仿生方法在桥梁设计与优化的应用研究

苏志祥 徐文涛

【摘要】近几年来，人们生活质量不断升高，使得人们对于生活和居住的观念也在不断产生变化和革新，特别是科学环保理念对于人民生活的影响巨大，同时对于国内的建筑工程单位和企业的影响也不容小觑，既包括基础结构设计方面，也包括具体工程施工方面。为了使我国建筑工程行业得到良好的发展，为了使桥梁设计、桥梁优化更加完善，在桥梁的优化和设计中应用大量的仿生理念和方法，促进国内桥梁工程的良性发展。

【关键词】桥梁设计；桥梁优化；仿生法

一、仿生法概述

本世纪以来，我国社会面临着新的发展挑战，建筑工程行业也遇到了新发展难题，为了解决这些难题，人们必须考虑出以最少资源建造出较好建筑工程的方法，桥梁设计中的仿生法便由此而诞生。自然界中的生物能够在发展过程当中逐渐形成一个自我发展的系统，这就是所谓的生态系统。在这么一个系统当中的各部分都有着自我存在、自我发展的方式和规律。这些规律和方式所具有的稳定性和协调性，就是人类在发展过程当中应当予以借鉴的内容。

因此，仿生学的理念可以被桥梁设计所借鉴，成为后者的指导思想和原则。生物学告诉我们，生物圈在具备着各种需求的同时，也满足着各种需求。但是，人类只是生物圈当中的一个很小的子集，自然界的竞争观念和竞争缓解规则都能够被我们借鉴起来。生物圈里有着许多合理系统和存在结构，具有小巧性、灵活性和高效性等特点，将它们仿生法运用到桥梁设计、桥梁优化当中，将会对建筑业有莫大好处。仿生法的基础应用理念是仿生理念，它能够使桥梁设计师的思维得以拓宽。仿生概念应当从以下方面来理解，一是宏观仿生，它以生物或物体的外部构造、纹理、造型、运动规律、材料性能作为模仿的对象；二是微观仿生，其模仿对象是生物体的内部，比如神经、循环和免疫等系统功能，通过模仿上述系统，确保桥梁设计的合理性。

二、桥梁设计和优化过程中对仿生法的应用

桥梁设计当中不少形式是受启发于生物界或者大自然，不少能够找到其原型。由于仿生法有宏观与微观之分，桥梁优化设计的应用中也有宏观与微观之分。然而，在细节上，宏观与微观两者都会有各种的效仿细节，这些效仿细节能够于新载体上形成全新整体。

1桥梁形态上的仿生

一个西班牙籍的设计师卡拉特拉瓦在对桥梁进行设计时，最初会现在形态上开始仿生，这种灵感来源始于效仿骨骼形态和植物形态，富含自然主义。他的设计也会对另一位西班牙籍的设计师高迪的思想进行借鉴，效仿牛头结构和人体脊柱的骨骼结构等等。人们对其评价各异，有的人给予怪异、荒诞和施工难的评价。然而设计师自己则认为自身的仿生缺少较高的技术含量，只是单纯地效仿自然系统，所需建筑材料就是钢筋混凝土，这是最常见的材料之一。

然而应用仿生法可不能随意进行，它必须结合桥梁的需求，对需要仿效的结构进行合理仿效。许多生物结构形态的仿效性较强，然而施工过程中可能会出现一系列问题，比如结构太复杂、自重过大或者沉降以致开裂等等。因此，设计过程中要做好合理性和可建造性的研究和规划才能够对仿生法进行运用。

2桥梁建筑材料的仿生

自然界是一个宝藏库，不仅有各种矿石资源和自然资源，供人们生活和发展使用，人们还可以从自然界里获取灵感和启发。现代建筑行业也从大自然当中获取了不少的启发和灵感，日益强调绿色建筑，以及建筑资源的充分利用和可持续利用。因此，桥梁设计师应当把桥梁建筑材料的利用发挥到最大化。当今科技发展飞快，国内桥梁建筑业也获得了较多的技术支持，出现不少新型的仿生材料，对当前现有的建筑材料有所改善和提高。比如水泥与贝壳相比其抗拉性要更弱，这是因为贝壳有高达九成以上的石灰石，启发着人们要仿造贝壳的化学组成，以提高建筑物抗拉性。此外，桥梁还需要有防腐蚀性和防水性，吉林大学的一个仿生实验对蝴蝶翅膀鳞片的防水性和自洁性有所发现，这也是可以被运用到桥梁的设计当中的。

