基于城市建筑與垂直農業發展模式的探討

張 明 超

(陜西地建土地綜合開發有限責任公司，陜西 西安 710075)

農業作為國民經濟的支柱性和基礎性產業，對國民經濟的發展與建設起著重要的支撐作用。進入到21世紀以來，隨著城市化的高度發展，由此帶來的生態惡化、能源短缺、可耕地面積減小、環境污染、食品安全、人口增長等對人類的生產生活都造成了巨大的影響，尤其是食品安全和城市生態環境已經成為制約現代城市發展的主要因素。

將垂直農業與城市建筑相結合具有重要的生態意義和社會意義。通過建筑全過程分析構建與實施，打造城市生態可持續的垂直發展模式，適應城市未來社會發展需求，解決城市人口不斷增加和生態環境污染的矛盾都具有積極作用。本文從建筑結構設計的角度出發，從建筑垂直空間角度進行劃分，依托建筑屋面、樓板、地下室等水平空間將垂直農業從上到下依次劃分為屋頂農業、樓層(室內)農業、地下室農業[1]。通過這樣的劃分，可以更好地將城市建筑與垂直農業相結合，進行全過程設計、管理和使用，從而為城市建筑與農業相結合的可持續發展提供相關借鑒。

1 問題的提出

1.1 能源消耗

建筑能耗一般指狹義的建筑能耗，即建筑的運行能耗，就是人們日常用能，如采暖、空調、照明、炊事、洗衣等的能耗，它是建筑能耗中的主導部分。隨著經濟社會的快速發展，建筑消費的重點將從“硬件(裝修和耐用的消費品)”消費轉向“軟件(功能和環境品質)”消費，因此保障建筑適應品質所需的能耗(空調、通風、采暖、熱水供應)將會迅速上升。根據《中國建筑節能年度發展研究報告(2017》[2]顯示，2015年中國建筑能源消費總量為8.57億t標準煤，占全國能源消費總量的20%，其中：公共建筑能耗占建筑能耗3.41億t標準煤；城鎮居住建筑能耗3.2億t標準煤。我國已有的建筑中超過95%都是高耗能建筑，如何降低既有建筑和新建建筑的能耗水平已經成為制約城市生態環境發展的重要問題。

1.2 土地資源短缺

快速的城市化發展大量吞噬著我國原有的耕地，而城市周邊的可用耕地也急劇減少。自改革開放以來，我國可耕地面積已經失去超過1 000萬hm2，根據2008年國家土地調查報告顯示，2008年年底我國可耕地面積僅為18.26億畝，已接近18億畝耕地紅線[3,4]。將城市建筑與現代農業相結合的垂直農業模式對緩解土地資源短缺、發展現代農業具有積極意義。

1.3 傳統設施農業缺陷

我國傳統設施農業規模較小，如溫室大棚種植科技含量較低，在溫控節能方面也比較陳舊，與國外現代化農業種植還有很大差距；傳統設施農業種植主要以日常蔬菜種植為主，經濟附加值有限，同時由于人們生活觀念的轉變，如何給人們提供綠色安全無公害食品，也已成為社會需求的重點。

2 垂直農業概念提出

2.1 垂直農業概念

垂直農業概念最早是在1915年由美國地質學家吉爾伯特·埃利斯·貝利提出，但真正引起人們的重視是在2007年由美國哥倫比亞大學環境學家迪克森·迪斯波米爾教授的詳細闡述[5]，他指出在城市建筑中模擬農作物生長環境，通過利用建筑可循環的能源和溫室技術，進行大規模的垂直耕作形式的農業生產可為城市生活的人口提供食物保障。

2.2 垂直農業的優勢

垂直農業通過充分依附于城市建筑可以節省大量土地資源[6]；通過建筑設計與農業種植技術結合可以形成獨立的生態循環系統，提高糧食產量、保證食品安全；通過對有機廢棄物的處理，提升城市公共衛生[7]；城市農產品的供給一般都由城市郊區或者更遠的地方提供，由此無形中增加了中間環節的投入，加大了城市居民的生活成本,發展城市垂直農業可以大大減少中間環節的投入；綠色的垂直農業種植還可以為城市居民提供休閑空間，解決城市居民的休閑需求[7]；另外垂直農業在調節城市微氣候，降低城市熱島效應，改善生態環境，節能減排方面有積極意義。

2.3 垂直農業面臨的問題

城市建筑垂直農業的設計與實施是一項專業化、系統化的循環工程，涉及到建筑結構、建筑規劃設計、環境科學、機械、生物能源、植物學等學科內容，這就需要一大批復合型的技術人才，我國目前在這方面還很缺乏，短期內還需要依賴國外成熟的技術和發展模式[7,8]；另一方面我國在城市建筑實施農業種植還沒有形成系統的法律法規、國家標準和制度體系，這使得垂直農業的發展受到很大的限制。

