亲生物设计研究：理论、方法和发展趋势

王诗琪 梅洪元

20世纪下半叶以来，人类逐渐意识到自身活动和现代城市运作所引发的物质能源危机和精神健康困境，人与环境的关系成为研究热点，众多学科不约而同地求助于自然。“亲生物性”这一生物学概念的提出强调了人类作为生物，渴望与自然发生联系的天性。这一发现让人们追溯到诸多城市环境问题的根源症结就是未能实现对亲生物性的满足。由于人类还没有从生理、心理以及情感上完全适应现代科技包裹下的城市环境，所以生活在隔绝自然的城市中是所处环境与进化环境的互斥，这种矛盾遏制了身心的正向发展。亲生物设计是生物学、神经科学、环境心理学和设计学等多学科交叉的研究论题，能够指引人工环境实现对亲生物天性的满足，继而创造社会心理、经济发展、环境保护等多方面价值。欧美发达国家对其关注较早，已经形成系统的设计方法，并有众多实验数据基础和若干工程实践。而中国在该方面的研究尚处于起步阶段，本研究试图通过对亲生物设计的内涵和发展情况进行梳理和探讨，为中国城市环境的亲生物设计提供借鉴。

1 萌芽阶段：亲生物理念的兴起

1964年，德国社会心理学家埃里希·弗洛姆（Erich Fromm）首次提出亲生物性（biophilia）这一概念，指人类会被有生命的事物吸引，产生一种不自觉的心理痴迷[1]46。这是基于长久以来人类对自然的热爱所推演出的经验性结论。

1984年，哈佛大学生物学家爱德华·威尔逊（Edward Wilson）的著作《亲生物性》（Biophilia）出版，使这一理念得以推广[1]47。他从生物进化学角度给出有力论据：环境是生物进化的本源驱动力，也是筛选和左右进化方向的关键要素。人类的身体和心智从自然中衍变而来，在这个漫长而深刻的作用过程中，自然催生出的机体特质烙印在遗传基因里，成就了人与自然不可割舍的联系，这决定了人类难以脱离自然而独立存在，不仅是物质资源上的需求，还包含审美、理智、认知和精神上的依赖。与之相比，自工业革命以来科技塑造的现代城市环境，与人类短短几百年的“交往”，尚不能建立牢固的生存依附关系。

重要的历史节点出现在1993年，爱德华·威尔逊与耶鲁大学环境心理学家史蒂芬·凯勒特（Stephen Kellert）联合提出了亲生物假说（The Biophilia Hypothesis），设想并推断了人与自然接触所表现出的一系列积极反应[2]。这掀起了20世纪90年代环境学、社会学、医学、经济学等众多学科对自然功效的探索热潮。

与自然接触具有生理健康、行为认知、心理情绪、经济价值4方面的效益。

1）生理健康方面以环境心理学家罗杰· 乌尔里希（Roger Ulrich） 在《科学》（Science）期刊发表的研究为标志，通过实验证明了观赏窗外自然景观能够减缓病者的疼痛感、减少止痛药的使用剂量、加速术后身体恢复[3]。随后的研究通过各项生理指标的测量从不同角度扩展了自然对于身体健康的积极功效：降低心率、脉搏频率、血压、唾液皮质醇浓度以及肾上腺素等应激激素。这表明交感神经系统被阻抑、副交感神经系统被激活，意味着生理压力得以纾解、新陈代谢处于平静缓和的状态，与压力相关的病症，例如心脏病和心脑血管疾病的发生概率降低[4-6]。

2）行为认知方面以密歇根大学环境心理学家史蒂芬·卡普兰（Stephen Kaplan）提出的注意力恢复理论（Attention Restoration Theory）为核心，与自然环境接触能够使在认知任务中消耗的定向注意力得以恢复，从而避免精神疲劳，为认知活动提供源源不断的动力。基于此，学者们陆续得出了自然对于工作效率、准确度、环境感知能力、反应速度、瞬时记忆能力和创造力的提升作用[7-10]。另外对精神疲劳的规避抑制了行为向消极方向转变，从而达到减少冲动、易怒、暴力和犯罪行为，促进利他行为的效果[11-12]。

