植物活體建筑研究

魏 琪 魯東大學(xué)土木工程學(xué)院建筑學(xué)專業(yè)本科在讀

1 研究背景

1.1 時(shí)代背景

隨著時(shí)代的進(jìn)步，鋼筋混凝土占據(jù)著都市的建筑主體，千篇一律的玻璃幕墻、整齊劃一的高層綜合體、生硬的預(yù)制構(gòu)配件讓人們丟失了對(duì)自然的認(rèn)知。新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得現(xiàn)代建筑的建筑形式更加多樣化。利用植物這一新材料，通過其自然生長(zhǎng)的形態(tài)鍛造創(chuàng)新的“活”的建筑正符合現(xiàn)代建筑的發(fā)展需求[1]。

1.2 現(xiàn)實(shí)問題

人口膨脹下的城市用地壓力使得建筑不得不豎向發(fā)展，高層、超高層辦公商業(yè)居住綜合體拔地而起，城市的天際線及建筑密度不斷飆升。光污染、資源浪費(fèi)、水土流失等現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，在滿足人的使用需求的同時(shí)，大自然也正在給人類警示，尋找自然與建筑發(fā)展的平衡迫在眉睫。

2 植物建材的作用

2.1 圍合空間

樹木在空間組織方面發(fā)揮著作用，在一定情況下可相似于柱網(wǎng)的作用。根據(jù)樹木的高度、密實(shí)度、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，形成不同的圍合或開敞邊界。樹木密實(shí)、枝葉覆蓋面積大的地方形成圍合空間，樹木稀疏處形成開敞空間。

2.2 空間層次感

樹木形狀的不同帶給人的直觀感受是不同的，如圓球形樹木外形飽滿，可帶來親切感；尖塔形樹木從底向上收分，形成向上的動(dòng)勢(shì)，且使人視線聚焦在頂尖。

2.3 隨季節(jié)變化

植物用作建材不同于普通加工建材的最突出特點(diǎn)是其生長(zhǎng)特性。植物隨著季節(jié)的更替表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)狀態(tài)，從嫩芽到枝繁葉茂再到枯萎，從綠色到黃色再到褐色，季節(jié)的變化在植物身上留下印記。每一種植物都有獨(dú)特的生長(zhǎng)周期，不論是葉片色彩、枝干紋理，還是表面形態(tài)，都各具特色[2]。

2.4 局部形態(tài)變化

隨時(shí)間的推移，植物的形態(tài)會(huì)發(fā)生符合自然規(guī)律的變化。樹木紋理的更新導(dǎo)致新樹皮生長(zhǎng)與舊樹皮脫落，枝干向光生長(zhǎng)造成生長(zhǎng)方向改變，外界環(huán)境及蟲害的攝食導(dǎo)致葉片紋路發(fā)生變化等。

2.5 改善建筑環(huán)境

綠色植物有加快建筑內(nèi)部空氣更新，繁茂的樹冠能抵擋空氣中的粉塵。同時(shí)，植物有利于改善環(huán)境的小氣候，如葉片蒸騰作用可以增加空氣濕度達(dá)到吸熱降溫作用，以達(dá)到低碳節(jié)能的目的；植物的根系可以固定土壤，防止水土流失；大面積的葉片可以達(dá)到遮陰和吸聲降噪的效果。對(duì)于城市而言，植物建筑起到了美化城市環(huán)境的作用，給鋼筋混凝土披上了植物外衣。

3 植物建筑建造方法

植物建筑的建造方法可以分為2 種，一種是當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的植物墻的垂直綠化方法，在保存建筑本身完整結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將植物懸掛或利用植物的攀爬性形成，現(xiàn)已大量應(yīng)用于建筑的內(nèi)外墻面，如意大利米蘭“垂直森林”，沿外墻布置有喬木、灌木及草本植物，廣州花都自由人花園運(yùn)用58 種植物品種、45 萬盆植物形成五面立體綠化。另一種是利用植物的自然生長(zhǎng)特性，結(jié)合人工引導(dǎo)改造形成的建筑，由于周期長(zhǎng)、不可控制性大、植物種類要求高，當(dāng)前多出現(xiàn)在一些構(gòu)筑物中，如印度的活體植物橋梁、德國的梧桐樹立方[3]。

