劉長安董芷含

1 背景介紹

當(dāng)前，隨著城市化進(jìn)程加快，環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、能源短缺等問題層出不窮，其中城市線性代謝現(xiàn)象是長期被人們所忽略的問題[1]?！按x交換”廣泛存在于人類與地球之間，這也是人與自然之間溝通的基本手段，包括自然生態(tài)系統(tǒng)中植物生長所需要的氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的不斷循環(huán)。然而工業(yè)文明的進(jìn)步，使原本“農(nóng)田—城市—農(nóng)田”的養(yǎng)分循環(huán)被打斷，導(dǎo)致大量來自土壤的養(yǎng)分無法回歸。長此以往，土壤的養(yǎng)分補(bǔ)充只能依靠耗費(fèi)額外的能量和資源所制造的化學(xué)肥料，不但浪費(fèi)了資源，也破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)[2]。這就是早在19世紀(jì)中后期，馬克思在其后期理論中指出的由于人類對利益的追求而在人類生產(chǎn)與自然條件之間出現(xiàn)的“代謝斷層”（metabolic rift）現(xiàn)象[3]。

“代謝”（Metabolism）源于生物學(xué)中的“新陳代謝”概念，指的是生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)與能量交換以及生物體內(nèi)部物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)變過程[4]。1965年，沃爾曼（Abel Wolman）將城市生態(tài)系統(tǒng)與生物學(xué)的自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行類比，最早提出“城市代謝”（Urban Metabolism）這一概念[5]，此后吉拉爾代特（Girardet）[6]、巴齊尼（Baccini）[7]等人對該領(lǐng)域進(jìn)行了拓展，肯尼迪（Kenedy）認(rèn)為城市代謝是“為實(shí)現(xiàn)能源增長、生產(chǎn)，以及廢棄物消除，而在城市中發(fā)生的技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)過程的總和”[8]。1990年以來，“城市代謝”逐漸成為城市生態(tài)學(xué)和其他交叉學(xué)科進(jìn)行生態(tài)城市研究的又一切入點(diǎn)[9]，目的是實(shí)現(xiàn)健康的城市循環(huán)代謝，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

循環(huán)代謝使城市中的有機(jī)廢棄物分解并重回農(nóng)田，彌補(bǔ)“代謝斷層”所帶來的養(yǎng)分失衡，減少由于人類工業(yè)文明發(fā)展所帶來的不利影響。然而，目前的理論大多以改善生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)，側(cè)重突破傳統(tǒng)的城市發(fā)展模式、促進(jìn)城市層面的可持續(xù)發(fā)展研究，對建筑本體這一構(gòu)成城市整體的重要微觀要素考慮較少。在建筑領(lǐng)域，生態(tài)和綠色設(shè)計(jì)已經(jīng)成為共識，但通常做法是以實(shí)現(xiàn)建筑自身的生態(tài)節(jié)能為目標(biāo)，多關(guān)注建筑的保溫、隔熱、減排等技術(shù)措施，回避或忽視建筑對外部環(huán)境所帶來的生態(tài)優(yōu)化、廢物消納等“外在”問題，更少見到以優(yōu)化城市代謝為目標(biāo)的建筑案例。

因此，面對日益嚴(yán)峻的線性代謝危機(jī)，少數(shù)富有前瞻性的建筑師試圖從建筑與環(huán)境的互動關(guān)系出發(fā)去思考和解決問題，帶來具有啟發(fā)性的前沿實(shí)踐。美國RTKL事務(wù)所設(shè)計(jì)的“閉環(huán)溫室”（The Looper）就是一個著眼于物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)修復(fù)，綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段推動建筑和環(huán)境同步可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的典型案例。

2 “閉環(huán)溫室”概述

“閉環(huán)溫室”是R T K L 事務(wù)所參加snoLEAF溫室創(chuàng)意大賽①的作品（圖1）。大賽要求參賽作品在促進(jìn)西北太平洋斯諾霍米什（Snohomish）地區(qū)新鮮農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展的同時(shí)滿足“生態(tài)建筑挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)”②的要求。因此，“閉環(huán)溫室”選址于與美國華盛頓州西北海岸的普吉特海灣（Puget Sound）連通的斯諾霍米什河（Snohomish River）上。方案突破了傳統(tǒng)的溫室模式，并將可持續(xù)理念貫穿其中，制定了包括建筑設(shè)計(jì)、材料、生態(tài)系統(tǒng)、物質(zhì)流動等在內(nèi)的一系列策略，推動資源最大化循環(huán)利用；充分利用當(dāng)?shù)匾?，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和生物多樣性，以提高社區(qū)的生活質(zhì)量。

