基于生物几何DNA的装配式建筑设计方法
技术领域
本发明属于装配式建筑理论技术领域，尤其涉及一种基于生物几何DNA的装配式建筑设计方法。
背景技术
随着我国经济、社会的快速发展，现代生活节奏的不断加快，环境治理压力大，劳动力短缺趋势不断显现，国家提倡增加装配式建筑占新建建筑的比例，根据《2011-2015年建筑业、勘察设计咨询业技术发展纲要》文件，清楚的表明了“建筑构配件安装化、推进结构预制装配化，一步一步地加大建筑工业化、住宅产业化的比重……”这个重要目标和任务。
目前，装配式建筑单元模块主要采用钢结构房屋体系，中国专利CN201410141547.3提出了一种模块化装配式钢结构房屋建筑体系，可在工厂批量进行统一规格的施工和装修，便于让所生产的所有装配式钢结构套间模块的每一种施工步骤可以由同一支施工队伍进行，这样使得施工建筑施工专业化程度大幅提高，施工效率和施工质量大幅提高，同时令突发性工程事故或错误的发生概率大幅降低；所述装配式套间模块除装配式钢结构套间模块相互连结及固定之外的全部施工均在工厂加工完成；所述模块化装配式钢结构房屋建筑体系，包含装配式套间模块和连接部件；所述装配式套间模块包括梁、柱、楼板以及按项目要求在其中添加的结构和设备；在施工现场，套间单元之间能够借助连接件进行连接和固定。该技术的缺点为：现有装配式建筑模块简单呆板，缺乏空间及建筑造型丰富性，标准种类繁多，构件间存在模数不协调的问题，构件生产和施工工序繁琐，技术复杂，既耗时耗力，又增加经济成本。另外，现有装配式建筑缺乏模数化和标准化，不易适应建筑类型、复杂地形的变化，会导致其工厂预制时，增加更多的不同尺寸的构件，不能因地制宜。
但是，一个预制装配式建筑项目的实施，需要前期设计、生产、施工、后期维护等环节，其中涉及业主、设计单位、构件生产工厂、施工单位等，而目前我国的装配式建筑无法形成一条完整的产业链，缺乏一种既能满足甲方丰富多变的空间形式要求，又能简化技术手段，从设计到落地上下游有机相连的构建体系。
发明内容
为了克服上述现有技术装配式建筑形式简单、技术复杂的难题，本发明提供一种基于生物几何DNA的装配式建筑设计方法，以DNA的生物几何为原型，设计出一种具有模数化、标准化和多样化的装配式单元，仅仅通过一个基本单元形成千变万化的拼接组合形式，形成室内空间外形式丰富、可因地制宜的装配式建筑，可全部工厂预制化，大幅度提高装配式构件预制率，且简化现场施工程序。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于生物几何DNA的装配式建筑设计方法，其特征在于利用生物DNA与几何学模型相结合的生物几何原理，将DNA碱基的排列组合通过几何学抽象运用到装配式建筑中，形成一种开放性装配式构建体系；
该装配式建筑将DNA碱基的脱氧核糖五碳糖和磷酸基团的几何形式作为一个装配式屋顶折角基础单元，此时磷酸基团可与五碳糖形成不同的空间夹角位置关系；通过同一装配式屋顶折角基础单元的不同变换形式进行装配组装，三角形与五边形的空间角度确定，可形成装配式建筑。
所述DNA碱基为DNA单链碱基。
装配式屋顶折角基础单元结合竖向和斜向支撑构件生成装配式建筑的基本单元体，将同一基本单元体的不同变换形式进行装配组装，得到装配式建筑。
竖向和斜向支撑构件为木柱、木梁、木骨架组合墙。
装配式屋顶折角基础单元的结构为：在长方形或正方形相邻两边各选取中点位置，折叠为成角度的五边形和三角形，五边形即为五碳糖几何形式，三角形即为磷酸基团几何形式，三角形三点自然处于一个平面上，三角形可与五边形形成不同的空间夹角位置关系，即单个装配式屋顶折角基础单元的五边形和三角形可形成不同的空间夹角，当装配式屋顶折角基础单元之间相接时，三角形与五边形的空间角度确定。
通过同一基本单元体的不同变换形式进行装配拼接是指，在组合成装配式建筑的过程中，运用平移、镜像和旋转、对称等手法对基本单元体进行操作，拼接组成多种装配式建筑。
基本单元体可首先进行基础单体旋转衍生为四个基本变体，每个基本变体再运用平移、镜像、对称的手法进行组合，拼接组成所需装配式建筑；优选地，基础单元体旋转的角度为0°、90°、180°、270°。
