仿生学建筑论文

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

建筑仿生已成为一种新时代潮流，也是建筑文化的新课题。为了启发建筑合理创新，以及使城市环境达到生态平衡和持续发展，建筑仿生学是一种重要手段。从人与自然界的关系来说，建筑可谓是人的第3层皮肤 (第1层是人的自身皮肤，第2层是衣服)，它是人与自然界之间的中介，如何使建筑能适应环境的自然规律，又能适合人类不断发展的需要，这的确是现代文明所提出的新课题。正因为如此，有效寻找和利用自然界生物的成长规律来适应人类社会发展对建筑的需要，这就是建筑仿生学的主要任务。定选题和大概的题目： 毕设导学课01丨环艺景观毕业设计都可以选哪些题目呢？ 毕设导学课02丨环艺景观毕业设计选题有哪些注意事项？毕设论文查重查什么？ 毕设导学课03丨环艺景观毕业设计题目怎么起？

建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面：城市环境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，组织结构仿生。当然，往往会出现综合性的仿生应用，形成一种城市与建筑的仿生整体。===在城市环境仿生方面====早在1853年时，巴黎塞纳区行政长官欧思曼(G.E.Haussmann)为了执行法国皇帝拿破仑第三的巴黎建设计划，曾对巴黎市区进行了大规模的改建，它不仅要表示对帝国首都的赞美，而且要在城市结构功能上进行改善，使城市交通、环境绿化、居住水平都达到一个新的境界。为了实现这一理想，他的巴黎改建规划在某种程度上就是模拟了人的生态系统而进行规划设计的。例如当时在巴黎东、西郊规划建设的两座森林公园，东郊维星斯公园和西郊布伦公园的巨大绿化面积，就象征着人的两肺，环形绿化带与赛纳河就象是人的呼吸管道，这样就使新鲜空气可以输入城市的各个区域。市区内环形和放射的各种主干与次要道路网就象是人的血管系统，使血流能够循环畅通。这种城市环境仿生思想，不仅在当时已起到了积极的作用，解决了困扰巴黎的城市交通与环境美化问题，使巴黎在世界上成为城市改建的成功范例，而且城市环境仿生理论今后仍然值得借鉴和完善。1950年，法国建筑师勒·科布西埃在设计法国孚日山区的朗香圣母院期间，一枚蟹壳给了他无穷灵感。他选择了与以往任何设计作品都不同的屋顶样式。该屋顶各边都像壳一样向上弯曲，在壳易碎的超薄材料里蕴藏着自然力和坚韧性。芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅的高层公寓(1958—1962)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。又如勒·柯布西耶在1950—1955年间设计建造的法国朗香教堂的平面就是模拟人的耳朵，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷。正是因其平面具有超现实的功能，以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。类似的情况还有许多，比较著名的如1960—1963年夏朗(Hans Scharoun)在柏林设计建造的爱乐音乐厅内部空间则是仿自乐器内部空间共鸣的效果而建造了这一复杂奇特的形体。1966年由丹下健三在日本山梨县建成的文化会馆是一座新陈代谢派的著名作品，它的平面组合就是仿照植物新陈代谢的功能，设计了一个个垂直的圆形交通塔，内为电梯、楼梯与各种服务设施，所有办公空间则建立其间，这样可以根据需要不断扩建或减少。 ====建筑形式的仿生则最为常见====它不仅可以取得新颖的造型，而且往往也能为发挥新结构体系的作用创造出非凡的效果。最早应用仿生形式的近代建筑师是西班牙人高迪(Antonio Gaudi)，他在巴塞罗纳设计了许多带有明显动物骨骼形式的公寓建筑，隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说。例如1904-1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是如此。埃罗·萨里宁(Eero Saarinen)于1958年所作的美国耶鲁大学冰球馆形如海龟，1961年所作的纽约环球航空公司航站楼形如飞鸟，也都是举世瞩目的例子。在1964年丹下健三在东京建造的奥运会游泳馆与球类比赛馆，利用悬索结构仿贝壳体形，使功能、结构与造型达到有机结合，令人耳目一新，成为建筑艺术作品的优秀范例。赖特是一位善于结合自然环境的建筑师，他在1944年设计建造的威斯康星州雅可布斯别墅，就是把住宅仿照地面菌菇类植物进行设计的，给人以自然的形态，达到和环境融为一体的境界。此外，又如萨巴(Fariburz Sahba)在1975—1987年建成的印度德里的母亲庙(Mother Temple)则是仿自一朵荷花的造型，它表达了圣洁与优美的形象，成为周围环境的主要标志。 ===在结构仿生方面====1947—1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利(Nervi and Bartoli)设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽93.6m，长75m。奈尔维和维特罗西(A.Vitelozzi)于1957年建造的罗马奥运会小体育宫，半圆形弯顶直径60m，内部采用了钢筋混凝土网格的结构系统，就是受葵花的启发，不仅用材经济，受力合理，而且创造了内部装饰新颖的效果。小体育宫的外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示，创造了一圈丫形支撑体系，使空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美的统一。1960年奈尔维又建成了罗马奥运会的大体育宫，半圆形弯顶直径达到98.4m，可容纳16000观众，内部采用放射形拱肋的构造形式支撑着上部的混凝土弯顶，顶厚只有6cm。同部看去既象一朵花，也象是密密麻麻的叶脉网，成功地使现代技术与使用功能、装饰艺术达到有机的结合。对比公元120—124年建成的罗马万神庙，半圆形弯顶直径为43.2m，混凝土厚度则为1.2m，这充分说明了建筑技术运用仿生原理所取得的巨大进步。奈尔维既是一位闻名遐迩的结构工程师，也是一位卓越的建筑师，他的创造性在很大程度上就是得益于向自然界学习。 美国结构工程师富勒(Buckminster Fuller)是另一位有创造性的人物。他从自然界中的结晶体与蜂窝的棱形结构中获得启示，创造了一系列惊人的大空间结构作品。1958年他在美国巴吞鲁日(Baton Rouge，LA)建造的联合油罐车公司的巨大弯顶，直径达115.2m，就是应用晶体结构的原理建造的。1967年富勒和塞道(Fuller and Sadao)一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆，是一座球体建筑，在当时展览会上极为引人注目。他很可能是模拟一种深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构，创造了立体网架的短线弯窿，高度达60m，直径为76.2m，弯窿外部用塑料敷贴，并可启闭，夜间灯光照亮，通体透明，犹如星球落地。 纽约环球航空公司航站楼不仅是外形仿生的著名作品，而且埃罗·萨里宁还和威廉·加德纳(William Gardner)在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则由下部的丫形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。航站楼应用这种结构肌理不仅解决了自由曲线造型的难点，而且在结构与形式上又能达到有机的融合，这是值得建筑师们注意的。并不需为了建筑的某种造型就一定要牺牲结构的合理性，相反，有机的结构与新颖的形式可以相互共生。 德国结构工程师奥托(Frei Otto)于1967年在加拿大蒙特利尔国际博览会上建造的德国馆，象一群帐篷式的建筑物，这是用网索结构仿蜘蛛网形的支撑体系，上面用塑料面层覆盖，造型非常特殊，它可以有利于作为临时性建筑的装卸。1972年的慕尼黑奥运会的体育场馆也运用了这一结构形式。由于他善于使用这种结构类型，因此也有人称他为“蜘蛛人”。这种蛛网形的网索结构后来还发展为帆布张力结构系统，与帐篷形式更为接近。 其实，建筑师中也不乏在结构上应用仿生的例子，勒·柯布西耶早年大量使用的鸡腿柱和框架悬挑的结构系统无疑是从动物腿骨支撑所得到的启示，1931年他在巴黎附近波依西(Poissy)建造的萨伏伊别墅(Villa Savoye)就是这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。 赖特是众所周知的建筑大师，他早年曾攻读过结构专业，因此能在建筑造型与结构体系的融合方面运用自如。1950年他设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司试验楼(Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc.)就是仿树状结构特点，把主要支承结构放在建筑中央，四周楼板悬挑，外表形成幕墙，取得了新颖效果。应用同样原理，赖特在1956年还大胆设想了1英里高的摩天楼方案。 在结构仿生方面，最值得称颂的还是后起之秀，年轻的西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)。他于1951年出生在西班牙的巴伦西亚，曾在当地的建筑学院建筑学专业毕业，后人瑞士苏黎世大学土木系学习结构工程，毕业后又于1981年获该校建筑系技术科学博士学位。他的博士论文题是“结构的可折叠性”。毕业后他留居瑞士开业，继续致力于折叠结构与仿生结构的实践，他观察狗的骨架和腿的活动支撑，已作出了许多可喜的成就。他在1983年建造的瑞士卢塞恩市邮局前的大雨蓬就是最早应用活动关节的实践。1986—1987年他在巴塞尔市一座中世纪古建筑的改建中，将咖啡厅上的天花钢梁架做成仿动物骨架的自由曲线，既有着新颖的观赏效果，又能符合受力的特性，是一种大胆的尝试。此后，他在1987年为加拿大多伦多市建造的BCE文化广场大厦，创造性地模仿了树干分叉的生长肌理，设计了两边的支柱与顶栅的弧形肋架，取得了非凡的艺术效果。1991—1992年他在西班牙的塞维利亚1992年国际博览会为科威特设计的展览馆，其屋顶是可自由启闭的结构，模拟着动物关节的自由运动。夜间屋顶肋架敞开，下面平台上便可进行露天的各种活动，它不仅在结构与功能上能够有机结合，而且也给人以无限的遐想。1989—1993年他在为法国里昂塞托拉斯机场(Satolas Airport)附近的铁路车站设计建造中，完全应用了动物骨架的结构原理，充分发挥了节省材料提高效能的特性，并且造型新颖，令人刮目。此外，他还为1992年巴塞罗纳奥运会设计建造最有标志性的电讯塔，也是吸取了植物干茎自由平衡的形态而获得新颖构思的。