圖1 “閉環(huán)溫室”效果圖

“閉環(huán)溫室”的基本原理源自設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對于陶德（John Todd）“生活機(jī)器”（Living Machine）③作用機(jī)理的理解，進(jìn)而提出植物生長從本質(zhì)上清潔生態(tài)系統(tǒng)的理念，通過建筑改造、作物種植以及水循環(huán)、能量循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)的綜合利用達(dá)到改善生態(tài)、凈化環(huán)境的目的。

方案將現(xiàn)有小型河駁船改造為內(nèi)置“生活機(jī)器”的可移動溫室，將收集的河水進(jìn)行過濾后輸送至“魚菜共生”水培系統(tǒng)中，為植物和魚的生長提供必要的養(yǎng)分。溫室通過收集、使用、過濾并將清潔后的水排至河中形成循環(huán)，其可移動性可以使溫室往返于諾霍米什地區(qū)和埃弗利特（Everett）地區(qū)，改善該區(qū)域的河水和棲息地現(xiàn)狀，向周邊社區(qū)展示物質(zhì)循環(huán)和農(nóng)業(yè)種植過程，并為居民提供新鮮農(nóng)產(chǎn)品（圖2）。

圖2 溫室的航線

3 “閉環(huán)溫室”解析

“閉環(huán)溫室”主要由建筑系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)組成，二者密切結(jié)合，互為依存。建筑系統(tǒng)為循環(huán)系統(tǒng)提供空間載體，循環(huán)系統(tǒng)則體現(xiàn)了“閉環(huán)溫室”這一前衛(wèi)建筑的最主要特征。

3.1 建筑系統(tǒng)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)、表皮以及空間的改造設(shè)計(jì)，使即將廢棄的駁船得到重新利用?？紤]到船體自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)保留了原本駁船結(jié)構(gòu)，并在屋頂加入了水平風(fēng)力渦輪機(jī)、斜肋、支撐結(jié)構(gòu)以及用于包裹內(nèi)部空間的表皮等（圖3）。溫室外表皮由位于船體內(nèi)部張拉鋼索上方的乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）氣枕膜結(jié)構(gòu)組成，具有可操作性強(qiáng)、動態(tài)化、高效模塊化、自重輕及可回收等優(yōu)勢。

圖3 駁船的結(jié)構(gòu)改造

溫室入口位于船體的兩個短邊處，分別服務(wù)于工作人員和參觀者。建筑內(nèi)部被樓梯分隔成三層空間。負(fù)一層為設(shè)備層，局部借由貫通一層甲板來放置養(yǎng)魚池等大型設(shè)施；一層設(shè)置包含會議室、教室在內(nèi)的辦公區(qū)，以及作物種植、收集、魚類養(yǎng)殖、廢棄物處理等在內(nèi)的公共開放區(qū)；二層是水培床、集裝箱種植等集中種植區(qū)。通過部分通高空間連通的一層和二層，不但滿足了不同功能的需求，也為參觀者營造出多變的空間體驗(yàn)（圖4～5）。

圖4 船體空間改造

圖5 船體通高空間

3.2 循環(huán)系統(tǒng)

“閉環(huán)溫室”的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)包括能量、水以及養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)，三者相互結(jié)合、相互作用，共同維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（1）能量循環(huán)

“閉環(huán)溫室”優(yōu)先考慮了“生態(tài)建筑挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)”影響下的能量優(yōu)化，其能量循環(huán)系統(tǒng)主要包括溫室外部的太陽能最大化利用以及溫室內(nèi)部的能量循環(huán)兩方面。

日照是溫室內(nèi)植物生長的必備要素。在形體設(shè)計(jì)上，方案依托典型的溫室形狀對船體的形態(tài)、大小、截面和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂?。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過太陽高度角和駁船平均航向角的分析分階段地對船體進(jìn)行改造，通過調(diào)整屋頂坡度、規(guī)劃航向、彎曲屋頂、減少多余面積、增加外部結(jié)構(gòu)等方式來支持可持續(xù)的被動系統(tǒng)，后續(xù)利用軟件對其進(jìn)行測試，以達(dá)到能量獲取的最大化（圖6～8）。

