基于植物仿生学的建筑造型设计研究.pdf

52/总第245期/2023/12文创设计基于植物仿生学的建筑造型设计研究何 凌 陈瀚林（湖北美术学院，湖北 武汉 430060）摘要：植物仿生学作为一个新兴的跨学科研究领域，其应用于建筑设计中，可以有效地提高建筑的适应性和可持续性，同时也可以为人类提供更加健康、舒适的居住和工作环境。该文在介绍植物仿生学基本概念的基础上通过对植物仿生学的建筑造型设计案例进行详细的分析，探讨了植物在建筑造型及构造设计中的应用。最后，该文对植物仿生学在建筑设计中的应用前景进行了展望，认为在未来的建筑设计中，植物仿生学将会得到更加广泛的应用，为人类创造更加宜居、健康的建筑环境。关键词：植物仿生学；建筑造型设计；环境设计；可持续性一、概述植物仿生学理论是指将植物的生命特征和结构应用于工程、设计和科学研究中，通过模仿植物的形态、结构、功能等方面来解决实际问题（表 1）。在环境设计中，植物仿生学理论可以为设计师提供一种新的视角和思路，以实现更加环保和可持续的设计方案1。表 1 仿生设计分类（图片来源于 gooood 设计网）分类依据仿生设计分类生物种类微生物仿生、植物仿生、昆虫仿生、动物仿生、人类仿生系统的生物学特性肌理仿生、形态仿生、结构仿生模仿程度具象仿生、抽象仿生模仿的完整性整体仿生、局部仿生模仿状态动态仿生、静态仿生首先，植物仿生学理论可以启发设计师从自然界中获取灵感将自然界中的各种形态、结构和功能转化为设计元素，并将其融入环境设计中。植物的光合作用、自净作用等特性也可以在环境设计中得到应用，比如设计光合墙、绿色空气净化器等装置，可以改善室内空气质量，提高居住和工作环境的舒适度和健康水平2。植物仿生学理论可以为环境设计提供一种新的思维方式，即从生物学角度出发考虑问题，思考如何将植物的生命特征应用于环境设计中。例如，借鉴植物的适应性和自我调节能力，可以在设计中考虑各种环境因素的变化和相互作用，从而设计出更加智能、可持续的环境系统。同时，植物的生命活动和生态系统也可以为环境设计提供参考，例如设计生态园林、城市森林等设施，可以模拟自然界的生态系统，从而实现自然界的平衡和和谐。最后，植物仿生学理论的应用也可以促进环境设计与生态环境的融合，实现可持续发展3。通过在环境设计中应用植物仿生学理论，可以促进建筑与自然的融合，增加城市的生态性和可持续性。例如，在城市规划中引入绿地、景观湖等设施，可以提高城市的生态价值，增加城市居民的幸福感和生活质量。因此，植物仿生学理论在环境设计中的应用是非常重要的，可以为环境设计提供新的思路和方法。二、运用植物仿生学的建筑案例（一）国内国外案例分析北京大兴机场，是已故英国设计师扎哈哈迪德的作品，该项目以植物的天然生长形态为设计灵感，打造出一座流线型的建筑。建筑外立面采用规律的凹凸造型，仿佛一片树叶的表面，可有效减小建筑的风阻力，叶脉向外规律性延伸的形态，自然地契合机场停机的动线需求，并且叶脉延伸有着无止尽的趋势，契合高人流量的需求。此外，建筑内部还利用植物的生长规律，设计出了通风和自然采光系统，大大降低了能源的消耗。阿布扎比自然历史博物馆位于阿联酋萨迪亚特文化区，该文化区正努力成为世界领先的文化中心之一。是由著名建筑事务所 Mecanoo 所设计的，该设计案例融合了植物和建筑的形式，打造了一座宛若巨型生命体的建筑。位于湖滨处，辽阔的场地使得建筑物十分突出。