自然形態的構成原理

一、總結近年來，通過設計教育提高學生的創新能力成為重點，而基礎結構設計也面臨許多挑戰。二、模仿自然的設計1.堅持“人與環境的和諧是人類創新發展的重要驅動”設計是為人類環境賦予造型秩序的意識行為,其前提就是為了我們的生存環境更加和諧。人與環境的和諧不僅是對自然的保護,也是人類創新發展的重要驅動。對自然的探究,早在1511年達芬奇的研究中就已經出現2.和諧共存的原則仿生設計不是單純地模仿自然,而是在人類環境中有意識的應用,使人為環境與自然和諧共存。自然為人類解決各種問題提供了諸多線索,仿生設計的根源就在于自然,若人類沒有理解自然界的根本原理,只是追求完成的成果,那自然和人類、自然和設計的關系會越來越疏遠。自然不受任何流行趨勢的影響,以永恒的造型活動為根本三、自然形態的組成原則1.對自然的物理變化具有高度的關注自然形態中有豐富多彩的變化,還有和諧共存、反抗力和復原性,元素在其內部不停地運動,形成了形態-材料-功能三者之間的平衡。自然現象中,生物組織體的研究和觀察與非生物的物理變化過程有著緊密的聯系。生命體在生長的過程中具備獨特的形態,其生產著、維持著生命的種族,生命體的生長過程和結構之間形成了緊密的關系。這樣的關系與人類有著直接的聯系,對人類設計和制作某種物質的行為產生影響。自然以嚴謹的秩序體系為根本,對其內部的生命體有彈性的秩序,并以多樣的形態存在。自然由陸地、空氣、水、太陽這四大要素組成,這些要素構成了創造地球上生命體的基礎條件,相互和諧、均衡的存在并不斷發生變化。在生命體的結構循環中,自然對其產生反饋并產生影響,人類也是以同樣的方式與自然相互產生影響。2.設計基本原理自然的形態與功能都具有多樣性的特點,這種多樣性的內部又具有嚴謹的秩序,是一個秩序組成的高效系統。在自然系統中,有機體的構成原理在自身形態特征與生存方式二者的關系中得以顯現。有機體的形態構成是自然形態構成原理的基礎,不僅是有機體的外形,內部的結構樣式也包含在內。自然形態的構成原理中以較小的能量或單位,較大限度地展現多樣化的形態。這樣的顯現也說明自然生命體高效性的統合能力,根據內部和外部力量展現出多樣化的形態。自然形態的最大多樣性系統,可以借助單元識別與系統演化的方式理解。構成要素以較小的單位,組成高效的多樣化結構形態,被稱之為“最小存量,最大多樣性”。雪花的結晶體是應用這種原理的代表性例子,雪花的結晶體有6個角,但有37種各自不同的形態,如圖1所示。每個雪花都具備固有的6面對稱結構,而且展現形式也多種多樣。多種多樣的雪花樣式,正說明了最大多樣性的系統是自然形態原理的基本概念,也是自然形態高效的基本原理。自然界的形態創造是力的作用與反作用,這是自然高效的原理在設計的應用中的核心內容。形態構成的因子“力”分為內部和外部,內部的力制約于系統,所以排列與運作是可行的。自身的比例與潛在執行能力是系統內部的固有屬性,是左右自然物自身變化樣式的內部力量。外部的力量制約和影響著特殊結構系統,這些外部力量包括氣溫、風、濕度、地球與太陽的角度、地形和地質狀態、能量與材料供給鏈等群落環境要素。形態要素的外部力量是設計應當追求的目標,內部力量是設計的本質作用。自然界的物質形態是以單元的方式形成的,但力的作用使其具有多樣性的系統。自然生物系統是由原子和球形細胞,直線的各個邊、角、面組成。根據均衡的自然幾何學規則,構成要素擁有特定的大小、重量和形狀,可以代替和利用到各種設計結構中。如圖2所示,自然形態規則可以在空間的點和線中以抽象的方式結合,并用數學方式進行描述,還可以根據模塊形式進行研究分析。