3.1 植物墻

3.1.1 建筑形式

一是模塊式，即把外墻面分成相同的模塊，先安裝木質(zhì)或者鋼質(zhì)骨架，再利用懸掛或綁扎的方法將植物構(gòu)件安裝，可形成不同的圖案。二是鋪貼式，不設(shè)置骨架，直接將植物的生長(zhǎng)基質(zhì)鋪貼在外墻面上，厚度較薄且具有防水阻根的功能。三是攀爬式，即一些藤本植物具有極強(qiáng)的攀爬能力，能依附在外墻上并順墻攀爬，如爬山虎、常春藤、綠蘿等，可以使其自上而下自然垂吊或自下而上自由攀爬或設(shè)置牽引架引導(dǎo)攀爬。四是擺花式，即在外墻上安裝盆花，用于臨時(shí)垂直綠化造景。五是布袋式，即將帶有植物生長(zhǎng)基質(zhì)的布袋縫制在有封閉防水層的外墻上。六是板槽式，即在板槽中配備植物生長(zhǎng)所需基質(zhì)，并將其安置在外墻面上[4]。

3.1.2 養(yǎng)護(hù)方法

一是控制系統(tǒng)。監(jiān)控器一般安置在植物墻上方，通過對(duì)溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，時(shí)刻監(jiān)控植物的生長(zhǎng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

二是灌溉系統(tǒng)。植物墻的密度較高，使用噴淋系統(tǒng)則僅浸濕植物葉片表面，無法使水分進(jìn)入植物根系，控制不當(dāng)甚至?xí)斐蓧w潮濕損壞。滴灌系統(tǒng)是植物墻普遍使用的灌溉系統(tǒng)，其原理是在最上方的植物支撐構(gòu)件上安裝水源滴頭，水因重力自然下落，逐漸浸濕下一層植物根系。裝置上安裝有可控的開關(guān)閥門，不僅可以疏松土質(zhì)，滋養(yǎng)植物根系，而且可以達(dá)到半智能化效果。

三是防水系統(tǒng)。滿足植物正常生長(zhǎng)的同時(shí)需要保證墻體達(dá)到防水目的，首先是外墻應(yīng)選用防水性能強(qiáng)的材料，其次是植物基質(zhì)安置在鋼支架上，與建筑外墻脫開，減少對(duì)建筑外墻的危害。

四是栽培方法。運(yùn)用無土栽培的水培法，植物根系不依賴土壤存活，而是依靠吸收營(yíng)養(yǎng)液中的礦質(zhì)養(yǎng)分生存。按照植物生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)因子成分比例配置營(yíng)養(yǎng)液，既可以滿足植物生長(zhǎng)需要，又可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，減輕灌溉負(fù)擔(dān)。

五是人工養(yǎng)護(hù)。適度修剪枯萎枝蔓，改善景觀效果；自然或人工空氣的流動(dòng)促進(jìn)植物新陳代謝，定期殺蟲抑菌，避免影響植物生長(zhǎng)；及時(shí)更換因過度生長(zhǎng)或營(yíng)養(yǎng)不足負(fù)生長(zhǎng)的植物。

3.2 植物與建筑共同生長(zhǎng)

3.2.1 建造方法

一是彎折法。利用樹木自然生長(zhǎng)，刻出缺口使其彎曲，植物在自我修復(fù)過程中缺口愈合，達(dá)到改變植物生長(zhǎng)方向的目的，以滿足建造所需的圍合形態(tài)。二是連接法，與植物的嫁接有關(guān)。砍掉樹的外表皮，用繩子或膠帶將兩樹枝綁扎在一起，在細(xì)胞的融合作用下兩種植物逐漸結(jié)合在一起等。三是螺釘法。依靠人為的加固連接措施，將兩枝干交接處鉆孔錨固，隨植物自身的生長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)部位不斷變粗、變堅(jiān)固，就會(huì)形成植物穩(wěn)定包裹節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。四是疊加法。先進(jìn)行外圍承重結(jié)構(gòu)的布置，再在其附近種植植物幼苗，使得各層植物用類似于編織的方法相互疊加，隨著植物的生長(zhǎng)，最終圍合成一個(gè)建筑整體[5]。

3.2.2 植物選擇

活體植物建筑對(duì)于植物的要求非常高，要求其具有一定的承載能力，保證建筑的穩(wěn)定性，這對(duì)植物的堅(jiān)挺程度及根系的生長(zhǎng)能力有較高的要求；需要其有充足的生命力，確保植物能快速修復(fù)愈合，縮短建造周期；要求其外皮組織薄且易移植，植物具有彈性便于節(jié)點(diǎn)連接。研究得出如柳樹、懸鈴木、梧桐樹、楊樹、白樺和鐵樹均是良好的可用于建造的植物類型。