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悉尼歌剧院。

1.从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2.从萤火虫到人工冷光； 3.电鱼与伏特电池； 4.水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 5.人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6.根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7.模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8.根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9.现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10.屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11.船桨模仿的是鸭的蹼。 12.锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13.苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14.嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15.壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16.贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。 17.树叶的排列和悉尼大剧院的建设。 18.潜水艇和鱼的沉浮。 19.响尾蛇能感知附近动物的体温而准确捕获猎物和红外制导空对空响尾蛇导弹。 20.人们根据章鱼发明烟雾弹。 21.根据蛋壳发现拱形的承受力量。 22.飞机飞行时产生的剧烈抖动是根据蜻蜓改善的。 23.变色衣服是学习蝴蝶上的鳞片。 24.防水衣服是仿荷叶造的。 25.鼠标是仿老鼠的。 26.从长颈鹿将血液通过长长的颈从到头部中得到启示，设计出特殊的器械，使宇航员在失重状态下，体内的血液也能正常输送到离心脏较远的下肢。 27.从鲸特殊的形体“流线体”得到启示，改进了船体设计，提高了航行速度。 28.模仿袋鼠跳跃，发明越野车。 29.模仿某些贝壳制成外壳坚硬的坦克。 30.从鱼类在水中自由升降得到启示，发明了潜水艇。 31.模仿袋鼠的育儿袋，发明了育儿箱。 32.根据蝴蝶发明了迷彩服。