三維比例的分化是形態構成原理的基礎,雖不能斷言自然形態中都具有多面體的原理,但是在形態的構成原理中,自然界具備的單位系統組成的多樣性效用對設計基礎的認知方法研究具有較大價值。3.角形原理和六邊形結構自然的構成方式中具有多面體的原理,將同樣直徑的圓筒形疊加在一起,可發現其以三角形的順序進行了自然排列。這是為了維持形態且能量損耗較佳的結構排列方式。在同樣的面積中排列圓形時,圓形的中心以正三角形排列,可以排列更多的圓形,如圖3所示。類似的空間還有蜂巢,這種有效的方式和幾何結構,能夠儲藏更多的蜂蜜。圖4展現的是在上文中提到的六角形的原理和各邊的切點開始形成的獨立比例。其中包括無機物的例子(金屬、水晶)和有機物的例子(動物、細菌)。這類金屬結晶體的形態正如人們了解的一樣,具有多樣的選擇可能性,是由原子排列的內部結構決定的。在金屬中,4邊形,8邊形,12邊形等多邊形,同樣是由頂點的120°的角度相連,三個邊的角度總和是360°。在360°的總合連接多邊形的構成中,形態原理是重要元素。多邊形360°角度邊緣沒有多余縫隙的形式可以稱為鑲嵌。規則和半規則鑲嵌中最基本的多邊形是三角形、四邊形、六邊形,這些多邊形相交的部分總合都是360°。此外,8邊形和12邊形與前面的多邊形結合也能形成360°。這5個基本的多邊形的無縫結合,是單位系統構成多樣性的一種形式。多邊形不局限于鑲嵌,以各交點的總合360°為前提并加以變化,能獲得更多形態的排列方式。四、自然形態的幾何結構原理1.本形態的特征自然形態經過歸納整理后,可以看出三角形、四邊形、六邊形是組成形態的基本多邊形。這樣的多邊形是組成自然形態的三維結構中基本的形態。通過雙重的連接網可以得到圖5所示的柏拉圖多面體。柏拉圖多面體與宇宙立體的生成相關,立體現象的本質在于以4面體、6面體、8面體、正12面體、正20面體等五個立體的所有邊角和內角結構相同。造物主創造宇宙的時候,在起初的混沌狀態中,將數和形態賦予了秩序,能夠決定物質世界的樣子。這樣的柏拉圖立體的構成原理,通過自然的生成原理及構成原理被實際論證。2.自然形態的物理法則類比柏拉圖多面體的形態分析方法,可以應用于設計基礎的認知教學中。四面體是自然界中常見的幾何結構,是以較小單位抵御較大阻力的簡單結構。如圖6所示,此類結構在骨骼的組織結構中很容易找到。與四面體結構相比,八面體結構填滿相同面積所需的數量更少,但是經受的阻力幾乎相同。如圖7所示,單細胞原生動物放射蟲目的有機體形態認知,借助八面體結構加以分析,無機物中水晶的單純組織和磁石、螢石的形態認知亦可借助八面體結構。六面體結構受到壓力,比較容易破碎。但這個結構組成某種形態時可以通過對角線進行固定,通常這種情況會轉換成三角形。此類結構通常在無機物礦物中可以找到,如圖8所示。圖9所示,正20面體的放射蟲目形態認知,建筑師經常應用其特點,并進行著對正20面體的諸多研究。穩固的形態中,五邊形能夠承受較大的阻力,20面體也同樣能夠承受很大的阻力。正12面體的結構和正20面體的結構一樣,表面近乎球形。如圖10、圖11所示,自然界中單細胞的生物組織和黃鐵礦的結晶體與其類似。自然界中的樹葉、花瓣等形態正是因為它們具有這種幾何學秩序,所以自然形態的產生是基于自然物的物理法則的。用理解自然法則的觀點去深入地觀察自然與造型的關系,進而依據自然的形態去進行創造,是造型思考的重要方法。現代設計中許多優秀的設計便是如此,受到自然形態的啟發,然后利用這些自然形態所具有的某種形態因素而形成新的優秀設計(如圖12)所示。四、比柏拉圖多面體的形態分析方法文中通過對設計基礎中的認知方法研究,論述了自