3 垂直農業劃分

3.1 屋頂農業

屋頂種植作為城市綠化、美化建筑在城市垂直農業發展過程中應用最為廣泛，也最為成熟。根據我國建筑工業出版社《種植屋面工程技術規程》[9]將種植屋面定義為：鋪以種植土或設置容器種植植物的建筑屋面和地下室頂板，其中建筑屋面種植又分為平屋面種植和坡屋面種植，屋面均為上人屋面。種植屋面和一般屋面相比有更高的防水要求，同時由于種植作物生長的特性，需要設置耐根刺的防水材料，覆土種植屋面一般構造層包括結構層、基層、保溫找平層、防水層、耐根刺防水層、隔離層、保護層、蓄(排)水層、過濾層、種植層，如圖1所示[1,10]。

屋頂種植對于建筑微氣候調節、城市生態環境改善效益明顯，通過屋頂種植可以調節建筑空氣質量、改善微氣候；收集雨水進行作物灌溉，減緩雨水徑流；吸收室外熱量，調節建筑室內熱環境，減緩城市熱島效益。

目前種植屋面在國內外已經得到了快速的發展，圖2[11]是位于美國芝加哥的蓋瑞康莫爾青年中心屋頂農園，它為當地青少年和老人們提供了一個課外學習的室外活動空間。農園面積9 160平方英尺，不僅為當地人提供了食物來源，創造了環境優美的休閑場所，也讓當地學生受到良好的教育意義；圖3是位于浙江紹興的屋頂農田，通過安裝雨水收集設備和水泵，可以種植蔬菜、西瓜和稻谷。

3.2 樓層(室內)農業

室內農業即在建筑室內依托建筑樓板或樓層進行農業種植的活動。對于一般農業種植活動而言需要有充足的空氣、光照、溫濕度和水分，因此最初進行室內農業種植的難度很大。但是隨著現代農業種植技術的快速發展和城市土地資源的急劇減少，在城市建筑中進行室內農業種植已成為一種環保、經濟的發展模式。目前進行室內農業種植主要可以分為利用容器在室內散點栽培、人工進行采光的設施農業以及與建設設備結合的一體化栽培。

建筑室內種植最大的問題是采光，圖4是位于美國紐約市的一棟廢棄建筑，通過對建筑內安裝采光系統和供水系統將其改造成室內種植基地。除了圖4的實施農業之外，建筑內部農業種植應用最廣泛的是室內散點栽培，室內散點栽培具有空間靈活布置、種植方便、對于不同建筑類型如住宅、辦公建筑均適用的優勢，散點種植不需要投入太多的精力和專業的農業種植技術，使人們在日常工作的閑暇時刻便可以進行。圖5[12]是利用無土栽培技術在建筑內部進行的蔬菜種植，圖5所展示的蔬菜種植器具整合了采光、營養液、植物水培等技術，為在城市上班的人們提供了體驗式的辦公農場環境，這種小型或微型的室內農業種植項目具有廣闊的發展空間。

3.3 地下室農業

將建筑地下室充分利用進行農業種植活動在國內還沒有成熟的案例，國外已有很多專家學者做了大量的工作。由于地下室空間相對密閉、潮濕、采光不足，根據這些特點選擇有特殊需求的農作物如轉基因食品、真菌類、藥材、銀耳等作物進行種植。

圖6[13]是位于印第安納的廢棄地下石灰石采石場進行的轉基因作物種植，通過對地下室作物生長環境的調節，實現了比傳統溫室還高的作物產量和生產效率，該農業目前已成功試驗種植了西紅柿、玉米和土豆。該農場在地下種植的優勢體現在：

1)地下農場的溫度、濕度、光照、空氣被嚴格控制；

2)在密閉環境中種植轉基因作物和其他作物可以避免污染；

3)穩定密閉的地下空間可以全天候進行生產。

4 結語

在城市土地資源短缺、高能耗和生態環境污染的大背景之下提出城市建筑與農業種植相結合的垂直農業模式，它是一個復雜且龐大的體系，需要多學科、多領域的人才加入?，F階段由于我國農業發展的整體水平還很低、科技含量不高使得垂直農業的發展和應用充滿很多挑戰和不確定性。本文將城市建筑按水平空間劃分成為屋頂農業、樓層(室內)農業和地下室農業，并列舉了一些實際應用案例，可以為垂直農業的發展提供借鑒。

垂直農業現階段的發展還處在較低水平，要想取得更大的發展應重點注意以下幾方面的管理策略：

1)加強設計管理。垂直農業涉及學科體系較多，但最主要的還是建筑設計，因此要加強對各類建筑的概念設計，從規范標準要求新建建筑從結構選型、系統選型上就要考慮到后期農業種植的技術和需求；2)加強政府監督管理。政府對市場的監督管理應該起到引領和示范的作用，助推垂直農業良性發展；3)在規劃管理方面最大限度的利用空地種植和營造適宜微氣候，有利于可持續作物生產；4)充分利用當地綠色資源，我國可再生資源豐富(如太陽能、風能)，將這些資源與建筑垂直農業相結合尤其是與高層建筑超高層建筑相結合可為節能減排作出很大貢獻。