工作启发人们重新审视现有的太阳能电池研究,将更多精力投入到结构设计中,通过结构与材料性能的耦合来进一步提高光电转换效率。
另外,Zhao等[35]还用一种巧妙的遗态工艺制备了减反薄膜。他将具有反V型无孔结构鳞片的蝶翅,通过真空碳化工艺制成非晶碳膜,完美地保留了鳞片结构。尽管2维FDTD模拟表明这种反V型碳膜对于不同方向偏振光的减反效果不同,但其总体的反射率仅为约1%,是玻璃碳的1/8,无结构非晶碳膜的1/13,具有超黑超薄的特性,是一种非常具有研究价值的吸波材料原型。
5 结语
在当前全球能源危机的背景下,通过界面反射以提高各种光器件的效率是“节流”的重要手段。经过多年的持续投入,研究者们已经掌握了自然界减反结构的基本原理,成功制备出多种性能优异的仿生减反结构,但现阶段仍存在以下问题:
(1)研究中多见的是先使用某一种材料,针对某一特殊的基底,制备出减反结构,然后进行性能表征,而对于不同材料的性质和结构参数与减反效果的关系缺少系统深入的研究。
(2)目前性能优异的减反结构通常采用刻蚀方法来制备,制备分级结构还需要多次刻蚀[27,28],工艺相对复杂,由此带来成本的大幅增加,所以寻找适合于不同材料的低成本制备工艺是目前仿生减反结构应用的一大问题。
(3)现有的几种仿生结构都是纳米尺度的精细结构,如何保证其在相对长的时间里结构与性能的稳定是其走向应用的又一关键问题。
以上问题的解决需要人们采用新的研究思路,从不同的角度寻找答案,进一步的工作可以围绕下列几个方面展开:
(1)广泛收集已有材料的光学性能及其他物理性能的资料,以及各类减反结构的数据,结合各种理论工具,如RCWA、FDTD等算法,对不同的减反结构模型进行模拟讨论,探究结构与材料性质对性能的影响。以此为基础设计出适合于某种基底的减反材料与结构,进而直接制备所需结构。在设计时诸多因素可以提前考虑,如材料的稳定性、结构的力学性能、电导性和热导性等,以保证结构的实用性。
(2)寻找适合于不同材料与结构的低成本的制备工艺,如开发可精确复型性高分子反膜材料,以进一步提高NIL法的制备精度;通过溶液生长法一步获得氧化物分级减反结构等。
(3)对于具有应用前景的减反结构进行实际的运行测试,如目前已经成功制备的高分子减反膜[14,17]及单晶硅表面SiNT阵列[23]等,可以制造成试验用太阳能电池,以检验其在长期光照和电流条件下的稳定性。
开发仿生结构用于CO2捕集 篇4
澳大利亚悉尼大学的研究人员于2009年10月下旬宣布, 开发仿生结构以用于CO2捕集。他们正在开发结构类似于某些海洋生物的化合物, 可用于捕集利用生物质生产氢气时释放出来的CO2。该项目得到德国能源公司E.ON的资助, 使用诸如木材、农业废物、废弃塑料等可再生能源生产氢气。该大学的化学和生物分子工程学院的研究团队负责人Andrew Harris表示, 业已发现碳酸钙基吸附剂最为有效。另外, 海洋生物中的海星和海胆等棘皮动物为所要求的结构提供了完美的模板。这些生物有碳酸钙的骨架, 用于碳捕获甚为理想。Andrew Harris表示, 某些用于CO2捕获的材料 (如石灰) 没有这么好的效果, 当加热时其孔隙易于崩塌或合并, 而且石灰不能重复使用。
该研究团队将创建一种化合物结构, 使其具有的微孔孔隙更小 (小于2nm) 且数量更多, 因而具有大的比表面积, 故有很大的捕捉CO2的能力。由氧化钙构成的结构在化学上可与CO2相结合, 产生碳酸钙。当加热到700℃时, 该结构就释放出CO2。该结构具有耐高温性质, 有完好的保存性, 且CO2的捕获-释放过程是可逆的, 可多次使用。该团队的目标是可使用1 000次。
温室结构仿生设计的可行性研究 篇5
关键词：温室结构设计,仿生学,蜻蜓翅膀,结构仿生,有限元分析
0 引言
我国是农业大国, 发展设施农业具有非常重要的意义。我国的设施农业到目前已经取得了较大的进步, 现代化的、智能化的节能连栋温室已经成为我国设施农业的新代表。从已建温室面积看, 我国温室的发展已经形成较大规模, 并居世界前列。
20世纪90年代中期开始, 我国现代温室快速发展, 主要以引进为主。引进温室的主要类型包括单屋脊和双屋脊的大型连栋玻璃温室, 拱圆形、锯齿形、双层充气和双层结构的塑料膜温室, 以及聚碳酸脂板 (PC板) 温室等, 代表了现代温室的所有类型;引进温室的配套设备包括遮阳、通风、降温、加温、保温、自动控制和计算机管理, 以及栽培床、活动苗床、喷滴灌、自走式采摘车、自动化穴盘育苗、水培设备等, 也基本包括了所有先进的配套设备。大规模的引进温室, 对我国现代温室的发展起到了明显的促进作用。
