刍议仿生方法在桥梁设计中的应用

　　对于桥梁工程而言，其设计水平高低不但直接关系到整个桥梁结构的质量，而且还会对后续的施工建设及投运阶段的使用安全等方面造成影响。为此，确保高水平的桥梁设计是非常必要的。仿生法作为一门先进的学科，在多个领域中均获得了广泛应用，并取得良好的效果，为此，设计师应当了解并掌握仿生法的理念，由此可实现对桥梁造型及功能等方面的不断创新，从而使桥梁设计更加优化，这对于推动我国桥梁事业的持续发展具有重要的现实意义。

　　1　仿生设计概述

　　仿生设计主要是从人性化的角度对工业设计和技术科学的再整合，无论在物质上，还是在精神上，是对主观与客观，传统与现代，艺术与科学，自然与人类等的多种元素的创新与融合。仿生设计的内容是模仿动物的某些特殊部位或独特的行为结构，进而提取它们独特的线条与结构，加之运用工业设计中机械原理来设计产品，也可以称为设计仿生学，是在设计学和仿生学的基础上，通过“美与力”的转换，发展起来的新兴学科。仿生学最大的特点就是设计灵感来源于自然并回馈到自然。

　　成功的运用仿生原理，不仅表现在通过仿生技术创造出新奇的形象，还在于对周边生态环境的高度重视，是可以做到对生态环境效益，经济效益与产品形象效益的有机统一。

　　2　仿生方法在桥梁设计中的应用

　　2.1　桥梁形态仿生

　　从桥梁形态方面的仿生应用来看，一些桥梁设计师的设计灵感主要来源于植物和动物骨骼的形态。现阶段人们对这种仿效植物与骨骼形态的设计方式持有不同的看法，如一些人认为这种设计方式具有新颖性的特点，一些人认为这种设计理念较为荒诞，从桥梁工程实际施工情况来看，部分从形态方面进行仿生设计的桥梁建筑的施工方案存在施工难度大的特点。桥梁设计在形态方面所进行的仿生是对自然形态的仿效过程。例如，天津大沽桥设计构思为“日月双辉”，由两个不对称的拱圈形成非对称外飘式联合梁系杆拱桥。大拱圈面向东方，小拱圈面向西方，分别模仿了太阳和月亮。在设计阶段，设计人员需要对仿效结构与桥梁工程的具体需求进行综合考虑，避免施工过程中可能出现的沉降开裂、自重过大或结构过于复杂的问题。

　　2.2　桥梁结构仿生

　　根据仿生学的相关理论，自然界及生物界的骨骼架构或组成结构也可以在桥梁设计中得到应用，例如，人体骨骼结构的生物结构形态就可以在桥梁设计与优化领域得到应用。桥梁结构对承载力分散模式的完整性的要求相对较高。针对桥梁结构承载力分散模式对桥梁的使用功能和其所具有的持续性的保障作用，相关人员可以借助人体骨骼架构所具有的功能，对桥梁结构进行优化，例如，以色列耶路撒冷克兹桥就是模拟人体骨骼架构的产物。自然界千奇百怪的生物，有许许多多奇异的结构模式，这些特殊的结构为桥梁工程的创新提供了天然的蓝本。

　　例如，1978 年，在蜘蛛网的启发下，设计的横跨加利福尼亚州美利坚河中部岔流的大桥—拉克查基斜拉桥。这座桥没有桥墩，半圆弯曲的桥面全部由山峰上拉下的钢索牵引起来，如同众多的“蜘蛛丝”拉着一片细长的树叶，该设计受力均匀、结构稳定，造价相对降低了许多。

　　2.3　桥梁材料仿生

　　随着材料科学的进步，不仅是仿生建筑历程中革命性的解决方案，而且使得现代科技材料是易于获得，并可使得在节约成本的同时，获得高性能结构体系。材料仿生是通过模仿生物材料的结构、组织和组成而进行的仿生，其目的在于开发满足人类对形式和功能等各方面需求的新材料。针对桥梁工程的实际情况，桥梁的防水功能和防腐蚀功能也是影响桥梁使用寿命的主要因素。例如，从桥梁防水性能的研究现状来看，一些学者在对蝴蝶翅膀鳞片结构的防水性能进行分析的上，实现了对桥梁防水性能的优化，一些建立在太阳能技术上的发光材料的应用，也为桥梁的夜间交通安全提供了一定的保障。

　　2.4　桥梁功能机理仿生

　　自然界中的动植物所具有的功能机理是仿生学的主要研究对象。一般而言，自然界中的动植物所具有的功能机理涉及行为学、力学和能量转化等多个方面的知识。功能机理方面的仿生应用是人类长期以来所关注的重要问题。例如，飞机的机翼设计就是仿效鸟类翅膀功能机理的产物，对蝙蝠翅膀中的翅痣的作用的应用，让飞机在飞行过程中出现的机翼震颤问题得到了有效解决。在桥梁工程领域，地震、洪水等不可抗力因素所引发的灾害是桥梁使用寿命的主要影响因素，利用仿生方法降低自然灾害对桥梁使用寿命的不利影响，也是桥梁现阶段的设计优化过程中所关注的重要问题。根据一些学者对某些植物细胞的分析，这些植物可以借助自我调整的方式，转变植物体系的刚度，进而更好地使用外界给植物带来的压力，这一生物功能性机理就可以在一些大跨度的桥梁的桥墩和桥塔中得到应用。

　　3　结语

　　将可持续发展，绿色环保，节能减排的思路带到桥梁仿生设计中，形成人与自然的和谐统一，从改造自然到与自然和谐相处。桥梁设计与优化事关桥梁工程的安全性、可靠性和耐久性等多方面因素。仿生方法在桥梁设计与优化中的应用，具有提升桥梁设计质量，有助于桥梁使用寿命提升的作用。仿生方法在桥梁设计与优化方面的应用，可以在解决桥梁设计和优化阶段存在的一些常见问题的同时，为我国桥梁工程的设计与发展提供新的发展方向。仿生学是新时代的一股年轻化的潮流，今后也仍会成为桥梁创新的源泉和保护环境生态平衡的重要手段。

　　参考文献：

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