仿生学在现代桥梁设计中的应用

仿生学在现代桥梁设计中的应用摘要:随着社会经济的飞速发展，人们对生活质量的要求也越来越高，越来越多的仿生学理念被应用在现代桥梁设计中，文章主要从形态仿生、结构仿生、材料仿生、功能仿生等方面对仿生学理念在桥梁设计中的应用进行相关探析，结合自身工作经验提出相关问题及个人观点。

关键词:仿生学；自然；桥梁设计；生物体结构
中图分类号： k298 文献标识码： a 文章编号：
一、材料仿生
材料科学的进步无疑是桥梁结构进化和发展中最为重要的因素之一。

当桥梁的结构形式和造型被选定，材料的选取就是决定结构设计有效性的重要环节。

材料仿生是指模仿生物体的组织结构、化学成分，研究出新的具有特殊强度、韧性及类生物特性的新材料。

当今材料仿生学的发展，为桥梁工程领域开创了新的天地。

日本工程师在普通混凝土中掺加约1%的长纤维状分子添加剂，这种纤维互相缠成网状，其形状模仿蜘蛛织成的网，使纤维分子的粘度增加，包住混凝土的组分，从而可使混凝土在水中凝固，便于水下工程的施工。

贝壳的抗张拉强度高达100 mpa，远大于水泥，但它的成分很简单，由95%石灰石及5%蛋白质粘结成坚固的整体，而且并不需要高温烧结。

美国国家实验室已研制出一种高强度聚合物水泥，它是用水溶
性糠醛醇的聚合物制成的，组分少，制造工艺简单，可快速修补桥梁。

昆士兰果坚硬的果壳含有纤维束，而且是任意方向的，几乎100%占据了壳的空间，在整体上形成各向同性体，它极难形成裂纹，原因是这种结构不存在任何薄弱环节使裂纹得以传播。

一旦仿制出结构相仿的材料用于桥梁结构的建造，那么将会大大提高桥梁的安全性、稳定性和耐久性。

国外有科学家设想，通过生物工程的研究，把大海里的珊瑚虫繁衍成的礁岛改造成一种能按人的要求而生成的桥墩、码头等建筑物，或在陆地先造出所要建的金属网状结构，然后放到海里，让软体动物填满网格，等到动物死去，大量动物尸体硬化，由珊瑚和贝壳等复合材料构成的结构也就完成了。

这个设想需要耗费大量的时间来完成。

但是未来一些远景规划的跨海大桥等庞大构造物，可以尝试使用这种方法来修建桥墩等人工很难施工的水下部分。

由于材料是完全来自自然的，结构完成后，它不会有一般桥梁构件所要面临的设计年限问题而成为永久性的结构，并会随着时间的推移更加稳定牢固。

二、功能仿生
功能仿生是在当前桥梁仿生设计中的薄弱环节，但却是最有价值的仿生设计手段，是仿生学的核心。

生物是有生命的，而桥梁等建筑不具备，功能仿生是通过研究生物的生长机理以及一切自然生态的规律(如动植物的高效低耗、自适应变、新陈代谢等)，应用类
推等方法实现新颖、节能、相互协调的建筑功能，最终实现类生命桥梁。

功能仿生需要有全生命周期概念，树立成长型桥梁的理念，设计生物体结构体系桥梁，让桥梁具备可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性。

2001年，一座横跨英国泰恩河供行人和自行车使用的盖茨黑德千禧桥建成通行，该桥被美誉为“闪烁之眼”(the blinking eye)，被评为英国年度最佳建筑，成为赢得这一殊荣的第一座桥梁，此后该桥还获得国际桥梁与结构工程协会(iabse)杰出结构等多项国际大奖。