3）心理情绪方面以罗杰·乌尔里希的减压理论（Stress Recovery Theory）为代表，与自然的相互作用能够舒缓心理压力、促进积极情绪的产生[13]。以此为基础，学者们通过实验对这种积极作用进行了细化：具体表现在促进多巴胺分泌、诱发强烈的愉悦感，提升主观舒适度[14]；对安全感、幸福感、宁静感等深层情绪的培养[15]；以及对倦怠感、无聊感、挫败感、焦虑感的长效改善等方面[6]564。

4）经济价值方面的研究主要集中于美国。以社会经济学家比尔·布朗宁（Bill Browning）等的研究为典型：以纽约市为对象，对上述生理、心理和行为方面的功效所产生的经济价值进行评估：基于自然对于生理恢复的影响，能够将个体平均住院时间缩短0.41 d，使每年节省9 300万美元（2020年12月1日人民币兑美元汇率6.579 3，约61 225万元人民币）的医疗成本；基于自然对于犯罪和暴力行为的减少，每年节省16.2万美元（约105.9万元人民币）的劳教开支；基于自然对于工作效率的提高，每年能够增加4.7亿美元（约30.7万元人民币）的产值[16]。自然的经济价值得到量化，这使管理者和资金所有者认识到将自然融入城市不是浮于表面的奢侈，而是对健康和生产力的合理投资。

进入21世纪以来，对于自然功效的研究取得了质的突破。随着神经科学的发展，通过仪器测量大脑活动从而推导环境对机体的影响机制成为可能，学界开始从更接近本质的角度探索自然产生积极功效的原理：通过功能性核磁共振成像发现自然的几何特点和所外显的视觉多样性能激活视觉皮层后部的阿片肽受体运动，进而产生愉悦感。当面对缺乏自然特点的环境时，例如现代建筑坚硬的非曲线边缘，大脑会向机体发送2种消极指令：1）与感官系统失灵和精神系统故障相似的病理信号，这意味着“大脑感觉身体生病了”，由此可能会引发与视觉和认知相关的临床病症，例如大脑色盲和视觉失认症等；2）“战斗或逃跑”（fight-or-flight）信号，这表示“大脑感觉遇到了危险”，从而对机体施加压力引起相关神经和腺体处于应激状态，以使躯体做好防御或逃跑的准备，由此可能会引发与压力有关的病症，例如心血管疾病等[17]。

至此，自然的积极功效得到多角度的验证，收获了多学科的认可，如果能够将众多积极功效植入城市环境，那无疑是一项有利于人类生存发展的重要举措。然而基于对恶劣气候、灾害或者危险动物等不利因素的规避，考虑到社会进步的需求和经济限制，不能采取完全回归自然的居住方式，也无法在城市中复制自然，那么如何做到“身居城市，而宛若自然”呢？学界开始探究能够充分发挥自然功效的人工环境的设计方法。

2 确立阶段：亲生物性启发下的设计思考

亲生物性作为自然环境与人工环境之间互通的桥梁，为上述问题的解决提供了启示，通过分析和解构其原理和机制，提炼能够满足人类亲生物性的环境特质，据此推导出人工环境的设计方法，以实现“生活在自然中”的夙愿。

2.1 设计理念的提出

2006年于美国罗得岛州举办的学术会议是亲生物性被正式引入环境设计领域的开端，会议召集了与亲生物研究有关的专家学者、设计者、管理者、决策者、普通民众等多方人员，基于在城市和建筑中实现亲生物性的益处，探讨了将其融入设计的价值和实施性。2008年，随着《亲生物设计：将建筑赋予生命的理论、方法和实践》（Biophilic Design: The Theory, Science, and Practice of Bringing Buildings to Life）一书的出版，“亲生物设计”（biophilic design）得到了正式命名和确立：指从自然中汲取经验，通过对自然的重现、利用、模拟和提取等手段创造能够支持和复兴人类亲生物天性的人工环境[18]。设计原则包含：创造一种重复持久的环境体验；符合人类进化机制；培养个体对特定地区中自然生态环境和文化环境的依恋；促进人与自然的积极交互；提出统一协同的环境整体设计方案[19]。由此本研究根据上述理论建构了亲生物设计的理论模型（图1），探讨在亲生物设计过程中，人－自然环境－人工环境三者之间的关系和所发挥的作用。

1 亲生物设计的理论模型Theoretical model of biophilic design

亲生物设计并不是一个全新的概念，它与绿色设计、可持续设计、仿生设计等理念有所重叠，都是以自然为基点、以平衡人与自然关系为终极目标所提出的设计理念和方法，但又有所不同。

