吳延輝

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730000）

0　引言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)有技術(shù)儲(chǔ)備可以建設(shè)各種難度的橋梁結(jié)構(gòu)型式，但是我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新性仍顯不足。隨著現(xiàn)代橋梁不僅作為交通功能需要滿足安全性和使用性，重要的景觀標(biāo)志還需要滿足美觀學(xué)設(shè)計(jì)理念，因此這幾年橋梁的美學(xué)設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)展和得到重視。仿生理念是美學(xué)設(shè)計(jì)的重要思路，眾所周知自然生物界經(jīng)歷了成千上百億萬(wàn)年的進(jìn)化，諸多生命結(jié)構(gòu)具有突出的靈敏性和高效性，這些生物結(jié)構(gòu)也具有高度的美學(xué)價(jià)值，因此是作為橋梁設(shè)計(jì)的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，這一理念就是仿生設(shè)計(jì)[1]。

實(shí)際上，仿生理念已經(jīng)無(wú)形中在橋梁設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用和發(fā)展，例如懸索橋的發(fā)展由來(lái)就是因?yàn)樘俾某瑥?qiáng)跨越能力，懸索橋主纜的六邊形構(gòu)造就是源于蜂窩構(gòu)造特性。仿生學(xué)理念可以顯著地幫助設(shè)計(jì)師打破原有的設(shè)計(jì)瓶頸，不僅能夠保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和合理性，還能實(shí)現(xiàn)美學(xué)價(jià)值的突破，設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特景觀價(jià)值的地標(biāo)性建筑[2-3]。本文首先分析仿生理念及其與橋梁設(shè)計(jì)的結(jié)合，然后分別從宏觀仿生和微觀仿生兩個(gè)層次分析仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，最后總結(jié)我國(guó)橋梁仿生設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

1　仿生學(xué)理念及其與橋梁的結(jié)合

1.1　仿生學(xué)理念

仿生學(xué)就是對(duì)生物體構(gòu)造的外形進(jìn)行“仿照”使得設(shè)計(jì)對(duì)象具有相同的特性，仿生理念幫助設(shè)計(jì)師打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)瓶頸，為工程設(shè)計(jì)融入新的理念和方法，目前仿生設(shè)計(jì)具有不同程度的分類方法，包括宏觀仿生和微觀仿生兩個(gè)層次。

宏觀仿生是對(duì)生物的外部形狀、構(gòu)造及紋理等進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，同時(shí)也包括對(duì)生物的行為規(guī)律、運(yùn)動(dòng)方式及外部意象所進(jìn)行的研究設(shè)計(jì)，主要的內(nèi)容涵蓋了形態(tài)仿生、意象仿生和力學(xué)仿生等方面。微觀仿生則是對(duì)生物體內(nèi)部的微觀系統(tǒng)如構(gòu)造系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)部系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理和信息傳遞方式，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，主要內(nèi)容包括功能的仿生、材料的仿生以及神經(jīng)的仿生。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，包含整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)造型式上的設(shè)計(jì)，也涵蓋了局部構(gòu)件及連接上的設(shè)計(jì)，仿生設(shè)計(jì)就是從結(jié)構(gòu)整體和局部層次按照生物系統(tǒng)宏觀和微觀層次開展仿生設(shè)計(jì)，仿生研究就是采用互逆的方法將各階段所獲取的資料進(jìn)行結(jié)合，從而形成仿生的工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

1.2　仿生學(xué)與橋梁設(shè)計(jì)結(jié)合

橋梁的起源本身就是來(lái)源于大自然，梁橋、拱橋和吊橋都可以從大自然中找到原型，在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)下，可以更加科學(xué)地利用仿生學(xué)理論進(jìn)行橋梁整體與局部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這其中也主要是根據(jù)仿生學(xué)的宏觀和微觀設(shè)計(jì)理念進(jìn)行橋梁的宏觀和微觀設(shè)計(jì)，兩者密不可分地共同形成綜合仿生設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　橋梁仿生設(shè)計(jì)內(nèi)容

宏觀仿生設(shè)計(jì)就是從整體層次進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿生，根據(jù)自然界生物外部形狀特點(diǎn)進(jìn)行橋梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化。微觀仿生設(shè)計(jì)就是從結(jié)構(gòu)構(gòu)造和細(xì)部紋理層次進(jìn)行仿照設(shè)計(jì)。無(wú)論是宏觀和微觀仿生設(shè)計(jì)，都是將橋梁從非生命體向類生命體的轉(zhuǎn)化，通過(guò)應(yīng)用仿生構(gòu)造及設(shè)計(jì)理念，賦予橋梁靈動(dòng)及生命特征。

