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最接近造物主的建筑设计:Michael Pawlyn谈仿生学(上)

2019.07.26 | 顶好专题    关键词:设计 自然与生态 仿生学

文/Sarah Ichioka

策划/周三霞

翻译/王娟  编辑/自清、Juan  视效/严诚





仿生学与可持续城市

对话Exploration Architecture建筑事务所创始人Michael Pawlyn


Biomimicry and Sustainable Cities: An interview with Michael Pawlyn of Exploration Architecture




Sarah Ichioka:大家好,我是Sarah Ichioka。这里是顶好设计“打造绿色建筑,创造美好未来”专题系列访谈,集结了一批世界上最具创新精神的绿建设计师。


Exploration Architecture创始人Michael Pawlyn

图源:Exploration Architecture


今天我们很荣幸邀请到来自伦敦的建筑师Michael Pawlyn,11年前,Michael在伦敦创立了Exploration Architecture建筑事务所。此外,他曾任职格雷姆肖建筑事务所(Grimshaw Architects)副总监,同时他也是伊甸园项目的建筑师团队核心成员。


伊甸园项目 Eden Project

密集的热带生物群和地中海生物群,

宛如现实版的“侏罗纪公园”

图源:Exploration Architecture


伊甸园项目位于英国康沃尔郡,由一个粘土矿坑改造而成,是一个可提供生态教育的天然课堂,由2座覆盖了热带生物群和地中海生物群的连体穹顶状建筑组成。



伊甸园项目 Eden Project

密集的热带生物群和地中海生物群,

宛如现实版的“侏罗纪公园”

图源:Eden Project官网



主动出击选择客户


Sarah Ichioka:Michael曾在巴特莱特建筑学院(The Bartlett)和英国巴斯大学(the University of Bath)学习建筑知识。通过一系列工作经验以及在谷歌、皇家艺术学院和TED发表引人注目的演讲,Michael成为了可持续和仿生学领域的思想领袖,在国际上享有盛誉。2016年11月,英国皇家建筑师协会出版社对他的权威著作《建筑仿生学》(Biomimicry in Architecture)发行、增印了第二版。


Michael,欢迎您。很开心能与您进行这次访谈。首先,能否请您向我们的观众介绍一下Exploration Architecture建筑事务所,以及分享一些您参与实践的重点项目?


Michael Pawlyn:乐意至极,如你所说,我之前与格雷姆肖(Grimshaw)共事。那段时间,我有幸参与了一些优质的可持续项目设计,并且对仿生学的潜力产生了日益浓厚的兴趣。我后来创立Exploration Architecture建筑事务所,有一部分原因也是想进一步扩大仿生学在建筑领域的应用。


同时,作为一名建筑师,我还想探索出一些新的工作方法。现在的设计师们倾向于一种相当被动的工作方式,他们会等着客户主动找上门。这样一来,设计师有时候会遇到非常优秀、善解人意的客户,但有时却不尽人意。


我发现,客户经常在指定好设计师之前,自己就已经做出了一些不太好的决策,比如项目选址不合适,项目基本定位不准确,选择的设计团队不合适。一旦发生这种情况,我们就只能在妥协中力求最佳的方案。


通常情况下,产品设计师在着手开始实践之前,心中对产品应该呈现何种状态已经有非常完美的想法。建筑师们也可以采取这种工作方法。首先,召集一个小型团队,构思出一个完美的设计方案。在确定这个方案的可行性和意义之后,就可以着手寻找合适的客户。我希望这种工作方式可以打破有时存在于客户与设计师之间的僵局。


建筑师们经常会说,除非甲方明确表示想要打造可持续建筑,否则他们根本没机会开展可持续建筑设计。这样说有一定的道理,但如果对可持续建筑不了解,他们没法主动开口提出这方面需求。


因此,在Exploration Architecture建筑事务所,我们致力于开展的一部分工作就是启动全新类型的建筑项目,或者结合仿生学对现有类型建筑重新进行塑造。


Sarah Ichioka:我很欣赏你们选择主动出击发起新项目,而不是被动地等着甲方联系。我相信观众也想更多地了解你们事务所开展的一些实践。



仿生学的奇妙物语


Sarah Ichioka:接下来,您能给我们介绍一下什么是“仿生学”吗?