1）从内涵本质上看，它强调的并不是自然的直接引入和利用，而是分析和提取人与自然相互作用的进化过程中自然所具备的某些利于人类生存发展的环境特质和模式，并将其应用于人工环境。这是一种从本源出发，更加接近事物真相和原理的分析方法。如果将以往的设计理念比作“在环境中引入一棵树”，那么亲生物设计就是“在环境中引入树给予人的庇护和审美体验”，并不一定要存在一棵真实的树。相反，如果树的存在与亲生物性相悖，例如阻挡了前景视野或平添了恐惧感，则会使自然丧失应有的积极功能。

2）从研究视角上看，以往的设计理念，例如可持续设计，着重于对自然物质资源的集约优化利用，而亲生物设计使自然的非物质功能和效益得以被挖掘和展现。这使得自然在人类社会中的形象更加丰满和立体，人类需要从自然汲取精神养料，就如同获得物质资源一样必不可少。设想一个完全由太阳能电池板组成的公寓，其生态性和可持续性毋庸置疑，但无法满足居民的审美需求，更不能唤醒人们对生命的热爱，人们不愿意待在这样的环境中，这种模式也无法继续维持。

3）从研究范围上看：①广度上，亲生物设计实现了自然由狭义到广义的扩充。传统绿色设计中关注的“自然”局限在植被、水体、生物多样性等方面，然而大至星空、海洋、地质、水文、气候，小到苔藓、地衣、土壤微生物等，都是自然的重要组成部分，蕴藏着人类所需的积极力量，而目前人工环境尚未对这些因素加以利用。②深度上，亲生物设计促成了自然由表及里的深入，从传统理念中单一的视觉联系，到亲生物设计中创造多感官体验的自然环境，这意味着人与自然相互作用程度的加深和有限资源的潜力扩充。

因此，亲生物设计并不是对以往研究的否定，也没有试图包罗所有绿色生态的设计方法，而是展露了自然不被关注的另一面，试图为人工环境的优化和完善提供新颖的切入角度，该理念的提出开创了环境设计的新时代，接踵而至的是对亲生物环境特点和设计方法的深入讨论。

2.2 设计方法的求索

史蒂芬·凯勒特在赋予亲生物设计明确的定义后，首次揭示了亲生物建筑从属于六大类的70项特点，打造了一个便于索引和使用的“工具包”，这是亲生物设计方法的先驱，也是后续研究的基础。在这一研究的指引下，设计方法的研究趋向类型化，针对特定环境的优化策略不断涌现。

商业环境的亲生物设计具有提高环境吸引力、促进消费行为、催生良好的客户反馈等积极益处[20-21]。水体生物、真实或仿造的绿色景观等是重点发挥作用的亲生物特点[22-23]。另外，亲生物商店设计（Biophilic Store Design,BSD）理念被提出，启发人们对商业环境的重新思考，由于其本身包含具有放松功能的娱乐性活动，其亲生物设计将催生出一种新兴的城市减压空间[24-25]。

办公环境的亲生物设计搭建起生产力与空间环境之间的关联，使员工的主观满意度、健康状况、注意力恢复水平等成为评价办公环境的新标准，推动了对工作场所的人本关怀。其中空间的开敞度、自然光线与通风、绿色植物、展望避难空间、可回收材料、自然材料、室内空气质量、建筑形象及设施维护、与室外环境的联系等是主要的亲生物设计要点[26-28]。

教学环境的亲生物设计使自然在认知能力方面的功效得以强化和利用，并且促使学生的情绪感受和心理健康成为教学环境设计的关注重点。其中，户外环境中绿色植物的可亲近程度、自然环境对户外活动的支持程度、环境的神秘性和吸引力、街道景观的植物配置和交通组织方式[29]，以及室内环境中自然窗景、热流和气流的可变性、与自然系统的连接程度、界面的复杂性与秩序等亲生物特质尤为重要[30-31]。

在疗愈环境的设计中对于自然的运用自古有之，具有百年历史的疗愈花园研究是其亲生物设计的扎实基础，受到亲生物性启发而展开的“恢复性医疗环境设计”将焦点从室外景观扩展到室内建筑空间，大量实验数据表明室内的自然光线、绿色植物、绿色窗景、展望避难空间、交往空间、自然声音、芳香气味、水景、真实海洋生物、视觉舒适度、个人控制感等方面的亲生物设计都能起到促进积极情绪、加速病体恢复的积极作用[32]。

