基于生物共生思想的可持续建筑设计与技术探析

潘鑫晨 李智兴 肖奕萱 洪菊华 蒋丽萍

人类社会生命活动的所有发展和进步离不开对自然的感知和学习，这种自然的认知反过来可以促使人类产生更高层次的思考，并开展各种创造性的行为活动。生物学作为重要的基础学科，它是所有学科当中最先面对自然界问题的综合性科学。

生物学相关理论及思想为建筑学带来了重要的启示。弗雷泽[1]（Frazer J., 1995）在其《进化的建筑》（An Evolutionary Architecture）中提出，建筑被认为是一种人工的生命形式，是一个有生命且不断进化的实体，因此需要通过对自然界中形态生成的研究来探索建筑生长与发展过程。在现代建筑与城市的设计研究中，无论是有机建筑、仿生建筑等思想，还是“建筑表皮”“立面骨骼”“城市针灸”等结合生物学的相关术语被广泛使用[2]。这些都意味着建筑学正在不断

融合生物学思想，促使着建筑结合自然的可持续发展。

在生物学的物种进化过程中，生物体为适应自然法则必须不断变化并改善其机体功能和生存方式，这种变化和适应的相互性关系也称为共生现象。共生更像是有意识的智化现象，是一种生存状态的最优化倾向[3]。如何利用生物学的共生思想解读建筑与自然的内在关系，并探析可持续建筑设计方法与技术，是本文旨在研究的核心问题。

1 生物学共生思想的内涵

1.1 共生的概念

生物学中的共生（symbiosis）概念是1879年由德国植物学家德巴里（Anton de Bary）提出[4]，其定义为“两个不同生命体共同的生活”。道格拉斯[5]（Douglas，2010年）将共生理解为任何形式之间的持久性相互作用。艾哈迈德[6]（Ahmadjian，2000年）则指出共生是两种或两种以上不同生物体之间的关联，共生是自然界中普遍存在现象，没有任何一个生物是一个“孤岛”的存在，每个生物都会直接或间接与其他生物有着联系。

现代的生态学将整个人类地球生态系统视为一个大型的生态系统，在这个生物圈中，各生物及其外部环境通过生物间的能量转换、外部物质的循环紧密地相连，形成了一个自然共生的系统，这是一种广义的共生（generalized symbiosis）。狭义的共生（narrow symbiosis）则主要是指两个生物体之间的关系及其生存发展状态与其利害轻重程度之间的共生关系[7]。

1.2 共生的类型

美国微生物学家玛葛莉丝（L .Margulis）认为共生是一种生物演化的机制，并揭示了生物间互助性及对抗性的共生关系。在现代生物学的领域，根据生物体共生关系的利害性可以分为以下六种模式[7]：

①寄生共生（P a ra sitis m）。一种生物体依附于另一种生物，利用附着生物体的营养、环境获得生存需求；②偏利共生（Commensalism）。其中一方生物体获得利益，对另外一方生物体不产生任何的影响；③互利共生 （Mutualism）。每个生物体均在这种互利生存的模式中可以获得到了好处；④偏害共生（Amensalism）。生物体其中一方获得利益，而另一方要则做出一定牺牲；⑤竞争共生（Competition）。这是一种对抗性关系，对所涉及到的生物体均产生消极的影响；⑥无关共生（Neutralism）。共生生物体之间相互不产生影响，都无益无损（表1）。

表1 生物体共生模式及关系

2 建筑学中的共生思想

长期以来，建筑、城市一直被比作“活的有机体”。柏拉图于公元前380年在他的Politeia中，将城市称为一个“巨大的人类”（macro-anthropos），强调了城市与人体的相似性。柏拉图也提出了人与城市之间的关系：“一个公正的人与一个公正的城市并无不同。”赛达尔[8]（Cerdà，1867年）认为城市是一个身体、一个活的有机体，并把城市规划者比喻为“诊断专家”和“外科医生”。柯林斯[9]（Collins，1965年）总结了生物学和建筑学的共通特点：①有机体与环境的关系；②器官（元件）之间的关系；③形式与功能的关系；④生命力本身的原则。此外，柯林斯关注人体如何适应不断变化的环境，并认为建筑同样可以具备这种应对环境的属性或能力。弗雷泽[1]（Frazer，1995年）在生物学共生思想的基础上描述了建筑遗传学（architectural genetics）这一领域，将建筑与自然界中的多细胞关系及细部对变化条件的反应机制进行了类比。进化建筑的目标是在建成的环境中实现共生行为（symbiotic behavior）和代谢平衡（metabolic balance），这是一种遵循自然环境的现象。