与此同时, 我国相继成立了一大批温室企业, 较广泛深入地对现代温室设施和配套设备进行了开发研究, 侧重于消化吸收国外先进技术, 初步形成我国现代温室的技术体系和系列产品, 而且在对我国气候的适应性、材料选择、制作工艺、配套设备等方面, 以及在加温、保温、通风等方案的选择上更加符合我国国情。
在迅速发展的同时, 我国温室也还存在着诸多的问题。一方面, 由于温室的结构类型具有很强的地域性, 使得进口温室在我国大多存在着通风不足、抗雪载能力差、透光性较差等问题, 远未达到引进国的水平。另一方面, 我国温室研究的主要精力集中于环境的研究, 而忽视了对温室结构安全性问题的研究, 使得目前我国很多已建或在建的温室存在诸多安全隐患。近年来的多起由于大风或大雪导致温室结构倒塌的工程事故, 造成了很大的经济损失。可见我国自产温室的结构设计理论还不完善, 存在着结构安全性和合理性的问题。由此可知, 发展中国温室产业, 既不能照搬也不能模仿国外的模式, 必须有自己的温室结构类型以及配套设施的标准。
温室是一种高投处、高产出的农业设施, 温室造价是衡量结构优势的一个重要因素。降低结构造价可很大程度上降低温室总造价, 因此结构优化设计是促进连栋温室推广的一个重要手段。本文通过总结仿生学 (bionics) 在建筑中的应用, 依照技术推进型的思路, 对自然界中蜻蜓翅膀的优异结构和功能进行了研究, 建立基于仿生的新型温室空间结构体系的设计思路。
1 仿生学在建筑中的应用及设计方法
1.1 仿生学的发展及研究内容
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios” (生命方式的意思) 和字尾“nic” (“具有……的性质”的意思) 构成的。
仿生学 (bionics) 是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。它涉及生理学、生物物理学、工程学等学科领域, 把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究, 希望在技术发展中能利用这些原理和机理, 实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。
生物界包含着成千上万的种类, 它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究, 因此仿生学的研究内容是极其丰富多彩的。自从仿生学问世以来其研究得到了迅速的发展, 且取得了很大的成果。
仿生学的研究课题多集中在以下3种生物原型的研究, 即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。此后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来, 近些年又出现了新的分支, 如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。
生物界各种丰富多彩的功能, 具有极其复杂和精巧的结构, 其奇妙程度远远超过迄今为止的许多人造的机器, 因此随着各种学科的发展完善及工程技术的进一步提高, 人们从生物界寻找灵感和进行模拟是很自然的, 仿生学具有广阔的前景。
1.2 建筑仿生学的发展基础
建筑仿生是仿生学的一个重要分枝, 是依据自然界中的生物规律, 进行建筑创作, 或者使新建筑具有类似生物的特征。现代生物学为建筑师的创作提供了设计灵感, 有关的研究也被用于解决人类社会的重要问题中。除此之外, 生态学、生物进化学等学科的研究成果也为仿生建筑提供了新的设计方法。因此, 现代建筑仿生是建立在多学科基础上的, 并且伴随着其他学科的发展而不断完善。
高技术的发展是建筑仿生的基石。仿生建筑利用高技术的材料、设计手法和施工工艺, 帮助建筑师在创作中对于生物形态肌理的模仿更具有自由度, 也能达到更为逼真的效果。仿生技术的建立和发展, 为建筑设计提供了一种强有力的科学技术方法, 许多现代的新建筑都应用了不少仿生技术, 这将是未来建筑发展的必然方向。
建筑仿生可以实现人与自然的和协融洽。人是自然的一部分, 建筑也不例外。建筑是人与自然展开对话、互相融合的重要纽带, 是实现人与自然环境的平衡与和谐的重要媒介。建筑仿生学为建筑师提供一种新的设计思维, 给设计者设计带来新的设计思路, 也为在地球上继续生存提供了可能。