2　仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

分別從宏觀仿生和微觀仿生兩個(gè)層次探析仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1　宏觀仿生橋梁設(shè)計(jì)

宏觀仿生包含了形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生和意象仿生三個(gè)層次，分別可以用于橋梁概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及美學(xué)設(shè)計(jì)三個(gè)層面。

2.1.1形態(tài)仿生與橋梁概念設(shè)計(jì)

形態(tài)仿生就是仿照生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這對(duì)于新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的創(chuàng)新意義。由于傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)往往采用借鑒已有設(shè)計(jì)成果的方式，這使得橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)新，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)型式千篇一律、缺乏美感。生物界各種千奇百怪的構(gòu)造形態(tài)可以為橋梁設(shè)計(jì)提供美感，根據(jù)生物界的外在形態(tài)進(jìn)行防生設(shè)計(jì)顯然可以加快橋梁設(shè)計(jì)的創(chuàng)新力度。生物界的諸多構(gòu)造是經(jīng)過(guò)大自然進(jìn)化形成的成果，因此往往具有以最小的材料和最合理的型式形成結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特點(diǎn)，而這正是吻合現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念。

在橋梁形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中，西班牙著名設(shè)計(jì)師卡拉特拉瓦就是很好的先行者，他的諸多設(shè)計(jì)靈感都來(lái)源于自然界動(dòng)植物形態(tài)及人體骨骼構(gòu)造，其設(shè)計(jì)的西班牙Lusitania Bridge，如圖2所示，其中橋面設(shè)計(jì)就是源自于對(duì)牛頭合理構(gòu)造的研究形成的，設(shè)計(jì)的橋面結(jié)構(gòu)型式不僅具有很好的受力性能，還具有較好的氣動(dòng)特性。

卡拉特拉瓦另一個(gè)著名的設(shè)計(jì)就是其對(duì)西班牙Campo Votantin Bridge的設(shè)計(jì)，該橋梁是一座人行橋，通過(guò)模擬人體脊柱構(gòu)造形成主梁結(jié)構(gòu)體系，改變了傳統(tǒng)拱橋的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)仿照這種形態(tài)使得橋梁具有很好的力學(xué)美感，如圖3所示。

圖2　西班牙Lusitania Bridge仿生設(shè)計(jì)

圖3　西班牙Campo Votantin Bridge仿生設(shè)計(jì)

2.1.2結(jié)構(gòu)仿生與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了模擬生物界的形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，還可以根據(jù)生物界的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行仿生研究，自然界諸多生物具有奇怪的構(gòu)造特點(diǎn)，但是都是結(jié)構(gòu)自然界選擇的結(jié)果，因此有足夠理由相信存在就是必然的。隨著各種技術(shù)手段的發(fā)展，目前可以通過(guò)顯微技術(shù)更加精確地掌握各種生物的內(nèi)在構(gòu)造特點(diǎn)，這為仿生設(shè)計(jì)提供了很好的參考標(biāo)準(zhǔn)。例如人體脊柱通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)支撐人體運(yùn)動(dòng)的骨骼其密實(shí)的骨質(zhì)其實(shí)分布在四周，內(nèi)腔則是由柔軟的骨髓進(jìn)行填充，這也為人們?cè)O(shè)計(jì)出各種組合結(jié)構(gòu)提供了思路，例如鋼混管柱的設(shè)計(jì)等。在結(jié)構(gòu)仿生方面卡拉特拉瓦為人們呈現(xiàn)了另一個(gè)設(shè)計(jì)作品，位于耶路撒冷的Chords Bri dge，就是基于對(duì)人體腿骨的仿生理念進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)的，這座橋梁也成為城市的重要地標(biāo)性結(jié)構(gòu)。

2.1.3意象仿生與橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)

意象仿生則是根據(jù)生物界的形態(tài)、比例、色澤、質(zhì)感、紋理等進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是現(xiàn)代美學(xué)設(shè)計(jì)的源泉。正由于橋梁設(shè)計(jì)需要美學(xué)思路的打開，因此這種設(shè)計(jì)理念也被廣泛研究和采用。目前美學(xué)思想中的形態(tài)、比例、色澤和紋理等思路也在不斷地應(yīng)用于橋梁的美觀設(shè)計(jì)中，例如斜拉橋和懸索橋的索塔就是考慮紋理問題采用清水混凝土或者其他美觀性外部粉飾形成景觀效果，橋梁的景觀照明就是根據(jù)色澤配合形成整體設(shè)計(jì)。

2.2　微觀仿生橋梁設(shè)計(jì)