另外，亲生物设计方法也被应用到一些特殊领域：例如索德伦·贾纳（Soderlund Jana）等将亲生物设计方法与监狱建筑的特殊要求相结合，提出既能保障监禁的安全性和可靠性又能减少暴力行为、提高罪犯对司法教育的接受度并复兴其同情心的监狱环境。在美国“将自然和科学带入监狱”项目和澳大利亚西南威尔士的“监狱种植”计划中，都对监狱的亲生物设计给予了高度的关注[33]。

经过上述近10年的探讨和实践，学者们对最初的70项环境特点进行筛选和重构，使设计方法从庞杂模糊走向简化明晰。典型研究为2014年威廉姆·布朗宁（William Browning）等提出的14项亲生物设计模式[34]（表1）和2015年史蒂芬·凯勒特、伊丽莎白·卡拉布雷斯（Elizabeth Calabrese）提出的24项亲生物设计策略[35]（表2）。将二者进行比较分析可以发现设计方法从3方面展开：真实自然要素的运用、自然要素或特性的抽象和提取、人与自然关系的演绎和转化，威廉姆·布朗宁将前两项的组成要素按照同一性进行归类，体现出更加简化的结果，并且在第三项中增添了“神秘”和“冒险”2项特点。笔者将二人的研究成果进行拟合得出26项设计要点，并结合相关文献，对每一项的具体含义进行解析（表3）。

表1 威廉姆·布朗宁的亲生物设计方法（2014年）[34]Tab.1 The biophilic design methods from William Browning in 2014[34]

表2 史蒂芬·凯特等的亲生物设计方法（2015年）[35]Tab.2 The biophilic design methods from Stephen Kellert in 2015[35]

表3 亲生物设计方法归纳Tab.3 Introduction of the biophilic design methods

至此，亲生物设计成为建筑领域的主流设计方法，被广泛接受和运用，甚至被列入评价建筑环境的衡量标准，2014年国际建筑性能标准将亲生物性纳入其评级体系，以推广对环境产生积极影响的建筑，评价包括初步审计和一年内的居住性能评估，二者共同达到要求，才可被认定为生态建筑（living building）。

结合上述亲生物设计的理论和实践研究可知，亲生物设计方法是一项内涵广泛、包罗要素庞杂的体系，不同类型的空间环境由于自身属性和使用者实际需求差异在亲生物设计上应有不同方面的侧重，同时众多亲生物设计方法所适宜的空间环境在设计层面有所区别，因此本研究在前人研究的基础上推导了一种针对具体空间亲生物设计的步骤，以空间环境中使用者需求、空间属性等方面的内容作为对众多亲生物设计要素的筛选标准，进而从设计目标、设计策略和设计方法层面对建构亲生物设计体系，推导出适宜当前空间环境的高效且集约的策略和方法（图2）。

2 亲生物设计体系建构Construction of biophilic design system

3 发展阶段：亲生物设计的拓展

亲生物设计在小尺度环境方面取得的成功促使其走上更加宏观和系统的发展之路，在城市层面实现群体环境对自然的回溯和反映，能够产生更深远而广泛的影响。因此，研究者将亲生物设计从建筑、景观单体的尺度扩展到城市、区域尺度。未来的城市不应是竖起高墙隔离自然、驱逐其他生物，而应寻求与自然和谐共处的方式，使自然体验成为日常城市生活中必不可少的部分。

3.1 亲生物城市理念兴起

2010年，亲生物城市的理念应运而生，指城市尺度上的亲生物性的体现。研究者们在以往城市绿色空间设计的基础上，更加注重城市内部众多生态系统和人类活动的综合作用，逐步探索亲生物城市的特性、衡量标准和设计纲要。本研究以其中的代表性研究——美国弗吉尼亚大学的可持续发展专家蒂莫西·比特利（Timothy Beatley）的著作Biophilic Cities: Integrating Nature into Urban Design and Planning为主要依据，结合其他相关研究，对亲生物城市的衡量指标进行综合归纳，包含丰富的自然体验、模仿自然、保护广义自然、自然活动的支持、室外活动的支持、自然环境的认知、生物重视度、自然投资8个分项下的22个子项衡量指标（表4）[36]。

表4 亲生物城市的衡量标准[36]Tab.4 The standard of biophilic city[36]

