如何从自然中学习:仿生学与建筑

仿生学是一个范围广阔并具有多种含义的学科，有必要说明的是建筑师、工程师和数学家们是如何看待这个学科的。

Bionlcs这个词源于希腊文Bloo(生命的元素)。基本上讲，这个奇特的学科从没有被看作是一个完备的学科①，它在建筑设计中的应用角度是探寻自然的功能法则。从一个通常角度看，它研究生命体以解决人造系统中的技术问题。为避免误解，应强调仿生学不是寻求复制自然现象，而是理解其如何工作。由此出发建立起通用规律和本质的相似性以解决技术性问题。这个学科的基本轮廓在汤普森爵士的《生长与体形》②一书中精确指出未来仿生学的道路。他的研究主要集中在对植物和动物物种的分析上，并没有包含当前仿生学研究的整个范畴。

汤普森看到了形态学与机械物理学的某些方面存在着基本的联系。这意味着自然对象的形态是理解其功能的重要途径。这不是一个功能主义的极端形式，而是一个关于形态与功能之间关系的新观点。通过观察可以确认。自然形态经过适应过程后总是与物理法则相符合。期间隐藏了一个重要事实．所有形态都是压力与重力物理法则的结果。骨骼、水母和动物的运动器官都显示出某种对称性．因为这是实现其特定功能的最适合方式。

在这个领域最显著的例子是Santiago Ca，atrava的建筑，他直言：骨骼学的研究对他创作复杂结构起了至关重要的作用。然而，就Calatrava来说，还只是静态功能规律的应用。对弯曲和结构整体行为的分析显示出与人类和动物骨骼、腱和肌肉的类同。注意到骨骼和承重结构之间的关系存在相似性还在其次，而生命体通过关节把静态功能连接成为动态功能的方式更显重要。仿生学规律在建筑中的最有趣的应用来自于设计者从工程学角度处理建筑的方法，主要集中在解决创造结构时遇到的复杂静力学问题，这不是个偶然。由此看出，需要对仿生学加以注意，这可能是唯一可以兼顾最大性能和最经济解决方式的领域。

经济因素显然可以理解为对材料的节约。自然总是偏向于制造最小能耗的系统来完成，以最小的冗余度来实现目的。自然系统的一个特点是具有冗余度，如在最基本、最经济的解决方案的需求之上给与一个余量。通过提供一个安全余量应付较大可能的特殊情况。并传递给下一代，这个选择被显示出来。与之相关的，我们应该特别注意一下尺度问题。这个至关重要的问题要回溯到伽利略(1 564―1642年)。这个意大利的天才开创了研究的科学途径。他阐述了相似性原理，如：一个生物体如果保持比例不变，就不可能生长超过一定尺度。这个发现至少在理论上非常重要。首先，它清楚地告诉我们，由于结构尺度和质量的内在相关因素，万物被其用途的形态严格确定。其次，它告诉我们万物必然具有一定的精确尺度关系及某种特定形态。不遵循这个法则意味着效能的低下和最终走向灭绝。

让我们较为深入地看看当代欧洲文化中被关注的问题。众所周知，大型结构的稳定性具有其特殊的困难。特别是吊桥技术，自1 9世纪下半叶，新解决方案的推出一直没有停止。SergioMusmeci在1967～1970年绘制的墨西拿海峡大桥(位于意大利，未来将是世界上最长的桥梁。因为岸基。周围环境和该地区的地震问题，使得工程特别复杂)表明，对生物现象的研究使这位意大利大师得以完成这座至今难以超越的静力系统。它采用了一个没有先例的解决方式。在海峡底部不可能建墩基的情况下，他提出了一个与脊椎结构非常类似的设计。Musmeci从一个2000m跨度的普通吊桥开始。用一个支撑系统替换掉理论上的桥墩(原本应该埋在海床上)，支撑系统把荷载传递到位于干地上的600m高的桥墩上。正如上面所指出的．形态的问题不可低估。形态问题远不止其表面形式，它特别能够揭示系统如何运行。同时，它也显示出抵抗因素之间存在的张力。在这个案例中，与脊椎结构形状的类似极为重要，因为它不仅保证了其静态负载，也保证了动态负载的完美功能，这对于这座大桥是最主要的问题。这只是墨西拿海峡大桥工程学问题的一部分。当这个问题可以从严格的结构角度采用一个拱背拉索系统解决的时候。一个更加精巧的方案被提了出来。考虑到在风的作用下横摇和震颤的可能，Musmeci设计了第二个拉索系统，拉住桥面系统的内弧面起到支撑作用。其特点在于这个系统起到了双重效果，可以应对简单和多重负载。还要注意这个工程另外的一个特点。审视这座大桥的剖面会发现一系列与主拉索相连的成对的索缆，在剖面上形成一个不可变形的梯形结。这个工程综合了三个静态系统：第一个是普通的吊桥；第二个是内弧面的支撑；第三个是不可变形的中心结构。后者实际上是连接到结构系统的脊柱上。

通过对这个工程的分析．我们至少可以看到仿生学研究的三个元素：冗余度，形式模拟和尺度问题。

1、冗余度来自于不少于三个静态系统的同时使用，以取得保证建筑系统性能所需的最小限度余量。

2、形式模拟通过类似于脊椎的骨架结构体现出来，比如系统兼顾静态与动态载荷。在这个案例中，生命体的结构形式作为一个整体可以完美地承受各种形式的压力。

3、第三点是伽利略所说的尺度问题。对于某个给定跨度的大桥来说是完美的静态设计，当尺度发生变化就变得毫无用处。换句话讲，一旦跨度高过一定限度．就不可以简单地通过加粗缆索。加厚桥面等修改方式来重演这个结构系统。形态的尺度增长带来的问题不可断言。因而需要一个全新的方法来对待这个问题。

尽管如此，最后这一点无法与现已批准的墨西拿海峡大桥方案相调和。实际上这是一个传统的桥梁方案。从类型上看。它适合600m到150CO的距离．而不适合超过1800m到2000m的距离。