1.3 建筑仿生使用的设计手法
经过亿万年优胜劣汰的演变, 大自然中每一种生物都因为结构、功能和形态达到最优设计而留存于世。这些生物极大地体现着它们对空间、能源利用的高适应性及合理性, 因此成为建筑师们创作灵感的来源。建筑仿生是指根据自然界生物的受力原理来设计建筑结构, 其价值集中体现在功能、形式、结构、材料、建筑环境等方面。模仿自然界中某种生物的特性, 使得建筑更加适合环境、更加节能、更加牢固和具有生命力。
当代的建筑仿生主要是通过结构仿生、形态仿生、功能仿生和材料仿生来借鉴生物体和其构筑物的结构、形态与功能等方面的优越性, 从而应用模拟的方法来改善现代技术设备并创造新的工艺技术。但同时仿生并不是单纯地模仿照抄, 它是吸收动植物的生长肌理以及一切自然生态的规律, 结合建筑的自身特点而适应新环境的一种创作方法。
2 建筑结构仿生设计概述
2.1 仿生结构体系及其仿生原理
结构工程师们根据自然界的生成规律, 通过观察、研究, 应用现代技术创造了一系列仿生结构体系。这些结构借助生物的结构形式, 有极佳的科学合理性, 同时也产生了外形上的新颖和变化。
2.1.1 壳体结构
壳体结构具有十分良好的承载性能, 能以很小的厚度承受相当大的荷载。生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。所以, 模仿生物的壳体而产生的建筑薄壳结构, 厚度小、刚度大, 被广泛用于各种大跨度建筑中。
2.1.2 膜结构
膜结构也称为织物结构, 它以性能优良的柔软织物为材料, 由膜内空气压力支承膜面, 或者利用柔性钢索或是刚性支承结构使膜面产生一定的预应力, 从而形成具有一定刚度, 能够覆盖大空间的结构体系。它自重轻、跨度大, 可以轻易跨越较大的跨度。
2.1.3 悬索结构
悬索结构是结构工程师从蜘蛛网中受到启发而发明的, 由柔性材料组成的建筑结构称为悬索结构。悬索结构以一系列受拉的索作为主要的承重构件按一定规律组成各种不同形式的体系, 并悬挂在相应的支承结构上。它为人类以最少的材料建造最大的空间提供了一种新的模式。
世界上最早的悬索屋盖是美国在 1953年建成的Releigh体育馆, 采用以两个斜放的抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。
2.1.4 大跨度球体结构
美国建筑师富勒从结晶体与蜂窝的菱形结构中获得灵感, 创造出球体网架结构模式。 1967年, 富勒和塞道一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆, 是一座球体建筑, 在当时展览会上极为引人注目。他很可能是模拟一种深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构, 创造了立体网架的短线弯窿, 高度达60m, 直径为76.2m, 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。
2.1.5 拱形结构
拱形结构作为建筑结构的一种重要类型, 在窑洞、桥梁、教堂等建筑中随处可见。拱形结构的历史渊源来自于中生代的爬行动物恐龙, 从力学角度来看, 恐龙的身体结构是一种承受巨大负荷的理想结构的造型。我国最著名的古桥-赵州桥就是世界上现存的最早的大型石拱桥。
2.1.6 充气结构
植物和动物的细胞内充满了液体或气体, 这些液体或气体对细胞壁产生一定的压力。生物学家把这种压力称之为液体静力压和气体静力压, 统称为细胞的胀压。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建筑, 如大型体育场馆、室内球场、网球场、充气游泳池等。美国工程师大卫·盖格成功地设计了一系列充气体育馆-1975年在密执安州蓬塔克城的歇尔佛体育馆就是盖格的杰作。
2.1.7 空心结构
空心结构是从竹子、芦苇和麦秆等生物结构中得到灵感的。竹子的空心结构具有极大的抗弯力和抗折力, 完全符合力学原理:一根杆件在其横向截面, 应尽可能把材料向周向分布, 这样有利于抗弯。同时, 竹子的竹节是抵抗横向剪切的关键, 是竹子强度有机的部分。所有秆茎支脉植物几乎都是下粗上细的, 既减轻了自重又加强了稳定性。
2.2 建筑结构仿生的国内外研究现状
2.2.1 国外建筑结构仿生研究现状