为了融入自然环境，打造与自然互融互通的和谐环境，建筑的外立面采用了类似植物叶片的设计，像一座座长满绿植的山脉，能够抵御风沙、保温隔热，同时还可以收集雨水。建筑的屋顶覆盖着植物，洁白的墙面和绿植相间，与云雾穿梭在雨林间的形式相仿，不仅美观，还可以吸收二氧化碳，净化空气。日本东京国际会议中心这座建筑，是由著名的乌拉圭裔美籍建筑设计师拉斐尔维诺利（Rafael Violy Architects）设计的，该建筑拥有日本史上最大胆的结构，目前已成为举办各种全球交流和文化项目的艺术中心。建筑外观灵感来自竹子，内部交叉的结构与叶片纤维相仿。竹子是一种具有强度和柔韧性的植物，能够适应各种环境，仿生设计从立意到实际结构都有着不同程度不同目的的“模仿”。建筑师利用竹子的竖向节段和横向纹理，设计出了具有节奏感和动态感的建筑内部结构造型，同时也体现了日本传统文化和现代科技的结合。伦敦市政厅位于伦敦市中心碎片大厦和塔桥附近，该建筑由著名设计师诺曼福斯特（Norman Foster）设计并于 2002 年对外开放。这座建筑的外观灵感来自球形的植物，如松果、莲53总第245期/2023/12/文创设计花等，球形的植物具有最小的表面积和最大的体积，能够有效地减少热量的散失和吸收。建筑师利用球形的几何形态，设计出了一种具有自然美感和节能效果的建筑造型，同时体现了伦敦开放和多元的城市特征（图 1）。图 1 伦敦市政厅仿生设计分析图剖面图（gooood 设计网）（二）案例分析总结以上案例中充分运用了植物仿生学理论，将植物的生长规律、外形特征和环境适应性等应用到建筑设计中，实现可持续性和环保性的设计目标。这些案例的成功应用，为植物仿生学在建筑设计领域的发展提供了新的思路和方法4。三、植物仿生学在建筑设计中的应用（一）植物仿生学在建筑设计中的四个方面植物仿生学是指从植物的形态、结构、功能等方面提取设计灵感，创造出与自然和谐的建筑作品。在建筑设计中，植物仿生学的应用已经得到广泛关注。本文将探讨植物仿生学在建筑设计中的应用，包括以下几个方面：1.节能减排方面：植物自然具有降温、保湿、净化空气等特性，因此可以通过仿生设计，将植物的这些特性应用到建筑设计中，以达到节能减排的效果。比如，在建筑外墙、屋顶、阳台等位置种植植物，可以起到隔热降温、减少太阳辐射等作用，从而减少空调等能源的使用，降低建筑的能耗。2.结构设计方面：植物的根系、茎叶、花果等构造特征具有较好的强度和韧性，可以作为建筑结构材料的仿生对象。通过仿生设计，可以将植物的这些特性应用到建筑结构设计中，增强建筑的抗震、抗风、防水等能力5。3.空间设计方面：植物在自然界中具有丰富的形态和颜色，可以为建筑空间增添生命力和美感。通过仿生设计，可以将植物的形态、色彩等元素应用到建筑空间设计中，创造出更加自然、舒适的空间环境6。4.建筑材料方面：植物可以提供各种建筑材料的仿生对象，比如竹子具有轻质、高强度、易加工等特点，可以作为建筑结构材料、装饰材料等；麻类植物可以提供纤维素纤维，应用于纺织品、复合材料等领域7。总之，植物仿生学应用在建筑设计领域中具有广阔的发展前景。通过对植物的研究和模拟，可以创造出更加环保、节能、美观、舒适的建筑空间。植物仿生设计也可以促进人与自然的和谐共生，推动建筑设计向更加生态、可持续的方向发展8。在仿生建筑的空间模式中，生长的意义在于表现出仿生建筑空间的营造方式方法，其含义与自然界中生物生长基本相同，都是在母体的基础上，生成许多不同的子体，经过自然界长时间的筛选和实践历程，最后形成其独特空间9。