3.2 典型城市的亲生物设计尝试

虽然亲生物城市的理念出现距今不到20年，但纵观城市发展史，人类从未停下亲近自然的脚步。欧美许多发达城市已经完成或正在进行的城市设计实践，都与亲生物城市的特性不谋而合，可以作为该理念发展初期的参考案例，为设计体系和发展方向的探讨提供辅助。因此，通过参阅相关文献搜集了北美、欧洲和澳大利亚等国家的城市亲生物设计尝试，主要集中在政策法规、空间设计和社区参与3方面（表5，图3）。

表5 国外典型城市的亲生物尝试Tab.5 The biophilic attempt of the typical cities in foreign countries

3 国外典型城市的亲生物设计案例The biophilic design cases of typical foreign cities3-1哥本哈根市港口码头[37]Port terminal of Copenhagen[37]3-2新加坡市公园绿道[38]Park greenway of Singapore[38]3-3奥斯陆市慢行交通[39-40]Slow traffic of Oslo[39-40]

发达国家城市的亲生物实践更加充实和丰富了该理念的内涵，亲生物城市依靠广泛吸纳自然特质、加深相互作用而巩固人与自然的关系，实现人工环境向自然方向的靠拢。对于自身，这是一种重生和进步，而非抄袭和复制；对于自然，这是对主动恢复的激发，而不仅是低干扰性的保护。

4 设计启示

国外的建筑和城市环境的亲生物设计起步较早，并已初具规模，经济发达的城市都在一定程度上发起了亲生物的研究与实践，这说明亲生物已经成为城市设计的主流趋势。随着社会经济的发展，中国的城市建设也必将借鉴亲生物设计方法。中国目前的城市建设也在逐步践行绿色生态和可持续等理念，这与国际趋势是吻合的，但许多相关设计仍未能满足个体的亲生物天性，这证明中国在亲生物理论、模式和方法等方面尚不够系统完善，出发点和视角不够长远深刻，所以应积极学习国际上的先进理念和经验，探索符合中国国情的亲生物设计方法。

根据城市亲生物性的衡量标准和发达国家城市亲生物实践初步得出关于亲生物城市建设的几点思考：1）从墨尔本、伦敦的森林建造计划，丹麦的港口治理计划以及美国的星空观测活动等可以看出，自然元素不仅局限于绿色空间，还包括水位、地质、气候条件等广义的自然，对其所占比重的提升和影响程度的强化是前提和基础。2）考虑到纽约的露营活动以及衡量标准中对自然活动和室外活动的要求，活动场所的营建是激发大量参与自然行为的必要条件。3）分析新加坡、奥斯陆等典范亲生物城市，发现它们都具备通达的绿道网络、紧凑的城市布局和优质的公共交通，这些共同促成了普遍的步行交通方式和便捷的绿色体验，这也吻合了亲生物城市“丰富的自然体验”“自然活动”和“室外活动”等属性。最后，芝加哥的“鸟类友好高层”和多伦多的“强制性绿色屋顶”等都突出了亲生物建筑的重要性，这也呼应了“模仿自然”“重视其他生物生存”“投资于自然”等亲生物城市衡量标准。亲生物建筑为城市开发了更多能够作为自然场所的人工空间，弥补部分地区自然条件薄弱的缺陷。城市由建筑构成，一座亲生物城市必然是众多亲生物建筑协同的整体。

5 结语

现代科技培养了一批与自然没有直接联系的“抽象的”人类，他们生活在一个贫瘠的、缺乏互动的世界里。城市的形成，本质上是对自然的抵御，这滋长了一种对自然恐惧的态度，人们恐惧恶劣的天气、危险的动物和细菌的传播，所以将自身与自然隔绝，从而导致了孤立的城市环境。然而脱离了自然的人类丧失了生物的完整性，自动放弃了与生俱来的权利，这是诸多健康和发展问题的诱因。所以重新建立日常生活中与自然的联系，弥补城市中缺失的进化要素，是解决上述问题的有效方法。人类需要每天接触自然，城市不应是隔绝自然的屏障，而应是与自然有机结合的统一体[41]。未来的人类社会不会被某个国家控制，而是被城市控制，地球是一个相互牵制的生态网络，对自然的再生和强化将是一个永恒的话题，亲生物设计任重而道远。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1、2为作者绘制；图3-1引自参考文献[37]；图3-2引自参考文献[38]；图3-3引自参考文献[39-40]。表1引自参考文献[34]；表2引自参考文献[35]；表3根据参考文献[34-35]改绘；表4根据参考文献[36]改绘；表5为作者绘制。