自然设计不解之缘研讨论文

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摘要:人类的生存发展需要设计和造物,但设计和造物一刻也离不开大自然的恩赐。她慷慨地为我们提供物质资源;人类为适应不同的自然环境创造了不同功能和形式的器物;自然规律又以“巧生”启发了人类的许多发明创造,因此,自然与设计有着不解之缘。

关键词：自然设计

人类是大自然的产物,并依靠自然资源而生存。自然为不同地域的人类提供相同或截然不同的资源，人类造物活动才有了可能性；人为适应自然要创造不同功能和形式的器具、用品，人类造物活动才有了多样性，从这个角度，我们把自然称为“设计之母”。当然，如果没有人类的智慧，自然永远是自然，绝无可能成为人造物。正如明代科学家宋应星（1587-1666年）反用古语所取的书名——“天工开物”。中国科技史家潘吉星对此作了这样的分析：“‘天工开物’思想强调人与天（自然界）相协调，人工（人力）与天工（自然力）相配合，通过技术从自然界中开发出有用之物，这种思想还有个内涵是，自然界本来蕴藏着取之不尽，用之不竭的美好而有用之物，但

不会从天而降、轻易取得，而是‘巧生以待’，必借人力和人的技术通过水火这种自然力的作用，再用金属、木石工具从自然界开发出来，为人所用。”⑴然而,自然的存在先于人类,如果没有自然的慷慨赐予,人类的设计只能是无米之炊。

一、自然是设计的物质之源

自然界所生万物皆可为人类设计的物质基础，反过来说，没有自然界的金、木、水、土、空气，人类根本无法生存，又何谈设计和造物。但是,不同自然环境为人类提供的物质基础，有的相同，有的又很不相同。这对于设计的发生阶段有很大的影响。

人类最初利用的相同物质可以列举出石、木、动物的骨角、黏土以及水和火，所以世界上多数原始民族都有石器、木器、骨角器和陶器，并且先后发明了弓箭、独木舟，在原始社会的最后阶段又发明了铜器。它们在形制上虽有差别，但在器物的种类上却是相同的。

不同的自然环境会提供不同的物质资源，形成有差异的设计。如纺织品，埃及最早的纺织原料是野生亚麻，随着原始农业的发展，人们种植亚麻用于织布。从开罗博物馆所藏的一件紧身衣来看，埃及古王国时期的亚麻布衣料质地光滑细腻，幅宽达60英寸，细纱有几十米长⑵。美索不达米亚的苏美尔人“最早的纺织品原料是羊毛”⑶。中国最早的纺织原料除野生的葛和麻纤维以外，最引人注目的是天然蚕丝。传说黄帝妃嫘祖发明养蚕和缫丝，其后在相当长的时间里，只有中国出产丝织品。以上所说的亚麻、羊毛和丝这几种不同的纺织原料，都是不同自然生态条件下形成的异性。

二、自然是设计的“课题”之源

人类在不同地域会遭遇不同的生态环境，我们常说的海洋文化、大陆文化、大河文化等不同文化类型,也包含着不同的设计。这些设计所以不同，是因为当地居民要适应环境、利用环境，进而要改造环境，就会出现需要解决的问题。在不同的生态环境中，这些问题可能不同，因而解决的方式也有不同。如果我们把问题看成“课题”，那么解决问题的方案就是设计。从这个意义上，可以把自然生态看成设计课题的来源。

人类最初的设计往往以顺应自然环境的方式来解决问题和矛盾,这与当时的技术技能、实践经验和对自然的认识水平相关。如人类的居所直接联系着基本生存问题，这不仅关系着人身安全，也关系着如何便于获取和利用生活资源的问题。最初的人类居所由树上巢居转移到地面的天然山洞穴居。新石器时期，永久性居所迁到河湖附近的阶地，已无天然穴居的可能，于是出现竖穴或地穴式建筑，使用木骨泥墙和木柱支撑地面以上的顶盖。到晚期，则出现了夯土墙、石砌墙和土坯墙的地面建筑。这些建筑形式遍布于我国南北各地温带气候区。而东南沿海地区的临水干栏式建筑和北方黄土高原窑洞式建筑，则因适应自然环境形成了截然不同的形式。