国外建筑结构仿生研究在理论和实践上都得到了比较充足的重视和发展。1917年, 英国生物学家达西·汤普森在其出版的《关于生长和形态》一书中, 创造性地将英国铁路大桥和野牛的骨骼进行了比较, 阐述了无论是天然形态还是人工形态, 其本质都是一种图示。另外, 《动物的建筑艺术》《进化式建筑》《托马斯.赫尔佐格:建筑+技术》《仿生学建筑》和《设计结合自然》等都是西方有影响力的建筑仿生和著作。
一些建筑大师和结构大师, 从自然吸取灵感, 创造了许多极其成功的仿生建筑作品, 他们在仿生建筑领域的成功实践, 也极大地推动了建筑仿生学的快速发展。高迪、赖特、奥托、奈尔维、富勒、圣地亚哥·卡拉特拉瓦以及进化论建筑的提倡者华裔建筑师崔悦君等为他们中的典型代表。勒.柯布西耶早年大量使用的鸡腿柱和框架悬挑的结构系统无疑是从动物腿骨支撑所得到的启示, 1931年他在巴黎附近波依西 (Poissy) 建造的萨伏伊别墅 (Villa Savoye) 就是这种结构系统的体现, 至今仍被人们所称颂。1950 年, 赖特设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼是仿树状结构特点, 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, 取得了新颖效果。意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶是仿叶脉肌理而建造起来的;富勒1958年在美国巴吞鲁日 (Baton Rouge, LA) 建造的联合油罐车公司的巨大弯顶, 直径达115.2m, 是应用晶体结构的原理建造的;卡拉特拉瓦1989-1993年在为法国里昂塞托拉斯机场 (Satolas Airport) 附近的铁路车站设计建造中, 完全应用了动物骨架的结构原理, 充分发挥了节省材料提高效能的特性, 并且造型新颖, 令人刮目。
2.2.2 国内建筑结构仿生研究现状
国内建筑仿生研究大都从生态的角度来研究建筑仿生的方法与意义, 如重庆大学杨震的硕士论文《建筑创作中的生态构思》及熊伟的《仿生与建筑创作》等。
华中科技大学的仓力佳硕士论文《生态建筑的仿生研究》, 系统地提出了自己的生态建筑仿生设计理念和方法。
天津大学卢昀伟的硕士论文《中西方建筑仿生差异比较与发展研究》对中西方建筑仿生的差异在哲学、科学方法和历史文化等诸多深层面上做了较为系统的研究, 并以东方整体论与西方还原论相结合的研究方法比较分析了中西方建筑学差异的理论根源。
重庆大学的谭仲毅在其论文《树状结构施工技术研究与应用》中, 对树干树枝的节点构造及材料选用等进行了探讨。
天津大学高聚福在其博士论文《空间结构仿生工程学的研究》中, 对空间结构的仿生研究做了比较系统地阐述。
浙江大学卓新在其论文《基于仿生学的空间钢结构形体设计》和《海洋贝类仿生建筑结构的形体研究》中提出了一系列的新型结构模型, 为建筑结构创新拓宽了思路。
实践方面:天鹅造型的天津博物馆、北戴河的碧螺塔、福建省长乐市下沙海滨度假村的“海螺塔”和“海蚌厅”、常州中华恐龙园恐龙造型的主体建筑以及2008年北京奥运会鸟巢主体育场馆和“水立方”游泳中心等, 这些建筑多以美学或象征意义上的造型仿生为主, 是我国仿生建筑的典型代表。
3 蜻蜓翅膀的结构功能研究现状
3.1 蜻蜓翅膀的结构功能
蜻蜓翅膀结构十分精妙, 它是由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结构, 4片看上去十分轻薄且完全透明的膜质翅膀, 被纵横交错的网状翅脉加固后, 变得既轻巧又结实。
蜻蜓翅膀质量仅占其总体重的1%～2%左右, 由膜和脉组成, 脉是翅膀的主要支撑结构, 膜是翅膀的主要空气动力学结构。
翅脉一般是中空的, 可以像管道一样输送血淋巴, 防止表皮的碎裂。翅膜很薄, 厚度一般只有3～10μm, 所以只有少量的抗弯刚度, 主要承受拉力。翅膜和翅脉构成的框架结构协同工作, 使蜻蜓翅膀有了很高的稳定性和承载力。
蜻蜓翅膀实际上是一个三维结构, 在翅膀前缘和中部主脉有一定的褶皱构造, 朝翅尖方向逐渐平坦, 使得翼展方向的弯曲刚度大大增加。除褶皱构造外, 整个翅膀还双向起拱, 进一步增强了翅膀的刚度。另外, 其主脉多形成四边形网格, 而次脉多形成五边形, 六边形网格。这是因为在相同材料下, 六边形所围的面积比四边形多, 节省材料;而四边形网格产生的刚度大, 蜻蜓翅膀正是通过不同边形网格的组合运用, 使结构更加优化。