通过一个装配式屋顶折角的基础单元，实现的组合方案数量为P＝wk*Ckm*n，其中，m*n为网格范围，k为在m*n网格范围内放置的基本单元体个数，w为单元体通过镜像、旋转、平移等操作产生的变体个数。
基本单元体经旋转、平移、镜像、对称等操作可拼接成适应山地地形的装配式建筑、民居装配式建筑、集中式装配式建筑。
本发明的有益效果为：
1.将生物几何原理引入建筑领域，借助DNA的智慧，设计一种遵循一定规律的开放性装配式构建体系。比起传统“一锤定音”的装配式建筑，基于生物几何DNA的装配式建筑具有“软性”规则。
2.提供具有丰富变换排列可能性的单元体，能塑造多种内部空间和立面外观，打破现有装配式建筑相同呆板的建筑形式，提高了业主对于建筑样式、功能排布的可选择性。
3.单元空间重复与组合具有即韵律美，在生成过程中包含连续、渐变、起伏、交错的韵律美，且单元重复是在空间组织艺术上将时间因素注入到三维设计中，延展停顿等都赋予建筑空间以运动和变化，人们在行进过程中体验着时空序列的转换，引发情感上的共鸣。
4.通过同一单元体的不同变换形式进行装配拼接，统一的模数、相同的构件能够提高工厂预制率，简化施工技术，且节约社会资源。
5.重复的单元体可以在设计中自由组合与加减，具有适应性且赋予了建筑极大地灵活性，从小型私家住宅到大型公共建筑，从单层到多层，从平原到山地都可以因地制宜。
6.通过标准化、系列化、配套化设计建筑产品建筑结构，能够对主体结构、围护结构、厨卫、设备等建筑产品的部品和配件进行系统设计，使装配式建筑适用于工业化生产，提高效率。
7.本发明装配式建筑单元体具有统一的矩形模数，可根据实际建筑类型、体量进行统一模数、尺度缩放，以适应不同设计及建造要求。
8.本发明装配式建筑单元体不同组合具有极大的差异性，如同各种生物的遗传物质都是DNA但形象却千变万化。
综上，本发明通过生物学与几何学的跨学科交叉研究，解析DNA中核苷酸几何原型作为装配式基础模块单元的几何形式，具有创新性。因该几何原型具有多种空间位置关系和折角变换形式，该单元自身形式丰富，不同于现有装配式单元的呆板单调。且因DNA单链中四种碱基的排列形式决定了无穷的遗传信息，根据碱基理论设计的装配式单元体可形成千变万化的建筑，具有极大的多样性、灵活性，且单元体间拼接顺畅，现场施工简单。
附图说明
图1为本发明DNA核苷酸几何原型俯视图；
图2为本发明DNA核苷酸几何原型侧视图；
图3为本发明装配式单元轴测图；
图4为本发明四种碱基形式；
图5为本发明DNA单链连续碱基组合形式；
图6为本发明DNA双螺旋结构图；
图7为本发明单向压缩的DNA双螺旋结构图；
图8为本发明装配式基本单元体旋转衍生的四个基本变体；
图9为本发明装配式基本单元体平移、镜像、对称操作图；
图10为本发明三个装配式基本单元体组合方式图；
图11为本发明六个装配式基本单元体组合方式图；
图12为本发明屋面折角变化图；
图13为本发明基本单元体对山地地形适应性的拼接方式；
图14为本发明装配式建筑适应山地地形的组合方式1；
图15为本发明装配式建筑适应山地地形的组合方式2；
图16为本发明装配式建筑适应山地地形的组合方式3；
图17为民居立面局部图；
图18为本发明装配式建筑4x6院落式民居组合方式；
图19为本发明装配式建筑6x8院落式民居组合方式；
图20为本发明装配式建筑集中式组合方式；
图21为本发明折角变换形式示意图；
图22为本发明几何原型X、Y、Z方向伸缩变换示意图；
图23为本发明装配式单元X、Y、Z方向伸缩后的连续拼接示意图；
图24和图25均为本发明三角形和五边形折叠的四种位置关系示意图；
图26为本发明组合差异性示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
公理化的方法给几何学的研究带来了一个新颖的观点，在公理法理论中，由于基本对象不予定义，因此就不必探究对象的直观形象是什么，只专门研究抽象的对象之间的关系、性质。从公理法的角度看，我们可以任意地用点、线、面代表具体的事物,只要这些具体事物之间满足公理中的结合关系、顺序关系、合同关系等,使这些关系满足公理系统中所规定的要求,这就构成了几何学。因此,凡是符合公理系统的元素都能构成几何学，每一个几何学的直观形象不止只有—个，而是可能有无穷多个，每一种直观形象我们把它叫做几何学的解释，或者叫做某种几何学的模型。本发明正是将生物DNA与几何学模型相结合，从自然中提取规律，将DNA的伟大智慧通过几何学抽象运用到装配式建筑中。
