周翠芳

(山西省公路局太原分局勘測設(shè)計所，山西太原 030012)

進(jìn)入到21世紀(jì)以來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展，我國的公路交通行業(yè)也得到了非?？焖俚陌l(fā)展，其中橋梁在促進(jìn)我國城市發(fā)展的作用也越來越突出，而作為現(xiàn)代城市化建設(shè)過程中最主要的基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁工程還有很強(qiáng)的社會公共性，對其管理較為困難并且投資的規(guī)模也很大，而傳統(tǒng)的設(shè)計理念也已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代快速發(fā)展的社會需求了。作為一門新興的多元化學(xué)科，仿生學(xué)對我國公路交通行業(yè)也產(chǎn)生了較為深遠(yuǎn)的影響，在橋梁的設(shè)計工作中如果能夠較好的應(yīng)用仿生理念，那么就能夠很好的解決其設(shè)計過程中存在的種種問題，同時也大大的提升了橋梁設(shè)計方案的創(chuàng)新性。本文便對橋梁設(shè)計中的仿生理念、橋梁設(shè)計中微觀仿生的應(yīng)用分析以及橋梁設(shè)計中宏觀仿生的應(yīng)用分析3個方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，從而詳細(xì)的論述了仿生理念在我國橋梁工程設(shè)計工作中的應(yīng)用情況。

1 橋梁設(shè)計中的仿生理念

在我國的建筑行業(yè)中，有很多工程建筑的本身都是源于大自然的，在自然界中是可以找到建筑結(jié)構(gòu)的原始雛形的，而橋梁工程項目也是如此，其與大自然也是有著緊密聯(lián)系的，而從橋梁工程項目的建設(shè)實質(zhì)來看，實際上也是應(yīng)用了仿生學(xué)的理念。在我國剛有橋梁工程出現(xiàn)的時候，基本上我們所采用的都是天然的橋梁，而隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，人們才可以利用現(xiàn)代化的技術(shù)建設(shè)橋梁工程。通常情況下，橋梁的整體和細(xì)部兩大部分共同組成了橋梁的結(jié)構(gòu)，而如果在設(shè)計橋梁時能夠較好的應(yīng)用仿生理念，那么就可以創(chuàng)新橋梁工程的設(shè)計思路和設(shè)計方法。在這里我們將仿生學(xué)分為兩大類，即微觀的仿生和宏觀的仿生。而微觀的仿生又分為神經(jīng)仿生、材料仿生以及功能仿生等內(nèi)容，宏觀的仿生則包括形態(tài)仿生、意向仿生以及力學(xué)仿生等內(nèi)容，從整體上來看它們應(yīng)該是和諧統(tǒng)一的。無論是宏觀的仿生設(shè)計還是微觀的仿生設(shè)計，應(yīng)用仿生理念進(jìn)行橋梁設(shè)計工作的實質(zhì)就是促使其從原本的非生命工程體逐步的轉(zhuǎn)向成為有生命特征的工程體，只不過宏觀的仿生更注重形態(tài)的設(shè)計工作，而微觀的仿生則更注重功能的設(shè)計工作。

2 橋梁設(shè)計中微觀仿生的應(yīng)用分析

1)功能機(jī)理仿生與設(shè)計優(yōu)化。在對橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，功能仿生一直是薄弱環(huán)節(jié)，而這也是設(shè)計過程中起重要作用的一個環(huán)節(jié)，在仿生學(xué)的研究過程中也占有重要的地位。自然界的生物都是具有生命的，而橋梁工程卻是無生命特征的，那么怎樣在無生命特征的工程中應(yīng)用有生命體的特征。也是我們長久以來一直關(guān)注的問題。而功能仿生工作則是在研究自然界的生態(tài)規(guī)律和生長機(jī)理的基礎(chǔ)上，將研究的成果應(yīng)用到建筑項目的設(shè)計工作中，不但達(dá)到了從無生命體向有生命體的轉(zhuǎn)變，也保證了建筑結(jié)構(gòu)的新穎性和節(jié)能性。在我國進(jìn)行這類課題的研究工作已經(jīng)有一段時間了，并且取得了一定的成績，比如說通過研究蜻蜓翅膀上的翅痣，有效的解決了飛機(jī)機(jī)翼顫振這一問題;而通過研究天空飛鳥的翅膀，有效的解決了飛機(jī)機(jī)翼的問題。當(dāng)然研究的進(jìn)程肯定不是一帆風(fēng)順的，橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量會受到風(fēng)力和地震等自然災(zāi)害的破壞，而隨著我國橋梁工程項目跨度越來越大，我們所面臨的最主要問題就是空氣動力穩(wěn)定問題。因此，接下來在功能機(jī)理仿生這一課題中，我們應(yīng)重點(diǎn)研究如何提高橋梁的調(diào)控能力和適應(yīng)自然災(zāi)害的能力，當(dāng)自然災(zāi)害到來時，橋梁可以通過自身結(jié)構(gòu)的變形程度和載重量的變化情況，進(jìn)行自我的預(yù)防和控制。

