Magical Life: A Brief Introduction to Biomimetic Architecture

(Only in Chinese) Examples of biomimetic architecture inspired by nature

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仿生学与仿生建筑

仿生学(bionics)一词,来源于“生物学”(biology)与“电子的”(electronic)的组合。1958年8月由美国医生Jack.E.Steele第一次提出,1960年美国俄亥俄州召开的首届仿生学研讨会定义了仿生学的概念。通过对自然界生命体的研究与模仿,研发出新的技术或理论,来解决人类生活发展中遇到的难题。经过亿万年来的选择与进化,生命体以一种最为合理方式存在于自然之中。迄今为止,尚未有任何人工制品能超越自然的造物。

▼达芬奇手绘稿 – 模拟鸟类飞行器 & 模拟人体骨骼的结构,Leonardo Da Vinci’s sketch – Simulating a bird flying machine & Simulating the structure of human bones (图片源自维基百科Leonardo da Vinci词条下开源图片)

仿生建筑(Biomimetic architecture)是当代建筑设计运动中的代表性一员,通过研究有机生物的生理、结构、行为,作为设计以及建筑表达的灵感来源。核心理念力求通过设计完成建筑的自给自足,高效地适应环境内部与外部的多变因素,例如天气以及温度变化等。从居住环境到材料,从单体建筑到城市规划,仿生学的应用广泛多样。根据模仿物种以及方式的不同,仿生学可以分为:城市仿生学、结构仿生学、功能仿生学以及形态仿生学。

仿生建筑对我们来说其实并不陌生,在我国,自古便有了根据仿生学原理进行的建筑与规划活动,例如,通过模仿鸟类而发明“巢居”的巢式,通过模仿牛角而规划的安徽宏村,甚至我国传统风水学中也不乏受到仿生学的影响。

▼模仿牛角而规划的安徽宏村,the village of Hongcun, Anhui province, mimics the horns of a cow (图片源自维基百科宏村词条下开源全景图)

 

仿生建筑与新陈代谢派

新陈代谢派(Metabolism)起源于日本,学派认为城市和建筑不是静止的,它像生物新陈代谢那样是一个动态过程。应该在城市和建筑中引进时间的因素,明确各个要素的周期(Cycle),在周期长的因素上,装置可动的、周期短的因素。因此新陈代谢派的本质便是仿生学。学派代表人物与代表作品,例如丹下健三的静冈放送本社大楼、黑川纪章的银座“舱体大楼”,以及菊竹清训提出的“海上城市”等。

▼丹下健三/ 静冈新闻、静冈放送本社大楼,Kenzo Tange / Shizuoka Shimbun, Shizuoka Broadcasting Corporation Building (图片源自维基百科丹下健三词条下开源图片)

▼黑川纪章/银座“舱体大楼”,Kisho Kurokawa/Ginza “Capsule Building”(图片源自维基百科黑川纪章词条下开源图片)

▼菊竹清训/“海上城市”,Kikutake Kiyoshin / “City on the sea”(图片源自维基百科菊竹清训词条下开源图片)

 

仿生学与参数化的结合

随着参数化技术的发展与普及,建筑师们可以一种更为精准、直观的方式将仿生学应用到建筑中。从建筑的形式,结构,材料等方面来讲,参数化设计都将仿生学深化到一个更为微小的尺度。此外,仿生学与参数化的结合也是当代建筑设计的先锋趋势的体现,例如,欧洲的著名学府斯图加特大学就是致力于探索这两者结合的先导者之一。

 

1. Elytra展厅,英国 / University of Stuttgart 
Elytra Filament Pavilion / University of Stuttgart
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本项目以甲虫的前翅结构为起点,将轻质生物纤维结构转化为建筑结构,由自动化机器人制作,以编织的手法将其转化为更强韧的结构单元体。一个个如细胞般的单体被串联在一起,创造了造型独特的Elytra展厅。

▼Elytra展厅概览,overall of Elytra © University of Stuttgart

▼以充脂玻璃和碳纤维为原料的单元体经过缠绕和硬化后,形成了相似却又略带不同的形态,the robot wound resin-soaked glass and carbon fibres onto a hexagonal scaffold, before hardening © University of Stuttgart

 

2. BUGA木质展亭,德国 / ICD + ITKE + Müllerblaustein Bauwerke GmbH + BEC GmbH + Bundesgartenschau Heilbronn 2019 GmbH
BUGA Wood Pavilion by ICD + ITKE + Müllerblaustein Bauwerke GmbH + BEC GmbH + Bundesgartenschau Heilbronn 2019 GmbH
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ICD/ITKE 2011设计展示馆 / 斯图加特大学
ICD/ITKE Research Pavilion 2011 by University of Stuttgart
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以上两个项目均采用了基于海胆骨架的生物学原理,向人们展示了非线性数字化下的木结构。设计师致力于将仿生片段式木质外壳的建筑节点和结构性能提高到一个新的水平层面上,通过使用“较少的材料”,在整体外壳和各个独立木片结构的层面上,来创造“较多的形式”。

▼BUGA木质展亭北侧外观,展亭建立在仿生学原理的基础上,north view of BUGA Wood Pavilion, the pavilion builds on the biomimetic principle ©ICD/ITKE University of Stuttgart

▼施工过程,放置顶板,木片单体采用中空的形式,the construction process, the placement of Top Plate, the wood segments are hollow ©ICD/ITKE University of Stuttgart

