生物、农业建筑与生态环境和谐统一的若干思考

张锦宇，翁伯琦，叶 菁

(福建省农业科学院，福建 福州 350003)

设施是为某种需要而建立的机构、系统、组织、建筑等[1]。其概念的主体是建筑,建筑最原始功能主要是为遮风避雨、防寒祛暑而营造的，是人类为抵抗自然力而自觉建造起来的屏障,是人们用土木、砖石、钢铝、玻璃、塑料等一切可以利用的材料，建造起来的构筑物。拓展到农业领域，建筑是人类为了满足生产和生活需要，利用已知的物质技术手段，运用自然科学规律和美学法则创造的人工环境。建筑本身不是目的，建筑的目的是获得建筑所形成的“空间”。是人类为满足自身居住、交往和其他活动需要而创造的“第二自然”，也是人类日常生活最基本的空间环境。

生态环境是某一特定生物体或生物群体以外的空间及直接、间接影响该生物群体生存的一切事物的总和，包括生物和非生物[2]。环境总是针对某一特定的主体而言的，离开了这个主体也就无从谈及环境了。

从建筑学角度看设施农业是农业建筑的别称，它是生物建筑的一种特殊形式，因此分析生物、建筑、环境三者的相互关系,处理好它们之间的关系，是农业建筑和谐发展并根据发展平衡关系确定优先发展领域的捷径。深入探讨生态环境，农业建筑(包括各类农业设施等)与生物之间和谐关系，它们之间相互关联性、映衬性、递进性要加以优化统筹。阐明内在关系，揭示变化规律，发挥优势，使之具有合理性与有效性，使应用成效与环境美感得以高度统一，让生态文明建设融入经济社会发展之中，让持续发展理念落实到具体建设之中。

一、设施农业发展的理论模型

生物、建筑、环境是三位一体的,它们不是孤立存在的，而是彼此联系、相互促进、相互制约，任何一方的变化，都将引起其他因子的变化和反作用(图1)。

图1 生物、环境和建筑关系图ig.1 Relationship among organism, environment and architecture

(一) 生物与环境的关系

生物生存需要一定的环境条件，其依赖于环境而生存和变异，是环境中最积极最活跃的部分。环境是生物的基础和摇篮，环境优劣的直接标志是生物的存在和繁荣。生物从本质上是归属于自然，其与环境之间是协调的、和谐的统一体。因此构建环境与生物的和谐统一整体，是符合“天人合一”的基本思想。环境的服务对象是生物，生物(人)可以创造和利用环境，但又不可避免地受到环境的制约。

(二)建筑与环境的关系

建筑外围护结构将人们的生活与工作空间分为室内和室外2个部分。因而，建筑热环境分为室内热环境和室外热环境。 属于室外的因子：太阳辐射、空气的温湿度、风、雨、雪等气候条件。 属于室内的因子：光照、空气温湿度、CO2浓度、生产生活散发的热量、水分等室内环境。

室外热环境是室外气候条件的组成部分，是建筑设计的依据；建筑外围护结构的主要功能即在于抵御或利用室外热环境的作用。

建筑是最有环境性，它充分体现着人与自然、建筑与环境的融合。建筑与环境有着密切关系，建造一座建筑就意味着与周边的环境产生关系,这必引起一系列的相互作用,进而形成自然环境系统与建筑环境系统之间动态交换的环境协调。 从气候条件到对建筑功能的调控都会对农业建筑系统内物质交换产生影响。建筑环境设计主要是解决建筑自身与周围环境的关系,通过室内外空间、环境的艺术处理以及绿化景观的变化、统一，达到人文、环境、发展的和谐统一。

(三)生物、建筑、环境的相互作用

按建筑使用性质和服务对象厘清它们之间的映射对应关系(表1)。

表1 建筑分类Table 1 Classification of buildings

从“空间包容性”的角度理解生物、建筑、环境三者的关系，大自然与室内环境包容着建筑，建筑创造局部小环境，建筑空间形成的室内环境包容生物，在这种功能体系中，建筑空间的和谐其实就是找寻环境、建筑、生物相互作用的结果，也就是三者之间相互表示出和谐关系的合理性(图2)。