3桥梁结构上的仿生

桥梁设计可以大量借鉴和应用生物界当中的骨骼组成结构形态，比如人类的骨骼结构，主要由髋、足、胫、股等组成，人体自重量是由足骨来分解的，需要承受体重的骨骼，其骨质都因此而比较密实，这样的生物形态可以被运用到桥梁设计当中，对于设计师思考桥梁承载力分散方式的问题有很大的启示，也是能够保证桥梁持续性和使用功能的一个重要原因。卡拉特拉瓦的设计作品科兹桥，就是对人体骨骼进行效仿较为成功的一个桥梁工程作品，该桥建造于耶路撒冷，在2010年开始投入使用。

4桥梁功能机理的仿生

仿生学的研究对象主要为自然界动植物的机理和功能，比如行为、能力转化以及力学等等。这些方面人类已很早开展了仿生应用，例如飞机模仿了鸟类翅膀原理和技能。然而，最初的机翼在运用过程中又出现的新的问题，比如震颤问题，于是人们由从大自然和生物界当中去寻找新的解决方案和启发，最终从蜻蜓身上找到了启发--模仿了蜻蜓翅膀的翅痣，以获得平衡性，很好地使震颤问题得以解决。桥梁寿命会受到自然气象与灾害的影响，比如地址、狂风和洪水等。桥梁的跨度也越建越大，其自身的重量越来越大，桥梁的结构必须要达到合理性才能够保障自身的平衡性和稳定性。为了保障桥梁的稳定性和安全性，需要对自然界中的动植物保持稳定性原理进行借鉴。德国某大学研究室长期研究稻目类和楔叶类的植物，最终发现巴西一种巨型的木贼草和木贼的细胞能够自行调节刚度，使得自身能够对外界压力有所适应。这种结构和机理可以被借鉴于跨桥的桥塔和桥墩的设计当中，使得该种桥梁能够具备与生命体质相似的特征，以保持自身的稳定性与安全性。

5对生物神经系统的仿生

生物所生活的环境是千变万化的，各生物为了保持自身对环境的较强适用性，都有各自神奇的办法，有生命的生物具备神经系统，因此可以依据外部环境变化对自身进行调整，以适应变化和发展。然而桥梁并没有生命，不能够运用神经系统来自我调节，对于外界的压力也只能被动地接受。因此，为了减少建筑资源浪费的现象，提高桥梁对环境的适应能力，阻尼器等等的仿生发明也开始运用到桥梁建筑工程当中，为桥梁建造出"神经系统"。电子信息时代使得效仿动植物建造神经系统的难度大大降低了，信息技术能够使人们更轻易地为桥梁建造出自己的神经系统。工作人员能够利用计算机，感知、记录桥梁所受的外部环境，并分析数据，得出调整的方案和计划。这不仅能够确保河道能够正常通行，还能提升桥梁的寿命和安全性，使其在遭受自然灾害、外部风险时也能像生物那样自我调节、适应环境。

三、结束语

大自然中，事物间的联系是普遍存在的，建筑学和生物学间的联系其实并没有我们想象中那么远。当今社会，创新理念和借鉴学习能力已越来越重要，仿生法对于建筑行业、对于桥梁的优化和设计所发挥的作用也越来越重要和明显。仿生法对于桥梁寿命的提高、桥梁稳定性的提升也有重要意義。本文从五个角度对仿生法进行了介绍和分析、阐述，，期望能够填补相关研究空白。

参考文献：

[1]沙莎，王强，赖疆.仿生学在桥梁建筑中的应用及前景展望[J].科技资讯，2007，（27）.