蘇志祥 徐文濤

【摘要】近幾年來，人們生活質(zhì)量不斷升高，使得人們對(duì)于生活和居住的觀念也在不斷產(chǎn)生變化和革新，特別是科學(xué)環(huán)保理念對(duì)于人民生活的影響巨大，同時(shí)對(duì)于國內(nèi)的建筑工程單位和企業(yè)的影響也不容小覷，既包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，也包括具體工程施工方面。為了使我國建筑工程行業(yè)得到良好的發(fā)展，為了使橋梁設(shè)計(jì)、橋梁優(yōu)化更加完善，在橋梁的優(yōu)化和設(shè)計(jì)中應(yīng)用大量的仿生理念和方法，促進(jìn)國內(nèi)橋梁工程的良性發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】橋梁設(shè)計(jì)；橋梁優(yōu)化；仿生法

一、仿生法概述

本世紀(jì)以來，我國社會(huì)面臨著新的發(fā)展挑戰(zhàn)，建筑工程行業(yè)也遇到了新發(fā)展難題，為了解決這些難題，人們必須考慮出以最少資源建造出較好建筑工程的方法，橋梁設(shè)計(jì)中的仿生法便由此而誕生。自然界中的生物能夠在發(fā)展過程當(dāng)中逐漸形成一個(gè)自我發(fā)展的系統(tǒng)，這就是所謂的生態(tài)系統(tǒng)。在這么一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的各部分都有著自我存在、自我發(fā)展的方式和規(guī)律。這些規(guī)律和方式所具有的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，就是人類在發(fā)展過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)予以借鑒的內(nèi)容。

因此，仿生學(xué)的理念可以被橋梁設(shè)計(jì)所借鑒，成為后者的指導(dǎo)思想和原則。生物學(xué)告訴我們，生物圈在具備著各種需求的同時(shí)，也滿足著各種需求。但是，人類只是生物圈當(dāng)中的一個(gè)很小的子集，自然界的競爭觀念和競爭緩解規(guī)則都能夠被我們借鑒起來。生物圈里有著許多合理系統(tǒng)和存在結(jié)構(gòu)，具有小巧性、靈活性和高效性等特點(diǎn)，將它們仿生法運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)、橋梁優(yōu)化當(dāng)中，將會(huì)對(duì)建筑業(yè)有莫大好處。仿生法的基礎(chǔ)應(yīng)用理念是仿生理念，它能夠使橋梁設(shè)計(jì)師的思維得以拓寬。仿生概念應(yīng)當(dāng)從以下方面來理解，一是宏觀仿生，它以生物或物體的外部構(gòu)造、紋理、造型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、材料性能作為模仿的對(duì)象；二是微觀仿生，其模仿對(duì)象是生物體的內(nèi)部，比如神經(jīng)、循環(huán)和免疫等系統(tǒng)功能，通過模仿上述系統(tǒng)，確保橋梁設(shè)計(jì)的合理性。

二、橋梁設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中對(duì)仿生法的應(yīng)用

橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中不少形式是受啟發(fā)于生物界或者大自然，不少能夠找到其原型。由于仿生法有宏觀與微觀之分，橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用中也有宏觀與微觀之分。然而，在細(xì)節(jié)上，宏觀與微觀兩者都會(huì)有各種的效仿細(xì)節(jié)，這些效仿細(xì)節(jié)能夠于新載體上形成全新整體。

1橋梁形態(tài)上的仿生

一個(gè)西班牙籍的設(shè)計(jì)師卡拉特拉瓦在對(duì)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最初會(huì)現(xiàn)在形態(tài)上開始仿生，這種靈感來源始于效仿骨骼形態(tài)和植物形態(tài)，富含自然主義。他的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)另一位西班牙籍的設(shè)計(jì)師高迪的思想進(jìn)行借鑒，效仿牛頭結(jié)構(gòu)和人體脊柱的骨骼結(jié)構(gòu)等等。人們對(duì)其評(píng)價(jià)各異，有的人給予怪異、荒誕和施工難的評(píng)價(jià)。然而設(shè)計(jì)師自己則認(rèn)為自身的仿生缺少較高的技術(shù)含量，只是單純地效仿自然系統(tǒng)，所需建筑材料就是鋼筋混凝土，這是最常見的材料之一。

然而應(yīng)用仿生法可不能隨意進(jìn)行，它必須結(jié)合橋梁的需求，對(duì)需要仿效的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理仿效。許多生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿效性較強(qiáng)，然而施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)一系列問題，比如結(jié)構(gòu)太復(fù)雜、自重過大或者沉降以致開裂等等。因此，設(shè)計(jì)過程中要做好合理性和可建造性的研究和規(guī)劃才能夠?qū)Ψ律ㄟM(jìn)行運(yùn)用。

2橋梁建筑材料的仿生

自然界是一個(gè)寶藏庫，不僅有各種礦石資源和自然資源，供人們生活和發(fā)展使用，人們還可以從自然界里獲取靈感和啟發(fā)?，F(xiàn)代建筑行業(yè)也從大自然當(dāng)中獲取了不少的啟發(fā)和靈感，日益強(qiáng)調(diào)綠色建筑，以及建筑資源的充分利用和可持續(xù)利用。因此，橋梁設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)把橋梁建筑材料的利用發(fā)揮到最大化。當(dāng)今科技發(fā)展飛快，國內(nèi)橋梁建筑業(yè)也獲得了較多的技術(shù)支持，出現(xiàn)不少新型的仿生材料，對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有的建筑材料有所改善和提高。比如水泥與貝殼相比其抗拉性要更弱，這是因?yàn)樨悮び懈哌_(dá)九成以上的石灰石，啟發(fā)著人們要仿造貝殼的化學(xué)組成，以提高建筑物抗拉性。此外，橋梁還需要有防腐蝕性和防水性，吉林大學(xué)的一個(gè)仿生實(shí)驗(yàn)對(duì)蝴蝶翅膀鱗片的防水性和自潔性有所發(fā)現(xiàn)，這也是可以被運(yùn)用到橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中的。