Michael Pawlyn:仿生学是指人们观察和研究自然界生物体的功能原理,再将其转化成适应人类需要的解决方案的一门学科。接下来我会给出很多具体的例子,魔术贴就是最具代表性的一个。


魔术贴是由瑞士工程师George de Mestral发明的,设计灵感来源于苍耳子。有一天他带着狗在树林中溜达,小狗突然钻进了灌木丛中,浑身沾满了带刺的苍耳子。回家后,他拿了一颗苍耳子在放大镜下观察,因此深受启发,发明出了一种新型扣带。这应该是仿生学领域最广为人知的例子。


魔术贴(尼龙搭扣)

图源:Alexander Klink


随着科学知识的累积,我们对仿生学能够实现的复杂功能和流程有了越来越深入的了解,这有助于我们从中借鉴,从而制定出远优于传统方法的可持续解决方案。


众所周知,全球人口数量还在不断上涨,所以接下来的几十年里,亟待解决的最大挑战之一就是我们如何打造可持续城市。


我想再补充一下仿生学的概念,帮助听众更好地理解我们的谈话。下面我要分享一个仿生学领域的创新案例。


座头鲸

图源:网络


有一位海洋生物学家观察到座头鲸的鲸鳍前缘有一排凸起的瘤状锯齿,对此他很好奇,想要研究出这些锯齿的作用。经过研究发现,这些锯齿与座头鲸在慢速游动时的移动性能有关。


座头鲸在捕食时,会以相当缓慢的速度在非常有限的范围内游动,而鲸鳍前缘突起的瘤状锯齿能够有助于它们在捕食期灵活移动。这位海洋生物学家当时心想:“太好了,我知道要怎么利用这一点将其应用到风能领域。”


Whalepower涡轮叶片

2007年,加拿大的能源机构Whalepower公司测试了这种风力发动机上的新型叶片。他们把涡轮典型的光滑叶片进行了重新设计,在结节的地方新加入了一组齿轮,如同鲸鳍的凸起一般。

图源:网络


传统的风力涡轮机在风速下降时会停止运转,要再使风力涡轮机全部运转起来必须要提高风速。于是,他参考座头鲸鲸鳍上的瘤状锯齿,发明了一种前缘带有一排锯齿的风力涡轮叶片。据称,这种叶片能够保证涡轮机在低速情况下也能正常运转,所以大大提高了风力涡轮机的年产电量。


圣母百花大教堂

图源:PetarMilošević


接下来,我还想分享一个与建筑师密切相关的例子。从某种程度上来说,这可能是最早应用仿生学的例子。根据资料记载,意大利建筑师Filippo Brunelleschi在设计佛罗伦萨圣母百花大教堂的圆顶期间,对鸟壳和贝壳进行了研究。正是有了这方面的研究,他才能设计出较之前更薄的穹窿顶。


圣母百花大教堂穹顶

图源:Livioandronico2013


和过去相比,我们现在掌握着大量先进的科学知识,这是一个很大的优势。如果我们在电子显微镜下观察一个鲍鱼壳,可以看到一种结构模式。它是多个碳酸钙片层与蛋白质“砂浆”层层交替结合在一起所构成的。这种结构赋予了鲍鱼壳惊人的抗裂纹扩展能力。鲍鱼壳和普通的粉笔在化学成分上95%是相似的,但得益于这种微观结构,鲍鱼壳的强度提升了3000倍。


鲍鱼壳以及放大后鲍鱼壳的纹理

图源:网络


如果我们能更深入地去了解大自然是怎样解决这类问题以及是如何创造出坚硬的材料,那么我们很有可能利用极少的物质资源打造建筑。


关于仿生学,还有一个让人匪夷所思的例子。有一种被称作“黏菌”的单细胞生物,构成了食物源之间距离最短的网络。2009年,来自日本北海道大学的科学家们使用一张东京地图开展了一项实验。他们在地图上东京周围的每座城市放置了一些食物源,并在东京所在位置放置了黏菌。


东京铁路系统作为世界上最高效、且布局最合理的系统之一,黏菌轻而易举就还原了路线

图源:网络


黏菌扩展的速度相当迅速。它很快找到了所有食物源,然后开始优化食物源之间的连接。这个环节结束后,呈现出的网络与日本该地域的铁路线路完全重合。铁路工程师在设计铁路网时花费了成千上万个小时才实现了这种最佳设计,而黏菌只花了26个小时。如果我们能进一步了解黏菌的原理,物流、交通系统和城市会有望更加便利与高效。



