基于白蚁丘的仿生建筑畅想


     温州大学 2019-2020学年第1学期《建筑构造(下)》论文作业 课程名称:建筑构造(下) 教师: 学生: 学号: 基于白蚁丘的仿生建筑畅想 摘 要:近年来,仿生学在建筑设计中的应用变得越来越广泛,它在建筑中的使用实现了大自然、生物人类生存环境及人的协调发展,体现了人类崇尚大自然的愿望。反观来说,这也是仿生学给予建筑设计巨大帮助的表观体现。本文从对建筑仿生的理解和实施其的必然性开始,通过对白蚁巢穴的生态研究来实现其对于今后建筑设计的帮助和启发,并探讨其应用于未来城市发展的构想。 关键词:仿生建筑设计;白蚁丘;自然通风;未来城市 Imagination of on Bionic Architecture Based on Termite Mound Abstract:In recent years, the application of Bionics in architectural design has become more and more widespread. Its use in architecture has realized the coordinated development of nature, biological human living environment and human beings, reflecting the human desire to advocate nature. On the contrary, it is also the apparent manifestation of the tremendous help bionics has given to architectural design. Starting from the understanding of architectural bionics and the inevitability of its implementation, this paper realizes the help and Inspiration of termite nests for future architectural design through ecological research, and explores the concept of its application in future urban development. Keywords: Bionic Architectural Design; Termite Mound; Natural Ventilation; Future City 一、何为建筑仿生 仿生建筑学就是以生物界某些生物体功能组织和形象结构成规律为原理,探索自然界科学合理的建筑规律,并通过这此原理来丰富和完善建筑处理手法促进建筑形体结构及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。通俗地讲就是在建筑设计中引入一定的生物的特点、性能、结构和功能,使得建筑设计更加实用、更加具有美感、更加节约材料等,最终实现建筑设计的改良和优化。 二、 建筑仿生的必要性 人类文化从蒙昧时代进入文明时代就是在模仿自然和适应自然界规律的基础上不断发展起来的,直到近现代时期,特别是飞机和潜水艇的发明也都是仿生的科研成果,人们从飞鸟和鱼类的特性中获得启发,取得了史无前例的新成就。建筑同样如此,古代从巢居穴居到各类建筑的出现,无不留下了模仿自然的痕 迹。但是,随着工业化的高速发展,使人类的文明发生了异化,反过来破坏了自己的生存环境,也使自己的创作困于僵化的机器制品,束缚了创造性,这就是为什么在近几十年来人类重新对仿生学开始重视的原因。许多有创见的建筑师进行了有关建筑仿生的实践,使建筑仿生学已逐渐成为一种时代潮流。 三、 建筑仿生的发展方向 20开始的掠夺式的地球资源的开发和粗暴的挥霍,导致了地球的能源危机和环境恶化。人类的生存环境面临险境,反思之余,人们希望能够从生物界获得生态智慧,尤其是建筑行业的从业人员。在当代仿生科技的带动下,建筑仿生开始由原来以形象仿生为主,转变为以生态为目标的空间、材料和结构等综合性的性能仿生,希望可以在满足人类舒适需求的同时,减少能源和资源消耗,降低环境负荷。 四、 白蚁丘——建筑综合仿生的经典样本 白蚁的巢穴是生物学研究领域的一个经典样本和“奇迹工程”,白蚁丘便是其中一种,其以凹凸不平的塔体形状耸立于地面,有的甚至高达数米(图1)。一个英美科研小组对非洲撒哈拉沙漠巨型白蚁丘进行了为期3天的研究后发现,无论外界气温如何频繁、剧烈地变化,蚁穴内的温度却惊人地稳定(图2)。 白蚁丘内部具有肺脏一般复杂多变的空间结构,向上呈树枝状,与丘体表面开口相连,向下则分成许多细孔道,呈辐射状延伸后又合并成粗孔道,通往潮湿阴凉的地下深处。利用这些通天接地、相互连通的空间结构,白蚁丘能够充分利用自然条件,使蚁穴内空气保持新鲜,并将温度稳定在30摄氏度上下。下面借助科学家的研究成果,对白蚁丘的生态功能进行一个初步的解读,并实现其对于建筑设计的初步构想。 