建筑设计中太阳能利用的仿生

[摘 要]本文针对太阳能在建筑设计中应用的各种形式、方法,结合建筑仿生学、生态学的相关研究,提出仿生解析建筑设计中太阳能的利用,提出了建筑中能量、物质的运行不是单一的体系,而是复合的“类生命系统”.

[关 键 词]建筑设计太阳能利用仿生研究

一、引言

人类文化的使命,归结于与自然的对抗最终以生态平衡来达到一种和谐的秩序.太阳能是一种取之不尽,用之不竭的清洁能源,用太阳能替代常规能源,转变能源开发、利用的方式,对建筑节能与和谐社会的建设具有十分重要的意义.

仿生设计,即从自然界获取灵感,向生物行为方式学习,借鉴、模拟生物利用太阳能的方法,开发相应的建筑技术,完善建筑相关性能.研究生物体感知、调控的生命机理,应用于建筑,使建筑具有顺应自然环境的生命行为,与自然环境融合.将生物与自然环境的共生策略转化为建筑策略――建筑与自然环境共生的策略,使建筑具有对环境的动态适应性,能够对自然环境起到改善、美化、丰富和调节的作用,维护地球系统的复杂性与秩序性,实现生物－建筑－自然的和谐发展.

二、概述

1.仿生学概述

仿生学作为一门独立的学科,于1960年9月正式诞生.J.E.斯蒂尔将新兴的学科命名为“Bionics”,希腊文的意思是研究生命系统功能的科学.斯蒂尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统,或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”.

建筑仿生学,即研讨以生物为模型的建筑学,它从仿生学的观点出发来研究建筑,把建筑与人看作是一个统一的“生物体系”,在这个体系中,生物的和非生物的因素相互作用,并以共同功能为目的而达到统一,使建筑与自然和谐发展.

2.建筑设计中太阳能利用的概况

建筑中太阳能利用,一般有以下几种形式:

(1)被动式太阳房,一种完全通过建筑朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及材料、结构的恰当选择、集取、蓄存、分配太阳热能的建筑.

(2)主动式太阳房,是以太阳集热器、管道、风机或泵、散热器及贮热装置等组成的太阳能采暖系统或与吸收式制冷机组成的太阳能供暖和空调的建筑.

(3)“零能房屋”,它利用太阳电池等光电转换设备提供建筑所需的全部能源,完全用太阳能满足建筑供暖、空调、照明、用电等一系列功能的要求.本文提出第四种方式――“生物体”房屋,即仿生利用太阳能,建筑不再是只消耗能源,破坏环境的人工构造物,而是自然生态链条中的一环,起着生产者、消费者、分解者的多重角色,成为人与自然和合的媒介,自然的生态因子,最终使人类社会与自然环境和谐相处.

三、自然界中生物的启示

1.光合作用与建筑设计

植物、藻类和细菌都是依赖太阳而生存的,通过光合作用,它们将太阳能转化为能够存储的化学能,支撑着自然界的能量循环,同时还影响着自然界各个方面的生命活动.尽管光合作用受到各种因素的调控,但其自身却也具有一定的自组织能力,一般情况下能“逆来顺受”,在不利的环境中也可避免遭到伤害并且还可保持相当的活性.这可以看作是生物整个生命体协调运作利用太阳能的过程.（如图1）

建筑设计中太阳能的利用不应是附加的、零散的应用能源的形式（如为提供部分热水而安装的太阳能热水器以及为提供建筑部分电耗而在屋顶铺装的光电板等）,而应是与建筑融为一体的建筑生命的动力内核,如同植物的光合作用对植物的意义一样.

2.动物器官与建筑支撑系统复杂的高等动物(如哺乳动物),除了完善的表皮功能之外,还发展了一套精密的内部器官,形成了“内部腔体结构”,其腔体的内表面衍生出数以万计的微结构,生命肌体中又延伸出数以万计的分支、末梢,有效的扩大了接触面、信息终端,最终形成了以表皮和内部腔体器官一起协同作用的调节机制,更重要的是有综合处理的集成系统终端,增强了生物体的环境应变能力.

建筑的围护结构与设备系统可看作是建筑的表皮与内部腔体器官,维护着建筑生命本体的活性,与太阳能利用这一建筑生命的动力内核融为一体.建筑与生物间存在着千丝万缕的类比联系.见表1

3.建筑的属性

生命起源和进化的一个重要内容就是要建立和完善一个自成一体的物质流、能量流和信息流的独立系统,从而构成一个生命个体化的相对稳定的内环境.在这个意义上,建筑也是一样的.作为相对独立的开放系统,建筑与周围的环境建立了相应的物质和能量的输入、输出的路径体系,正是在此路径上的流动转换对生态环境造成了不同的影响.仿生利用就是赋予此路径以生态性,使其与自然环境共生,而不再是独立的、附加于自然之上的人工系统,恢复建筑的自然属性.

四、建筑设计中太阳能利用的仿生解析

1.太阳能利用的仿生渊源与理念

“树上雨滴及风的喧闹,以及从树上枝叶间过滤下来的阳光,是人类复杂的刺激源,以最令人欢欣的方式鼓噪着.没有比阳光更好的光,没有比自然新鲜的空气更好的空气,为了获得舒适,我们的建筑应该尽可能地利用外界的品质.”