图2 生物、建筑和环境空间相互作用图Fig.2 Spatial interaction among organism, architecture and environment

二、设施农业技术指标参数的建立与分析

生物(人)、建筑、环境的和谐统一就是合理利用当地的自然资源，结合生物(人)、建筑、环境与经济、节能等多方面，提高设施农业的整体效益。从本质上讲设施农业发展的趋势就是做好这种和谐统一，实现建筑设计的经济效益和社会效益。

(一)生物环境设计参数的确定

本参数是研究生物生理与环境相互关系,形成生物不同生育时期与环境关系量化指标体系和控制模型——多数情况这一参数的关键因子是生物热环境。

以生物热环境来论，主要是解决生物与环境之间的热交换要素；生物对热应力的生理反应及感觉反应；环境因子的生物物理作用；有效温度热应力等各种指标。生物舒适与环境因子的关系遵循耐受性法则即任何一个生态因子在数量上或质量上的不足或过多，即当其接近或达到某种生物的耐受限度时会使该种生物衰退或不能生存[3]。耐受性定律可用钟性曲线来表示(图3)。

图3 生物耐受性定律单一因子图Fig.3 Single factor of biological tolerance laws

生态因子是指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素[4]。生态因子的主要分类与内容：

气候因子：光照、温度、湿度、CO2浓度、风速等。

土壤因子：水分、肥料、温度、pH值等。

建筑技术因子：建筑、结构、设备等。

生物因子：生物之间的各种关系。

生态因子对生物的作用不是单一的，而是综合的。在建筑学上一般用生物气候图来表示它们之间的关系。

(二)农业建筑设计参数的确定

建筑物理环境模型是研究建筑与环境中的声、光、热等物理现象以及这些物理现象与建筑相互作用。

生物气候学是研究不同地域的气候特征与其生物活动规律之间关系的学科。在建筑领域，生物气候转化为室内环境，其研究集中于环境与生物的关系，探讨生物如何适应环境变化规律，满足自身的环境需求。建筑作为空间载体成为生物适应环境最重要的手段之一，生物环境设计是以太阳和空气等自然要素作为基本能量来源，通过对布局、朝向、空间、材料等建筑设计要素的合理安排，最大限度地实现室内温、湿度的自然调节，不足部分再以机械手段予以补充。

室外热环境是气候对建筑影响的因子，是建筑设计的依据；外围护结构的最主要功能就在于抵御或利用室外热环境的作用。 要做好农业建筑的设计，应掌握气候学的基本知识，熟悉建筑与气候的关系。利用它们的关系来确定建筑功能、形式、围护结构等，对室内光照、温度、湿度、CO2浓度等进行调控。

室内人工环境技术的目标是在一定技术经济条件下保证生物的生存、健康、舒适和生长及由此而产生的生产效率。

(三)设施内环境工程控制指标的确定

1．热舒适理论。热舒适是生物环境分析的起点和设计目标，是生物环境设计将气候条件、生物热舒适、建筑设计三者联系起来，在生物生理技术与建筑环境设计之间架起桥梁。目前最为普遍而全面的是1970年丹麦学者范格尔提出的热舒适方程和霍顿等人发现的有效温度法。

2．生物气候图。1960年后在这方面有了快速发展，目前应用较多的是吉奥尼生物气象图、埃文斯舒适三角形、生物气候图。生物气候图以相对湿度为横坐标,干球温度作为纵坐标,来表达人体舒适区与环境温度、湿度、辐射温度、风速、太阳辐射等各要素的关联性。

三、 生物、建筑、环境和谐统一的设计方法

生物、建筑和环境和谐统一设计过程的三大主要模块分别为生物环境的设计、农业建筑的设计和设备智能化的设计。

(一)生物环境的设计

环境舒适是生物环境分析设计的基础目标，以此为纽带，将气候条件、环境舒适和建筑设计三者在技术与设计间形成互动关系，它主要研究环境舒适需要什么样的建筑设计形式？怎样去实现这些设计？