有机建筑（Organic Architecture）的思想由美国建筑师沙利文（Louis Sullivan）提出，其借鉴生物学“有机”的概念：生物体的物质基础是蛋白质,它通过代谢等形式表现出应激、生长、繁殖等生命现象，使有机体与外界环境之间进行着能量物质的交换，形成了一个互相联系且对立统一的整体。其中“有机”包含了两层的意思，一是有机生命体各器官组织的生命特征，二是有机生命体与环境的共生关系[10]。美国建筑师赖特（Frank Lloyd Wright）是有机建筑的代表人物，他认为建筑的“有机”体现在：整体性（integral）、统一性（entity）和内在属性（intrinsic），是一种“活”的建筑理论思想，即崇尚自然，并且赋予建筑生命[11]。这种建筑思想体现了将人与自然环境视为共生体的生物哲学。

黑川纪章（Kurokawa）等日本建筑师为了应对第二次世界大战后消极凋敝的社会城市，提出了基于生物学新陈代谢理论的建筑思潮[12]。生物学中的新陈代谢是指生物体内部能量和物质的转变、生物体与外界自然环境能量和物质的交换。生物学新陈代谢中“改变”与“成长”的概念被黑川纪章引入到建筑代谢论里，体现在建筑形式、材料与能源的新陈代谢。20世纪中后期，现代建筑的多元化运动为日本建筑设计的思潮发展带来了一种多样性的发展趋势，黑川纪章基于建筑代谢论提出了“共生哲学”，定义了共生思想是关注生物体彼此需要的要素之间的关系。其核心在于强调人与物质文化的共生、人与科学技术的共生、人与自然的共生，这种关系的关键在于共存的理念。黑川纪章的建筑“共生哲学”揭示了不同时间、不同空间、不同文化的共生关系，论证了建筑与其它自然环境共生的包容性[12]。

3 基于生物共生模式的可持续建筑解析

在建筑领域，共生关系可以被转译为建筑物与新干预（技术）之间的关系，这种共生关系的唯一目的应该是允许建筑从中获得好处、营养或保护，即建筑的结构、材料、能耗、形式或空间上的提升。因此，在共生思想与可持续的背景下，本文利用生物共生模式中的三种“正相关模式”（图1），即前文提到的寄生共生、偏利共生、互利共生，对三个典型建筑案例的可持续技术与设计方法进行探析。

图1 建筑与生物共生的三种正相关模式图解

3.1 利用生物嫁接复合结构的寄生共生模式——德国Baubotanik植物建筑

库姆斯[13]（Combes，2001年）将寄生（Parasitism）定义为物种之间的共生关系，其中一个有机体以牺牲另一有机体（宿主）的利益为代价，从中获得部分或全部的有机营养。并且由于对宿主产生一定程度的损害，其通常会表现出自适应的结构改变。对于建筑领域，寄生共生的模式意味着不同实体之间的动态关系，从结构上讲，意味着新结构元素的引入，原有结构逻辑完全改变，并产生对抗性的新干预。德国Baubotanik植物建筑的案例体现了这种寄生共生模式：通过对特定植物结构逻辑的“损害”和“重组”，将建筑结构“寄生”于自适应的植物结构上。利用作为宿主的植物结构的“牺牲”，实现了一种建筑与植物共生的复合结构系统。

（1）德国Baubotanik项目背景

Baubotanik是一种“植物建筑学”的概念，它是由德国斯图加特大学IGMA（现代建筑基础与设计研究所）提出，由费迪南德·路德维希（Ferdinand Ludwig）等人共同研究创建，其主要思想是利用活的植物进行建筑，通过将建筑的构件内置于正在生长的植物结构中，形成一种生物与非生物连接的复合结构，最终实现二者融为一体的寄生共生关系[14]。基于Baubotanik思想和技术，IGMA创造了梧桐树立方、步行桥、柳树塔等一系列景观建筑（图2～5），让这种融会建筑学、植物学和结构工程等多元学科的建造方式在实践方面取得了成功。

图2 Baubotanik梧桐树立方

图3 剖面及节点形式

图4 Baubotanik柳树塔

图5 复合结构的模拟分析

（2）生物嫁接复合结构

Baubotanik的思想是创建一种整合植物与技术的建筑，其核心是一种生物嫁接技术：有生命的植物结构与无生命的建筑构件进行关联，融合成一个复合化的结构[15]。这种复合结构技术首先需要完成植物与植物的嫁接融合，利用梧桐树、柳树、杨树等生命力强且适合嫁接的植物，通过嫁接或编织的方式使树枝、树干融合形成具有较强负载能力的“植物承重元件”。复合结构更加关键的技术是完成生物与非生物的次生链接，其构造方法是将钢管、钢架等金属建筑元件植入到嫁接后的“植物承重元件”中，在植物的接触点利用机械连接的构造使其变成牢固的“关节”（图6），在经过长期的植物木纤维生长后，最终实现生物与非生物共生的生理单位。

