我国工程建设科技的不断发展，对桥梁工程的材料、空间结构等提出了更高的要求。对于桥梁工程师而言，如何在较差环境下设计出外形美观、结构良好的桥梁结构成为桥梁结构设计的重点。通过利用仿生法进行设计，可以为桥梁设计提供新的设计理念和方法。基于此，文章重点对仿生法在桥梁设计和优化中的应用进行分析和探讨。
1 仿生法的概念
仿生法的基本概念就是通过对自然界的一些动物的状态进行一定的模仿，然后利用动物的特点创造出新的技术和方法。目前，利用仿生法进行创造的领域非常广泛，比如在工程领域、科技领域、化学领域等都发挥了巨大的作用。自然界的生物都具有一定的神秘性，其组成结构为科学的发展提供了启发和引导。而仿生法就是在自然生物身上寻找灵感，然后结合现有的科学技术创新出的新的理念，能够有效推动科技的发展。而仿生法在桥梁领域的应用主要体现在设计领域，桥梁设计师能够有效地将自然生物身上的智慧转化为具体的数据理论，在将这些数据和理论整合之后形成一门具体的桥梁设计学科，大大促进了桥梁施工领域的发展。
2 仿生法在桥梁设计和优化中的价值
桥梁施工的设计工作是决定工程质量的重要因素，对桥梁施工的正常开展、施工的合理性和安全性有着重要影响。而桥梁设计师作为桥梁设计的主体，对桥梁施工起着把控全局的作用，桥梁设计师的设计理念对桥梁的内部结构和外观也起着决定性的作用。仿生法在多个领域都得到了有效应用，并取得了一定的成果。而桥梁设计师在领悟到仿生法的理念后就可以对桥梁的功能、质量、外观等方面不断加以创新提高，为我国桥梁事业的发展注入新的活力。
3 仿生法在桥梁领域的具体应用
3.1 仿生法在桥梁外观的应用
通过对桥梁的起源进行分析后可以发现，桥梁本身就是通过对自然界的仿生而形成的。比如桥梁的基本结构——梁、拱、吊这3个特点都是通过对自然和生物的仿生而得出的。梁的基本结构的形成是由于自然界的树由于某种原因掉落到河面上，当其浮动到较窄的河面时就会横跨河两岸，成为最早的“桥”，人和动物在树干上行走就可以过河。经过后代的不断改进，发展成为现在的梁体结构。桥梁拱桥结构的形成是由于在自然界的地貌中和生物有着广泛的拱形状态存在，比如一些藤蔓植物在树与树之间或悬崖上悬挂，由于藤蔓植物的韧性比较高，为人类的攀爬提供了可能，人们根据悬挂的藤蔓创造出悬索桥结构。此外，自然界的许多现象也为桥梁的结构提供了仿生的可能。在这些桥梁结构中，有的是局部利用了仿生理念，有的是整体利用了仿生结构，如在实际生活中见到的贝壳桥、鱼形桥、彩虹桥等。例如，安徽省临江桥的主体结构就是利用了鱼的外形作为仿生进行设计。对自然界现象和生物进行仿生时，需要注意有的现象并不是完全适合仿生，其有可能只是其中的一部分对人们有启发，所以要有选择性地对自然界的生物和现象进行仿生，从而为人们提供更加合理、科学的桥梁设计理念。
3.2 仿生法在桥梁结构中的应用
能够支撑桥梁实现其功能的设计理论就是利用桥梁结构的路径将外部对桥梁的荷载导入地基中。就目前众多的桥梁结构进行分析，可以发现无论其结构如何变化，都在梁、拱、吊这3种基本结构中，相应的受力方式分别为受到弯力的作用、受到外界的压力和受到拉力。在同一类型的桥梁结构中，主要受到结构内部各构件之间的作用力和外部对桥梁结构的作用力。所以，在对桥梁结构进行仿生的过程中，要以梁、拱、吊这3种结构特点为主进行桥梁体系的创新和改良。
桥梁结构体系在自然界进行仿生的原型是多种多样的，比如利用动物的细胞结构进行仿生，利用生物的骨骼结构进行仿生。通过对人的骨骼进行分析，可知人体的骨骼是由脊柱、骸骨、股骨、胫骨和足骨来将人的身体连接起来的，然后通过足骨内的足弓来将人自身的负荷转移到地面上。而人体内的密实骨骼主要分布在脊柱的四周，较软的骨组织主要分布在人体的内腔。这些骨骼之间的连接方式和导力模式为桥梁设计提供了借鉴，对桥梁设计师有着重要的启发。
