自然系统的形态和功能有着强烈的适应能力。无论是小到细胞，大到器官组织，甚至生态社区，在与建筑的对比中，都可以看到其功能和形态可以使得建成环境更加具有协调性。在类比学的基础上，复制生态系统功能和相关的仿生学研究都被赋予了高度评价。通过这样的举动可以使得建筑学更加整合和达到某种平衡：就像复杂的功能通过半渗透的皮肤，无缝的整合在一起。

序章

举个例子，青蛙的形态、皮肤和它的腮所持有的水平衡都可以作为借鉴的对象。

比如你没喂好蛙，那它生气的样子就是这样子的：

Government Center in Boston

比如你只想看看蛙的爪子，那么它会是这样的形态，层层连接

Blue Frog Restaurant & Bar 

或者它某天进化成有腮巨兽了就变成了这个样子

Kunsthaus Graz, Peter Cook

那么这些是仿生学吗？如果只是停留在形态表面，那么这样的仿生学只有模仿意义，我们研究仿生学，不仅仅是形态的模拟，还是功能的效仿和生物系统的深化借鉴。是研究生物表皮如何进行物质交换、如何随着季节变化进行更替、如何在不同环境里平衡内在系统。比起研究形态，交流（communicating）、平衡（balance）和调节（regulation）将更为重要。

比如peter cook的这个巨大外星人，它本身表皮也是可以进行调节的。这种调节可以使得和周边环境更好地进行交流。

Kunsthaus Graz, Peter Cook

回到青蛙，其实青蛙有个非常重要的研究方向——水平衡，而这一特质在沙漠或干燥地区是非常重要的设计概念。对腮的模拟可以让建筑能够有一定的蓄水作用。这样的表皮可以为建筑提供更多的中水。

Design by Ilaria Mazzoleni in collaboration with Shauna Price

这样的仿生学就被赋予了更多的意义，让建筑本身也能收集更多的露水和雨水作为灌溉使用。

仿生学

在前面的文章里提到过，仿生学对于建筑学充满了意义，从建筑细部到建筑结构，甚至城市规划都可以参考自然演变和自然形态，从而在自然界经验里寻找更为平衡更具可变性的建筑学意义。而仿生学这一词BIOMIMETIC，本身含义就是biology + technology 生态和科技的结合体（Otto H.Schmitt, 1960）。但是那时的仿生学还停留在单纯的形态意义（morphological）的模仿，而功能意义的模仿则被很大的忽视。

美国概念设计师John Dickenson作品，银河护卫队2孢子星球

实际上，自然系统的存在是动态的，流动的以及不停转换的（dynamic, in flux and in constant transformation）多样性、平衡性以及丰富性都是自然界可贵的元素。所以建筑学里建筑表皮（envelopes）和他们的功能性连接是最为接近仿生学的方向。在这里，表皮某种意义上就是建筑的皮肤（skin），建筑的界面（interface），它允许建筑内外的交换，不同方向、不同规模、不同时间框架。同样的，建筑表皮也给予了建筑使用者一个和环境因素交换的介质，就像天气、声音以及阳光。自然界的弹性（resilience）可以使得生态建筑更加长久。而动植物的很多特性也能为设计提供帮助：骨骼的（skeletal），循环的（circulatory），免疫的（immune）， 消化的（digestive），交流的（communication），感官的（sensory）

另外，回到最初意义上的仿生学，因为自然界的和谐存在，这样的建筑也符合生态美学的要求。只是回归到功能模仿之后，建筑可以更好的实现交流、实现物质转换，实现可变性和动态变换。而科技手段的进步，也使得人类可以驾驭许多仿生科技。所以建筑不再仅仅是庇护所或者某种表达，而可以真正的为居住者(inhabitants)提供应对环境压力的能力和增加建成环境的舒适性。而且，仿生学的概念是建立在多学科之上的，不仅是建筑师发挥作用，工程师，设备师甚至生物学家都会加入的合作之中。

自然启示建筑

从历史而言，建筑就和自然环境有密切的接触。古代居住的建筑被用于保护人类免受自然危害。最初的古希腊建筑就把对于自然的崇拜刻在他们的柱子装饰和神庙上。随后，自然界的更多特征和形态被人们所了解，给予人类启发。也提供机会使得人造的建筑环境和自然能够更和谐的相处。即使之前都是符号化和形而上学的模仿，但到了Leonardo da Vinci（达芬奇），就从对建筑的观察上升到应用。他也是仿生学的先锋之一。而动植物学的发展，以及大量的发现比如Alexander von Humbolt就对中南美进行了考察，并画了详细的细节画。这一系列的生物发现和艺术家的绘制，使得仿生学有了足够的生物基础。而到了十九世纪，工程学的发展使得许多生态结构被应用到了装置和机器上。使得机器人越来越像生物器官。