图6 植物结构与建筑元件组成的复合结构

Baubotanik利用这种技术创造一种活的建筑形式，植物在建筑的整个使用周期内将一直以自然生命的形式存在，并持续生命活动。对于木材或其他传统材料而言，这种“活”的建筑可持续性更加显著：活的树根部的降雨径流大大减少，抵抗了水土的流失；树冠提供了氧气、自然的场所和空间。此外，树木的蒸腾作用提供了一种可调节建筑微气候的方式，有效降低建筑的使用能耗和成本。

Baubotanik致力于在建筑中采用植物复合结构的思想，整合了建筑设计、结构工程、生物学研究和园艺程序等领域，创造了一套多元杂化的设计方法，其本质实现了将建筑元素（空间场所）转嫁到生物体（植物结构）的过程，即在共生关系中的寄生共生模式。

3.2 利用生物能建筑立面的偏利共生模式——德国BIQ生物能住宅

偏利共生（Commensalism）一词是由贝内登（P.J.van Beneden）在1876年首次使用，指的是其中一个共生物在营养或保护方面受益，而另一个不受伤害或帮助。艾哈迈德[6]（Ahmadjian，2000年）将这种关系解读为一种“奉献主义”。这种模式可以直接类推到建筑领域，新引入的元素为建筑提供了“营养”（能耗），而新元素自身尽管没有受益，但也没有受到损害，二者形成了和谐的整体。德国BIQ生物能住宅是建筑与生物偏利共生模式的范例，案例中通过一种生物能立面技术，将藻类生物变成了建筑的“皮肤”，并把自身产生的可再生能源提供给建筑系统使用，二者形成一个能耗可持续的有机体。

（1）德国BIQ项目背景

BIQ（Bio Intelligent Quotient）生物智能住宅是2013年德国汉堡国际建筑展览IBA（Internationale Bauausstellung）中的实验性建筑，由柏林SPLITTERWERK 建筑事务所设计，是世界上第一个在住宅建筑中应用生物反应立面（Bio-reactive Facade）的试点项目。该建筑是一栋五层的居住公寓，建筑总面积为1600m2，最具有创造性的可持续性设计在于它是全世界首次使用了生物反应立面（图7）。整个建筑拥有200m2充满藻类的光合生物反应器PBR（Photo-Bioreactor）[16]，它利用藻类生物质的光合作用将自然光转换成生物能和热能并输送给建筑使用和存储。基于这种生物能立面，BIQ住宅实现了一种生物为建筑供能的共生关系。

图7 BIQ住宅俯瞰及生物能建筑立面

（2）生物能建筑立面

生物能建筑立面的原理是从海藻生物质和太阳能热能中产生可再生能源，这种具有生物活性的立面也称为Solar Leaf（太阳能叶片）。BIQ住宅建筑的西南和东南两侧总共安装了129个、面积达到200m2的生物反应器（PBR），这种生物反应器由大小为2.5m×0.7m的平板玻璃组成，形成一个18mm宽的空腔，容量为24升，用于藻类生长和水循环（图8）。生物反应器内模仿着藻类植物在自然中的栖息环境，这种藻类是一种特殊的微型海藻，它们只由单细胞组成，每个细胞都能进行光合作用，在将光转化为生物能方面有显著的功效[17]。生物反应立面系统的核心是完全自动化的能源管理中心，太阳能和藻类产生的热能被收集在一个封闭的回路中，并被储存起来产生热水，因此热能可以直接用于住宅供暖；同时生物反应器中每天产生约15g/m2的生物质，收集储存系统定期收集和储存这些生物质，并通过发酵产生甲烷气体，甲烷燃烧发电可以为建筑提供能源（图9）。

图8 生物反应器结构示意图

图9 生物能立面的能量关系及工作原理

与此同时，这个立面系统集成了额外的功能：生物反应器面板可以沿着垂直轴旋转来跟踪太阳的位置，形成建筑的外表皮，为建筑提供热缓冲、动态遮阳、保温及噪音降低的作用，突出了这项技术的全部潜力（图10）。BIQ住宅利用这项技术，不仅能产生清洁能源，每年还可以减少6吨CO2的排放，为未来的城市建筑环境的低碳发展树立了良好的典范。

图10 生物反应器的工作状态

BIQ住宅在设计中利用幕墙技术、太阳能技术、生物能发电等方法，有效地为建筑生产、存储和供应可持续再生能源，最终形成生物为建筑供能的集成闭合系统，建立了一种建筑与生物偏利共生的关系，为建筑能耗关联的可持续设计提供一种新方法。