圖6 溫室形體生成圖

圖7 駁船航行的平均角度

圖8 軟件測試

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還對溫室內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以降低能耗。通過高性能的氣枕表皮、鋪設(shè)保溫毯、輻射加熱等方式來消除夜間的熱損失，減少溫室的加熱負(fù)荷；通過優(yōu)化太陽能獲取方式以及優(yōu)先選擇需要較低照明水平的本地植物，將照明負(fù)荷被動地降至最低，而高效的LED燈和屋頂?shù)乃斤L(fēng)力渦輪機(jī)也能夠?yàn)橹参锾峁┱彰?。此外，船?？康拇a頭配備水下潮汐流渦輪機(jī)，可為溫室充電，也可將多余的能量通過碼頭輸送到社區(qū)電網(wǎng)中。

“閉環(huán)溫室”對空調(diào)、通風(fēng)和供暖系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。水泵將冷水從河底抽出并輸送至溫室的管道中來冷卻室內(nèi)空氣并排出熱空氣，此后水排回河中完成冷卻的過程；空氣在溫室內(nèi)部循環(huán)后從屋頂板排出；窗戶也可使室內(nèi)自然交叉通風(fēng)，進(jìn)一步提高通風(fēng)效果（圖9）。溫室的供暖系統(tǒng)主要是對于太陽熱能的最大化收集和利用，包括太陽能得熱和集熱、熱風(fēng)循環(huán)、混凝土地板和北墻蓄熱、產(chǎn)熱長燈供熱、保溫毯保溫以及直流電加熱器補(bǔ)充熱量等措施（圖10）。

圖9 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

圖10 加熱系統(tǒng)

在能量循環(huán)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過綜合利用可持續(xù)技術(shù)達(dá)到能量的最大利用及最小消耗，而多余的能量能夠?yàn)橹苓吷鐓^(qū)供能。經(jīng)計(jì)算，“閉環(huán)溫室”所消耗的能量與傳統(tǒng)溫室相比，照明、空調(diào)、供暖能耗分別減少90%、87%、39%，總能耗降低了85%[10]（圖11）。

圖11 能量消耗對比圖

（2）水循環(huán)

水循環(huán)主要包括河水循環(huán)和雨水循環(huán)，河水和雨水經(jīng)“生活機(jī)器”過濾返回河中或進(jìn)入“魚菜共生”系統(tǒng)，在溫室供水、社區(qū)教育、修復(fù)周邊生態(tài)等方面發(fā)揮著重要作用。

河水循環(huán)分為三個階段：第一階段在封閉的厭氧化糞池和厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行，經(jīng)沉淀、分解后，灰水被輸送至模擬植物根系的過濾裝置中，使之達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)；第二階段，通過模擬具有不同深度的自然清潔系統(tǒng)、微生物群、植物群和動物群的特性來處理水，將其排放在“水平流濕地”（Horizontal flow wetlands）中；第三階段，水可以排回河中或進(jìn)入“魚菜共生”圈，完成河水循環(huán)的整個過程（圖12～14）。

圖12 河水循環(huán)示意圖

圖13 “生活機(jī)器”圖

圖14 河水循環(huán)流程圖

雨水循環(huán)通過溫室外部的管道和重力收集雨水徑流、霧和冷凝水，收集的雨水輸送至溫室內(nèi)的儲水罐中，通過砂過濾裝置過濾，隨后泵送至甲板上方的儲水箱中儲存，用作衛(wèi)生間沖洗或者植物灌溉（圖15）。

圖15 雨水循環(huán)流程圖

（3）養(yǎng)分循環(huán)

養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)主要指溫室種植和“魚菜共生”系統(tǒng)，通過消納有機(jī)廢物，為居民提供新鮮的蔬菜和魚類，進(jìn)而減少食物里程，保障食品的安全性。

在“魚菜共生”系統(tǒng)中，魚的排泄物在水中溶解產(chǎn)生的養(yǎng)分被植物根系直接吸收，過濾后的水返回養(yǎng)魚池中再循環(huán)，在植物的生長周期結(jié)束后，水經(jīng)“生活機(jī)器”循環(huán)排入河中。養(yǎng)魚池中主要飼養(yǎng)羅非魚和受威脅的本地物種，魚類生長所需要的營養(yǎng)可以從溫室垃圾和昆蟲中獲取。

溫室種植促進(jìn)“魚菜共生”系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)，在養(yǎng)分循環(huán)中具有重要的作用。種植系統(tǒng)通過水培和土壤種植技術(shù)相結(jié)合的方式運(yùn)行。作物生長在無土水培床上，采用漲落式水培系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，待根系成熟后被移植到土壤中，而種植產(chǎn)生的秸稈、廢物以及社區(qū)堆肥等為土壤提供更多的養(yǎng)分?！伴]環(huán)溫室”優(yōu)先考慮需要較低光照水平的本地植物，提出了“蔬菜生產(chǎn)四重計(jì)劃”，制定的生產(chǎn)日程表使植物種植能夠最大限度地利用太陽能和氣候條件，將能源消耗保持在最低水平。