随着社会经济和科学技术的不断发展，桥梁体系也在不断的改进和创新，组合桥梁作为一种新式的桥梁结构越来越受到人们的喜爱。组合桥梁的基本概念是利用多种材料而构成的结构体系，结合了多种体系的优点，具有一定的科学性和合理性。同时，能够有效地利用各种材料，降低桥梁施工的成本投入，在多个桥梁领域得到广泛的应用。组合桥梁能够利用不同材料的特性，将这些特性的优点充分发挥出来，从而弥补桥梁本身的缺点，使桥梁的结构设计更加科学、合理，丰富了桥梁的功能，提高了桥梁的工程质量，延长了桥梁的使用寿命。所以，组合桥梁在今后的桥梁建设中，必定会推动我国桥梁建设施工的发展。在利用组合桥梁结构进行施工时同样可以加入仿生法的理念，将生物结构的优点提炼到组合桥梁结构当中来。比如，在组合桥梁结构施工的夹心板式桥面体系的设计过程中，可以结合生物结构中的优点，创新出自重更轻、性能更好的夹心板式桥面体系，具体的结构如图1和图2所示。
图1 FRP桥面板曲线结构示意图
图2 生物膜结构体系示意图
在现代人的建筑理念中，特别重视绿色环境和可持续发展。所以，桥梁设计师应该在选择施工材料和怎么利用施工材料的方面下功夫，将设计理念与人们的需要相结合，避免出现对环境产生较大的污染和浪费资源的现象。
随着当今社会科学水平的不断提高，人们研制出的新型仿生材料可以替代或改进原有的施工材料，从而提高材料的性格和桥梁的工程质量。例如，通过对自然界贝壳的观察发现，贝壳的抗拉性能要比水泥的性能高出很多，最主要的原因是贝壳内部含有大约95%的石灰石，这就对工程材料的选用有了启发，在提高桥梁结构抗拉性的同时也减少了对环境的污染。
3.3 仿生法在桥梁功能机理方面的应用
在进行仿生学的研究过程中，可以发现具体的研究对象是自然界动植物中的功能机理，这些机理主要包括行为学、力学和各种力的转化等。比如人们通过对鸟类翅膀的功能机理进行分析，设计发明了飞机机翼，而只设计出飞机机翼还不能满足飞机平稳的需求，所以人们又通过对蜻蜓翅膀翅痣的研究将这一问题解决。
自然界的自然灾害会对桥梁产生破坏或者缩短桥梁使用寿命，针对这一问题，可以利用仿生学中蕴含的功能机理进行解决。比如，在自然界有一种巨型木贼可以通过自我调整来改变自身的刚度，从而适应外部带来的压力，降低外部压力对其的危害和影响。利用该生物功能性机理就可以解决桥梁受自然危害较大的问题，从而延长桥梁的使用寿命。
3.4 仿生在生物神经系统方面的应用
自然界生物与植物最大的不同是拥有神经系统，可以根据外界环境的变化而做出相应的调整。但当前的桥梁工程并不具备自动调节的能力。如果想要让桥梁工程增加自动调节的工程，可以利用仿生法为其建立桥梁神经系统。例如通过仿生法对桥梁进行实时监控，从而对桥梁结构进行调整。比如，千禧桥在正常情况下可以保证交通和河道的正常运行，在受到自然风险时就可以对自身结构进行调节，从而起到保护作用。
4 结语
综上所述，在桥梁设计过程中，应用仿生法进行设计可以显著提升桥梁性能，保证桥梁工程的美观性和施工质量可以达到要求。在采用仿生法进行桥梁设计时，需要从材料、功能、结构等方面进行仿生设计，实现桥梁建设的持续化发展。
参考文献
[1]胡楠．仿生法在桥梁设计与优化中的应用研究[D]．长沙：中南大学，2010.
[2]顾国海．桥梁设计与优化中的仿生法分析及研究[J]．建设科技，2017，（13）.
（作者米肖松系中国公路工程咨询集团有限公司工程师）