一、DNA分子结构及碱基
生物体内的DNA分子结构中，两条脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，反向互补，构成双螺旋结构。DNA的几何形态是由两个螺旋状单链准晶体-碱基通过氢键相连而构成的超螺旋体。
碱基是DNA螺旋双链中的最小遗传单元，其作为DNA的基本结构和功能单位，由碱基中脱氧核糖和磷酸基团两个部分组成。含氮碱基分为腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)四种。脱氧核糖是一种含有五个碳原子的单糖。磷酸基团与五碳糖上的五号碳原子相连，在单个碱基上属于游离状态。在和两个五碳糖的羟基发生酯化反应后，磷酸基团转化为磷酸二酯键。五碳糖通过磷酸二酯键连接，形成多核苷酸链也即DNA单链。
因为生物DNA中无穷多样的遗传信息取决于DNA单链上的碱基排列顺序，它们的排列顺序是决定生物的多样性的根本所在。在DNA双螺旋上像字母一样排列的碱基序列承载了生物的遗传信息，对于包含60个亿核苷酸的人类基因组来说，存在了460亿种可能排列方式，正式如此庞大的数字支撑着全球75亿人之间存在的差异性。
所以本发明主要的研究对象是DNA单链碱基的排列组合。碱基则是决定核苷酸几何原型中五边形和三角形几何空间位置关系。A、T、C、G四种碱基对应同一几何原型的四种空间位置关系(图4)，构成碱基的理论标准几何形态。
单链上的连续碱基显示出相当大的灵活性，这种灵活性在某种程度上依赖于碱基和碱基对本身的性质，但更依赖于它们碱基的堆积环境。单链上的碱基连接组合具有多种形式(图5)，在DNA单链中，四种核苷酸的几何形式排列组合，多边形随几何空间角度关系，一一的对应边缘紧接。作为遗传信息载体和通道，四种脱氧核苷酸面面相接，平滑顺畅的准晶体表面保证遗传信息的传递。
二、基于生物几何DNA的装配式建筑设计方法
本发明的基于生物几何DNA的装配式建筑，利用生物DNA与几何学模型相结合的生物几何原理，将DNA碱基的排列组合通过几何学抽象运用到装配式建筑中，设计一种遵循一定规律的开放性装配式构建体系；即：以DNA的生物几何为原型，将DNA经过转录、翻译、复制传递遗传信息从而构成生命体本源的生物原理，运用到装配式建筑领域。
该建筑体系将DNA碱基的脱氧核糖五碳糖和磷酸基团的几何形式作为一个装配式屋顶折角基础单元，此时磷酸基团可与五碳糖形成不同的空间夹角位置关系；通过同一装配式屋顶折角基础单元的不同变换形式进行装配组装，三角形与五边形的空间角度确定，可形成装配式建筑。
装配式屋顶折角基础单元结合竖向斜向支撑构件生成装配式建筑的基本单元体，通过同一基本单元体的不同变换形式进行装配组装，即得到装配式建筑。
竖向斜向支撑构件为梁柱、斜撑、墙板等结构。
同一基本单元体的不同变换形式进行装配拼接是指，在组合成装配式建筑的过程中，运用平移、镜像和旋转、对称等手法对基本单元体进行操作，拼接组成多种装配式建筑。将基本单元体首先进行基础单体旋转(可旋转0°、90°、180°、270°)衍生为四个基本变体，每个基本变体再运用平移、镜像、对称的手法进行组合，拼接组成所需装配式建筑。
通过一个装配式屋顶折角的基础单元，实现的组合方案数量为P＝wk*Ckm*n，其中，m*n为网格范围，k为在m*n网格范围内放置的单元体个数，w为单元体通过镜像、旋转、平移等操作产生的变体个数。
三、装配式屋顶折角基础单元结构
本装配式建筑就是基于DNA螺旋双链中的最小遗传单元-碱基设计的，通过解析DNA的空间几何形态将生物几何法则应用到现代装配式建筑的设计之中。
