阿布來提·卡德爾

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

試論仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)的應(yīng)用

阿布來提·卡德爾

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念已經(jīng)難以滿足社會的發(fā)展需求。仿生學(xué)是一門新興的多元化學(xué)科，并且對各行業(yè)的影響深遠(yuǎn)。在結(jié)合大量實(shí)際工程的基礎(chǔ)上使我們認(rèn)識到通過把仿生理念植入在橋梁設(shè)計(jì)上，不但能夠給橋梁設(shè)計(jì)增加創(chuàng)新能力，還解決了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的諸多問題。本文通過對仿生理念的認(rèn)識，科學(xué)的探討了它在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

仿生學(xué);橋梁設(shè)計(jì);創(chuàng)新設(shè)計(jì)

0 前言

對于橋梁工程師而言如何運(yùn)用最小資源設(shè)計(jì)出即安全合理又經(jīng)濟(jì)適用的橋梁一直是工程師不斷思考和追求的目標(biāo)。但是工程師想要達(dá)到這一目標(biāo)僅僅靠對前人經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。大自然是一切資源的創(chuàng)造者，經(jīng)過億萬年的不斷演化和發(fā)展，它已經(jīng)形成了科學(xué)的生態(tài)協(xié)調(diào)體系，是孕育一切知識的寶庫。這些知識對于實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。仿生學(xué)就是對這些知識進(jìn)行探討的學(xué)科。這門學(xué)科在社會的廣大領(lǐng)域發(fā)揮著積極地作用，同樣把仿生理念運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)中將會是橋梁設(shè)計(jì)的革命，會進(jìn)一步推動橋梁設(shè)計(jì)的科學(xué)發(fā)展。生物界中造型比較新穎、材料比較節(jié)省、造型結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特生物結(jié)構(gòu)都為橋梁設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的藍(lán)本。

1 橋梁設(shè)計(jì)中的仿生理念

許多工程建筑本身都是來自于自然，在自然界中都可以找到雛形，同樣橋梁的起源與大自然也有著相當(dāng)密切的關(guān)系，其實(shí)橋梁建筑本身就是在無形之中利用了仿生學(xué)的理念。人類在起初使用的是天然的橋梁，后來隨著人類文明的不斷進(jìn)步，人們又開始從自然界吸取養(yǎng)分建造自己的橋梁。在現(xiàn)代的橋梁結(jié)構(gòu)中，橋梁就是由整體和細(xì)部來構(gòu)成的。仿生學(xué)理念在橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，徹底打破了橋梁工程師固有的設(shè)計(jì)思維，為橋梁設(shè)計(jì)提供了全新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路。仿生學(xué)在不同的角度有著不同的分類，本文主要把仿生理念分為兩類即微觀的仿生與宏觀的仿生。宏觀仿生主要包括力學(xué)仿生、意向仿生和形態(tài)仿生，微觀仿生主要包括功能仿生、材料仿生和神經(jīng)仿生。宏觀與微觀的仿生是統(tǒng)一的主要體現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。宏觀的仿生設(shè)計(jì)注重形態(tài)，微觀的仿生設(shè)計(jì)注重功能機(jī)理。宏觀仿生設(shè)計(jì)也好，微觀仿生設(shè)計(jì)也好都會使橋梁由本來的非生命工程體向有生命特征的工程體轉(zhuǎn)變。

2 宏觀仿生在橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

2.1 形態(tài)仿生與概念設(shè)計(jì)

在對新型橋的探索過程中，設(shè)計(jì)者遇到了兩方面的問題，一方面是缺乏經(jīng)驗(yàn)，另一方面是在理論與實(shí)際之間有一定的差距存在，所以對自然界的精髓加以利用和吸收，能夠豐富設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作空間，設(shè)計(jì)出新穎、堅(jiān)固的橋梁。在自然界的萬物中普遍存在著這樣一個(gè)道理，它們都是以最小的材料和最科學(xué)的形式，取得了最佳的效果。這與可持續(xù)設(shè)計(jì)的理念有著共同之處。在著名的設(shè)計(jì)大師卡拉特拉瓦的作品中許多靈感的來源都是通過對自然界進(jìn)行觀察、對骨骼和植物形態(tài)進(jìn)行研究后獲得的。比較出名的有對牛頭進(jìn)行研究后設(shè)計(jì)的主跨189 m的拱橋盧西塔尼亞(Lusitania)橋，對人體的脊柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)出的跨度75米的坎波.博蘭廷(Campo Volantin)步行橋等。對此有人評價(jià)它從自然中找到了設(shè)計(jì)的靈感，有人則評價(jià)它的設(shè)計(jì)太過怪異，施工復(fù)雜，造價(jià)甚高;但他自己確認(rèn)為這些設(shè)計(jì)都是低科技的設(shè)計(jì)，建造過程中只是簡單地應(yīng)用了混凝土和鋼筋。自然界的萬物中有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都優(yōu)于人造構(gòu)造但不是所有的都能應(yīng)用到橋梁的設(shè)計(jì)之中。還必須在不斷地模仿之中進(jìn)行升華，在模仿的基礎(chǔ)上找到更加合理和可行的設(shè)計(jì)方案。

