生态建筑第三版：材料仿生设计领域的最新成果

自然界的生物提供了丰富多彩的自然材料，经过长时期的进化，这些材料具有卓越的物理和化学性能，各种生物发挥与生俱来的生存本领，高效低耗地发挥着这些材料的特性。对生物体用材的模仿，包括了材料形式上的模仿和材料性能上的模仿，能够减少建筑经济消耗、降低建材使用量、提升建筑性能和环境亲和力、塑造新颖的建筑形象。

（1）材料形式仿生。

蜂巢具有非常明确的几何形态，单格巢房平面呈正六边形，整体却并非正六棱柱体，而是底部为等边三菱锥体，体积均为0.25m3，巢房彼此间紧密排列，组合平面见图6-53，两面巢房的三棱锥底部正好吻合而重叠，用以增大承受力。六边形的蜂巢既保证了平面组织的紧凑，便于组合，没有多余死角的浪费，又比正方形、三角形等的边长更为经济，在保证相同面积的前提下，六边形的面积是三者中最大的。可以说蜜蜂采用了最经济、高效的方式制造蜂房。同样，六边形平面运用于建筑，在相同面积的前提下，六边形建筑的外墙少，减少墙体的热交换，室内温度相对平稳，节约了能耗，且产生不同于平常四边形的空间形态。

图6-53　蜂巢平面、轴测及透视图

（a）正面图；（b）蜂巢六棱柱单元示意；（c）剖面图

我国唐璞先生早在20世纪80年代初期就开始对六边形结构在住宅中的运用进行研究，称之为“工业化的蜂窝原件的组合体”，图6-54为住宅平面的几种组合方式，该建筑呈现严整的蜂窝状六边形组合平面形态。它存在下列几个优点：①隔声方面，由于该体系的相邻房间为六边形的一边，较普通四边形房减少1/3～2/3，需要相对较少的隔声材料；②采光方面，六面体多面采光，可开设多个采光口，反光次数多，提高了住宅的采光效果；③通风方面，六边形房间夹角为120°钝角，气流轨迹平直通畅，相较于四边形房间的90°角，不易产生涡流；④朝向方面，六边形的平面提供了更灵活的朝向选择。可见蜂窝形住宅具有多种高效的作用，尤其在可持续发展建筑观相当受重视的今天，蜂窝住宅基于六边形的设计理念十分有参考意义。

图6-54　蜂窝住宅平面［72］

球形是自然界另一种大量出现的形式，许多鸟类和昆虫都采用球形巢穴，不仅在相同居住空间的情况下，较为节约材料，而且符合以动物体为中心，环绕四周进行活动的建造过程，节约了时间，以最少的材料、最短的时间打造最大的栖身之所。

建筑师尤金·崔设计的沃塑中心国际学校模仿球形巢穴，学校由5个木质的8.5～10m的球形由大到小环形排列，外面覆盖灰浆水泥和防水乙烯合成物，设计合理，恰当运用材料，建筑效果良好，在无隔热材料的情况下，外部气温42℃时，内部空气依然凉爽（见图6-55）。(www.xing528.com)

（2）材料性能仿生。

一方面由于各种生物体自身生存需要，体内存在特殊的化学物质，另一方面生物体通过自身的体液或特殊的加工方式，对自然界的原始材料进行改造和创新，使其性状有所变化，物理和化学性能得到改善。材料性能仿生指仿照生物体构成材料（包括生物体及其巢穴等）的物理特征和化学成分，研究其性能特点，模仿创造有效的或多功能的新型材料，满足人类对建材性能和品种日益多样和增长的需要。

图6-55　沃塑中心国际学校［85］

蜂巢轻巧美观、光泽度好、经济实用、轻质高强，这正是建筑材料和结构的发展方向。蜂窝泡沫混凝土就是从蜂巢获得启发研制的，类似的还有泡沫塑料、泡沫橡胶、泡沫玻璃等。实践证明具有气泡状的蜂窝材料既隔热又保温，结构轻巧美观，应用十分广泛。尤金·崔设计的沃塑中心国际学校采用的就是蜂窝板材料，由100%的回收木材制成，内部是钻石形单元板材，外侧由木屑加高压粘合而成，整个材料具有很大的强度和韧性，可塑性强，能被裁成任何形状，良好的热工效果和室内凉爽环境证明该工程的材料使用非常成功。

木材因为其特殊的纹理和便于改造的特点，使用非常广泛。内部的纤维素是木材优良性能的缔造者，轻质高强、弹性韧性好、抗冲击和振动能力强。受木材纤维素启发而创造的石棉水泥瓦，其中加入了石棉纤维，波形瓦内掺了木质纤维。美国正进行玻璃纤维瓦的研究，其核心由有机纤维玻璃薄垫物构成，具有较好的耐久和耐火性。澳大利亚为保护森林，采用竹子替代木材掺入水泥中，增加其抗折性和断裂韧性。印度用稻谷壳制成轻质高强纤维板。日本在普通水泥中加入模仿蜘蛛网形状的长纤维，纤维分子黏度增加，使混凝土在水中也能凝结，便于水下工程的施工。

人们根据仿生学原理，在高层建筑上应用装饰材料有效减小风、光对建筑物产生的负面影响，并化害为利，转化为高层建筑环境所需能量的一部分，环保且节能。比利时首都布鲁塞尔马蒂尼大厦模仿变色蜥蜴的皮肤对环境的反应，在建筑外界面装置一层遮阳百叶作双层皮，其间设通风管道，夏天遮挡阳光减少制冷能耗；冬天作温室效应的日光采集器，加热室内空气。

为了让建筑外表面在冬季有效地吸收太阳辐射能量，并减少热量向外散失，德国著名建筑大师托马斯·赫尔佐格发明了一种半透明保温隔热材料（见图6-56）［86］、［87］，称为TWD（transluzente wärme dämmung）材料，是模仿北极熊的皮毛保温原理而发明的。生活在冰天雪地的北极熊，其皮黑、毛密且中空，能高效地吸收北极有限的太阳辐射，同时，体表长波辐射热不易逸出；再加上浓密的体毛能有效地阻止向外对流散热，因此在-20℃的室外气温下，北极熊仍能保持35℃的体温。

图6-56　北极熊及半透明保温隔热材料（TWD）

TWD材料由德国Okalux Kapillarglas GmbH公司开发，它由很多细小的空心透明管组成。托马斯·赫尔佐格将这种材料用于德国温德堡青年旅社中，当室外气温仅8℃时，室内在没有暖气的情况下仍维持20℃。类似于半透明保温隔热材料的工作原理，德国Schott-Rohrglas GmbH公司研制开发了透明的保温隔热材料，这种材料由细小玻璃管组成，利用玻璃管壁对太阳光线的反射功能，具有隔热和透明双重功效，能同时采集光线和收集太阳能。