陳丹陽　王遙　盧朗

摘要：文章簡要總結了近代自然結構的研究歷史，并且分析總結了自然結構的理論發(fā)展與研究過程，以及其運用于設計的諸多可能性，因其理論著重強調對能量結構系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，故以其增加對設計在功能組織、形態(tài)設計問題解決的可能性。

關鍵詞：自然結構 建筑設計

自然結構是指針對在自然界中生長的物體，其整體形成的組成部-分，用以保持物體的形態(tài)及使用功能，以抵抗外力的破壞，是物體構造的主要部分。設計中自然結構的應用，是人類主觀能動性作用于自然的結果，人們通過觀察與分析自然結構組織，學習并應用于日常的生產生活中，改善、提高生活品質。所以說自然結構與人們生產生活中的人造物有著非凡的關系。

在自然結構設計中，不僅是模仿大自然外部的組織結構，而且要學習與借鑒他們自身內部的組織方式與運行模式。大自然中存在世間的每一種自然形態(tài)都有自身巧妙的獨特的結構，許多的動物、植物在漫長的進化與演變的過程中，會形成一種更為實用而合理的、完整的形態(tài)結構與功能，以逐漸形成了適應自然界變化的本領，這些結構的形成都與其生存的環(huán)境、生活的習慣密切相聯(lián)。然而，如果你稍加留意，便會發(fā)現(xiàn)我們周圍許多的建筑的結構形式，大多數(shù)來源于對植物、動物結構的模仿。“許多以前認為不合實際的、稀奇的、與生物關聯(lián)的哪些自由形式將使建筑藝術更加豐富多彩”。

在自然結構設計中，先進的工程師們再近十幾年來已取得非凡的成就，如在1947—1949年，意大利結構工程師奈爾維和建筑師巴托利（Nervi and Bartoli）設計的意大利都靈展覽館的巨型拱頂?shù)膭?chuàng)作靈感就是來源于葉脈肌理的組成方式而建造起來的，并且在1957年，奈爾維和維特羅西（A.Vitelozzi）建造的羅馬奧運會小體育宮內部采用的鋼筋混凝土網絡的結構系統(tǒng)，就是受葵花排列結構的啟友，不僅用材經濟，受力合理，而且同時達到了內部裝飾新穎的效果，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Y形支撐體系，使得空間結構與建筑藝術形式的虛實結合達到了完美的統(tǒng)一。美國結構工程師巴克明斯特，富勒是也是一位從自然中獲得靈感的工程師，他從自然中的結晶體與蜂窩的菱形結構中獲得啟示，創(chuàng)造了一系列驚人的大空間結構作品，如1958年，在美國巴圖魯日（Baton Rouge，LA）建造的聯(lián)合油罐車公司的巨大穹頂；1967年與塞道（Sadao）一起建造的加拿大蒙特利爾國際博覽會的美國館（圖1），他可能是受到了一中深海魚類的網狀骨骼和放射蟲的組織結構（圖2）的影響。紐約環(huán)球航空公司航站樓不僅是外形設計源于自然，而且它的建筑設計師埃羅，薩里寧還和威廉·加德納（William Gardner）在結構的建造上采用四瓣組合式薄殼，四瓣鮑克則是由下不得Y形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為形似。

其實，在建筑師中也并不缺少在自然結構設計上應用的例子，如1931年勒·柯布西耶建造的薩伏伊別墅（Villa Savoye）中，他大量的使用的雞腿柱和框架懸挑結構系統(tǒng)無疑是從動物腿骨支撐所受到的啟示，就是對這種結構系統(tǒng)的體現(xiàn)，至今仍被人們所稱頌。為人們所熟知的建筑大師賴特，在1950年設計建造的威斯康星州約翰遜制蠟公司實驗樓（Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc，）就是仿樹狀結構特點，把主要承重結構放在建筑中心，四周樓板懸挑形成幕墻，進而產生了新穎奇妙的建筑藝術效果。