东京铁路系统与黏菌觅食路线对比

图源:网络


仿生学为人类提供更优解决方案的例子还有很多,数不胜数。你们可以把自然看作一本设计灵感簿,这其中所有“产品”都受益于38亿年的研发周期。仿生学就是试图学习和利用这本不可思议的灵感簿,从而帮助人类创造出超越传统方法的可持续新方案。


传统的可持续方案很大一部分实际上都是在缓和问题,让事情看起来稍微没那么糟糕而已。是时候做出改变,创造出可以优化积极面、有利于人类健康并能使城市景观获得再生的可持续方案了。


在未来几十年里,我认为我们需要解决的问题有三大类。第一,实现资源效率的大幅度增长。这意味着以少换多,用更少的资源输入实现同等输出。第二,实现资源使用从线性方式转变到闭环模式。这样一来,就可以在闭环圈内管理所有资源。第三,化石燃料经济转化成太阳能经济。


在我看来,如果我们要着手解决这三个相互关联的问题,仿生学是为我们排忧解难的最佳方法了。



仿生建筑“很划算”


Michael Pawlyn:首先要谈的是办公建筑——仿生办公室。仿生办公室为我们将仿生学应用到标准建筑类型提供了机会。在此之前,我参与的都是像伊甸园项目这类比较独特的建筑项目,所以人们通常会说,“我知道你能将仿生学应用于那些特殊类型的建筑,但是怎么样能够把它应用到住宅或办公室等普通建筑的设计中呢?”


仿生办公大楼 The Biomimetic Office Building(BOB)

图源:Exploration Architecture


仿生办公大楼是我们向人们展示如何将仿生学运用到普通建筑类型的绝佳例子。我们有一群极为优秀的合作伙伴,其中包括全球仿生学领域最赫赫有名的一位教授。他帮助我们敲定一系列生物方案来解决我们面临的挑战。


第一次开会讨论时,我们明确了日光是建筑形态最大的驱动因素之一,接着我们研究了呈现生物学中光线聚散方式的一些例子。


我们参考了鬼鱼眼睛的构造,它的眼睛有一种神奇的镜面结构,可以将来自海洋的昏暗光线聚焦到它的视网膜上,这叫做生物发光现象。


生石花

图源:Abu Shawka


另外我们还参考了一种生长在沙漠里的植物,叫做生石花。由于热稳定的原因,这种植物的大部分都长在地下。它的植株底部存在一种光合作用物质。阳光照射进地下,植物在恒温条件下产生化学反应。


还有海蛇尾,它是一种可以在光线极弱条件下生存的海星。它的皮肤上进化出了一种近乎完美光学镜头的覆盖层,有助于在捕食者发现自己之前,早早察觉敌人方向的光线和移动轨迹。


上述三个例子,以及其他更多未提及的例子,都鼓励我们发挥创造性思维,主动思考如何将这些生物特性运用到建筑设计中。


鬼鱼眼睛(左1)、生石花(右1,右2)、海蛇尾(左2)示意图

图源:Exploration Architecture


在利用日光方面,其中一种设计方法就是在玻璃墙之间设定适当的距离。在伦敦,你可以发现有很多办公建筑的径深都很深,可能达到25-30米。这也意味着它们是高耗能建筑,因为需要空调和人工照明。我们可以确定的是合理距离应为12米,这样一来,建筑内的人离最近的窗户不会超过6米。


关于选择哪种建筑形态,其中一种方法是将狭窄的地板层叠起来建成高楼,但是这种方法只有在中心城区土地价值极高的情况下才比较有意义。而我们想要建立一种更为普适的理念,所以我们考虑了另外两种建筑形态:环绕中庭的办公空间;或采用2个建筑体块、更加线性的方法。在考虑光线时,第三种方法似乎最行之有效。


办公建筑径深距离与建筑形态示意图

图源:Exploration Architecture


我们使用了自然采光模拟软件进行分析。在对建筑进行规划时,我们发现日光在每个体块中部的遮荫呈弧形状。下一步设计就是简单地将楼面也设计成弧形,以便我们可以遵循光线的模式,始终能获取均匀的光线。但这样会带来其他进一步的挑战,首先,相对狭窄的楼面布局不是特别适用于在这里办公的创意群体;其次,这种建筑形态无法对长方形场地高效利用。