这2个问题是生物、建筑、环境设计的核心问题，对它们的探索和解答过程构成了农业建筑设计的主线，其方法是：对给定地点的气候特征进行分析并以生物热舒适的温、湿度范围为核心，将其表达在温湿图上，空气温湿图以空气温度和相对湿度为坐标轴，综合了风速、太阳辐射等环境变量。在明确环境条件、舒适范围内具体差异的基础上，根据室内环境要求确定需要采取的建筑设计策略，将生物建筑的各种内在关系直观地表达在图上。

(二)农业建筑的设计

农业建筑设计的目标是确定建筑物理环境的性能及其指标，通过技术手段来保证建筑物理环境的良好性能，是要通过建筑设计而不是单纯依靠设备系统的“提供”和“补救”来保证良好的室内环境，实现对设施内温度、湿度、光照、CO2浓度等综合环境因子的控制，室内物理环境的特点在于对生物体的影响是潜在的、渐变的，对生物体的伤害是可恢复的，主要有噪声的影响、空气条件的影响和光污染的影响。因此它的主要内容有建筑声学、建筑光学和建筑热工学三大部分,其主要研究对象包括：建筑与环境中的声、光、热等物理现象及其影响因子；符合可持续发展的建筑物理环境要求或标准；材料的声学、光学、热工性能；为获得良好的物理环境的建筑设计原理和方法；建筑节能与可持续发展；新能源技术在建筑中的应用等。但最主要的关键因素是建筑热环境设计。其具体的说就是：建筑采光与保温设计、防潮设计、隔热设计、建筑节能设计等。它的设计目标是舒服、健康、高效。

(三) 设备智能化的设计

生物生长在人造环境中，这环境能够为生物生长提供光、温、气、水、营养等重要条件，智能化管理的目标是生产管理，其以控制生态环境信息及作物生理信息为基础，实现按照生物的实际生长需求，来提供适宜生存环境的科学管理目标，因其是技术优化管理，所以必须以农业建筑技术研究为前提，以产业化管理、数字化管理为目标，其与建筑、结构、设备的技术协调关系如图4所示。

在实际应用中，实现对设施内温度、湿度、光照、水分、营养、CO2浓度等综合环境因子的自动监测, 是设施农业研究的主要研究方向，其要解决的问题是信息采集、执行控制和工作模型。信息采集和执行控制除个别环境因子外，在工程界上是相当成熟的，在技术上不存在问题，因此其关键是设施内生物高效生产管理模型的设计，包括以下2个方面：(1)通过生物生理信息与环境、营养之间规律研究，建立生物数字化模型，为农业建筑精准化管理提供理论依据。(2)对空气温度、相对湿度、空气流动、环境热辐射等参数与建筑物的热工性能和热工系统相互作用设计的自动化管理。

图4 设备智能化设计Fig.4 Intelligent design of equipment

四、从工程设计实践和回访调查看设施农业发展战略与优先领域

(一)工程设计实践与回访调查

项目:闽候容益食用菌场；漳州光周期室、杂交温室；无土栽培实验温室；霞浦鳗鱼实验基地；福建优康种猪场；宁德海军基地奶牛场；鳝溪农场商品蛋鸡厂；闽候信鸽场等各类典型农业建筑。

内容：设计实践总结、工程使用管理总结和实际存在问题回访调查。

目的：归纳对比提取共性、个性,总结技术要点与发展方向。

上述实践和调查按设施类别归类分述为设施园艺(菇房)、设施园艺(温室)和设施养殖(畜禽舍)。

1．设施园艺(菇房)。菇房设计的个性，主要表现在对光照和CO2的要求上，因其对光照强度要求不高，其建筑外观多为密闭式通风为主的建筑形式，其经营管理的核心在能源消耗上，大多数项目其能量消耗占经营成本的20%以上，个别项目可达40%，因此建筑节能设计是关键。闽侯容益食用菌场的设计实践表明：除菌丝培养和移植阶段对局部环境有特殊要求外，菇房设计本质上是温室和畜牧建筑设计的过渡形态。目前其工业化程度高,装备和配套技术方面均已形成了体系,其关键包括以下4个方面。