除此之外，年輕的西班牙建筑史圣地亞哥，卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）也在自然結構設計中占有不可忽視的地位，他以自然結構為靈感來源進行設計并創(chuàng)造出許許多多讓人感嘆的建筑作品和家具產品，一直被人們所喜愛。他曾在西班牙的巴倫西亞的建筑學專業(yè)學習，后入瑞士蘇黎世大學土木系學習結構工程，并且在1981年獲得該校建筑系技術科學博士學位。他的博士論文題目是《論空間結構的可折疊性》，他通過這個研究來回答怎樣才能設計出復雜的結構，確切的說是框架結構，這種結構能夠移動，從而能夠變形，也就是從一種形狀變成另一種形狀而不是改變各部分連接在一起的方式。他以“空間結構的可折疊性”為設計的理論基礎，并結合自然生物的奇妙結構展開了折疊結構于仿生結構的實踐，他觀察狗的骨架和腿的活動支撐，在1983年建造了瑞士盧塞恩市郵局前的大雨棚。在1986—1987年，他在巴塞爾市改建一座中世紀古建筑的改建中，將咖啡廳上的天花鋼梁架做成仿動物骨架的自由曲線，即有著強烈的視覺沖擊力的同時，同時又是一種大膽的嘗試。從此以后，他在1987年為加拿大多倫多建造的BCE商業(yè)街（圖3、圖4），創(chuàng)造性地模仿了樹干分叉的生長機理，設計了兩遍支柱與頂?shù)幕⌒卫呒?，取得了超凡的藝術效果。他在1992年西班牙塞利維亞國際博覽會設計的科威特展覽館，其屋頂是可自由開始、關閉的結構，模擬著動物關節(jié)的自由運動。在夜間，屋頂肋架會敞開，在下面平臺上便可舉行各種露天活動，它在結構與功能有機結合的同時，還帶給人們無限的遐想。1989—1993年他為法國里昂塞托拉斯機場（Satolas Airport）附近的鐵路車站設計建造中，完全應用了動物骨架結構原理，造型新穎的同時，叉能節(jié)省材料的使用，令人刮目相看。此外，他在2001年設計的密爾沃基美術館，在仿生靜態(tài)動物的同時，融入了“動”的元素，它具有潔白色的外觀和別致的造型，猶如一只潔白的鳥，自由的飛翔在密執(zhí)安湖畔。

同時人類探索自然結構的過程中，也產生了許多新的理論概念，而這一切的起因，是因查理·羅伯特·達爾文（Charles Robert Datwin）開啟了這一路線：這位英國的生物學家在《物種起源》中提出自然進化的理論，認為偶然性是生物構造的關鍵——同一物種的個體形態(tài)可能會偶然產生一些差異，通過長時間的發(fā)展，那些能適應環(huán)境的個體被自然選擇留下來，而其他的則無法獲得繁殖后代的機會而被淘汰。1917年，達西·湯普森（DArcy wentworth）在其著作《生長與形態(tài)》中，對大量自然生物進行了對比，還對物理現(xiàn)象與工程師地作品進行了對比，他用幾何學的眼光觀察世界，在他看來，自然結構的形成就是受到物理力學的作用限制的結果。