在二十世纪初，Frank Lloyd Wright将他的事业重点放在了自然上。他认为自己是有机建筑的煽动者。在他的有机建筑（1939）一书中，他认为每个建筑不仅仅应该从周围环境自然生长出来，还应该是一个无止境的器官，它的每一部分都关联至其他部分，就像自然里的生态系统一般。

The Villa Mairea built by Alvar Aalto

在1939建成的Villa Mairea是一个很好的例子。在这里自然影响了建筑的生成。周边的森林元素作为一个驱使因素作用于内部空间。这些无规律排布的柱子就如同模仿了自然界的多样性和自然之美，无论是材料还是形态。就像Alto所说，自然是自由的象征。在那个年代，同样关注自然的建筑师还有Buckminster Fuller, Jean Prouve(代表作Maison Tropical)，他们一个强调人与自然互动，另一个强调了预构造和光线。另外，普林茨克奖得主Frei Otto也关注于自然而生的建筑。他的贡献到现在依然在最小表皮和复杂结构上具有统治地位。而日本建筑师Kenzo Tange的胶囊塔也是一个可变性和生长的重要代表。（虽然在现在来看这个建筑的后续使用并不尽人意，只能说属于一个时代的实验性建筑）。而1917年的书籍On Growth and Form也对建筑师起到了很大的启发。

Maison Tropical by Jean Prouve

这样的形态类和材料的模仿在早期被大量应用在建筑上。当时的仿生建筑更多的还是停留在形态form之上。例如1998年建成的位于葡萄牙里斯本的车站，是卡拉特拉瓦仿生建筑设计体系的开端。

这个车站的底部是截面为方形的钢柱，向上如同树一般分成若干枝干，而这些枝干又分出更多的支干。它们相互配合，共同构成了菱形平面的玻璃屋顶。而这些钢架和屋顶共同构成了钢之森林。

“A building should be designed so as to minimize the use of new resources and, at the end of its life, to form the resources for other architecture.”

---Robert & Brenda Vale

在气候变换日益增加的今天，仿生学建筑也可以看作为长期的，可持续性的应对策略。在生物多样性被环境破坏而削减的今天，建筑某种意义上应该起到平衡和增加多样性的作用。例如新加坡皮克林宾乐雅酒店，即模仿了岩层。这种悬挑的空中花园，既是天然岩石般的展现，又起到遮阳和增加绿化的作用。

再比如种树达人藤本壮介大人的这个建筑，概念居然也是扯上了松果，建筑师在设计中考量了当地市民的传统生活，让建筑如同一棵树一般可以依靠当地的自然资源进行运作，大大减少能耗。这种被动式节能的方式，一定程度上既可以增加舒适性，又能达到节能减排的作用。

而数字化技术和评估手段的发展也有利于仿生建筑的预防性测试、方法论实现性和建筑形态的迭代。例如在伦敦的维多利亚和阿尔伯特（V&A）博物馆的装置艺术——翅羽丝会馆，即为模仿鞘翅目昆虫、前翅外壳的纤维结构。而这种轻质结构的制作和拼接，都是由数字化技术进行缠绕。

无独有偶，斯图加特大学也模仿了甲壳虫外壳做了这样一个空间结构。这是建筑师和生物学家的合作，利用虫子的3D模型来开发机器人的数字建造工艺，用于创作模块化的双层纤维复合结构，有效减轻所需要的模板。

相比之下，其大学的另一件作品则是模仿了动物的行为——水蜘蛛建巢的方式。在机械臂的帮助下，这样的轻质纤维材料可以很好地进行塑形

http://www.gooood.hk/icd-itke-pavilion-2015.htm

这样的仿生结构或多或少地应用了生物的某种特性，而这种特性自然有其在生物圈里能够存活的保证，故吸取了生物的长处。

而仿生系统的整合，从内外介质交换最激烈的外表皮（envelope）开始，连接外部的自然环境和内部的人体舒适度，以应对不同的气候和环境准则。

生物导向的建筑实际上是在恢复（revitalizing）、改进（revamping）、重新使用（reinventing）现存的环境。所以建筑不应该仅仅是单独个体，而应该是整个环境集合里的元素，和大型生态网络里的一个单元体。所以我们关注仿生建筑也是寻求一种平衡（equilibrium）而整体化的工作并不意味着我们不考虑一步一步的过程性设计，也是需要层级方案去解决主要问题，譬如气候设计准则（方向、程序、空间划分）、外表皮和被动式设计（performative、参数化可适应性的外表皮、热动力准则以及高新材料）、主动式（建筑系统设计）和生成系统（可更新能源）