(1)一个厂的菌种的质量和菌种的培养一般情况下与其厂房布局与设置关系很大,故按有利于无菌操作的菌种生产流水线进行科学、合理的布局是全场工艺设计的核心,菌种生产必须有严格的工艺流程,菌种厂选址应选择地势高燥,环境清洁的地方。

(2)合理应用当地气候环境条件控制好光照、温度、湿度和CO2浓度与建筑本体的优化设计关系，使建设生产成本最优化。其核心是解决:1)采暖制冷设备的选取与室内CO2浓度分布规律的关系;2)根据不同生物期对光照及CO2浓度的差异合理选取换气率。

(3)管理的数字化、智能化。1)在研究食用菌与环境关系的基础上，形成不同品种及生育期与环境关系的量化指标和控制模型，据此来实现对室内环境因子的自动监测与调控。其主要是数据采集与控制系统设备的研制和选择，目前通过作物管理模型与环境控制模型相结合，来实现智能化管理的基础相当薄弱，其应作为今后发展的主要方向。2)作物高效生产管理模型研究尚处于起步阶段，其发展前景广阔，主要是不同生育期与环境量化指标的研究处于零状态，工程设计没有依据，更谈不上优化合理。

(4)节能与新能源的研究是关键。菇房工业化程度高，节能设计直接关系到生产成本，除采用常规节能技术外，还要考虑生产工艺管理对用电费用的影响，如根据制冷设备选型来达到对用电峰值进行错峰，使其用电高峰期与民用用电高峰期错开等。

2．设施园艺(温室)。温室建筑设计的关键是光照(即光周期、光质、光强)，其与其它类别的设施比采光要求更严格，因此它必须与建筑节能紧密结合，设计基本要求是以采用控制自然光照为主，人工补光为辅。侧重考虑不同光强度时，室内环境温度、湿度、CO2浓度与建筑物理的关系，选用适当的建筑结构形式，使其最大限度满足光照强度与其它因子的和谐，目标是通过控制自然通风量来满足室内环境温度的最优化，使其在适宜的温度、湿度区域。漳州光周期室、杂交温室及无土栽培实验室的设计实践和使用后的回访调查表明，建筑构造设计和材料选择对于室内环境的影响相当重要，主要表现在以下3个方面[5]。

(1)围护结构对室内环境的影响程度及其与时间的关系设计。在温室节能与新能源应用研究上，其分为3个方面：1)以增加太阳入射量为目标，即提高覆盖材料的透光率，开发覆盖材料清洗机械装置；减少维护结构的遮光率； 2)以减少室内热损耗为目标，即防止温室内部长波向外辐射，对覆盖材料进行改进或对内侧进行膜处理；3)围护结构保温性能与太阳入射量产热的平衡关系。

(2)室内地面设计与室内环境的稳定性关系设计。即利用土壤作为蓄热源增加建筑整体热惰性指标，做到冬暖夏凉。如光周期室采用卵石蓄热提高土壤热惰性。

(3)室内色彩对光质、光强及温度影响。利用不同植物波长吸收峰值区域不同，研制针对植物需求的单色LED及其组合光源，提高光能利用率。如LED节能光源的应用。

3．设施养殖(畜禽舍)。设施养殖设计的关键是场址选择，养殖场布局与室外环境的关系，它是养殖场整体生存的决定性因素和基础性条件。福建优康种猪场、鳝溪农场商品蛋鸡场及宁德海军基地奶牛场的设计实践和运营管理可以得出以下3点经验。

(1)养殖粪便排放处理方法和技术的选择直接影响场地总体设计和总体运营水平，甚至关系到单体工艺。它是养殖工艺以外的关键工序和决策阶段的主要因素。畜牧场不合理的规划与建筑设计，多出现在环境控制上，主要是场区积水、通风不良，容易引起畜禽疾病的发生，若加上畜舍环境设计不能满足生产要求的话，发生流行性疾病的可能性大增，其直接影响到项目的生存。

(2)生态围护的设计对减少热能、电能、饲料的浪费、减轻舍内表面对生物体的冷热辐射，改善环境有效温度起决定作用。其要点是要尽量利用自然能源，降低运行成本，做到建筑设计技术与经济的和谐统一。即建筑、设备与设施的投资比例要适度，使投资利润率最高。