3.3 利用微型生物圈系统的互利共生模式——荷兰UF002-DeSchilde都市农场

互利共生（Mutualism）是一种良性共生体，其中的所有共生物不仅互相适应，并且都可以从这种关系中受益。奥勒顿[18]（Ollerton，2006年）指出，互利共生关系的共生体中存在交换资源、服务或保护的现象。对于建筑方面而言，原有建筑物的空间、环境以及人的活动与新干预的有机体组织在一起，可以产生相互促进作用和物质交换，形成一个存在利益循环的生物圈。荷兰UF002-DeSchilde都市农场的案例中，在既有建筑的改造中，将农业生产系统与人类生活系统相结合。这种互利共生的关系不仅体现在建筑中的蔬菜、鱼和人的资源交换，更要强调的是在社会行为层面的“行为共生”，即建筑系统中多样化行为模式（种植、养殖、办公、交流、示范、研究等）的发生与促进。

（1）荷兰UF002-DeSchilde项目背景

UF002-DeSchilde是一个建筑可持续再生改造项目，2 016 年在荷兰海牙的DeSchilde既有办公大楼基础上进行改造，实现了欧洲最大的开放式屋顶综合性都市农场（Urban Farmers）。原办公大楼是于1959年设计的飞利浦公司工厂，总面积达12400m2，由于该建筑质量坚固，拆除非常昂贵，市政府和开发商决定将其内部进行改造以焕发出新的生机。UF002-DeSchilde都市农场的设计理念是将食品生产和加工带回到城市生活领域，法国建筑团队Space&Matter基于这一理念对建筑进行改造（图11），通过室内渔场和温室农场的植入，使改造后的建筑不仅拥有办公功能，还具备鱼菜生产、食物加工、生态景观以及示范观摩的复合功能[19]。UF002-DeSchilde项目将都市农场与未充分利用的建筑空间整合为一个新的单元体，在城市建筑中实现了农业生产系统与人类生活系统的共存（图12）。

图11 改造后的DeSchilde大楼外观及屋顶温室农场

图12 建筑屋顶的农业生产系统

（2）建筑内置微型生物圈系统

改造后的DeSchilde大楼共六层，一到五层为建筑的生活系统，包含了整个办公、交流、示范、研究等活动空间；第六层为900m2的室内渔场，屋顶层为1200m2的温室，它们共同构成了建筑中的农业生产系统。UF002-DeSchilde都市农场的核心技术基于鱼菜共生系统（Aquaponics System）（图13），这是一种将水产品养殖和蔬菜种植（水耕法）的生存空间和环境结合的复合循环生物圈：系统内的养鱼过程所使用的水和鱼的粪便在经过了细菌的分解处理之后，再输送给植物浇灌，维持植物生长所需的营养物质。而植物吸收了养分后水质已经得到了净化，鱼则可以再次使用，形成一个资源高效循环利用生物圈（图14）。

图13 鱼菜共生系统关系图

图14 建筑微型生物圈系统的剖面关系

整个鱼菜共生系统的温度、湿度、光照、食物、肥料等在都市农场中得到精确的调配和控制，这套系统为大楼内的有机餐厅、本地900户居民以及一所学校每周能够提供大约500条鱼、每年能够供给50吨蔬菜[19]。与此同时，都市农场的大量蔬菜和植物可以调节建筑的微气候环境，并且实现城市中农产品的就近供应，减少运输过程产生的碳排放量。不仅如此，都市农场作为一个城市里少有的大型农作物基地，可以开展采摘、教育、科等一系列社会活动，为人们提供了更多亲近自然的体验和学习机会。

UF002-DeSchilde都市农场是重新激活既有建筑物并增加土地利用率的有效途径。更重要的是，通过鱼菜共生生物系统与人类生活系统二者在建筑这个反应器中发生协同联合，构建了一种建筑内置的微型复合生物圈，从而实现建筑与生物环境共存的互利共生关系。

结语

本文分析了生物学的共生思想及其与建筑之间内涵，提出适于可持续建筑设计的三种“正相关模式”，即寄生共生、偏利共生、互利共生。通过三种共生模式的视角，对德国Baubotanik植物建筑、德国BIQ生物能住宅、荷兰UF002-DeSchilde都市农场这三个国际前沿可持续建筑进行解析，重新强调了“共生”对于建筑可持续设计的核心意义：①功能及性能的调节；②环境变化的应对；③建筑进化的驱动力。

文中所论的“可持续建筑设计与技术”并不仅仅局限于建筑学的设计研究范畴，其不仅弥合了生物学和建筑学领域之间的鸿沟，并且将设计与技术的探索拓展到融合植物园艺、生物工程、生物能源、农产养殖等更广阔领域，有助于映射出更具广度的建筑思想，为可持续建筑设计方法与技术的探索提供更多可能性和新思路。

资料来源：

图2～6：德国Ferdinand Ludwig；

图7～9：德国汉堡IBA提供；

图11～12 ：荷兰Space&Matter建筑设计事务所；

图14：作者根据材料编绘。

文中其余图表均为作者绘制、拍摄。