3.3 “閉環(huán)”的溫室

“閉環(huán)溫室”遵循“生態(tài)建筑挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)”，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的零影響。“閉環(huán)”意味著“閉合循環(huán)”，通過能量、水以及養(yǎng)分等循環(huán)來彌補(bǔ)線性代謝所帶來的一系列不足。流動的溫室建立并加強(qiáng)了社區(qū)之間的聯(lián)系，將新鮮的農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)送到沿途的市場和社區(qū)，為周邊學(xué)校和社區(qū)提供生態(tài)循環(huán)和農(nóng)業(yè)種植的體驗(yàn)和教育場所?！伴]環(huán)溫室”還可以使人們參與其中，增加植物種植、魚類飼養(yǎng)和與“生活機(jī)器”互動的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，了解物質(zhì)循環(huán)能夠改善環(huán)境健康的作用機(jī)理，使生態(tài)可持續(xù)的理念全方位融入社區(qū)生活。

結(jié)語

“閉環(huán)溫室”打破了傳統(tǒng)的建筑思維，創(chuàng)建了全新的溫室形式，通過構(gòu)建建筑內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)最大程度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，可為我國城鄉(xiāng)人居可持續(xù)發(fā)展帶來啟示。

（1）建筑可以成為環(huán)境的凈化者

當(dāng)前多數(shù)生態(tài)建筑自身仍是廢棄物的排放者或者很少從凈化環(huán)境出發(fā)考慮問題。而“閉環(huán)溫室”提供了另外的思路，它對船體進(jìn)行適應(yīng)性改造、最大化地利用固有資源，通過建立物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)有效緩解了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題，使得建筑成為外部環(huán)境的凈化者，幫助消納人類活動帶來的廢棄物，并使之重新回到城市代謝循環(huán)中。

（2）從整個建成環(huán)境出發(fā)統(tǒng)籌考慮生態(tài)問題

建筑和環(huán)境之間有著復(fù)雜關(guān)聯(lián)，是一個物質(zhì)基本守恒的復(fù)雜系統(tǒng)，而所謂的廢棄物和資源往往因所處位置不同而轉(zhuǎn)化。因此，生態(tài)問題不能只囿于建筑自身，而是應(yīng)該從整個建成環(huán)境出發(fā)統(tǒng)籌考慮、協(xié)同作用，這樣才能更快、更好地推動人居環(huán)境的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

（3）循環(huán)代謝是同等重要的生態(tài)評價(jià)指標(biāo)

當(dāng)前的生態(tài)理念主要是“減排”，即提高材料熱工性能、減少建筑自身的能耗和廢棄物排放。然而從“閉環(huán)溫室”可以看出，養(yǎng)分、能量和水分等物質(zhì)的循環(huán)代謝不但能夠?qū)崿F(xiàn)建筑自身的生態(tài)性，還可以同步推動整個建成環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，因而同樣是值得考量的生態(tài)評價(jià)指標(biāo)。正如麥克威爾（Mcconville）所言，考慮到物質(zhì)代謝重要性，在制定任何尺度的城市空間規(guī)劃設(shè)計(jì)策略時(shí)，都需要將物質(zhì)代謝和再利用問題考慮在內(nèi)[11]。

資料來源：

圖1：bryantyeedesign.com；

文中其余圖片均改繪自Bryant Yee Design。

注釋

① snoLEAF是卡斯卡迪亞綠色建筑委員會（Cascadia Green Building Council）主辦的競賽，卡斯卡迪亞綠色建筑委員會（Cascadia Green Building Council）是一個跨國協(xié)會，在北美和加拿大地區(qū)的綠色建筑發(fā)展中起到重要作用。

② “生態(tài)建筑挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)”由卡斯卡迪亞綠色建筑委員會（Cascadia Green Building Council）制定，被廣泛地認(rèn)為是世界上最嚴(yán)格的綠色建筑評估標(biāo)準(zhǔn)，包括場地、水、能源、健康、材料、公平和美觀七部分。

③ “生活機(jī)器”是一種生態(tài)工程污水處理系統(tǒng)，即通過藻類、微生物和魚類等在儲水罐中構(gòu)成微型生態(tài)系統(tǒng)，從而凈化污水、消解有機(jī)廢物。