3.2 蜻蜓翅膀的国内外研究现状
目前, 国内外学者对蜻蜓翅膀的研究工作主要集中在对其空气动力学方面的研究, 研究翅膀的飞行特性, 研制微型飞行器。而对蜻蜓自身结构的优越性、稳定性和合理性方面研究还不够, 在建筑结构方面的应用更少。
F.Song, K.w.xiao等对蜻蜓翅膀的翅膜做了细致地实验观测, 另外他们还测量了翅膜的弹性模量。
P.Kreuz等利用超声波的成像技术, 发现了蜻蜓翅膀上的类蜡状物质呈现有规则的纤维网络形态。
Li Zhongxue等研究蜻蜓前翅结构的稳定性和膜的应力刚化特性, 并把翅膀与飞机机翼进行比较, 研究它们的空气动力学特性, 得出翅膀截面具有优越的空气动力学性能。
Michelle Kwok and Rajat Mitta针对翅膀的褶皱构造, 通过风洞和水槽实验, 观察褶皱构造附近的气流和水流运动形态, 从而得到褶皱构造对翅膀空气动力学性能的影响。
曾理江研究组采用梳状条纹投影方法首次测到了蜻蜓自由飞行拍翼运动中, 翅翼沿翼弦方向弓形变形的时变过程以及各种相关角度、速度、加速度、身体位置和姿态。
杨基明研究组先后研制成功模拟昆虫拍翼运动的三维和二维拍翼模型实验装置。该装置可以调节多个运动参数, 可以按照给定的情况实现较为复杂的组合运动。
程鹏等利用投影栅线法对真实蜻蜓翅膀在以适当频率摆动的机械驱动下模拟真实飞行时的三维形状变化进行了实时测量。
鲍麟, 胡劲松等基于蜻蜓翼 (离体) 的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限元数值分析, 研究了粘弹性参数对翅膀被动变形的影响。
浙江大学田嘉盟、沈伟分别在其硕士论文《蜻蜓翅膀结构仿生及新型薄壁空间网格结构体系研究》和《蜻蜓翅膀结构仿生及新型伸臂空间网格结构体系研究》中, 对蜻蜓翅膀的力学结构进行了研究, 进一步明确了其在力学性能上的优化性。
4 ANSYS有限元分析软件的技术支持
ANSYS工程数值模拟软件, 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件, 它将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合, 是现代工程学问题的有力工具。
ANSYS软件前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模型。其可求解模块包括结构分析 (结构线性分析、结构非线性分析和结构高度非线性分析) 、热分析、液体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析, 可模拟多种物理介质的相互作用, 具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以图形方式显示出来, 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS软件提供了100种以上的单元类型, 用来模拟实际工程中的各种结构和材料。
结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。具体结构包括土木工程结构, 如桥梁和建筑物;汽车结构, 如车身骨架;海洋结构, 如船舶结构;航空结构, 如飞机机身等。同时, 还包括机械零部件, 如活塞、传动轴等。ANSYS软件可与多种先进的CAD软件共享数据, 利用ANSYS的数据接口, 可以精确地将在CAD系统下生成的几何模型数据传输到ANSYS, 并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并进行求解, 这样就可以节省用户在创建模型的过程中所花费的大量时间, 使工作效率大幅度提高。
5 结论
目前, 基于蜻蜓翅膀的仿生学研究有了一定的发展, 国内外众多学者对其进行了各方面的研究, 包括运动参数的测量、运动机理的分析和具体构造的研究等。但是在建筑结构领域, 有关蜻蜓的仿生研究还相当少, 基于蜻蜓翅膀的温室结构仿生更是空白。
蜻蜓翅膀有着很高的稳定性和承载力, 跨厚约为80～100倍, 这是一般建筑结构难以实现的, 对蜻蜓翅膀进行结构仿生的研究有着非常现实的意义。
仿生建筑学及其应用研究 篇6
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.
