植物活體建筑研究

魏 琪 魯東大學土木工程學院建筑學專業本科在讀

1 研究背景

1.1 時代背景

隨著時代的進步，鋼筋混凝土占據著都市的建筑主體，千篇一律的玻璃幕墻、整齊劃一的高層綜合體、生硬的預制構配件讓人們丟失了對自然的認知。新材料、新結構的出現使得現代建筑的建筑形式更加多樣化。利用植物這一新材料，通過其自然生長的形態鍛造創新的“活”的建筑正符合現代建筑的發展需求[1]。

1.2 現實問題

人口膨脹下的城市用地壓力使得建筑不得不豎向發展，高層、超高層辦公商業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、水土流失等現象不斷出現，在滿足人的使用需求的同時，大自然也正在給人類警示，尋找自然與建筑發展的平衡迫在眉睫。

2 植物建材的作用

2.1 圍合空間

樹木在空間組織方面發揮著作用，在一定情況下可相似于柱網的作用。根據樹木的高度、密實度、生長態勢，形成不同的圍合或開敞邊界。樹木密實、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，形成向上的動勢，且使人視線聚焦在頂尖。

2.3 隨季節變化

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

2.4 局部形態變化

隨時間的推移，植物的形態會發生符合自然規律的變化。樹木紋理的更新導致新樹皮生長與舊樹皮脫落，枝干向光生長造成生長方向改變，外界環境及蟲害的攝食導致葉片紋路發生變化等。

2.5 改善建筑環境

綠色植物有加快建筑內部空氣更新，繁茂的樹冠能抵擋空氣中的粉塵。同時，植物有利于改善環境的小氣候，如葉片蒸騰作用可以增加空氣濕度達到吸熱降溫作用，以達到低碳節能的目的；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到遮陰和吸聲降噪的效果。對于城市而言，植物建筑起到了美化城市環境的作用，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，一種是當前已經廣泛應用的植物墻的垂直綠化方法，在保存建筑本身完整結構的基礎上將植物懸掛或利用植物的攀爬性形成，現已大量應用于建筑的內外墻面，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特性，結合人工引導改造形成的建筑，由于周期長、不可控制性大、植物種類要求高，當前多出現在一些構筑物中，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，先安裝木質或者鋼質骨架，再利用懸掛或綁扎的方法將植物構件安裝，可形成不同的圖案。二是鋪貼式，不設置骨架，直接將植物的生長基質鋪貼在外墻面上，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置牽引架引導攀爬。四是擺花式，即在外墻上安裝盆花，用于臨時垂直綠化造景。五是布袋式，即將帶有植物生長基質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所需基質，并將其安置在外墻面上[4]。

3.1.2 養護方法

一是控制系統。監控器一般安置在植物墻上方，通過對溫度感應器、濕度感應器設置相應的參數，時刻監控植物的生長情況，及時發現問題。

二是灌溉系統。植物墻的密度較高，使用噴淋系統則僅浸濕植物葉片表面，無法使水分進入植物根系，控制不當甚至會造成墻體潮濕損壞。滴灌系統是植物墻普遍使用的灌溉系統，其原理是在最上方的植物支撐構件上安裝水源滴頭，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閥門，不僅可以疏松土質，滋養植物根系，而且可以達到半智能化效果。

三是防水系統。滿足植物正常生長的同時需要保證墻體達到防水目的，首先是外墻應選用防水性能強的材料，其次是植物基質安置在鋼支架上，與建筑外墻脫開，減少對建筑外墻的危害。

四是栽培方法。運用無土栽培的水培法，植物根系不依賴土壤存活，而是依靠吸收營養液中的礦質養分生存。按照植物生長所需的生長因子成分比例配置營養液，既可以滿足植物生長需要，又可以實現循環利用，減輕灌溉負擔。

五是人工養護。適度修剪枯萎枝蔓，改善景觀效果；自然或人工空氣的流動促進植物新陳代謝，定期殺蟲抑菌，避免影響植物生長；及時更換因過度生長或營養不足負生長的植物。

3.2 植物與建筑共同生長

3.2.1 建造方法

一是彎折法。利用樹木自然生長，刻出缺口使其彎曲，植物在自我修復過程中缺口愈合，達到改變植物生長方向的目的，以滿足建造所需的圍合形態。二是連接法，與植物的嫁接有關。砍掉樹的外表皮，用繩子或膠帶將兩樹枝綁扎在一起，在細胞的融合作用下兩種植物逐漸結合在一起等。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，節點部位不斷變粗、變堅固，就會形成植物穩定包裹節點的現象。四是疊加法。先進行外圍承重結構的布置，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，最終圍合成一個建筑整體[5]。

3.2.2 植物選擇

活體植物建筑對于植物的要求非常高，要求其具有一定的承載能力，保證建筑的穩定性，這對植物的堅挺程度及根系的生長能力有較高的要求；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點連接。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境，如我國傣族民居竹樓，其建造材料竹子抗拉強度極高、熱穩定性高、抗變形能力靈活，既可以彎折形成弧線的曲面造型，又高硬度結實耐用，而且在長江流域以南地區資源豐富。所以，粗壯的竹子用來作為竹樓的承重結構，細竹則通過編制壓實形成樓板。植物建筑的建造應選用適合當地氣候及生長環境的植物，不僅便于就地取材，而且可滿足其生長條件。

3.2.3 建筑仿生

研究植物的生長機理及規律是使其運用于建筑的前提，建筑的建造可以從植物的生長中得到啟發，達到植物生長規律與建筑形式創新的有機結合效果。

一是根系。發達的肉質直根可類比于沉井基礎，井筒狀的結構利用自身重力及與土壤的摩擦力達到較高的穩定性；塊根由多個大小均衡的根組成，地上部分擴展面積較大，可類比于立交橋等需要錨固的基礎工程；氣生根是植物可以從莖稈向下長出支持根、向上長出呼吸根，以達到抗倒伏的作用，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可達到緩沖的作用，可類比于建筑的抗震設計，如浮筏式基礎。

二是外觀。充氣結構運用植物細胞液對細胞壁脹壓的作用，形成了運用于體育館等建筑中，形成輕薄的結構效果及變化的光影效果；利用葉片受光螺旋生長的形態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、生長周期不穩定、真菌霉菌等自然因素，都是影響植物生長的因素，菌具有不可控性。

二是生長周期長。要想實現植物與建筑共同生長，要求建筑順應植物的自然規律及生長周期，人的加工建造只可對植物起到引導作用，改變其生長方向、生長形態，但不可改變自然規律，這就需要漫長的建造周期以達到最終的效果。

三是適應性。因地制宜是植物生長的規律，不同種類的植物有其適應的地域環境，這對于植物的限制要求更加嚴格。

四是發展彈性。在城市高密度的環境下建造活體建筑，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調的。但經過15 ～20 年的生長周期后，建筑的荷載完全由植物承擔，巨大的樹冠及樹葉會形成一個垂直的開放空間，而且強大的根系可能會影響周邊的建筑基礎及土壤承載能力，這將是一個城市面臨的發展彈性問題。

5 啟示

在解決環境問題、實現人與自然和諧共處的設計中，建筑師需要考慮采用更加先進的技術和工藝。當前的生態建筑多數是基于技術的提升，實現節能減排、資源循環利用，以改善人居條件。雨水花園、海綿城市、生態建筑等不斷出現在建筑設計中，人們對于生態與城市發展的關注愈加強烈。

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