仿生學原理用于建筑設計

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自古以來，建筑師們就從大自然擷取設計靈感。古埃及柱的設計就是以棕櫚樹和荷花為藍本，建筑師們借助這些自然形成的物體的形狀和比例，力爭使設計達到完美的境界。

　　現(xiàn)在，一些建筑師相信這種仿生學能發(fā)揮更大的作用，不僅僅只是局限于使建筑物更好看，而且可以通過復制大自然中發(fā)現(xiàn)的各種功能系統(tǒng)來給新設計的建筑提供綠色空調(diào)，提供能量，甚至淡化海水。他們堅持認為，用仿生學原理設計建筑，將不只是一個噱頭，而將具有實實在在的經(jīng)濟意義。

　　不用電的空調(diào)系統(tǒng)到目前為止，借助仿生特性的建筑物，更多地由生物的美學功能來驅(qū)動，并一直局限于相對簡單、被動的系統(tǒng)。以巴黎的阿拉伯世界研究所為例，這個矩形建筑看起來極具抽象風格，但這個建筑陽面的玻璃外墻卻被金屬屏所覆蓋，這些屏又由單個可移動的孔徑所組成，這些孔徑像眼睛的虹膜一樣可以張合，控制陽光的進入量。這種設計既能在溫度升高時保證內(nèi)部的涼爽，又能在晴天為房間注入充足的光線。

　　同樣，現(xiàn)在有一些建筑物，其通風系統(tǒng)則是基于對白蟻蟻穴的發(fā)現(xiàn)。Eastgate中心是津巴布韋首都哈拉雷的一個商業(yè)中心和辦公區(qū)，它的空調(diào)系統(tǒng)有很多的排氣口和煙道，幫助熱空氣從建筑物中排出。當熱空氣上升，流出建筑物頂部的排氣口時，較涼的空氣則被帶到地面，這就是蟻穴的“煙囪效應”。

　　英國雷丁大學仿生學中心主任，杰羅尼米迪斯博士正在進一步利用這樣的概念，來制作一種自適應材料，這種材料能夠?qū)諝鉂穸染哂腥嵝皂憫?mdash;—這個靈感來自于松果體的開關方式。他使用一種類似于纖維素的纖維復合材料，制作了一個能隨著室內(nèi)外的空氣濕度改變形狀的排氣口。當暖濕空氣堆積在室內(nèi)時，排氣口打開，將暖濕空氣排出室外。當室內(nèi)空氣干燥時，排氣口則保持關閉，將室外的潮濕空氣拒之門外。杰羅尼米迪斯博士說：“在原理上，它完全可以作出自然反應，根本不需要任何其他的外力。”

　　巧用仿生原理淡化海水近年來，建筑師們對能耗和可持續(xù)性發(fā)展越來越感興趣。生物學也許能給這一系列問題提供解決之道。

　　格雷姆肖建筑師事務所的建筑設計師鮑靈先生希望將這種自然設計帶到全新的水平。在進行圣塔卡他林那地峽——大加那利島拉斯帕爾馬海岸的一條狹長陸地的重建設計時，該事務所提出在3公里的步行道上設計一個劇院和一個植物園，但不用興建一條新的排水溝，因為建筑師們將使這些建筑能以更自然的方式調(diào)節(jié)室溫和排水。鮑靈先生稱，他們計劃推出一個設計方案，能夠使整個島嶼實現(xiàn)水源和能源的自給自足，而無需依賴礦物燃料。

　　這意味著要找到一個把海水變成清潔飲用水而不花費太多能源的辦法。他的事務所從霧姥（fog-basking）甲蟲和駱駝鼻腔的功能得到靈感，開始設計一種新型的海水淡化廠。在納米比亞發(fā)現(xiàn)的霧姥甲蟲用一個非常簡單巧妙的辦法來實現(xiàn)這樣的功能。它們白天躲在地下，當它們晚上出來時，其黑色的背部與周遭的夜間空氣相比相對較涼，從大西洋來的濕熱海風吹過時，空氣中的水分就凝結(jié)在甲蟲的背部（類似于放在桌子上的冰啤酒瓶表面會凝結(jié)出空氣中的水分）。甲蟲只需傾斜自己的身體，就可以將水滴進自己的嘴巴。駱駝也使用相似的伎倆，防止呼氣時失去水分。當駱駝吸氣時，鼻腔中貯藏的濕氣蒸發(fā)，在此過程中鼻腔冷卻。當駱駝呼氣時，空氣中的濕氣就凝結(jié)在鼻腔上。

