基于自然仿生法的概念設(shè)計在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

基于自然仿生法的概念設(shè)計在建筑設(shè)計中的應(yīng)用摘要：文章通過分析概念設(shè)計的定義、內(nèi)涵及方法，提出了自然仿生法在建筑設(shè)計中的應(yīng)用和發(fā)展前景，目的在于解決當下設(shè)計人員過分依賴電腦，對整個設(shè)計項目缺乏創(chuàng)新和系統(tǒng)完整的認識的問題，同時對自然仿生法在建筑設(shè)計中的應(yīng)用進行初步探討。關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；自然仿生法；建筑設(shè)計；建筑形態(tài)；設(shè)計方案文獻標識碼：A中圖分類號：TU318文章編號：1009-2374（2015）14-0021-03DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.14.011概念設(shè)計于20世紀60年代起源于意大利，又稱觀念設(shè)計。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，概念設(shè)計的理論得到了極大豐富，目前概念設(shè)計在機械、電子、藝術(shù)、商業(yè)、軍事、土木工程等領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用。在土木建筑領(lǐng)域，概念設(shè)計是拿到設(shè)計任務(wù)后的最初設(shè)計階段，也是整個工程設(shè)計最重要和最困難的部分，是工程設(shè)計的靈魂和核心。做好概念設(shè)計，不僅有助于在后續(xù)的設(shè)計中全局把握整個設(shè)計工程，解決當下設(shè)計人員只注重于自己的設(shè)計部分，缺乏對項目整體把握的問題，而且能夠優(yōu)化設(shè)計方案，高效地利用財力、物力，避免浪費。概念設(shè)計能夠幫助設(shè)計師進行方案的創(chuàng)新設(shè)計，同時概念設(shè)計也體現(xiàn)了設(shè)計者對總體目標的洞察力，對設(shè)計任務(wù)的駕馭能力以及工程思維和綜合處理能力。自然仿生法是概念設(shè)計的一種重要方法，將其引入建筑概念設(shè)計具有極其重要的意義。1概念設(shè)計由于概念設(shè)計是一個新興的設(shè)計概念，而且在多種領(lǐng)域均有應(yīng)用，不僅如此，即使在同一領(lǐng)域的不同方面的應(yīng)用也各有側(cè)重，所以關(guān)于概念設(shè)計的定義不勝枚舉。但是概念設(shè)計的提出者Pahl和Beitz，在《EngineeringDesign》一書中的定義被廣泛引用。其定義為在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砗徒M合，確定基本求解途徑，得出求解方案。1.1概念設(shè)計的內(nèi)涵概念設(shè)計是一個復(fù)雜而困難的事情，在做概念設(shè)計時，不僅需要熟悉相關(guān)政策法規(guī)，更需要扎實的知識積累和豐富的實踐經(jīng)驗。概念設(shè)計包括“概念生成”和“概念選擇”兩個階段，概念生成是根據(jù)需求和約束條件，運用語言文字、圖像視頻等手段表達概念設(shè)計構(gòu)思的過程，概念選擇的核心是對設(shè)計方案多方位比選。概念設(shè)計具有創(chuàng)新性、多樣性、層次性、約束性、殘缺性和復(fù)雜性，創(chuàng)新是概念設(shè)計最核心的部分。創(chuàng)新可分為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新，原始創(chuàng)新是較高層次的創(chuàng)新，引進消化吸收再創(chuàng)新是大多數(shù)創(chuàng)新的一般途徑。一個好的創(chuàng)新設(shè)計能夠提高設(shè)計方案的競爭力，讓作品在眾多方案中脫穎而出，這對競標相當重要。1.2概念設(shè)計的一般方法演繹法：演繹法是從一般性的前提出發(fā)，通過推導(dǎo)即“演繹”，得出具體陳述或個別結(jié)論的過程。在使用演繹法時先分析設(shè)計對象的一般特征和要求，結(jié)合特定條件對方案進行不斷地修正，最后得到設(shè)計方案。演繹法是一種比較成熟的概念設(shè)計方法，有利于產(chǎn)生方案的多樣性，但不易得到創(chuàng)新性較強的方案。