微觀仿生就是利用生物界內(nèi)部構(gòu)造機(jī)理和功能提供橋梁設(shè)計(jì)的靈感，這也是橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)該在考慮結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的基礎(chǔ)上融合上述微觀仿生設(shè)計(jì)理念。微觀仿生設(shè)計(jì)應(yīng)該包含材料的仿生、功能機(jī)理的仿生、神經(jīng)系統(tǒng)的仿生，分別可以用于新功能橋梁材料、構(gòu)造優(yōu)化和類生命橋梁的設(shè)計(jì)。

2.2.1材料仿生與新功能橋梁材料

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料很多源自于自然界的想法，例如木材和石材就是自然界的材料類型，鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)也是來(lái)自對(duì)植物根部的觀察，而橋梁的發(fā)展與材料的發(fā)展密不可分。自然界的各種材料特性不斷引領(lǐng)研究者對(duì)新型建造材料的研發(fā)和改進(jìn)，包括對(duì)早期混凝土的各種加強(qiáng)和改造、對(duì)鋼材的加工與改造，形成了現(xiàn)代高性能混凝土和高性能鋼材。組合材料在自然界具有諸多的應(yīng)用，通過(guò)挖掘組合材料的特點(diǎn)及受力構(gòu)造，研發(fā)了現(xiàn)代組合橋梁結(jié)構(gòu)例如鋼混組合、FRP組合等材料類型?？梢灶A(yù)見，如果能夠?qū)ψ匀簧锝绺嗟劂@研相關(guān)生物的構(gòu)造材料，可以形成越來(lái)越多的橋梁建設(shè)材料，應(yīng)用到不同的建設(shè)場(chǎng)景中。

2.2.2功能機(jī)理仿生與橋梁構(gòu)造優(yōu)化

功能機(jī)理的仿生最典型的就是飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，這是模仿鳥類翅膀的設(shè)計(jì)。此外，懸索橋和斜拉橋的主梁構(gòu)造優(yōu)化也正是基于對(duì)自然生物界的仿生研究成果，加勁梁的主要問題是風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)問題，參照自然界鳥類的流線型翅膀構(gòu)造，研發(fā)出具有流線型構(gòu)造型式的加勁梁結(jié)構(gòu)型式，結(jié)果表明其氣動(dòng)穩(wěn)定性能得到了顯著的改善。

2.2.3神經(jīng)系統(tǒng)仿生及類生命橋梁設(shè)計(jì)

自然生物界的各種動(dòng)物和植物都具有神經(jīng)系統(tǒng)，這使得他們具有適應(yīng)自然的能力，神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)外部環(huán)境的感知，通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)的分析從而給出快速反應(yīng)，以降低相關(guān)危害而保護(hù)自身。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)控制理論也正是基于這種神經(jīng)系統(tǒng)的研究建立起來(lái)的，通過(guò)安裝傳感器獲取環(huán)境作用及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而建立自適應(yīng)的調(diào)控機(jī)制；美學(xué)設(shè)計(jì)也一樣，可以通過(guò)相關(guān)的感知平臺(tái)獲取人類美學(xué)的認(rèn)可，從而做出設(shè)計(jì)調(diào)整能力呈現(xiàn)橋梁的景觀效果。目前橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)正向這一方向進(jìn)行發(fā)展，例如借助“眼瞳”技術(shù)進(jìn)行美學(xué)評(píng)價(jià)和優(yōu)化等。

3　我國(guó)橋梁仿生設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與前景

近年來(lái)我國(guó)開始注重橋梁的景觀設(shè)計(jì)，因此仿生設(shè)計(jì)理念也開始融入橋梁的設(shè)計(jì)中，例如天津海河的奉化橋就是充分利用微觀仿生里的功能仿生理念，通過(guò)將引力路徑和光發(fā)展到橋梁設(shè)計(jì)中，形成具有生命動(dòng)感的橋梁結(jié)構(gòu)。然而需要說(shuō)明的是，我國(guó)橋梁的仿生設(shè)計(jì)都處于初級(jí)階段，相關(guān)方法和理論還沒形成系統(tǒng)，隨著現(xiàn)代仿生學(xué)的發(fā)展，相關(guān)理論和技術(shù)將更加成熟，橋梁的美觀設(shè)計(jì)也會(huì)成為重要要素被橋梁設(shè)計(jì)者考慮。

4　結(jié)語(yǔ)

美觀性是橋梁的重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而越來(lái)越被重視。本文分析了仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，闡述了仿生設(shè)計(jì)基本理念及與橋梁設(shè)計(jì)的結(jié)合，分別從宏觀仿真和微觀仿真兩個(gè)層面進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后闡述了我國(guó)橋梁仿生設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及發(fā)展前景。