该桥是一座开启桥，完全按照人眼的闭合睁开的形态特点设计其开启闭合方式以服务于河道的通行，极强的生命性让这座“闪烁之眼”一问世立马成为世界桥梁的又一经典之作。

见图1。

图1“闪烁之眼”(盖茨黑德千梧桥)
在智能桥梁材料的研究成果方面，现有被动式智能材料和主动式智能材料。

被动式智能材料的例子是美国伊利诺伊大学研制的能“呼救”和自我修补的智能型混凝土。

其思路是：在混凝土中埋人大量空心纤维，空心纤维中事先装有“裂纹修补剂”。

当混凝土开裂时，空心纤维也会开裂，并流出裂纹的粘结剂，把裂纹牢牢焊在一起，防止裂纹进一步扩大。

而主动型智能材料是在混凝土中埋人光导纤维或微型电子芯片和传感器，在桥梁出现问题时能使桥梁自动加固。

三、形态仿生
形态仿生是人们通常在一般意义上对于仿生学的理解，主要是
在研究自然界生物体的外部形态特征及其象征寓意认知的基础上，以自然界生物机体的形态为原型，进行艺术加工和再创造的一种设计手段。

形态仿生的研究和应用很少模仿细节，而是通过对生命系统的构造和工作原理进行研究，从中总结出形态仿生的科学规律。

形态仿生是仿生学在桥梁设计中最常见的应用，它不仅可以取得新颖的桥梁建筑造型，而且还是超越模仿而升华为创造的一种过程。

国外桥梁形态仿生的代表建筑之一是荷兰鹿特丹市的埃拉斯穆斯桥梁，自1997年建成起就成为世人赞美的目标。

该桥另一个别名是“天鹅桥”，它运用了仿生学原理，以美妙的天鹅姿态跨越了792．48 m(2 600 ft)的距离。

钢索悬挂在塔门上，弯曲着抵抗拉力，支持着桥身；不对称的形式、天蓝色钢支架和长长的钢缆传递着桥面的荷载。

埃拉斯穆斯大桥超越了传统桥梁建筑的概念，甚至成为鹿特丹的官方标志，见图2。

图2 “天鹅桥”(埃拉斯穆斯大桥)
天津的大沽桥是我国形态仿生桥梁的一个杰出代表，它由2个不对称的拱圈构成，形成不对称外飘式联合梁系杆拱桥。

该桥大拱圈面向东方，象征着太阳，小拱圈面向西方，象征着月亮。

大沽桥的设计构思为“日月双辉’’，在2006年国际桥梁大会上获得了全球桥梁设计建造最高奖——尤金·菲戈奖，见图3。

图3 “日月双辉”(天津大沽桥)
四、结构仿生
结构仿生即为力学仿生，主要研究生物体和自然界物质的大体结构与精细结构的优良力学性能，从而设计出用料省、强度高、刚度大且稳定性好的桥梁结构。

当前桥梁的结构仿生主要体现在其构件设计上。

竹子、动物骨、芦苇和麦秆等都具有极好的抗弯力和抗折性能，他们都是空心的。

从力学原理上分析，构件在其横向截面，尽可能地把材料向周边分布，这样有利于抗弯，对于竹子，其竹节是抵抗横向剪切的关键，是竹子强度的有机部分。

良好的结构设计要求对结构材料充分利用，矩形截面梁式材料利用率很低的受弯构件，为了提高材料的利用率，于是出现了空心板、箱梁等空心截面，同时也出现了平面桁架。

平面桁架可以理解为将梁中多余材料去除，为“掏空”梁。

图4所示为采用结构仿生的斜拉桁架体系。

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图4 斜拉桁架结构体系(宜昌秭归卡子湾大桥)
马克思曾赞叹过“蜜蜂建筑蜂房的本领使人类的建筑师感到惭愧”。

蜜蜂的巢房是一种轻巧的六边形网格状结构，与其他的结构形式相比，它具有结构稳定、孔隙率最低、容量大、耗材最少等优点。

受蜜蜂巢房结构的启发，当前悬索桥主缆截面按照六边形网格布置。

五、结语
人的创造欲是科技创新的根本动力，自然和社会是我们认知和创新服务的对象，也是我们学习的最好老师。

研究仿生学在桥梁设
计中的应用既是为了使桥梁应用类比的方法从自然界中吸取灵感、得到创新，同时也是为了建造与自然生态环境和谐的桥梁。

自然界的生长完全根据自然规律而不是根据有限的计算技巧，因此今天桥梁建筑设计中种种的阻碍因素，也可能是短暂的。

随着材料、技术和设计水平的不断发展与提高，桥梁结构的设计终归要赶上甚至超越自然界中生物的结构范畴，达到力与美的完美结合。