3橋梁結(jié)構(gòu)上的仿生

橋梁設(shè)計(jì)可以大量借鑒和應(yīng)用生物界當(dāng)中的骨骼組成結(jié)構(gòu)形態(tài)，比如人類的骨骼結(jié)構(gòu)，主要由髖、足、脛、股等組成，人體自重量是由足骨來分解的，需要承受體重的骨骼，其骨質(zhì)都因此而比較密實(shí)，這樣的生物形態(tài)可以被運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于設(shè)計(jì)師思考橋梁承載力分散方式的問題有很大的啟示，也是能夠保證橋梁持續(xù)性和使用功能的一個(gè)重要原因?？ɡ乩叩脑O(shè)計(jì)作品科茲橋，就是對(duì)人體骨骼進(jìn)行效仿較為成功的一個(gè)橋梁工程作品，該橋建造于耶路撒冷，在2010年開始投入使用。

4橋梁功能機(jī)理的仿生

仿生學(xué)的研究對(duì)象主要為自然界動(dòng)植物的機(jī)理和功能，比如行為、能力轉(zhuǎn)化以及力學(xué)等等。這些方面人類已很早開展了仿生應(yīng)用，例如飛機(jī)模仿了鳥類翅膀原理和技能。然而，最初的機(jī)翼在運(yùn)用過程中又出現(xiàn)的新的問題，比如震顫問題，于是人們由從大自然和生物界當(dāng)中去尋找新的解決方案和啟發(fā)，最終從蜻蜓身上找到了啟發(fā)--模仿了蜻蜓翅膀的翅痣，以獲得平衡性，很好地使震顫問題得以解決。橋梁壽命會(huì)受到自然氣象與災(zāi)害的影響，比如地址、狂風(fēng)和洪水等。橋梁的跨度也越建越大，其自身的重量越來越大，橋梁的結(jié)構(gòu)必須要達(dá)到合理性才能夠保障自身的平衡性和穩(wěn)定性。為了保障橋梁的穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)自然界中的動(dòng)植物保持穩(wěn)定性原理進(jìn)行借鑒。德國某大學(xué)研究室長期研究稻目類和楔葉類的植物，最終發(fā)現(xiàn)巴西一種巨型的木賊草和木賊的細(xì)胞能夠自行調(diào)節(jié)剛度，使得自身能夠?qū)ν饨鐗毫τ兴m應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)和機(jī)理可以被借鑒于跨橋的橋塔和橋墩的設(shè)計(jì)當(dāng)中，使得該種橋梁能夠具備與生命體質(zhì)相似的特征，以保持自身的穩(wěn)定性與安全性。

5對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)的仿生

生物所生活的環(huán)境是千變?nèi)f化的，各生物為了保持自身對(duì)環(huán)境的較強(qiáng)適用性，都有各自神奇的辦法，有生命的生物具備神經(jīng)系統(tǒng)，因此可以依據(jù)外部環(huán)境變化對(duì)自身進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)變化和發(fā)展。然而橋梁并沒有生命，不能夠運(yùn)用神經(jīng)系統(tǒng)來自我調(diào)節(jié)，對(duì)于外界的壓力也只能被動(dòng)地接受。因此，為了減少建筑資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，提高橋梁對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，阻尼器等等的仿生發(fā)明也開始運(yùn)用到橋梁建筑工程當(dāng)中，為橋梁建造出"神經(jīng)系統(tǒng)"。電子信息時(shí)代使得效仿動(dòng)植物建造神經(jīng)系統(tǒng)的難度大大降低了，信息技術(shù)能夠使人們更輕易地為橋梁建造出自己的神經(jīng)系統(tǒng)。工作人員能夠利用計(jì)算機(jī)，感知、記錄橋梁所受的外部環(huán)境，并分析數(shù)據(jù)，得出調(diào)整的方案和計(jì)劃。這不僅能夠確保河道能夠正常通行，還能提升橋梁的壽命和安全性，使其在遭受自然災(zāi)害、外部風(fēng)險(xiǎn)時(shí)也能像生物那樣自我調(diào)節(jié)、適應(yīng)環(huán)境。

三、結(jié)束語

大自然中，事物間的聯(lián)系是普遍存在的，建筑學(xué)和生物學(xué)間的聯(lián)系其實(shí)并沒有我們想象中那么遠(yuǎn)。當(dāng)今社會(huì)，創(chuàng)新理念和借鑒學(xué)習(xí)能力已越來越重要，仿生法對(duì)于建筑行業(yè)、對(duì)于橋梁的優(yōu)化和設(shè)計(jì)所發(fā)揮的作用也越來越重要和明顯。仿生法對(duì)于橋梁壽命的提高、橋梁穩(wěn)定性的提升也有重要意義。本文從五個(gè)角度對(duì)仿生法進(jìn)行了介紹和分析、闡述，，期望能夠填補(bǔ)相關(guān)研究空白。

參考文獻(xiàn)：

[1]沙莎，王強(qiáng)，賴疆.仿生學(xué)在橋梁建筑中的應(yīng)用及前景展望[J].科技資訊，2007，（27）.