植物活体建筑研究

魏 琪 鲁东大学土木工程学院建筑学专业本科在读

1 研究背景

1.1 时代背景

随着时代的进步，钢筋混凝土占据着都市的建筑主体，千篇一律的玻璃幕墙、整齐划一的高层综合体、生硬的预制构配件让人们丢失了对自然的认知。新材料、新结构的出现使得现代建筑的建筑形式更加多样化。利用植物这一新材料，通过其自然生长的形态锻造创新的“活”的建筑正符合现代建筑的发展需求[1]。

1.2 现实问题

人口膨胀下的城市用地压力使得建筑不得不竖向发展，高层、超高层办公商业居住综合体拔地而起，城市的天际线及建筑密度不断飙升。光污染、资源浪费、水土流失等现象不断出现，在满足人的使用需求的同时，大自然也正在给人类警示，寻找自然与建筑发展的平衡迫在眉睫。

2 植物建材的作用

2.1 围合空间

树木在空间组织方面发挥着作用，在一定情况下可相似于柱网的作用。根据树木的高度、密实度、生长态势，形成不同的围合或开敞边界。树木密实、枝叶覆盖面积大的地方形成围合空间，树木稀疏处形成开敞空间。

2.2 空间层次感

树木形状的不同带给人的直观感受是不同的，如圆球形树木外形饱满，可带来亲切感；尖塔形树木从底向上收分，形成向上的动势，且使人视线聚焦在顶尖。

2.3 随季节变化

植物用作建材不同于普通加工建材的最突出特点是其生长特性。植物随着季节的更替表现出不同的生长状态，从嫩芽到枝繁叶茂再到枯萎，从绿色到黄色再到褐色，季节的变化在植物身上留下印记。每一种植物都有独特的生长周期，不论是叶片色彩、枝干纹理，还是表面形态，都各具特色[2]。

2.4 局部形态变化

随时间的推移，植物的形态会发生符合自然规律的变化。树木纹理的更新导致新树皮生长与旧树皮脱落，枝干向光生长造成生长方向改变，外界环境及虫害的摄食导致叶片纹路发生变化等。

2.5 改善建筑环境

绿色植物有加快建筑内部空气更新，繁茂的树冠能抵挡空气中的粉尘。同时，植物有利于改善环境的小气候，如叶片蒸腾作用可以增加空气湿度达到吸热降温作用，以达到低碳节能的目的；植物的根系可以固定土壤，防止水土流失；大面积的叶片可以达到遮阴和吸声降噪的效果。对于城市而言，植物建筑起到了美化城市环境的作用，给钢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为2 种，一种是当前已经广泛应用的植物墙的垂直绿化方法，在保存建筑本身完整结构的基础上将植物悬挂或利用植物的攀爬性形成，现已大量应用于建筑的内外墙面，如意大利米兰“垂直森林”，沿外墙布置有乔木、灌木及草本植物，广州花都自由人花园运用58 种植物品种、45 万盆植物形成五面立体绿化。另一种是利用植物的自然生长特性，结合人工引导改造形成的建筑，由于周期长、不可控制性大、植物种类要求高，当前多出现在一些构筑物中，如印度的活体植物桥梁、德国的梧桐树立方[3]。

3.1 植物墙

3.1.1 建筑形式

一是模块式，即把外墙面分成相同的模块，先安装木质或者钢质骨架，再利用悬挂或绑扎的方法将植物构件安装，可形成不同的图案。二是铺贴式，不设置骨架，直接将植物的生长基质铺贴在外墙面上，厚度较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极强的攀爬能力，能依附在外墙上并顺墙攀爬，如爬山虎、常春藤、绿萝等，可以使其自上而下自然垂吊或自下而上自由攀爬或设置牵引架引导攀爬。四是摆花式，即在外墙上安装盆花，用于临时垂直绿化造景。五是布袋式，即将带有植物生长基质的布袋缝制在有封闭防水层的外墙上。六是板槽式，即在板槽中配备植物生长所需基质，并将其安置在外墙面上[4]。

3.1.2 养护方法

一是控制系统。监控器一般安置在植物墙上方，通过对温度感应器、湿度感应器设置相应的参数，时刻监控植物的生长情况，及时发现问题。

二是灌溉系统。植物墙的密度较高，使用喷淋系统则仅浸湿植物叶片表面，无法使水分进入植物根系，控制不当甚至会造成墙体潮湿损坏。滴灌系统是植物墙普遍使用的灌溉系统，其原理是在最上方的植物支撑构件上安装水源滴头，水因重力自然下落，逐渐浸湿下一层植物根系。装置上安装有可控的开关阀门，不仅可以疏松土质，滋养植物根系，而且可以达到半智能化效果。

三是防水系统。满足植物正常生长的同时需要保证墙体达到防水目的，首先是外墙应选用防水性能强的材料，其次是植物基质安置在钢支架上，与建筑外墙脱开，减少对建筑外墙的危害。

四是栽培方法。运用无土栽培的水培法，植物根系不依赖土壤存活，而是依靠吸收营养液中的矿质养分生存。按照植物生长所需的生长因子成分比例配置营养液，既可以满足植物生长需要，又可以实现循环利用，减轻灌溉负担。