2)仿生材料與新功能橋梁。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，相繼出現(xiàn)了多種新型的材料，對于保證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性有著非常重要的意義。所謂的材料仿生是指在充分研究生物體內(nèi)部化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模仿制造出具有較高實用性、強(qiáng)度和韌性的新型材料。自然界中的材料種類成千上萬，只要我們大力的研究和探索，就一定能研發(fā)出性能更佳的施工材料。舉例來說，我們都很熟悉的鋼筋混凝土材料就來源于自然，其是在觀察植物根部時發(fā)現(xiàn)并開始逐步應(yīng)用的。在現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)水平不斷進(jìn)步的大背景下，行業(yè)中也出現(xiàn)了很多的新型材料。在研究貝殼時我們發(fā)現(xiàn)，其抗拉強(qiáng)度要比水泥的抗拉強(qiáng)度高幾百倍，而其組成的原料卻只有95%的石灰石和5%的蛋白質(zhì)兩種，可見，自然界中還有著眾多的結(jié)構(gòu)簡單并且不對環(huán)境產(chǎn)生影響的新型材料。因此，在橋梁工程的設(shè)計過程中，設(shè)計師們將不斷應(yīng)用新型的仿生材料，這些材料的應(yīng)用也將大大提升橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能。

3 橋梁設(shè)計中宏觀仿生的應(yīng)用分析

1)結(jié)構(gòu)仿生與創(chuàng)新設(shè)計。要想準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)自然界中萬物的精髓，那么我們就必須大膽的創(chuàng)新，同時不斷進(jìn)行研究和探索，并且將研究的成果逐步應(yīng)用到橋梁工程的設(shè)計工作中。結(jié)構(gòu)仿生也就是力學(xué)仿生，其研究的重點(diǎn)為自然界中的各種物質(zhì)和生物體的力學(xué)性能和精細(xì)結(jié)構(gòu)，如果能夠?qū)⒂幸娴难芯績?nèi)容應(yīng)用到設(shè)計工作中，那么就能夠大幅度的提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。而我們所提倡的大膽創(chuàng)新并不是憑空想象，而是要在認(rèn)真總結(jié)物種發(fā)展史和橋梁發(fā)展史的基礎(chǔ)上得出，橋梁工程的設(shè)計結(jié)構(gòu)在不斷更新，在更新過程中其與自然界是密切相關(guān)的。舉例來說，竹子、秸稈以及動物的骨骼的共同優(yōu)點(diǎn)是都有較強(qiáng)的抗彎力和抗折力，并且它們也都是空心的，而以此為基礎(chǔ)人們就相繼的研究出了箱梁和空心板等空心截面，大大提升橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能。

2)形態(tài)仿生與概念設(shè)計。在探索和研究新型橋梁結(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計師們經(jīng)常會遇到兩類問題，其一是理論知識與實際的應(yīng)用情況有著較大的差異，而另一個問題則是設(shè)計師們的設(shè)計經(jīng)驗還不是十分豐富，因此，要想進(jìn)一步豐富設(shè)計師們的創(chuàng)作空間，設(shè)計出更具適應(yīng)性和創(chuàng)新性的方案，那么就必須不斷吸收和利用自然界的精髓。在自然界的很多事物中，我們發(fā)現(xiàn)它們都能夠用最科學(xué)的形式和最節(jié)省的材料得到最佳的應(yīng)用效果，而這實際上就是可持續(xù)設(shè)計理念的內(nèi)涵?？ɡ乩呤鞘澜缟戏浅Ｓ忻慕ㄖO(shè)計師，其很多素材的靈感來源都是自然界中的事物，比如說其設(shè)計的坎波博蘭廷步行橋，跨度達(dá)到75 m，而這就是在觀察人體脊柱結(jié)構(gòu)后所得到的靈感，另外還有其設(shè)計的主跨為190 m的盧西塔尼亞拱橋，就是在對牛頭進(jìn)行研究的過程中得到靈感的。當(dāng)然針對他的這些設(shè)計方法，評論也是褒貶不一，有人認(rèn)為其設(shè)計太過怪異，并且成本太高;有人也稱贊他能夠從自然界中找到靈感，作品也具有創(chuàng)新性，而他自己卻認(rèn)為這些作品在建造的過程中只需應(yīng)用鋼筋和混凝土就可以了。自然界中有太多事物的機(jī)構(gòu)和功能都是優(yōu)于人造事物的，但是卻無法將它們都應(yīng)用到橋梁的設(shè)計工作中，我們應(yīng)在模仿自然界中事物的基礎(chǔ)上進(jìn)行升華，從而選擇最為經(jīng)濟(jì)可行并且最合理的設(shè)計方案。

通過以上的論述，我們對橋梁設(shè)計中的仿生理念、橋梁設(shè)計中微觀仿生的應(yīng)用分析以及橋梁設(shè)計中宏觀仿生的應(yīng)用分析3個方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討。在橋梁工程的設(shè)計過程中應(yīng)用仿生理念，對整個橋梁行業(yè)無疑起到了非常重要的推動作用。自然界是孕育萬物的搖籃，而在今后橋梁工程的設(shè)計過程中，我們應(yīng)充分的研究自然并貼近自然，面對著橋梁設(shè)計工作中應(yīng)用仿生理念時存在的幾大問題，我們針對其原因應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真的分析并制定出妥善的解決措施，利用自然實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，從而真正的提升廣大人民群眾的生活水平。

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