此外2011设计展示馆还仿生 了一些生物结构的基本应用法则:异质性—–单元大小不一,适应各种曲率和连续性。异向性—-丁香结构。单元各自伸展定位自己的机械应力。层次—-双层粘接形成基本单元。

▼ICD/ITKE 2011设计展示馆 ,ICD/ITKE Research Pavilion 2011 ©ICD/ITKE University of Stuttgart

▼2011设计展示馆的丁香结构,Clove structure of ICD/ITKE Research Pavilion 2011 ©ICD/ITKE University of Stuttgart

▼两个展馆均仿生海胆骨架,Both pavilions feature bionic sea urchin skeletons ©ICD/ITKE University of Stuttgart

 

3. 仿生学研究教学临时纤维展馆,德国 / 斯图加特大学
ICD/ITKE Research Pavilion 2012 by University of Stuttgart
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本项目的设计基于对节肢动物(龙虾)骨骼仿生结构的纤维材料向异性研究,模仿核心骨骼起到传递荷载和支撑的功能,表面的混合环氧树脂和玻璃纤维由机器人协作缠绕固定。

▼展馆概览,overall of the project ©ICD/ITKE University of Stuttgart

▼施工过程,construction process ©ICD/ITKE University of Stuttgart

 

4. 斯图加特大学2015 ICD/ITKE 研究亭
ICD/ITKE Research Pavilion 2011 by University of Stuttgart
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本项目的设计灵感来自生活在水下,并居住在水泡中的水蜘蛛的建巢方式。整个亭子是在一层柔软的薄膜内部用机器人织上可以增强结构的碳纤维而形成的轻型纤维复合材料外壳构筑物,同时这种建造方式使用到最少的材料实现了结构稳定性。

▼展馆概览,overall of the project ©ICD/ITKE University of Stuttgart

▼仿生概念,Bionic concept ©ICD/ITKE University of Stuttgart

 

5. Biotope装置,哥本哈根 / SHJWORKS
Biotope by SHJWORKS
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本项目由一个碗状的混凝土容器和聚碳酸酯外壳制成,里面放置了土壤,植物,昆虫,蜜蜂,以及胶合板做的蜂窝。项目的设计灵感来自一种名为阿氏偕老同穴(Euplectella Aspergillum) 海洋生物。仿生的薄膜材料保护了壳内的微观世界不受外界交通带来的恶劣影响,并且使内部产生温室效应。

▼装置概览,overall of the project © SHJWORKS

▼仿生薄膜结构,Biomimetic membrane structure © SHJWORKS

 

6. ‘T IJ观鸟屋,荷兰 / RAU Architecten + RO&AD Architecten
‘T IJ by RAU Architecten + RO&AD Architecten
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本项目根据鸟蛋形状建造的参数化鸟类观测屋。蛋壳形的外观结构除了符合鸟类观测的使用功能意向外,还具有强大的承受能力。当受到外界压力时,椭圆形的结构将力均匀分散到壳体表面,因此,世界上很多著名的建筑都采用了这种仿生的壳体结构,比如我国的国家大剧院,人民大会堂等。本项目中“鸟蛋”本身则通过参数化设计实现了形状、结构完整性、木材尺寸以及开口尺寸之间的良好比例。

▼项目概览,overall of the project © Katja Effting

▼项目概览,overall of the project © Katja Effting

▼形状生成过程,shaping process © RAU Architecten + RO&AD Architecten

 

7. “非-人类花园”生物数字雕塑 / ecoLogicStudio
“in-human gardens”: two bio-digital sculptures by ecoLogicStudio
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展览是由Marie-Ange Brayer和Olivier Zeitoun共同策划的Mutations-Créations系列展览中的一部分,旨在对生命体和人工生命进行追溯。建筑师Claudia Pasquero和Marco Poletto领导的多学科团队共同创作了名为“非-人类花园”的3D打印雕塑作品,探讨了人类生命与非人类生命的关系。这项作品分为两部分,其一是由蓝藻细菌群落构成的“H.O.R.T.U.S. XL Astaxanthin.g”,其二是基于亚洲狼蛛的生活习性而构建的“XenoDerma”。

▼“H.O.R.T.U.S. XL Astaxanthin.g”,由蓝藻细菌群落构成,H.O.R.T.U.S. XL Astaxanthin.g – developed in “collaboration” with colonies of photosynthetic cyanobacteria © ecoLogicStudio

▼“XenoDerma”,基于亚洲狼蛛的生活习性而构建,XenoDerma,  a collective of Asian Fawn Tarantulas © ecoLogicStudio

 

8. 全国第八届花卉博览会景观建筑,常州 / 中国南京联荷环境艺术有限公司
Rhythm of lotus leaf, China / NJFU Landscape Studio
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本项目通过处理1000段的三维联接数据,使雕塑表面的网状双曲面结构,从而产生自然中荷叶律动的视觉效果,营造出“自然中的建筑,建筑化的自然”这一景建形象。

▼项目概览,overall of the project © 中国南京联荷环境艺术有限公司

▼荷叶的生成意向,the generating intention of lotus leaf © 中国南京联荷环境艺术有限公司

 

结论:仿生建筑的优势与意义

1.使建筑适应极端地形与气候

2.迎合自然,生态节能

3.巧妙构造,节省材料与成本

4.结合科技,展现未来

5.形式新颖独特,引发设计灵感

 

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编辑:石安

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