2.2 結(jié)構(gòu)仿生與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

自然界中萬物的精髓需要我們用開放的大腦和積極地研究去探索與發(fā)現(xiàn)，從而應(yīng)用于橋梁的設(shè)計(jì)與實(shí)用之中。結(jié)構(gòu)仿生也可以叫做力學(xué)仿生。主要研究自然界中生物體與各種物質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與優(yōu)良的力學(xué)性能，學(xué)以致用的把它應(yīng)用橋梁的設(shè)計(jì)中，建造出強(qiáng)度比較高，穩(wěn)定性能比較好而且用料比較節(jié)省的橋梁建筑體。每一個(gè)橋梁的創(chuàng)新都不是憑空而出的都是來源與對自然界的研究得出的，結(jié)合物種的發(fā)展史和橋梁的發(fā)展史我們不難發(fā)現(xiàn)物種在不斷進(jìn)化的過程之中，橋梁建筑也在不斷的更新以前的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不斷設(shè)計(jì)更新與自然界有著割舍不掉的關(guān)系。比如動物的骨骼、秸稈和竹子等都具有較好的抗折力和抗彎力，但是它們的共同特點(diǎn)是都有空心，這都是比較優(yōu)秀的抗力結(jié)構(gòu)。通過對它的研究人們造出了空心板和箱梁等空心截面。再比如蜂巢為六邊形網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，擁有容量大、耗材少和空隙率最低等優(yōu)勢。受蜂巢的影響我國當(dāng)前的懸索橋主纜截面按照六邊形網(wǎng)格布置。

2.3 意象仿生與橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)

自然界之美產(chǎn)常令人感嘆，那優(yōu)美山巒起伏的曲線，襯托著叢林淡妝濃墨的自然色彩，天空中翱翔的飛禽，平原上漫步的走獸，淺低滑行的魚蝦無不構(gòu)成了一幅生命體與自然界和諧的動人畫卷。生物領(lǐng)域多樣的色彩、強(qiáng)烈的質(zhì)感、多姿的形態(tài)和科學(xué)的比例成為了橋梁設(shè)計(jì)美學(xué)取之不盡，用之不絕的思想源泉。仿生設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)把自然美學(xué)應(yīng)用于設(shè)計(jì)的同時(shí)也賦予了橋梁新的生命象征，這符合現(xiàn)代社會人類的精神追求。把意象仿生應(yīng)用與橋梁設(shè)計(jì)能有效地提高它的文化性、情感性和社會性，一座橋梁設(shè)計(jì)的成功不是簡簡單單對力學(xué)和形態(tài)的仿生，意象仿生也起著很重要的作用。橋梁的設(shè)計(jì)師不應(yīng)只是一個(gè)計(jì)算者，還應(yīng)具有人文情懷。但是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)之中不能過分的注重造型的奇異而喪失了強(qiáng)梁設(shè)計(jì)本身的科學(xué)性，也不能過分的追求美觀在造成鋪張浪費(fèi)。注重橋梁設(shè)計(jì)的美觀效果不等同與追求奢華，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)引起注意。比如瑞士的薩爾吉納托峽谷橋就是一座相當(dāng)美麗的橋梁，但是它在建造時(shí)所采用的就是當(dāng)時(shí)最為節(jié)省的方案。

3 微觀仿生在橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

3.1 仿生材料與新功能橋梁

應(yīng)用材料的不斷進(jìn)步有力的推動了橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)設(shè)計(jì)工作完成之后，選用科學(xué)與合理的材料對于保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性具有重要的意義。材料仿生主要是對生物體的內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分進(jìn)行研究后，模仿改制而成的具有高韌性、高強(qiáng)度和高實(shí)用性為一體的新材料。自然界神秘而又巨大，是個(gè)囊括萬千的材料庫，等待著我們?nèi)ネ诰蚝脱芯?。在橋梁建筑中?jīng)常應(yīng)用的鋼筋混凝土就是來自于自然，它是根據(jù)對植物根部的觀察發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的。所以說橋梁的發(fā)展和所應(yīng)用的材料具有相當(dāng)重要的關(guān)系，橋梁設(shè)計(jì)的發(fā)展離不開材料的發(fā)展。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類對自然研究的不斷深入為橋梁設(shè)計(jì)開拓了新的天地。比如通過對貝殼的研究發(fā)現(xiàn)，貝殼所具有的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們一直沿用的水泥的抗拉強(qiáng)度。但是它的組成成分卻十分的簡單，5% 蛋白質(zhì)加上95% 的石灰石即可。這個(gè)事例告訴我們自然界有著工藝十分簡單、組成成分不復(fù)雜和對環(huán)境無污染的新型材料存在。大家都知道水對土木有相當(dāng)大的危害，如何對這種局面進(jìn)行控制一直是設(shè)計(jì)師頭疼的問題。但是我國吉林大學(xué)通過對蝴蝶的翅膀進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶翅膀的鱗片具有抗水性與自潔的功能。工程師可以把這一理念植入到橋梁的防水體系之中和關(guān)于對橋梁涂裝層材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)之中。所以仿生材料被不斷的發(fā)現(xiàn)與更替直接使橋梁的功能發(fā)生新的變化，一些新的，更先進(jìn)的功能性橋梁將不斷出現(xiàn)。