另外，需要考慮因地制宜問題，植物的生存需要適宜的環(huán)境，如我國傣族民居竹樓，其建造材料竹子抗拉強(qiáng)度極高、熱穩(wěn)定性高、抗變形能力靈活，既可以彎折形成弧線的曲面造型，又高硬度結(jié)實(shí)耐用，而且在長(zhǎng)江流域以南地區(qū)資源豐富。所以，粗壯的竹子用來作為竹樓的承重結(jié)構(gòu)，細(xì)竹則通過編制壓實(shí)形成樓板。植物建筑的建造應(yīng)選用適合當(dāng)?shù)貧夂蚣吧L(zhǎng)環(huán)境的植物，不僅便于就地取材，而且可滿足其生長(zhǎng)條件。

3.2.3 建筑仿生

研究植物的生長(zhǎng)機(jī)理及規(guī)律是使其運(yùn)用于建筑的前提，建筑的建造可以從植物的生長(zhǎng)中得到啟發(fā)，達(dá)到植物生長(zhǎng)規(guī)律與建筑形式創(chuàng)新的有機(jī)結(jié)合效果。

一是根系。發(fā)達(dá)的肉質(zhì)直根可類比于沉井基礎(chǔ)，井筒狀的結(jié)構(gòu)利用自身重力及與土壤的摩擦力達(dá)到較高的穩(wěn)定性；塊根由多個(gè)大小均衡的根組成，地上部分?jǐn)U展面積較大，可類比于立交橋等需要錨固的基礎(chǔ)工程；氣生根是植物可以從莖稈向下長(zhǎng)出支持根、向上長(zhǎng)出呼吸根，以達(dá)到抗倒伏的作用，可類比于高層建筑或塔體等橫向受力的建筑物；水生根植物生長(zhǎng)在水中，不能固定在既定的位置上，只可隨水流漂浮，其根系在浪潮來臨時(shí)可達(dá)到緩沖的作用，可類比于建筑的抗震設(shè)計(jì)，如浮筏式基礎(chǔ)。

二是外觀。充氣結(jié)構(gòu)運(yùn)用植物細(xì)胞液對(duì)細(xì)胞壁脹壓的作用，形成了運(yùn)用于體育館等建筑中，形成輕薄的結(jié)構(gòu)效果及變化的光影效果；利用葉片受光螺旋生長(zhǎng)的形態(tài)解決建筑中采光問題形成螺旋式摩天大樓等。

4 植物建筑建造面臨的問題

一是不可控性。氣候變化、生長(zhǎng)周期不穩(wěn)定、真菌霉菌等自然因素，都是影響植物生長(zhǎng)的因素，菌具有不可控性。

二是生長(zhǎng)周期長(zhǎng)。要想實(shí)現(xiàn)植物與建筑共同生長(zhǎng)，要求建筑順應(yīng)植物的自然規(guī)律及生長(zhǎng)周期，人的加工建造只可對(duì)植物起到引導(dǎo)作用，改變其生長(zhǎng)方向、生長(zhǎng)形態(tài)，但不可改變自然規(guī)律，這就需要漫長(zhǎng)的建造周期以達(dá)到最終的效果。

三是適應(yīng)性。因地制宜是植物生長(zhǎng)的規(guī)律，不同種類的植物有其適應(yīng)的地域環(huán)境，這對(duì)于植物的限制要求更加嚴(yán)格。

四是發(fā)展彈性。在城市高密度的環(huán)境下建造活體建筑，起初的建造高度可能僅僅10 m 甚至更低，這與周邊的城市界面是非常不協(xié)調(diào)的。但經(jīng)過15 ～20 年的生長(zhǎng)周期后，建筑的荷載完全由植物承擔(dān)，巨大的樹冠及樹葉會(huì)形成一個(gè)垂直的開放空間，而且強(qiáng)大的根系可能會(huì)影響周邊的建筑基礎(chǔ)及土壤承載能力，這將是一個(gè)城市面臨的發(fā)展彈性問題。

5 啟示

在解決環(huán)境問題、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共處的設(shè)計(jì)中，建筑師需要考慮采用更加先進(jìn)的技術(shù)和工藝。當(dāng)前的生態(tài)建筑多數(shù)是基于技術(shù)的提升，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、資源循環(huán)利用，以改善人居條件。雨水花園、海綿城市、生態(tài)建筑等不斷出現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)中，人們對(duì)于生態(tài)與城市發(fā)展的關(guān)注愈加強(qiáng)烈。

但是，活體建筑面臨很多嚴(yán)峻的問題————城市的變化是否與活體建筑生長(zhǎng)周期同步，活體建筑的自然發(fā)展能否按照人們所設(shè)想的方向去迎合城市的發(fā)展。建筑的發(fā)展是要以順應(yīng)自然規(guī)律為前提的，這些因素使得活體建筑無法成為建筑形式的主流。如何合理運(yùn)用植物生長(zhǎng)的規(guī)律去滿足建筑建造的要求，需要進(jìn)行更加深入的研究。