建筑中太阳能的仿生利用：一是建筑自身仿生利用太阳能,从太阳能建筑一体化着手,包括对建筑设计理念的建构、围护结构性能与功能的塑造、建筑能量运行的体系等.如旋转式太阳能房如同向日葵,能够在基座上转动,即时跟踪阳光,房屋的旋转跟随着太阳的进度,在太阳落山之后就回复到初始位置（如图2）.二是将建筑视为仿生载体,即从太阳能利用系统的选择入手,将太阳能利用设施与建筑有机结合.如杨经文设计的绿色摩天楼.将绿色植物与建筑融为一体,拥有类如植物光合作用的特征（如图3）.正如赖特所说：有机建筑应该是自然的建筑.自然界是有机的.建筑师应该从自然中得到启示.房屋应当像植物一样,是地面上的一个基本的、和谐的要素,从属于环境,从地里生长出来迎着太阳.

2.太阳能利用的仿生解析

一直以来生物出于生存的需要,不断地使自己适应生存环境以利于自身发展,经过亿万年的自然选择,自然界的生物大都是生态高效的生命有机体,蕴育着无数的奥妙,只有充分认识到这一点,建筑才能更好的实现人的愿望,使人的生活更美好.仿生利用太阳能就是这样一种为了人类更美好的生活,结合建筑中太阳能的利用,探究“奥妙”的理念及方法.

(1)仿生原型

通过对仿生原型及对应的建筑技术形式和生态效应的研究得出建筑中仿生太阳能利用多集中在以下三个方面,即：仿自然界生物体的性能；仿生物的栖居物；直接利用自然界生物和生物能.

①仿生物体本身的性能

从仿生学的观点出发,通过模仿生物系统的结构构造特征、能量转换和信息处理方式等,可为建筑技术和太阳能应用研究提供思路,如植物对气候的适应形态对建筑的启示（如图4）.

②仿生物的栖居物

自然界生物的栖居物往往有着优良的物理性能,出色应用太阳能的技巧,对材料的利用也十分节省、到位,具有很好的综合生态效应,还能够自然降解,如蚁穴（见图5）.

③直接利用生物或生物能

这种方式往往演绎为直接以生物体为原料研制建筑材料,将其生态特性赋予建筑材料,从而利用太阳能（如选择可透过性薄膜）；或直接将生物体引入建筑作为建材,成为建筑的有机因子,如绿色植被的遮阳、调解温湿度,光合细菌的太阳能利用等.

在无生命的建筑形式和有生命的生物形态间,仿生可视为一个微观层面上的交汇平台,也从另一个角度诠释了我国古代哲学中“天人合一”的思想,《管子》指出：“凡人之生也,天出其精,地出其形,合此以为人.和乃生,不和不生.”.

(2)建筑构成

生物体在长期的自然选择下,进化出了高效低耗、自觉应变的生命保障及调节系统,这对建筑的发展具有积极的启示意义.建筑是人的家园,必然与自然界物种间有着结构上的普遍共同之处,这是由类生命的特性所决定的.生物形式与建筑构成之间的关系,不是简单的视觉效果联想,而是以相似性为基础,探索同等价值的形式再创造的链条.

①建筑存在的解析

建筑与人作为一个“生物体系”是仿生解析的基础.太阳能利用并不是直接为人们营造舒适环境的能源方式,而是借鉴植物对自然环境的生态效用,维护地球大系统的稳定、复杂、秩序意义的同时,为人们营造相对稳定的环境条件及各种可能的选择,从而使得建筑与自然环境间的交流变的有机.

植物对气候的应变是天然的、生态而高效的.对建筑而言,这是能在大自然中直接获取和借用的,不输入能量就能自动完成的应变界面.所以植物可以与建筑相结合成为建筑对外界气候敏感应激的“毛发”（如图6）.

“建筑物常常可以看作大量的无生命物质的堆积等植被化的目标就是将有机的、富有生命力的物质与无机的、无生命的物质融为一体.”.模仿自然的形式是仿生的初级阶段,最终的仿生是要介入自然的进程,与自然共生.

②技术构成

人们建造建筑的过程,实际上表现为“人―建筑―环境”系统的行为过程,人们使用建筑并不是消耗建筑本身,而是用它来调节控制建筑以外的东西.仿生利用太阳能就是这样一种调解控制的手段,它赋予建筑若干“生物特性”,使建筑以整体有机的形态应用太阳能,从而成为生态系统的有机组成部分.

生物生理机能的实质是以多样化的生存方式,有机整体的主动适应、改善其生存的环境从而获得低能耗和低材耗.在建筑中通过材料的不同组合和空间变化来形成可调节的界面,要比单一材料截面拥有更多更复杂的应变方式.（如图7）.

③解析的意义人们营造建筑的一个直接目的,就是有

效的抵御和缓解外部气候的不利影响,保障生命,调节能量运行,从而生活的更美好.人离不开自然,建筑也不能离开自然.现今的能源问题、环境问题、甚至社会问题,都与人不同程度的离开自然有关.

从仿生角度解析的初衷是加深人们对利用太阳能的认识,转变研究、开发、利用太阳能的思路.太阳能是地球上任何一种生命赖以生存的能量来源和基础,地球因太阳而诞生,并只能依赖太阳而生存,利用太阳能不只是产更多的能,供人消耗,而是拉近人与自然的关系,赋予建筑以生命意义,促使建筑与自然共生,从根源上解除能源、环境问题,实现天人合一.

五、结语

通过建筑设计中太阳能利用的仿生解析,提出建筑――自然与社会能量网络体系中的结点,它不仅仅是人工构筑物,还是人双重属性――自然属性与社会属性的媒介,从而对整个生态系统起补偿、调节、维护的作用,而不再是能量传输、消耗的终端,促进人与自然的和谐,推进建筑的可持续发展.