干栏式建筑的“干栏”，是从少数民族语言转译而来的。我国新石器时期的河姆渡文化、良渚文化都发现有干栏式建筑的遗迹。⑷其中，河姆渡文化的遗存较为典型。"河姆渡文化盛行一种栽桩架板高于地面的干栏式建筑。在河姆渡遗址各文化层，都发现了与这种遗址有关的圆柱、方桩、板桩、梁、柱、木板等木构件，共达数千件。干栏式建筑是我国长江以南地区新石器时代以来重要建筑形式之一，目前以河姆渡发现为最早。"⑸

同类的建筑在欧洲也可以见到。如瑞士日内瓦湖边，1854年干旱的冬季，水面降到很低的程度，暴露了新石器和早期青铜时代建于湖淀木桩上的房屋的基础。“这种湖上居所类似今天在西里伯斯岛及其他地方所见到的方式。不但古代站台的木桩还保留着，而且在下面泥炭堆里还找到了大量的木器、骨器、石器、陶制器皿及装饰品、剩余的食物等等。甚至还发现有网罟和衣服的残片。”⑹

以上这些建筑，都需要大量木材，可以想见当时在这些遗址周围森林茂密，有理想的取材之地。北方黄土高原的情况就很不相同，在木材渐见稀少的情况下，在新石器时期晚期出现了窑洞式住所。我们都知道，窑洞建筑在黄土高原上，至今还在广泛使用。"迄今为止时代最早的窑洞式建筑发现于甘肃的宁县阳遗址，属仰韶文化晚期遗存。龙山时期窑洞式建筑则发现较多，主要见于甘肃东部、宁夏南部、内蒙古中南部、陕西和山西的黄土高原地区。这些窑洞式建筑基本分布在青藏高原以东、太行山以西、秦岭以北的黄河中上游第二级阶梯上。这里属温带半干旱气候区，海拔较高，地下水位普遍较深，黄土堆积也较丰厚（最厚可达200余米），且多梁峁、台塬，为窑洞式建筑出现并长期流行提供了自然环境基础。"⑺

根据考古学家分析，窑洞建筑在局部地区流行，与当地生态环境的变化有关。一是建筑和生活用燃料大量使用木材，使这一地区森林资源极度萎缩，又不像南方那样容易再生；二是约公元前3000-前2000年的龙山期气温呈下降趋势，黄土高原地区气候向干凉发展。以上两方面因素使木材用量少而又冬暖夏凉的窑洞应运而生，在生态环境无法改善的情况下，这种建筑形式得以长期流传，至今已达数千年之久。

三、自然是设计的“巧思”之源

有一位学者在谈论天地造物与人类制作的关系时说："规律如河道，行船有顺逆。大自然总是采取‘顺流而下’的方式展示自然规律，而人类往往以‘逆流而上’的蓄势来运用同一条规律。……与滚滚波涛顺流而下的自然造物相比，人工制作不过是逆流而上的几叶小舟。”⑻

人类的设计虽然在窥探大自然的奥秘，并按自然规律来进行自己的创造，但往往不是先作出科学的总结，再进行实践的探索。早期的人类，只能凭经验直觉指导实践，符合自然规律的才能成功，违背自然规律的就会失败。在第一只独木舟下水之后几千年，古希腊物理学家阿基米德才提出关于浮力的定律；在人工取火几千年后，18世纪的俄国化学家罗蒙诺索夫才提出燃烧是物质氧化的原理。总之，当初的设计是经验性的创造活动，然后再总结规律使之完善。在这样的反复实践之中，自然界不经意的“巧生”直接启发了设计的“巧生”，也就是某些物质特殊的原生状态启发了人的智慧，从而完成了一些十分关键的物质创造，例如从纯铜到青铜合金的发现就是如此。

“铜是人类最早认识和使用的金属之一。人类开始以天然铜锻制小件工具和饰物，继而发明冶铜技术。”⑼天然铜锻制的红铜并不坚硬，但延展性强，用于装饰十分理想，制作工具则很勉强。此后，先后出现了硬度较高的砷铜合金和锡铜合金（青铜），至青铜产生，铜才得到比较广泛的应用。