因此，我們可以得出這樣的結論——自然生物結構形態(tài)的秘密可能就隱藏在它們生長過程之中。它們的優(yōu)異結構形態(tài)特征也許只是為了適應大自環(huán)境，從而進行不斷的調整自身機制的結果。結構不是通過分裂形成的，而是通過建構和優(yōu)化形成的。任何自然系統(tǒng)的整體結構都不是被預先設計好的，而是通過結構內部由小到大的環(huán)節(jié)之間逐步發(fā)生大量的局部相互作用而逐漸形成的。所以在自然結構設計中，不僅要學習與模仿大自然外部的結構，更要深入研究他們自身內部的組織方式與變化機制。人類的智慧來源于自然，并且一直將自然界當作示范，努力塑造環(huán)境以適合自身的需要。如埃羅·沙里寧，它們極具自身的建筑創(chuàng)作能力和空間想象力構思結構形態(tài)設計，并將結構形態(tài)的特征與建筑整體的特征貫穿和統(tǒng)一。它們知識結構的共同特點就是對結構概念的深入理解和靈活運用，作為建筑師，他們主導著設計與創(chuàng)新的全過程，決定了結構的形態(tài)。紐約肯尼迪機場候機樓就是這類建筑師的創(chuàng)作杰作之一，如同大鳥一般充滿想象力的結構形態(tài)，給人以強烈的雕塑感和有機感，其兩翼殼體結構的懸挑使形態(tài)的整體更富張力。同時還有一類人，他們通過對結構體系的嚴密思考，針對結構形態(tài)進行創(chuàng)新研究、實驗和計算，同時他們樂于主動在結構體系上、結構的形態(tài)上和結構概念的理解上尋找突破點，敢于深入結構領域的前沿，探尋結構形態(tài)創(chuàng)新的途徑。如巴克明斯特·富勒的富勒球體模型與張力結構、蓋勒的穹頂體系、奧托的樹形結構與懸掛結構、奈爾維的V行支座結構以及貝爾蒙德的Informal結構思想等等。

自然結構不僅僅把自然界的信息傳遞給人類，更啟蒙了人類的智慧，引導人類邁出創(chuàng)造性的第一步。設計融合自然結構是通過對生物體的特殊結構的分析與研究，如纖維、植物的莖稈、動物的骨骼組織，進而運用到設計中，是結構創(chuàng)新的重要途徑。從_滴水珠看到了其拋物線性的曲面的張力；通過蛋殼發(fā)現(xiàn)了薄壁高強的性能；從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網狀的支撐組織肌理以及將蜘蛛網的結構體系運用到索膜結構中，將蜂巢開發(fā)成蜂窩結構運用到飛機制造上等等，這些對建筑結構的創(chuàng)新設計都是十分有益的啟示。尤其是動物的巢穴更是建筑仿生學主要的研究對象之一。對于動物來說，它們的巢穴也就是動物界地建筑物，擔負著避風擋雨、儲存食物、繁衍后代的功能，這些巢穴都有著有兩的物理性能，對建筑材料的利用也是十分到位和節(jié)省，所以它們利用天然的材料造出的“房子”是真正意義上的可持續(xù)發(fā)展建筑。蜘蛛網就是利用纖維體的受拉特征而建造“房屋”，蜘蛛把網用輻分成若干等分扇形，每對相鄰的輻所交成的角度都是相等的，蜘蛛通過它獨特的織網方式將纖維結構的受拉特征充分發(fā)揮，使整個網呈現(xiàn)巨大的張力。人們將蜘蛛網的建造原理運用到建筑結構設計中，產生了索膜結構，值得一提的是德國建筑師奧托是該領域的佼佼者，但與富勒、奈爾維所不同的是，奧托開展他的研究注重從自然中，而不是從純技術中尋求靈感。在他眼中，技術只是—種工具，建筑藝術的目的不是為了炫耀技術，而是更好的表現(xiàn)自然。

自然結構設計同時也是多方面、綜合性的，同時也暗示著人們必須遵循和注意大自然的規(guī)律，它告訴我們設計更加要注意環(huán)境生態(tài)、經濟效益與形式新穎的有機結合，這就要求人們在學習和發(fā)揮新科技的同時，更要注意觀察、理解自然，從自然中汲取一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感來源，把自然因素與現(xiàn)代科技相融合為現(xiàn)代建筑創(chuàng)新服務。在設計建造過程中，要充分學習發(fā)揮自然生物體節(jié)約、美觀的優(yōu)秀品質和內部存在的動力機制，使得建筑在擁有形式上創(chuàng)新的同時更能節(jié)約材料應用，并與自然環(huán)境相協(xié)調、統(tǒng)一。