当代仿生建筑文化的新趋向 篇7
人类文化从蒙昧时代进入文明时代就是在模仿自然和适应自然界规律的基础上不断发展起来的, 直到近现代时期, 特别是飞机和潜水艇的发明也都是仿生的科研成果, 人们从飞鸟和鱼类的特性中获得启发, 取得了史无前例的新成就。建筑同样如此, 古代从巢居穴居到各类建筑的出现, 无不留下了模仿自然的痕迹。但是, 随着工业化的高速发展, 使人类的文明发生了异化, 反过来破坏了自己的生存环境, 也使自己的创作困于僵化的机器制品, 束缚了创造性, 这就是为什么在近几十年来人类重新对仿生学开始重视的原因。许多有创见的建筑师进行了有关建筑仿生的实践, 使建筑仿生学已逐渐成为一种时代潮流。
2 建筑仿生学的应用方法
1) 城市环境仿生。
比较有代表性的例子可以在巴黎的改建规划中明显地看到。巴黎是世界上城市改建的成功范例。城市环境仿生理论今后仍然值得借鉴和完善。
2) 使用功能仿生。
勒·柯布西耶在1950年～1955年间设计建造的法国朗香教堂的平面就是模拟人的耳朵, 象征着上帝可以倾听信徒的祈祷。正是因其平面具有超现实的功能, 以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。
3) 建筑形式仿生。
建筑形式的仿生最为常见, 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。最早应用仿生形式的近代建筑师是西班牙人高迪 (AntonioGaudi) , 他在巴塞罗纳设计的米拉公寓带有明显动物骨骼形式, 隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说 (见图1) 。
2001年, 卡拉特拉瓦在美国的第一个作品建成, 是威斯康星州密尔沃基的美术博物馆扩建工程。此地原有一个旧馆, 是在1957年由当地的建筑师事务所设计的, 这一次卡拉特拉瓦加建的Quadracci 展厅, 名号不大, 但其却造成了绝对喧宾夺主的局面。新馆仿自展翅的飞鸟。
萨巴设计的印度德里的母亲庙 (Mother Temple) 仿自一朵荷花的造型, 它表达了圣洁与优美的形象, 成为周围环境的主要标志。
4) 组织结构仿生。
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。自然界中的生物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, 还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。这种原理应该使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。
3 现代建筑呼唤自然回归
人类文明的进化离不开向大自然学习, 大自然中很多物象的特性和形象给我们启迪, 同样也会对建筑的创新产生影响, 建筑仿生是科学、技术、艺术、自然的有机结合。建筑仿生是建筑创新的源泉之一。仿生建筑在国内建筑类别里是一个开发中的亮点, 也是未来建筑的一个良好走势, 将人与自然更完美、和谐的统一, 是人的自然回归性的一种表现。而从建筑本身的结构方面来讲, 成功的仿生使建筑的价值得到升华, 仿生建筑正是吸取了自然界优势来更好的改善人们的生活环境。
城市是人类文明的标志。城市本应是方便、舒适、高效、繁荣的, 但现实的城市却常常拥挤、混乱、嘈杂、无序。城市的快速发展和人口的迅猛增长, 必然要占用大量土地资源。珍惜城市土地资源, 精心塑造城市环境显得越来越重要, 我们绝不能再滥用宝贵的城市土地, 给未来留下一堆混凝土垃圾。
源于建筑学的传统城市设计理论和方法, 在错综复杂的城市问题面前, 似乎显得“力不从心”。因此需要建立新的城市设计理念和原则, 从而完善城市的各种功能, 营造更美好的城市空间, 尽享城市生活的舒适和方便。