20世纪80年代以前，考古界对砷铜还比较陌生，这一概念的引出，因于对中国四坝文化青铜器的检测。砷是一种剧毒的半金属，大多以硫化物形式夹杂在铜、铅、镍、钴等金属矿物中，其中一种灰色晶体砷可用于制作硬合金材料。砷铜合金的出现，一种可能是人为实验的结果，更大的可能是因为砷铜共生，在冶炼中自然生成较硬的铜合金。考古学家在讨论这一问题时有一种意见是："最初，人们首先使用的是地表常与自然铜伴生的孔雀石、蓝铜矿等，用这种矿石冶炼的铜是较纯的自然铜。接着是开采氧化矿层中的矿石，冶炼出的铜往往含较多的砷或锑。含砷的铜经过冷锻会很快硬化，其性能优于红铜。可是，一旦采用了硫化矿石，由于在焙烧阶段大量的砷要流失，所以炼出的铜又是较纯的铜，其硬度低于砷铜。在这种情况下，人们需要寻找新的物质来提高铜的硬度，铜锡合金就成为生产“硬铜”的基本工艺，并最终导致青铜时代的到来。显然，铜器的起源发展依红铜、砷铜、青铜的先后序列，也是由铜矿矿床的结构和性质决定的。"⑽

然而，对锡铜合金的产生，也有一种认为是巧合的看法。西方学者认为，原始人“偶然把一堆铜矿石和普通石块一起筑成他们用来烹煮的火炕时发现了炼铜的秘密”，由于铜与锡常常同在一个矿脉里，炼铜时就偶然产生了铜锡合金。英国人类学家赫·乔·威尔斯认为："在中国、康沃尔和其它地方，常在同一矿脉里，有铜矿石又有锡矿石；在匈牙利，铜和锑混在一起；因此，与其说是由于手艺，倒不如说是偶然，古代冶炼的人才找到了较硬又较好的青铜。所谓‘纯铜’器具常常包含一小部分锡，这时期没有发现过锡器，也没有证据表明早期人类曾把锡看成另一种金属。在印度锌和铜的矿石出现在一起，黄铜（这是两种金属的合金）也是这样偶然制成的。"⑾

关于铜与砷、铜与锡合金的偶然发现仅仅是最初出现铜器时的状况，随着实践经验的丰富，工匠们逐渐找到铜（古称“金”）锡配比与合金硬度的关系，成书于春秋晚期的《考工记》就有关于“六齐”的记录。⑿虽然实物分析表明，商周青铜器的合金配置较“六齐”更复杂，但“六齐”仍是世界上关于铜锡配比最早的文字记载。

除青铜合金之外，炼丹引起对汞及其化合物的认识也是一例。丹砂即朱砂，朱砂是一种绯红色的矿物，成分为一硫化汞，是提取汞的重要原料，也是古代制作红颜料（银朱）的重要原料。在炼丹术出现前后，从原始社会到秦汉，在墓葬中用朱砂撒遍死者全身，或以朱砂铺垫时有发现。河南偃师二里头遗址Ⅲ区发掘的2号墓，墓底铺垫朱砂厚达6厘米。⒀这种现象应与山顶洞人在尸体周围撒赤铁矿粉相似，与巫术与象征生命有关。“现在化学史专家多认为，中国的炼丹术可能是发韧于战国和秦代齐燕方士的求‘不死之药’”。⒁炼丹与青铜冶炼有一定关系。“但炼丹又不同于青铜冶炼，它是以‘抽砂炼汞’，用汞来制造金汞齐和药金、药银的主要内容。”⒂由于汞能溶解金、银、铅、锡等金属，常用于提炼金银。金与汞的合金，古称“金汞齐”，是鎏金工艺的重要材料。方士从丹砂提炼水银，制成金汞齐为器皿镀金，是因为相信用镀金器皿饮食可以长寿，由此产生了一种鎏金新工艺。

自然界万物几乎都以它们的特性和内质不断地启发着人类设计的“巧思”。竹木富有弹性的枝条启发人发明了弓弩，木材浮在水上的性能启发人发明了船舶，草木灰覆盖在陶器上烧成釉，熔化的石英成了玻璃，空气和水流动的规律产生了流体动力学，天体运行的规律产生了天文学，空气急剧膨胀的原理产生了火药，磁铁与磁场的相应关系产生了指南针……冥冥之中，大自然造物的奥秘在一点点地启发人类的创造，大自然才是真正的设计之母。