五是人工养护。适度修剪枯萎枝蔓，改善景观效果；自然或人工空气的流动促进植物新陈代谢，定期杀虫抑菌，避免影响植物生长；及时更换因过度生长或营养不足负生长的植物。

3.2 植物与建筑共同生长

3.2.1 建造方法

一是弯折法。利用树木自然生长，刻出缺口使其弯曲，植物在自我修复过程中缺口愈合，达到改变植物生长方向的目的，以满足建造所需的围合形态。二是连接法，与植物的嫁接有关。砍掉树的外表皮，用绳子或胶带将两树枝绑扎在一起，在细胞的融合作用下两种植物逐渐结合在一起等。三是螺钉法。依靠人为的加固连接措施，将两枝干交接处钻孔锚固，随植物自身的生长，节点部位不断变粗、变坚固，就会形成植物稳定包裹节点的现象。四是叠加法。先进行外围承重结构的布置，再在其附近种植植物幼苗，使得各层植物用类似于编织的方法相互叠加，随着植物的生长，最终围合成一个建筑整体[5]。

3.2.2 植物选择

活体植物建筑对于植物的要求非常高，要求其具有一定的承载能力，保证建筑的稳定性，这对植物的坚挺程度及根系的生长能力有较高的要求；需要其有充足的生命力，确保植物能快速修复愈合，缩短建造周期；要求其外皮组织薄且易移植，植物具有弹性便于节点连接。研究得出如柳树、悬铃木、梧桐树、杨树、白桦和铁树均是良好的可用于建造的植物类型。

另外，需要考虑因地制宜问题，植物的生存需要适宜的环境，如我国傣族民居竹楼，其建造材料竹子抗拉强度极高、热稳定性高、抗变形能力灵活，既可以弯折形成弧线的曲面造型，又高硬度结实耐用，而且在长江流域以南地区资源丰富。所以，粗壮的竹子用来作为竹楼的承重结构，细竹则通过编制压实形成楼板。植物建筑的建造应选用适合当地气候及生长环境的植物，不仅便于就地取材，而且可满足其生长条件。

3.2.3 建筑仿生

研究植物的生长机理及规律是使其运用于建筑的前提，建筑的建造可以从植物的生长中得到启发，达到植物生长规律与建筑形式创新的有机结合效果。

一是根系。发达的肉质直根可类比于沉井基础，井筒状的结构利用自身重力及与土壤的摩擦力达到较高的稳定性；块根由多个大小均衡的根组成，地上部分扩展面积较大，可类比于立交桥等需要锚固的基础工程；气生根是植物可以从茎秆向下长出支持根、向上长出呼吸根，以达到抗倒伏的作用，可类比于高层建筑或塔体等横向受力的建筑物；水生根植物生长在水中，不能固定在既定的位置上，只可随水流漂浮，其根系在浪潮来临时可达到缓冲的作用，可类比于建筑的抗震设计，如浮筏式基础。

二是外观。充气结构运用植物细胞液对细胞壁胀压的作用，形成了运用于体育馆等建筑中，形成轻薄的结构效果及变化的光影效果；利用叶片受光螺旋生长的形态解决建筑中采光问题形成螺旋式摩天大楼等。

4 植物建筑建造面临的问题

一是不可控性。气候变化、生长周期不稳定、真菌霉菌等自然因素，都是影响植物生长的因素，菌具有不可控性。

二是生长周期长。要想实现植物与建筑共同生长，要求建筑顺应植物的自然规律及生长周期，人的加工建造只可对植物起到引导作用，改变其生长方向、生长形态，但不可改变自然规律，这就需要漫长的建造周期以达到最终的效果。

三是适应性。因地制宜是植物生长的规律，不同种类的植物有其适应的地域环境，这对于植物的限制要求更加严格。

四是发展弹性。在城市高密度的环境下建造活体建筑，起初的建造高度可能仅仅10 m 甚至更低，这与周边的城市界面是非常不协调的。但经过15 ～20 年的生长周期后，建筑的荷载完全由植物承担，巨大的树冠及树叶会形成一个垂直的开放空间，而且强大的根系可能会影响周边的建筑基础及土壤承载能力，这将是一个城市面临的发展弹性问题。

5 启示

在解决环境问题、实现人与自然和谐共处的设计中，建筑师需要考虑采用更加先进的技术和工艺。当前的生态建筑多数是基于技术的提升，实现节能减排、资源循环利用，以改善人居条件。雨水花园、海绵城市、生态建筑等不断出现在建筑设计中，人们对于生态与城市发展的关注愈加强烈。

但是，活体建筑面临很多严峻的问题————城市的变化是否与活体建筑生长周期同步，活体建筑的自然发展能否按照人们所设想的方向去迎合城市的发展。建筑的发展是要以顺应自然规律为前提的，这些因素使得活体建筑无法成为建筑形式的主流。如何合理运用植物生长的规律去满足建筑建造的要求，需要进行更加深入的研究。