方法论上，除了贴近自然的仿生设计、被动式节能设计，数字化建造技术等等，还有 Tom Wiscombe 的 自然涌现系统（emergent behavior），是将透明度、色彩、深度等等都融入建筑的生成体系里。

这样的方式在很多智能建筑都有应用。譬如引入自然生长的L-system的multi-agents生长，都能产生丰富的建筑形态。

Studio Roland snooks, NGV Pavilion, National Gallery of Victoria, Melbourne, 2016

Evoking through Design: Contemporary Moods in Architecture

应用

1）  交流

动物的交流是日常发生的，无论是声音、味道、颜色还是姿势。动物避免天敌也常常使用颜色作为伪装，同样，颜色也用在求偶、宣扬领土等等。建筑也可以通过其形象、高度、外立面的透明度、伪装等等去表达建筑的交流。

The federal environment agency, Dessau, 2005

就颜色而言，Sauerbruch Hutton Architects事务所常常使用颜色作为彰显个性的建筑外表皮。这种非常明显的区别性可以很大程度提高建筑的可识别性和辨识度。而作为对比，Emilio Ambasz 的建筑则常常归隐于大地。将自己伪装起来，仿佛与自然融为一体。

Step Garden, Emilio Ambasz, 1994

这些都可以看作是建筑对外交流的手段。但在颜色的基础上，建筑表皮也是色彩交流的重要元素。我们仔细研究蝴蝶的表皮颜色，就会发现不同角度会影响颜色的表达。将蝴蝶的表皮放大，可以看到它是由非常多层组成。这些层的厚度不同也使得蝴蝶看起来缤纷多彩。同时，蝴蝶翅膀在闪动变化的时候也会影响光的折射，不同折射程度也会使得颜色发生改变。

这样的结构很容易被建筑借鉴并发挥作用。利用这样结构的折射可以保持建筑内的热平衡，同时也避免对外界造成光污染。

CENTER FOR ARCHITECTURE SCIENCE AND ECOLOGY | SOM

Project by Benedetta Frati and Nir Zarfaty

再比如鸟类的羽毛，除了充满色彩（用来求偶）、轻盈（便于飞行）、有弹性还具有保暖性。这样多方位的应用当然也可以被建筑师进行借鉴。

特别是对于建筑结构来说，如羽毛般的外部结构可以非常适用于遮阳调节。轻盈的外立面可以使得建筑不那么沉重，同时也方便façade进行调节。

all images © shawn liu studio

GREEN CLINICAL PAVILION, SAN ANTONIO, TX

Project by Alina Amiri and Joanna-Maria Helinurm

实际上，动物外表皮可以给予建筑表皮非常多的启示和灵感。利用不同的特征可以为建筑提供动态变化的、平衡的、适应环境的表皮结构。

比如海蛞蝓（海兔）elysia crispata，它的表皮就涉及到“差分网格增长”（DIFFERENTIAL MESH GROWTH）和不等生长（DIFFERENTIAL GROWTH）这一概念。这个概念我们后面可以再开专题进行讲解，UCL的BIO-LAB研究过许多这类的实验。这里我只简单提及一下。属于一种生物迭代现象。

这一个概念下的产品设计

book- Architecture Follows Nature

当然，除了形体可以有参照性，本身这样的结构可以用于生成生物能以达到节能的作用。模拟这种结构，我们可以做出这样的建筑来。这个建筑可谓是生物能的接收器，能够将太阳能、潮汐能等能量储存起来。

热平衡和保护

动物表皮和内在系统很大程度上是为了维持动物内部的热平衡。而建筑作为人使用的空间也是需要保存热能和提供舒适的生活环境。那么通过研究生物结构和表皮，也可以真正提供友好的建筑使用环境。

Designed by Yuan Yuan and Juan San Pedro

比如存在在热带区域的蜥蜴，它会尽可能地避开阳光，同时它的表皮也是为了可以减少沙漠的热量可以进行调节。它的这些行为都可以为沙漠地区建筑行为和表皮提供思路。

而在寒冷地区则相反，需要进行大量的储热，那么模仿海葵对温度的储存方式，可以进行建筑储能的模拟，减少热量散失和内部热循环。

另外动物表皮和建筑表皮都是有保护的作用，为使用者提供安全保障。比如穿山甲，其坚硬的外壳可以为其提供足够的保护。建筑来说，也可以为其提供日晒等保证，散热、储热也能模仿加壳开闭一样进行适应性变化。

比如曾在世博展出过的这个建筑，它的可变性表皮可以遮蔽、转换、调节、过滤阳光辐射。并且同时可以屏蔽污染。

Ecological Boulevard for a social and bioclimatically conditioned public space

Design Build Studio - University of Arizona

好了，本期的仿生学就讲到这里。喜欢的朋友还可以点进以往的文章看智能建筑的应用。

参考书籍