(3)合理处理建筑与工艺的关系，是优化组合生态围护的基础。在决策阶段一般是据养殖场性质和规模确定合理的群组成和周转工艺，再配合生产和技术指标、饲养方式确定建筑形式与尺寸、设备选型及环境控制方案。在建筑设计阶段，通过围护结构保温性能和降温采暖设备有机结合，满足生物生理、心理、行为习性、健康等要求，在减少管理运营成本的同时降低建筑投资。对于采用密闭式养殖的，环境控制设备和控制模型是主要因素。

(二)发展战略与优先领域

综合设计实例和回访调查，归纳起来设施农业未来发展方向和优先发展领域包含以下内容。

1. 发展方向。(1)除少数较成熟的品种外，生物不同生育时期与环境关系的量化指标体系和控制模型基本上没有，根本谈不上设施农业按生物品种的不同而设计,因此必须开展研究。(2)对设施内温度、湿度、光照、CO2浓度等综合环境因子的自动检测与设备调控体系在民用建筑领域很成熟，但到了设施农业领域由于环境条件的不同存在明显的缺陷,需要对工作区域和适用条件进行改进，因此不同环境下自动检测与调控设备是发展的目标。其表现为硬件和软件的完善，硬件技术在民用上很成熟，在软技术上这部分包含：1)生物高效管理模型即生物生理信息与环境、营养之间定量规律的研究；2)建立生物数字化模型，为精准管理提供必要的理论依据。(3)设施养殖的环境设计是项目成败的根本，其设计优劣直接关系到其后项目的生存，是项目决策设计阶段的重头戏。其内容主要有环境总设计、室内环境设计与室外环境的关系处理、环境污染治理等方面。协调决策与设计、政府管理与企业运作的关系是解决这一问题的方向。(4)利用成熟的民用建筑技术嫁接，推广屋内环境数据采集与控制系统的联合优化，形成生产管理与设施智能控制技术的联动、和谐统一。(5)节能与新能源应用,其集中在采光系数、热传导、热回收及新设备应用上，如LED等。因此，对项目的特性及节能技术的取舍研究是个性化节能设计的主要方向。

2.优先发展领域。(1)生物不同生育时期与环境关系的量化指标体系和控制模型。生物与环境之间的交互作用机理是智能化关键，目前主要是环境因子对生物生理、生长发育的影响研究不够深入，缺乏有效的环境管理模型，其重点是环境调控设备研制、 温室自动检测与控制系统软硬件开发。(2)结构优化与新型材料的个性化研究与开发。主要是针对不同区域气候的产品设计，使建筑和环境高度统一，根据区域气候条件，构建设施内生物环境气候模型，对建筑结构进行优化设计，解决土地利用率低，环境调控能力弱等配套问题，实现工程经济效益和社会效益的最大化。(3)设施养殖的环境设计。由于大规模集中养殖，环境问题自然形成，是目前制约该产业发展的瓶颈，其直接威胁到建筑在区域中的生存条件，已成为建筑项目可行性与否的决定性因素，如这一问题不解决，在该领域生物环境和谐很难实现。

五、 结语

生物、环境、建筑三位一体是农业建筑设计的最高境界，如何因地制宜处理好三者之间的关系，并从中发现和解决关键因子是重中之重，一旦解决了生物、环境和建筑关系的各种参数后，留给我们的只有经济智能管理和上述三者的和谐统一，其最终目标是实现经济效益和社会效益的最大化。

[参考文献]

[1]中国社会科学院语言研究所词典编辑室.现代汉语词典(修订本)[M].上海:商务印书馆,2001:1115.

[2]王孟本.“生态环境”概念的起源与内涵[J].生态学报,2003,23(9)：1910-1914.

[3]SHELFORD V E. Some concepts of bioecology[J]. Ecology,1931,12(3):455-467.

[4]曹凑贵.生态学概论[M].北京:高等教育出版社,2002：85-120.

[5]张锦宇,黄仕伟.漳州光周期室与杂交温室的设计初探[J].中国农业大学学报, 2001,6(2):101-104.