（二）植物形态在建筑造型设计中的运用植物形态是自然界中的艺术品，也是生物学与生态学的产物，其独特的形态和生长特点吸引了许多建筑设计师的注意。在建筑造型设计中，通过运用植物的形态和生长特点，可以实现许多有趣的设计效果，如形态优美的建筑立面、凉棚、屋顶花园等。植物的生长也可以与建筑的使用功能相结合，为建筑带来更多的生态价值和艺术价值。植物形态在建筑造型设计中的运用，包括以下几个方面：1.植物形态的表现方式植物形态的表现方式包括树干、枝干、叶片、花朵、果实等种元素。这些元素可以通过不同的组合方式和比例关系，形成各种各样的植物形态。在建筑设计中可以把植物形态的元素和建筑元素进行组合来实现建筑的特殊造型效果。2.植物形态在建筑立面设计中的应用在建筑立面设计中，植物形态可以用来丰富建筑的造型和表达建筑的主题。例如，在某些景观建筑中，可以运用树干和枝干来实现建筑的主体形态，而将叶片和花朵作为点缀，以突出建筑的主题。同时，通过选择不同种类的植物，也可以达到不同的效果，如叶片茂密的绿色植物可以使建筑看起来更加自然，而颜色鲜艳的花朵则可以让建筑更加鲜活。3.植物形态在建筑室内设计中的应用在建筑室内设计中，植物形态同样可以起到丰富空间、提升品质的作用。例如，在室内设计中引入植物形态的元素，可以为室内注入自然元素，增强室内的舒适度和生态感。（三）植物形态在建筑造型设计中的价值1.丰富建筑形态：植物形态的多样性和丰富性可以为建筑设计师提供更多的设计灵感和创意。例如，树木的分支、叶片、花朵等形态可以用于建筑立面的图案设计；植物的螺旋生长方式可以用于设计旋转楼梯等。2.增强建筑的环境适应性：植物形态在自然界中已经得到了数百万年的演化和优化，具有很强的环境适应性。在建筑设计中引入植物形态，可以使建筑更好地适应周围的自然环境，如在炎热的地区可以利用植物的树荫来降低室内温度。3.增强建筑的生态价值：在城市化进程中，建筑与自然之间的联系日益疏离，建筑变成了城市中的“硬件”。而引入植物形态可以为建筑增加生态价值，使建筑与自然重新建立联系。例如，建筑立面上的绿化可以增加城市的绿化率，改善城市气候环境；屋顶花园可以为城市提供更多的绿色空间，为城市生态建设作出贡献。（四）植物生长规律在建筑构造设计中的应用1.构造形态的优化设计：植物的生长过程中会根据外部环境不断地调整自己的构造形态，从而适应不同的生长环境。建筑设计也可以借鉴这种生长规律，通过优化设计来适应不同的环境。例如，在设计屋顶花园时，可以借鉴植物的生长规律，选择合适的植物种类和种植方式，以达到最佳的景观效果和防水效果。2.结构力学的分析与优化设计：植物的生长过程中，受到外界环境的影响，其构造形态会不断变化，也会对结构力学产54/总第245期/2023/12文创设计生影响。因此，可以通过对植物生长规律的研究，来优化建筑结构的设计，提高其结构强度和稳定性。例如，在建造桥梁、高层建筑等大型工程时，可以借鉴植物生长规律，设计更加坚固和稳定的结构10。总之，植物生长规律在建筑构造设计中具有广泛的应用前景，可以为建筑设计带来更多的创新和灵感。（五）植物与建筑环境的相互作用植物和建筑环境之间存在着复杂而又密切的相互作用。从环境保护、节能、美观等方面来看，植物与建筑环境的相互作用是十分重要的。1.环境保护：植物可以吸收空气中的有害气体，减少空气污染，从而保护环境。在城市中，建筑物的排放是城市空气污染的主要来源之一。