　　受此啟發(fā)，鮑靈先生和他的同事利用這一原理完成了劇院的結(jié)構設計。在面向大海和海風來襲的方向安裝了一些高大的、豎立的蒸發(fā)“散熱板”。泵取海洋表層的溫熱海水，下滲到這些單元中。當海風吹過這些散熱板時，一些海水蒸發(fā)留下了鹽。然后，清潔、濕潤的空氣繼續(xù)流動直到碰到豎立的冷凝水管。這些冷凝水管中的冷水則泵取自海面1000米以下的深海。當濕熱的空氣碰到這些水管時，水就冷凝滴落下來，從而可以收集起來。

　　這個系統(tǒng)足夠為7萬平方米的建筑供水。利用傳統(tǒng)的驟沸蒸餾法淡化出1立方米的水需要耗電5到12度，但利用仿生法則只需1.6度。而且，因為水泵的大部分電力可以由風車來供應，海風既給設備提供氣流，又可驅(qū)動風車，所以設備的總能耗還可以進一步降低。在此過程中，同一系統(tǒng)也可幫助鄰近的建筑物降溫。

　　熱帶雨林建在垃圾場上鮑靈先生和他的同事們認為，更進一步采用仿生原理，在降低運行成本和資源使用的同時，還可以創(chuàng)造新的收入來源。

　　鮑靈先生說，自然生態(tài)系統(tǒng)是一個可再生系統(tǒng)，它是一個由各種不同有機物組成的非常復雜的網(wǎng)絡，各種有機物在一個閉環(huán)中運行。而人造系統(tǒng)通常趨于相反，它是線性的，即一方面消耗原料，另一方面產(chǎn)生廢棄物，結(jié)果是漸進地耗竭自然資源。

　　為了努力復制一個這樣的閉環(huán)系統(tǒng)，格雷姆肖建筑師事務所設計了一個室內(nèi)的熱帶雨林。這個植物園建在現(xiàn)有的垃圾填埋場上，并且完全是碳中性結(jié)構的。在全年的大部分時間里，這個溫室的熱量由透過玻璃屋頂?shù)年柟馓峁?，在寒冷的月份，熱量則來自于填埋生物。建筑設計為兩側(cè)設有很多大型的立式容器，在這里可以對那些原本用于填埋的廢物進行生物降解。廢物在這些大型容器中進行分解反應時，溫度可高達75攝氏度，可用來給植物園的溫室加溫。

　　這個建筑不僅是碳中性的，而且可以通過提供垃圾處理服務帶來收入。有些國家征收的填埋稅高達每噸垃圾20英鎊。設計者認為，如果將他們設計的建筑充當替代的垃圾填埋場，每年可獲利700萬英鎊。而且在這個可再生的閉環(huán)中，最后生成的化肥還可以售作農(nóng)業(yè)用途。

　　將生態(tài)系統(tǒng)帶回家仿生學也可以有更簡單的應用。得益于荷葉自我清洗原理的智能油漆目前正在進行試驗。一旦得以應用，這種油漆的表面將密布一粒粒的小凸點，就像在顯微鏡下觀察到的荷葉上的凸點。這些小凸起的作用就是防止水滴蔓延，水滴只能在表面滾動，同時帶走污垢（自潔玻璃就是依據(jù)此原理）。

　　另外，有機太陽能電池模擬光合作用，捕捉光并轉(zhuǎn)換成電能，也可以稱得上是一種仿生技術的應用。

　　鮑靈先生說，從自然中獲取建筑設計的靈感，將能幫助降低建筑物對環(huán)境的影響。這個過程，也許能鼓勵人們以更加尊重的態(tài)度多方位地看待自然系統(tǒng)。