本发明设计的装配式屋顶折角基础单元结构为：在长方形或正方形相邻两边各选取中点位置，折叠为成角度的五边形和三角形(图1、图2)，五边形即为五碳糖几何形式，三角形即为磷酸基团几何形式，三角形三点自然处于一个平面上，极具稳定性。三角形可与五边形形成不同的空间夹角位置关系。单个装配式屋顶折角基础单元的五边形和三角形可形成不同的空间夹角，当装配式屋顶折角基础单元之间相接时，三角形与五边形的空间角度确定。基于的碱基理论为:
DNA中四种碱基的排列顺序是决定生物的多样性的根本所在。本发明主要的研究对象是DNA单链碱基的排列组合，从生物学角度来讲四种碱基是生命体的源泉，其排列顺序更是生命体不同与彼此的根源。将这种生物学领域的理论类比到建筑设计中，通过一个几何原型的四种空间位置关系，形成一组装配式建筑的“密码”，这四个几何原型单元体屋面的连续拼接，则构成了装配式建筑千变万化的本源。这便是建筑领域的生物学应用，即碱基设计理论。
磷酸基团是一个三维动态的存在，其通过磷酸键与五碳糖相连。单个磷酸基团在空间中处于游离状态，可与五碳糖形成不同的空间夹角位置关系。当两个碱基相接时，形成的磷酸二酯键则确定了游离磷酸基团与五碳糖的空间角度。与此同时，五边形与三角形的成角度折叠，构成一个准晶体。
准晶体，亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构，与普通晶体具有的二次、三次、四次或六次旋转对称性不同，准晶体的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。这个准晶体组合高度近似于脱氧核糖和磷酸根组合形成的碱基的空间几何形式。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，一个形式最简洁的几何单元具有极丰富的多样性，具有编码的特质，还可以构成密码文字。
以这种在空间中可动态旋转为不同角度的几何单元形式作为装配式屋顶折角基础单元结构(也即装配式单元屋面)，结合竖向斜向支撑构件即生成了装配式建筑的基本单元体(图3)。作为DNA最小遗传单元核苷酸的单元体在其组合成装配式建筑的过程中，可以运用平移、镜像和旋转对称等手法进行操作，突破现有装配式建筑的瓶颈，组成形式极为丰富、但技术简单的装配式建筑，例如可拼接成适应山地地形的装配式建筑、民居装配式建筑、集中式装配式建筑等。
四、折角变换过程及形式
如图21所示该几何原型由正方形取相邻两边中点连线，分为一个三角形和一个五边形，连接正方形对角线作为辅助线，以中点连线为轴折叠三角形和五边形，折角角度为与水平方向辅助线形成的夹角(例20°)，然后A点、B点、C点处于同一水平线上，依次连接A、B、C、D四点，形成四点不在同一平面的投影为正方形的空间几何原型。折角角度根据情况可以改变调整，但为保证DNA及装配式建筑的拼接连续性三角形和五边形折叠角度应保持一致。
该几何原型是一种拓扑几何结构，可在X、Y、Z方向进行伸缩变换，但不改变其几何特性，如图22所示分别在X、Y、Z方向上对原型进行了1.5倍拉伸(图22)，其折角角度也会进行相应改变，但依然可以进行连续拼接(图23)，足以见得其充分可变的适应性和功能之强大。
五、本发明几何原型的空间位置关系
在DNA四种核苷酸中，五碳糖和磷酸基团都是相同的，决定其差异的就是A、T、C、G四种碱基。本发明几何原型在正方形或长方形相邻两边各选取中点位置，折叠为成角度的五边形和三角形，五边形即为五碳糖几何形式，三角形即为磷酸基团几何形式。碱基则是决定核苷酸几何原型中五边形和三角形的几何空间位置关系，A、T、C、G四种碱基对应同一几何原型的四种空间位置关系。三角形和五边形的折叠方向与折叠角度都可变，但在同样折叠方向、角度的情况下，一定具有四种空间位置关系，这四种位置关系的示意图如图24或25所示。
图26为本发明组合差异性示意图。
六、DNA的碱基几何形式猜想的合理性验证
根据A-T、C-G的碱基配对原则，即在每一对碱基中，嘌呤和嘧啶碱通过特定的氢键结合在一起，形成碱基对。在双螺旋DNA中，碱基对中的两个碱基分别来自两条不同的DNA单链，通过分子间氢键，将DNA双螺旋链结合在一起。根据这一原理，四种不同空间位置的碱基，在DNA双链中存在着一一对应关系，两条多脱氧核苷酸链反向互补，形成相当稳定的组合(图6)。