因此，将适合的植物引入城市建筑环境中，可以有效减少有害气体的排放，从而减轻城市空气污染的压力11。2.节能：植物具有隔热、保温、防风等功能，可以通过改善建筑物的外部环境来提高建筑物的节能效果。例如，可以在建筑物的外立面或屋顶上种植适合的植物，形成一个天然的隔热层，从而减少建筑物能量消耗，提高节能效果。3.美观：植物可以为建筑环境增添绿色和美观的景观效果，提高环境品质和人们的居住感受。例如，将适合的植物引入城市公园、广场和街道等建筑环境中，可以为人们提供一个绿色的休闲场所，改善城市的生态环境。4.健康：植物可以释放出大量的负离子，有益于人体健康，可以减轻人们的压力、改善睡眠质量、提高免疫力等。因此，将适合的植物引入建筑环境中，不仅可以改善环境质量，还可以对人们的身心健康产生积极的影响。综上所述，植物与建筑环境之间的相互作用是十分重要的，可以为环境保护、节能、美观和健康等方面提供有力支持。因此，在建筑设计和城市规划中，应充分考虑植物和建筑环境的相互作用，采取适当的措施引入植物，从而实现更加环保、美观、健康的城市建设目标。四、结论与展望（一）结论本文基于植物仿生学，探究了植物在建筑设计中的多方面应用，尤其是在建筑造型设计、材料设计、能源设计、环境设计等方面的应用。本文总结了植物物理特性、生长规律、光合作用等特点在建筑设计中的应用，并通过案例分析进一步说明了植物仿生学在建筑设计中的实际应用效果。可以得出以下结论：植物物理特性在建筑材料设计中的应用，可以使建筑材料具有更好的透气性、保温性和耐久性，从而提高建筑的舒适度和使用寿命。植物生长规律在建筑构造设计中的应用，可以使建筑结构更加稳定、自然、优美。植物生长规律可以启发建筑结构设计中的曲线和分支形态，也可以帮助优化建筑结构的力学性能。植物光合作用在建筑能源设计中的应用，可以通过利用植物的光合作用来达到能源自给自足的目的。同时，植物在建筑中还可以通过防止太阳辐射来调节室内温度。植物与建筑环境的相互作用可以提高建筑的生态性和环保性，从而实现可持续发展的目标。植物可以在建筑中形成自然的生态系统，通过调节室内湿度、净化空气等方面来提高建筑的舒适度和健康性。在未来，植物仿生学在建筑设计中的应用将更加广泛。随着人们对于环保、节能、健康等方面需求的不断增加，植物仿生学将成为一种趋势。未来的建筑将更加生态化、自然化、智能化，同时也更加具有人文关怀。（二）展望基于植物仿生学的建筑造型设计研究是一个较新的研究方向，目前仍有许多待探索的问题和深入研究的方向。因此，未来的研究可以从以下几个方面展望：首先，未来可以深入研究植物的微观结构和物理特性与建筑材料设计的关系。目前，对于植物的微观结构和物理特性的研究还不够深入，因此需要进一步探索这些特性与建筑材料的关系，以寻找更加理想的建筑材料设计方案。其次，可以进一步研究植物生长规律与建筑构造设计的关系。植物的生长规律和建筑构造设计的相似性是植物仿生学的一个重要方面，未来的研究可以探究植物的生长规律在建筑构造设计中的应用，以创造更加优秀的建筑构造。同时，未来的设计实践需要更加注重实际效果的检验和评价，随着城市化进程的加速，未来城市的建筑空间将会更加紧张，建筑密度和高度也将不断提高。在这种情况下，植物仿生学可以帮助设计师充分利用建筑空间和周围的环境资源，打造更加适宜人居的城市环境。参考文献：1 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