植物的根和建筑仿生

110 植物的根和建筑仿生Approaching Architecture Bionics Based on Study of Placts, Roots

撰文 岳喜军 雷胜友 刘鹏 长安大学公路学院 惠会清 长安大学理学院

摘 要关键词本文在简要介绍建筑仿生学和常见四种建筑仿生学应用分类的基础上，着重阐述了其中一种建筑形式仿生学

在基础工程中的应用，根据植物根的不同形态，分别阐述了几种变态根和侧根可应用于基础工程上的有益启示，相信不久的将来建筑基础对植物根的仿生将给工程界带来更多的成果。建筑仿生 基础工程 植物的根

纵观人类文明史，不难看到人们模仿自然的痕迹，从利用萤火虫原理制作人工冷光，到根据响尾蛇的颊窝对温度变化敏感的原理发明了响尾蛇导弹。仿生学在深刻地影响着人们的日常生活。可以毫不夸张地说仿生学是伴随人类文明共同进步的。近年来仿生学在科技方面的贡献越来越引起人们的重视，也成为一种新的科研趋势。在建筑领域，建筑仿生是吸收动植物的生存机理以及自然生态规律，结合建筑的自身特点而适应新环境的一种创作方法。建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有4个方面: 组织结构仿生、城市环境仿生、使用功能仿生、建筑形式仿生。其中建筑形式的仿生最为常见，即通过研究生物千姿百态的表象，探求可以应用于现实建筑上的元素。建筑形式仿生不仅模仿生物的形式和外观，而且还应该是超越模仿，创造比原有生物更优越的新特性。建筑形式仿生往往产生新颖的造型，而且能发挥新结构体系的作用，创造出非凡的效果。著名的悉尼歌剧院、北京的

鸟巢等就是成功的案例。建筑基础是对植物根系的形式仿生。基础根据埋置深度可以分为深基础和浅基础，而植物的根系最基本的两种形式：直根系和须根系，直根系一般埋置深度相对较大，须根系则较浅。与直根的基础形式相似的是单桩基础；而须根则和群桩基础相似。在实际工程中基础会影响建筑的安全、施工进度、工程造价等，尤其在复杂地质条件下或深水中。这就要求对基础工程必然要精心设计，创新设计，其捷径是在多样化的根系中寻求解决之道。如果根据形态将二者一一对应的关系建立起来，则在基础设计时可以参考植物根系得到合理经济的设计方案。1 肥大直根和沉井基础肉质直根是由主根发育而成，因而一棵植株上，仅有一个肉质直根，在肥大的肉质直根上有细小须状的侧根。根据肉质直根的外形，最常见的有圆柱状肉质直根、圆锥

图1 萝卜的肥大直根图2 沉井基础（王晓谋《基础工程》）图3 红薯的块根

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状肉质直根和圆球状肉质直根。肉质直根三种形态应用于沉井基础上可以根据工程条件做成圆柱状沉井、圆锥状沉井和圆球状沉井，直根上有细小的须根也可以应用于沉井基础上，其中的须根的大小、质量比例、数量、形态、位置都可以按照实际情况应用于沉井基础上（图1－图2）。2 块根和基础工程处理中锚固工程块根和基础工程处理中锚固工程建立广泛的联系，块根是由侧根或不定根的局部膨大而形成。在一棵植株上，可以在多条侧根中或多条不定根上形成多个块根。可以参照地上和地下质量比例，地上工程展开面积等确定锚固物体的质量，也可以根据地下块根相对位置和形态确定锚固位置和形态。由于此类植物地上部分占地面积相对比地下根占地面积大，而且一般都有不同方向伸展的几根茎条，其形态上可以和纵横交错的公路铁路立交桥相联系。当公路铁路遇到比较难处理的基础工程问题，可以从以上植物的根系得到一些启示（图3－图4）。3 气生根和群桩基础气生根中支持根和呼吸根分别相像于群桩基础中低桩承台群桩基础和高桩承台群桩基础。支持根就是某些植物能从茎杆上或近地表的茎节上，长出一些不定根，它向下深入土中，能起到支持植物直立生长的作用，这类不定根称为支持根。支持根可以有效地支持上部直立，减少倒伏。而某些植物，由于长期生活在缺氧的环境中，逐步形成了一种向上生长，露出地表或水面的不定根，它就是呼