頭腦風暴法：頭腦風暴法是奧斯本創(chuàng)造的一種方法，有利于充分發(fā)揮群體協(xié)作的優(yōu)越性。頭腦風暴法需要團隊集合到一起，通過像圓桌會議的形式進行設(shè)計方案的討論，在此過程中，需要堅持保留判斷和數(shù)量積累的兩個原則，以期獲得更多可比的優(yōu)秀idea，也不遺漏有潛力的方案。交叉移植法：交叉移植不僅是把不同學(xué)科、不同原理交叉，也要善于把不同方案交叉組合，不同方案取長補短，能夠加快問題的解決速度和做出優(yōu)質(zhì)方案。以上三種方法是能夠應(yīng)用于所有概念設(shè)計的一般性方法，對概念設(shè)計的操作過程具有很好的指導(dǎo)效果，但并不能拿來做具體的概念設(shè)計，現(xiàn)就概念設(shè)計在建筑設(shè)計過程中的應(yīng)用提出一個很實用的方法――自然仿生法，而自然仿生法的使用則需要以上三種方法作為支撐。自然仿生法具體可分為自然功法和自然形生法。2自然仿生法2.1自然功法從某種角度講，自然界的各種現(xiàn)象的出現(xiàn)是無序的，但又存在某種普遍規(guī)律，這些規(guī)律由相應(yīng)的原理控制。自然功法就是一種通過對生物某種功能的研究，依據(jù)其功能原理，結(jié)合人的技術(shù)改造，創(chuàng)造出具有與其相似功能的產(chǎn)品的方法。自然功法在建筑上的應(yīng)用雖然目前較少，但隨著人們對建筑物的要求不僅僅是滿足于安全性和功能性，而越來越注重建筑物的舒適性的時候，自然功法便是解決這個問題的一個有效途徑。在建筑設(shè)計的概念設(shè)計階段，自然功法在拿到設(shè)計任務(wù)后就應(yīng)該開始準備了，自然功法的設(shè)計過程可分為四個階段，分別為學(xué)習(xí)招標文件和其他資料階段、搜集具有與建筑所需相似功能的相關(guān)生物資料階段、分析資料并做出設(shè)計階段、方案比選階段。前三階段是概念生成階段，后一階段是概念選擇階段。第一階段，學(xué)習(xí)招標文件和其他資料階段。學(xué)習(xí)招標文件和所能搜集到的一切與項目相關(guān)的信息，了解甲方對該工程建設(shè)目的、期望和接受范圍。該階段是承接一項設(shè)計任務(wù)首先要做的事，也是引領(lǐng)整個設(shè)計過程的階段，必須認真踏實，盡量減少認識上的錯誤和偏差。第二階段，搜集具有與建筑所需相似功能的相關(guān)生物資料階段，簡單的說就是通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)部分。搜集資料前必須做建設(shè)工程的需求分析，特別是未來的使用者對建筑的使用體驗需求分析。接下來根據(jù)分析資料，確定搜集生物資料的范圍。所搜集的資料必須有效，即每項生物資料必須有項目不同的功能需求說明、相關(guān)生物資料的具體內(nèi)容和原理分析、技術(shù)支持三大部分。第三階段，分析資料并做出設(shè)計階段。該階段需要分析生物特定功能所具備的原理在建筑中應(yīng)用的效果和可行性，在分析資料的基礎(chǔ)上利用相關(guān)原理，結(jié)合人為技術(shù)改造，進行方案的概念設(shè)計，在此處可考慮采用交叉移植法進行組織設(shè)計。第四階段，方案比選階段。方案比選包括需求比選和性價比比選，需求比選是要比較不同方案能夠達到業(yè)主需求的程度及其附加，性價比比選即安全、適用、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保和耐久方面的比較。以上每階段不是相互獨立的，應(yīng)該是一個循環(huán)系統(tǒng)，哪一步發(fā)現(xiàn)問題，都要及時返回上一步進行方案修正。2.2自然形生法自然形生法可分為形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生，此處的“生”表示“產(chǎn)生、創(chuàng)造出”之意。自然形生法不同于自然功法，區(qū)別有兩點：其一，自然功法“仿”的對象是自然界的一切生物，后者則是針對自然界的一切可能的生物體和非生物體；其二，前者只是功能仿生，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形態(tài)等無要求，更多時候是非常不同的，而自然形生法主要是形態(tài)上的“仿”。但兩者又有共同點，比如兩種方法都是對自然界已存在的事物進行“仿制”，都需要進行人工技術(shù)改造。