通过采光模拟优化为弧形的建筑并不能高效利用长方形地形面积,随后又设计为蜿蜒起伏的建筑形状

图源:Exploration Architecture


然后,根据生物学中关于将表面积与体积之比最优化的知识,我们把平面形态设计成起伏蜿蜒的形状。人与最近的窗户之间距离仍然不超过6米,但是我们现在能为在这里工作的创意群体提供更好的设施,以及更高效地利用长方形场地。


仿生办公大楼示意图

图源:Exploration Architecture


继续看光线问题。从剖面图角度来看,我们发现建筑顶部区域很容易得到充分光照。要使阳光进一步往下照射,我们面对的挑战会更大,所以我们研究了一种方案的可能性,即在建筑顶部采光,然后将光线围绕建筑引入到需要的地方。


Anthurium barclayanum

图源:triadplantco.com


出于这点考虑,我们研究了一种叫做Anthurium barclayanum的热带雨林植物。它的叶子上有晶状体,在某种程度上有助于聚焦漫射光。我们对其进行了研究立项,希望将其运用到办公室设计的下一个阶段。


顶部光照方案示意图

图源:Exploration Architecture


经过上述考虑和探讨,我们得出了一个结论:有更好的设计方法可以解决让阳光照射到低层的问题。同时,受到鬼鱼眼睛构造的启发,我们提出设置一个大型反光镜,可以将阳光反射到建筑低层。站在这面大镜子下深思熟虑之后,我们认为设计一个充满戏剧张力的会议空间再好不过,既可以出租用于举办活动,又能够增加建筑的价值。



仿生办公大楼

图源:Exploration Architecture


如果时间允许的话,我还想与你们分享我们是如何从白蚁堆中得到灵感,从而设计出被动式加热和冷却系统,以及我们又是如何利用卷曲的叶子和甲虫翅膀,设计出一种可以控制光照量的遮阳系统,它既保证了适量的阳光射入,又能将多出的阳光转换为电能。


除此之外,我们研究的甲虫还启发我们设计了带喷水头的新型灭火器,这种灭火器可以用十分之一的水量达到同等的灭火效果。


放屁甲虫 Bombardier Beetle

放屁甲虫的身体构造十分复杂,在它的下腹尾端有两条腺体,分别储存着两种高危致命的化学品——氧化氢和对苯二酚。如果储存或混合不当,放屁甲虫就会被炸得粉身碎骨,世界上也就不会有放屁甲虫这个物种的存在。当放屁甲虫感受到威胁时,它们就会收缩括约肌,将适量的化学溶液挤压进特殊的混合腔。最后将混合后的高温有毒混合物喷射出体内,重伤天敌。

图源:网络


仿生办公大楼是一个非常低能耗的办公建筑范例,同时我们认为这也是一个鼓舞人心的工作场所。我们对这栋办公建筑做了一些基本成本计算。因为我们做了一些特别的设计,所以它的成本比市场价格高了约20%。不过根据我们的市场调研,这栋建筑的出售和租赁价格应该可以比一般市场价高25%到30%,这意味着对我们的客户来说,这仍是个成功的商业案例。


仿生办公大楼

图源:Exploration Architecture


让我们来算一笔账,看得长远一点。整个建筑的造价为9千万瑞士法郎,整个空间大概可容纳3000人,假设每个人一年可挣10万瑞士法郎,那么一年的工资总额就是3亿瑞士法郎。如果我们能够把人们的生产效率提高10%,那么一年就是3000万,这样一来,只需3年这栋建筑就能回本了。


通常情况下,要说服人们接受这些观点比较困难。但近年来我逐渐意识到,人民福祉、生产效率、机构争取人才的必要性已经成为一系列重要的议题,这也意味着这些观点的价值将越来越凸显。


仿生办公大楼 纪录片

视频源:BETTR ++



编外话

由于篇幅较长

故本次访谈分为上下集

欢迎继续关注下集推送






撰稿人 / Writer



Sarah Mineko Ichioka

经验丰富的领导者、意见领袖。Sarah Mineko Ichioka在一系列全球知名的文化、政策和研究机构积累了丰富的管理、战略策划、编辑、项目推广经验。同时,她也是Abitare, Architect’s Journal, 建筑实录,Architecture Today,Monocle的知名杂志的编辑。

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