吸根。它能吸取大气中的气体，以补充土壤中氧气的不足。由于支持根和呼吸根可以有效地抗倒伏，当建筑设计对横向受力要求较高时，可以深入地研究支持根和呼吸根从而得到启发（图5－图6）。和气生根中的攀援根形态相似的例子有航天飞机与发射塔，布达拉宫与红山。读者可以试想一下：如果建筑物的一侧有可以依靠其他物体的话，攀援根似的将两建筑联系起来无疑对建筑的使用功能和工程造价是有利的。4 水生根和抗震设计水生根是长在水里的根，虽有根冠，但不能固定植物，只能吸收水中的养分。如浮萍、水芙蓉等。浮萍漂在水上，在水中有大波大浪时，浮萍仍然安然无恙，这是由于浮萍的根在水里有周围的水作为缓冲带。这点似乎可以和抗震设计建立联系。试想，在基础与周围岩体之间填充一种材料，这种材料就像桥梁的支座一样既可以支承上部结构，又可以缓冲和平衡比一般材料承受更大的外力和变形。整体浮筏式基础就是最好的应用（图7－图8）。5 植物主根侧根布置关系和斜拉桥植物主根以外还有侧根，当主根生长到一定程度后，会产生一些分枝，这些分枝就是侧根。观察直根系侧根的分布多和主根成90°以下，而且随着深度的增加与主根的角度呈逐渐降低的趋势。主根、侧根与土层成三角形，这就使得根系支撑树的上部结构时效率很高（图9）。目前根据植物主根侧根布置关系，应用于工程上的是斜拉桥，斜拉桥又被称为斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承

图4 锚固原理示意图图5 玉米的支持根

图6 群桩基础 图7 浮萍的水生根112 弯的梁体组合起来的一种结构体系，其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。斜拉桥是大跨度桥梁中应用较广的桥梁形式，以其优越的力学性能、卓越的跨越能力、优美的外形、良好的动力性能、便捷的施工，成为大跨度桥梁首选的结构形式。斜拉桥优势众多：其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜向拉索有三种布置方式：1）扇形方式，即把荷载分布在塔架的顶端附近；2）竖琴方式，即拉索互相平行，把荷载沿着塔架的高度分布，这就减小了塔架的压屈效应；3）混合方式，即把扇形与竖琴两种方式组合起来。其中第三种布置方式和植物主、侧根的布置方式几近相同（图10）。如果能将此结构应用在基础工程上，在桩的侧部或者沉井的侧部一定部位适当的角度增加一些构造物，必定可以改善基础承载状况和有效节省建筑材料，产生一定安全效益和经济效益。例如在桩的侧部增加构造物，若将侧向构造物设置在上部容易施工，但是可能将大部分荷载传递在侧向构造物上，从而不利于主桩的充分利用；若将构造物置于下部不但不容易施工而且可以分担的弯矩太小。综合考虑可将侧向构造物放置于桩高的一半处。例如图11在主桩长的中点处四个方向，增加直径为主桩直径的五分之一的构造物。树根桩的广泛应用可以说是建筑基础对植物根系仿生的最好的例子。然而笔者认为许多人对树根桩的理解是不科学不全面的。大多数人对树根桩的理解就是一束不同方向的小桩，也就是说和植物须根形态一致的才能称作树根桩。其实树根桩的形态可以有很多种，一种特定的植物的根就可以对应一种特定的树根桩形态。在实际应用中，在不同条件下建立不同形式的桩无疑对工程是有利的，也是建筑仿生应用所倡导的。从植物的进化历程来说，历经了藻类-苔藓-蕨类-种子植物，也是历经了根的不断改善过程。从藻类的无根茎叶

分化，到两栖植物苔藓的只有茎叶分化，再到蕨类有根茎叶分化，再到种子植物成熟的各种器官分化。植物从原始海洋登陆，由于不能像在水里一样用躯体全部表面吸收水分了，这就需要根系深入土壤去寻找水源。同时登陆后没有水的浮力托起自身，只有增强自身的支撑力，这样机械组织根和茎出现了。基础也和植物的根一样也是历经从无到有，再到基础的多样化的历程。然而目前上部结构形式已经足够高效丰富。基础工程是隐蔽工程，其形式则往往被人忽略。反观实际工程中基础的重要程度，它影响建筑的安全，施工进度，工程造价，尤其在复杂地质条件下或深水中建筑仿生的应用要求建筑设计者必须善于发现和学习自然界的表象和规律，善于应用类推的方法，从自然界中吸收有用的元素，同时学习生物科学的机理并结合最先进的科技成果为建筑创新服务。建筑仿生应该注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合。建筑仿生学是新时代的一种潮流，今后也仍然会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。

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