对几何形式的DNA双螺旋其进行单向挤压，所得结果(图7)同意大利卡坦扎罗马格纳-格雷沙大学的物理学教授恩佐-迪-法布里奇奥，在2012年利用电子显微镜拍到的DNA照片十分相近，也再次验证了本发明所提出的DNA的碱基几何形式猜想的合理性。
实施例1
本发明装配式建筑可仅通过一个屋顶折角的基础单元，实现千变万化的组合形式，当在m*n的网格范围内放置k个单元体，单元体通过特定的操作(如镜像、旋转、平移等)产生w个变体时，组合方案数量为P＝wk*Ckm*n。下面用例子加以说明。
咖啡厅位于河北省承德市双滦区红石墅小区入口广场处，周围群山环绕，白杨耸立，视野开敞，建筑功能较为简洁，满足了基本的咖啡简餐需求，氛围顾客休闲区、制作区、以及后勤、卫生间等辅助区。同时，对形态的设计要求尽量规整且采光充足，所以建筑师对应地形设置了4*2的网格，并在其中放置了7个单元体，通过旋转与镜像操作，单元体衍生出4个变体，因此，可能的排列方式有P＝4k*Ckm*n＝47*C74*2＝131072种。
在众多选择中，基于DNA生物几何的设计原理是在整体中建立特定的规则秩序，在规则下的形态国度中“寻找”最适合的“新”形态。相似却又不尽相同的单元体组合在各个角度都展现出与众不同的形态，局部高起的侧窗将自然光引入室内，带来丰富的视觉感受。入口处的加高处理使单元体变得更加醒目，如同DNA序列中的某个核苷酸发生突变一样，导致了整体结果的变化。
实施例2
下面对本发明对装配式基本单元体运用旋转、平移、镜像和旋转对称等手法进行操作，组装装配式建筑举例说明。
装配式基本单元体可首先进行单体旋转(0°、90°、180°、270°)衍生为四个基本变体(图8)，每个基本变体可以运用平移、镜像、对称的手法进行组合(图9)，此后以最小群组三个基本单元为例(图10)，采用同一种平面布置模式，可得出若干组合形式(图10)，且每种组合形式屋面、立面、室内形态都不相同，最后可根据建筑体量及平面需求进行群组组合，以六个基本单元为例(图11)，可根据客户需求进行筛选调配，例如立面外观喜好、是否有高侧窗采光需求、景观花园位置、屋顶内外排水等，即可仅用一个装配式单元体，组成技术简单但形式极为丰富的装配式建筑。
实施例3
下面描述本发明组装的装配式建筑能适应山地地形。
本发明装配式单元屋面的三角形折角向上向下旋转角度可变，基本单元体原型具有多种适应性，如图12所示。不同于现有集装箱式装配式建筑，本发明的装配式建筑单元体倾斜折角屋面是关键技术，当确认屋面三角形和五边形角度后(图12中1号)，可进行屋面折角延展(图12中2号)，屋面翻转(图12中3号)等操作。
屋面四点不在一个平面上，是本发明屋面结构的重要特征。采用图12三种基本单元体，多个单体屋面斜边拼接为坡屋顶与竖向支撑结构尺寸结合即可适应山地不同高差(图13)，进行具体设计。
利用图12三种不同基本单元体，结合图13适应山地的基本单元体拼接方式，可以组装成适应山地地形的装配式建筑，如图14、15、16所示。
实施例4
下面描述本发明组装的装配式建筑民居的组合方式。中式传统民居多采用院落形式，本发明坡屋顶特色屋面的拼接、斜撑结构、围合而成的矩形内院也是中式民居的现代化表达(图17)。
本实施例基本单元体采用矩形模块，可根据模数组成院落式民居(图18、图19)，模数组合变化程度极高。
实施例5
下面描述本发明组装的装配式建筑集中式组合方式。
虽然本发明基本单元体采用小尺寸矩形单元模数，但其拼合能力极强，作为集中式建筑如展览馆、美术馆更能发挥形态的群组美感，屋面的连续拼接独具韵律，且组合拼接形成的高侧窗可以为大体量建筑提供日照采光。如图20所示，为本实施例装配式建筑集中式组合方式示意图。
综上，仅提出三种不同建筑类型的适应性，说明单元体的千变万化并不代表只能适应这三种。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，其依然可以对前述实施例的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进项等同替换。凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