3.2 功能機(jī)理仿生與設(shè)計(jì)優(yōu)化

在功能的仿生的橋梁設(shè)計(jì)上我國處于比較薄弱的環(huán)節(jié)，但是功能仿生也是價(jià)值極高的重要項(xiàng)目，在整個(gè)仿生學(xué)的研究中占據(jù)著核心的地位。自然地的生物是鮮活的都有生命的，而橋梁則是巋然不動的無生命的，如何把有生命體的特征應(yīng)用到無生命體的工程中，是設(shè)計(jì)工作者一直研究的問題。功能仿生就是針對自然界的生長機(jī)理以及自然地生態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究并把它應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中的工作，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的節(jié)能化、新穎化和協(xié)調(diào)化，最終達(dá)到使無生命體達(dá)到有生命體的特性。對于動植物功能機(jī)理的研究我國已經(jīng)有了一定的歷史，比如通過對天空飛鳥翅膀的研究解決了飛機(jī)機(jī)翼的問題，對于蜻蜓翅膀上翅痣的研究有解決了飛機(jī)機(jī)翼顫振的問題。但是橋梁設(shè)計(jì)建筑的歷史并非一帆風(fēng)順，橋梁經(jīng)常受到自然災(zāi)害的侵襲，比如地震和風(fēng)力等就嚴(yán)重影響著橋梁的整體質(zhì)量。歐洲橋梁設(shè)計(jì)人員提出的流線型翼型斷面設(shè)計(jì)就是借助對魚稽和飛鳥的翅膀研究發(fā)現(xiàn)的。近年來隨著橋塔的不斷升高，橋梁跨度的不斷增大，橋梁工程面臨著空氣動力穩(wěn)定的嚴(yán)重問題。在生物界我們可以發(fā)現(xiàn)有些飛禽鳥獸在經(jīng)受巨大的風(fēng)暴或地震后任然能保持住原來的狀態(tài)，在相當(dāng)不利的條件下能得以存活。希望在未來橋梁工程設(shè)計(jì)中工程師能借助這些經(jīng)驗(yàn)增加橋梁的適應(yīng)災(zāi)害的能力和自身的調(diào)控能力。即橋梁本身能夠根據(jù)載重量的大小，變形性能的高低對遇到的自然災(zāi)害情況進(jìn)行自我控制與應(yīng)對。

3.3 神經(jīng)系統(tǒng)仿生與類生命橋梁

自然環(huán)境在不斷地變化之中，生物群體為適應(yīng)這一變化必須進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，只有調(diào)節(jié)才能生存。發(fā)生調(diào)解作用的就是動物和人的神經(jīng)系統(tǒng)。橋梁本身所處的環(huán)境也是隨著時(shí)間、季節(jié)和溫度在不斷變化著，所以橋要想能夠承受住外部環(huán)境只能依靠不斷地調(diào)解。通常在地震或者風(fēng)暴等天氣時(shí)只能被動抵抗，調(diào)控起來非常的不便。有些設(shè)計(jì)者認(rèn)為把橋梁的尺寸和重量加大可以有效避免風(fēng)雨地震的災(zāi)害，其實(shí)這是錯(cuò)誤的。這樣不但增大了對資源的浪費(fèi)，還不一定能取到了多大的作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)步使橋梁逐漸具備了神經(jīng)系統(tǒng)。比如在德國橋梁工程師巧妙的利用斜拉索的主動控制功能把火車在通過鐵路的橋梁時(shí)容易產(chǎn)生的不均勻撓度問題得以解決，把列車的走行性大幅度的進(jìn)行了提高。

4 結(jié)語

仿生學(xué)理念在橋梁設(shè)計(jì)上的成功運(yùn)用，開啟了橋梁設(shè)計(jì)新的大門。創(chuàng)意是無限的它推動了人類走向文明的進(jìn)程。自然是孕育創(chuàng)新的搖籃，我只要不斷的貼近自然、研究自然、利用自然才能實(shí)現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，才能提高人們的生活質(zhì)量。雖然仿生學(xué)理論在橋梁設(shè)計(jì)的應(yīng)用中還存在著一些問題，其作用發(fā)揮的還不是很明顯，但是隨著設(shè)計(jì)水平和材料技術(shù)的不斷提高仿生理念必然將會使橋梁設(shè)計(jì)邁入新的階段。

［1］胡楠.仿生方法在橋梁設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2010.

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2013-03-05