城市环境设计的根本目的是为了方便人的使用。遗憾的是, 在我们的建筑教育和营造实践中, 这一根本目标常常被忽视或偏离, 如城市中的很多“水景”设计的很漂亮, 但往往只能远观而无法接近;居住区绿地设计花样翻新, 也仅是供人看的多, 可参与其中的少。
不难发现, 城市中的某些地段尽管很拥挤, 但人们还是愿意去。而一些地方看上去很雅致, 但总是空空荡荡、冷冷清清。这些都表明城市环境设计不能只停留在空间形状、体量、比例、尺度、色彩等形式美学的层面上, 而是要了解人的需求, 研究人的行为特点, 掌握人认知和使用空间的规律。现代城市环境设计应以人为本, 以满足使用和功能要求为首要目标, 最大限度地满足市民的日常生活需要, 创造具有一定空间形态、舒适宜人的城市物质环境。
与地段的修建性详细规划相比较, 城市环境设计着眼于城市总体环境的质量, 强调与开发项目之间的有机联系和环境的协调性。它涉及城市中所有公共空间, 不仅包括街道和广场等城市公共用地空间, 也包括私有用地中向公众开放的、无需任何费用、可随时享用的室外和室内空间。城市环境设计的主要对象是人们的户外活动, 如购物、娱乐、商务、运动、交往等。首先考虑人的行为需要, 其次考虑形式上的要求, 进而进行空间组织与设计。
在建筑领域方面, 仿生的倾向在不断发展, 它的研究意义既是为了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。自然界是人类最好的老师, 人们无时无刻不在从自然界中获得启发而进行有益的创造。仿生并不是单纯地模仿照抄, 它是吸收动物、植物的生长肌理以及一切自然生态的规律, 结合建筑的自身特点而适应新环境的一种创作方法, 它无疑是最具有生命力的, 也是可持续发展的保证。建筑师吸取自然的灵魂在其建筑中从形态到空间体现出来。对于建筑师而言从艺术造型、建筑表达到工程技术本身都有着极大的难度。
4 重视建筑仿生学, 突显人性化建筑设计
建筑仿生可以是多方面的, 也可以是综合性的, 如能成功应用仿生原理就能创造出新颖和适应环境生态的建筑形式。同时仿生建筑学也暗示着人们必须遵循和注意许多自然界的规律, 它告诉我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, 仿生创新更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肌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, 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。进入新世纪, 建筑设计师今天所担负的使命, 比过去任何一个时期都艰辛, 他们必须面对许多新问题:要有效的利用有限资源, 使建筑更贴近大自然、更适合人类居住;还应从材料的选择、结构功能、制造过程、使用等诸方面, 全方位考虑资源利用和环境影响及解决方法。在设计过程中应把降低能耗、美观实用、使材料和部件最大限度的发挥, 把人性化设计列入设计指标, 使建筑向自然回归。
摘要：针对仿生建筑产生的必然性, 根据自然生态与社会生态规律, 归纳了建筑仿生学的主要应用方法, 并指出建筑仿生学是结合建筑科学技术特点而进行综合应用的学科, 未来的城市发展趋势将会是仿生与生态的城市。
关键词：仿生建筑,城市环境,自然回归
参考文献
[1][英]休.奥尔德西-威廉斯.当代仿生建筑[M].卢昀伟, 苗苗, 刘静波, 译.大连:大连理工出版社, 2004:3.
[2]戴志中.建筑创作构思解析——生态仿生[M].北京:中国计划出版社, 2006:4.
[3]大师系列丛书编辑部.大师系列 (第二辑) ——圣地亚哥.卡拉特拉瓦的作品与思想[M].北京:中国电力出版社, 2006:1.
[4]李燕, 张玉坤.当代仿生建筑及其特质[J].哈尔滨城市建筑, 2006 (23) :5.
[5]王科奇.建筑仿生新论[J].华中建筑, 2005 (21) :3.