現(xiàn)就形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生法做進一步的說明。2.2.1形態(tài)仿生法。形態(tài)仿生就是盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息，以期達到與其相似的功能特性、美學(xué)特性以及自然和諧性。如仿魚鰭的船槳、仿鳥類的飛機都可作為形態(tài)仿生設(shè)計的范例，它們因為具有某種形態(tài)才具備了一定的功能特性，這就是形態(tài)仿生法的實質(zhì)。以國家游泳中心為例，“水立方”的概念靈感來源于“一個方盒子，裝了很多水泡泡”的形象。一個英文詞WaterCube（水立方）既表達了方形，又與水有關(guān)。該方案新穎獨特的概念設(shè)計推出之后，立即引起了人們的注意?！八⒎健闭w建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。成功的概念設(shè)計不僅使該方案能夠在眾多設(shè)計方案中脫穎而出，而且毫無懸念的成為了北京奧運會標志建筑物之一。國際奧委會主席羅格評價：“水立方的賽后運營是國際奧林匹克史當中場館賽后利用的一個典范?！眻D1國家游泳中心“水立方”水立方的結(jié)構(gòu)設(shè)計基于“氣泡理論”，愛爾蘭教授Weaire和Phelan給出的多面體中十二面體單元和十四面體單元體積相等，但建筑結(jié)構(gòu)并沒有這種要求，而是追求結(jié)構(gòu)簡單化，故經(jīng)過優(yōu)化，選用的是四面體的兩個六邊形長邊的四個頂點相連，構(gòu)成一個正方形。上述設(shè)計很好地說明了怎么用形態(tài)仿生法去做概念設(shè)計，形態(tài)仿生法和其他兩個方法一樣，都只是提供一種設(shè)計思路，至于具體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然必須以結(jié)構(gòu)、材料等方面的基本理論進行設(shè)計。2.2.2超形態(tài)仿生法。所謂超形態(tài)仿生，就是參考事物的形體特征，加上人的藝術(shù)加工，設(shè)計出的極具美學(xué)價值的仿生產(chǎn)品。超形態(tài)仿生與形態(tài)仿生的不同之處就是超形態(tài)仿生更加強調(diào)對事物的藝術(shù)加工后產(chǎn)生的美學(xué)效果，沒有盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息的要求。以印象海南島劇場為例：海膽：（1）海膽是海洋中一種古老的生物，已經(jīng)繁衍了近億年的時間，它見證了海洋的歷史；（2）海膽的圓形輪廓與本工程圓形看臺的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)；（3）海膽球狀的殼體正符合圓形劇場所需的穹頂結(jié)構(gòu)。由于海膽是造型非常簡單的球體，為了體現(xiàn)出海膽的優(yōu)美造型，設(shè)計中通過前拱與后拱之間的弦桁架桿張成三次雙曲拋物面，在外形上進行了較大的藝術(shù)加工，最終達到了很好的美學(xué)效果。超形態(tài)仿生可以推廣到微觀與宏觀方面的表達，即把微觀世界的物質(zhì)形態(tài)進行人的藝術(shù)加工后，在宏觀世界表達出來，或者在數(shù)量級上遠比人類大的事物，在人類使用范圍內(nèi)表達出來，以獲得一種奇特的審美感受。當然，自然界也一直在做著這種事情，比如一個生物細胞和一個大生物體或一個生態(tài)系統(tǒng)的相似性、一片樹葉的脈絡(luò)和整棵樹桿的相似呈現(xiàn)、一個原子系統(tǒng)和一個星系的相似等。圖2海膽圖3海南島劇場3結(jié)語概念設(shè)計是在新時代下應(yīng)運而生的一種設(shè)計方法，特別是近年以來，隨著人們生活水平的提高，人們對產(chǎn)品的體驗要求越來越高，傳統(tǒng)的以結(jié)構(gòu)為綱的設(shè)計思路已經(jīng)越來越不適應(yīng)社會的發(fā)展了，因此把基于自然仿生法的概念設(shè)計引入建筑設(shè)計很有發(fā)展前景。參考文獻[1]彭圣芳.概念設(shè)計探議[J].美與時代，2005，（12）.[2]朱慈勉，尹小明.概念設(shè)計的意義和應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)，2005，（8）.[3]項海帆.橋梁概念設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2010.[4]