4.1 白蚁丘的气候调节(通风系统) 巨大的昼夜温差使得白蚁丘必须随时应对降温和保温两方面的问题,并随时保持空气新鲜。‘夏季的白天,白蚁从低于地下水位的土壤深处,将阴冷的湿泥浆搬运上来,作为冷源;同时丘体下半部分的开口将新鲜空气捕捉进来,通过途径众多的外围空间下沉至底部,被湿泥浆所冷却,冷却后的空气在吸收丘体内的热量后通过中央通道上升,高耸的丘体变成了“烟囱”,起到拔风作用,最后热空气通过丘体上半部分的开口排出。夜间,当外界温度下降、巢内需要保温时,土丘良好的蓄热能力能够为丘体内部提供足够的热辐射。这时,白蚁封堵丘体表面的开口,仅在附近地表留有出口,以维持换气。通过对丘体表面及地表通气口连续不断的挖、堵变换,蚁丘能够适应外界的自然节律变化,控制自然风的进出。这种巧妙的空间结构及自调行为,大大加强了内部气流控制能力,不但保证了氧气的供应,而且还起到了保温、隔热作用,使蚁丘成为名副其实的空调塔’(1)(图3)。由此可以看出,白蚁丘通风系统的好处是很明显的,假如人类能做出与之相媲美或想接近的通风系统,即通过空间仿生,组织好建筑内部的通风空间,取代空调系统,实现良好的自然通风,那么将在节省能源方面做出很大的贡献。所以说这方面可以作为我们在应用于建筑设计的一个研究方向。 4.2 白蚁丘的生态建材 ‘科学家发现,白蚁维持丘穴内恒定温度的动力,主要源自其食物生长的需要,那是一种非洲白蚁丘所独有的真菌。白蚁与真菌建立了一种互利互惠的共生关系。除食用之外,白蚁还利用这种真菌将木浆分解成纤维,并混之以唾液、泥土及粪便,来生产修建蚁丘的坚固材料。白蚁在丘穴内构建起了良好的生态平衡,巧妙地实现了废物的再生利用。白蚁使用酶解原理创建这种混合材料的过程,给人类以很大启发,其原理被广泛应用于生态混凝土的研发中’(2)。混凝土是现代建筑中广泛采用的建筑材料。传统的混凝土容易产生泌水、析离或蜂窝等现象,质量会受到较严重的损害,另外混凝土的体积变化大,容易干缩、潜变和龟裂。那么在建筑设计中采用模仿白蚁筑丘材料的生态混凝土,即通过材料仿生,利用其蓄热材料的原理,使得室内温度始终略高于混凝土楼板的恒定温度,从而发挥其良好的蓄热性能。 4.3白蚁丘的能源“反利用” ‘植物可以直接利用太阳能进行光合作用,生产自身所需的能量,动物则无法做到这一点,而是主要依靠摄取食物获取能量,同时采取措施规避不利气候,减少能量需求,科学家将动物对自然能源的这种利用方式称为“反利用”。由于所处地的气候条件不同,白蚁丘形态各异,有的为了适应多雨环境,上部造有伞状“屋顶”,有些则为了避免夏天过热现象,筑成长形并迎向主导风。尽管如此,出于通风和散热的需要,它们普遍具有凹凸粗糙的不光滑外形,表面分布着大量孔洞(图4)。白蚁丘以千变万化的自然形态精妙地维持着能量平衡,正是能源反利用的最佳例证’(3)。那么,通过外部的肌理仿生,利用其凹凸粗糙的立面肌理,便能同白蚁丘一样,实现建筑具有良好的遮阳和散热作用。 五、 对于未来城市发展的构想 通过上文的描述,未来的城市建筑单体便可以实现以生态为目标的空间、材料、结构和能源等综合性的性能仿生建筑单体:建筑内部实现了利用白蚁丘的自循环系统,就像是在建筑单体的中心结构上装有多个二氧化碳提取器,从顶上的烟囱里排除处理过的二氧化碳。这样一个建筑单体,满足了所有的功能整合和生态需求。由此我们便可以想象在未来城市中,每一个仿生建筑的单体就相当于一根柱子,竹节就是建筑间的连接方式,而相当于“连廊”的水平面起着连接单个建筑建筑的作用,整个空间是连续的,城市像是被丝带串联,增加队与人互动交流的机会。城市整体好似森林里的窜天大树,依靠空中连廊连接在一起。纵向、横向空间交错发展,形成一个庞大的生态系统(图5)。那么我们想象一下未来城市构想中建筑单体的热空气也是向上排出。仿生建筑的特性之一就是把景观引进建筑,白蚁丘的生态原理亦是如此,利用植物的光合作用消耗部分的二氧化碳,同时也能加强建筑间气流的流动,达到自循环的平衡效果,那么未来城市的整体状态便如白蚁丘的散热原理一样,从而达到缓解城市热岛效应的效果。(图6) 六、结语 大自然告诉我们,经过亿万年演化筛选出的生命智慧,在生态意义上远远优于人工创造,所以我们应当更多的向大自然学习,将仿生学应用在建筑设计中,为我们的建筑设计提供更多的灵感和素材,并充分展现建筑的美学效果,赋予建筑更多的内涵,促进建筑、人与自然之间的有效融合,从而实现城市的发展以及文化的传承。虽然目前仿生学的应用还处在初级阶段,不过相信在未来的发展中,其将会成为建筑设计的主流趋势,为实现节能化、智能化、生态化的建筑目标贡献力量。相信未来的城市发展定是一片蓝图。 参考文献 [1]《生命科学与仿生》【(2004)杜家纬】 [2]《源自白蚁丘的生态智慧》(1)(2)(3)【(2010)赵继龙 】 [3]《建筑设计中的仿生构思法初探》【(2017)苏若溪;李昌盛】 [4]《论仿生学在建筑中的应用》【(2016)鲍轶】 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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