潘鑫晨 李智興 肖奕萱 洪菊華 蔣麗萍

人類社會生命活動的所有發(fā)展和進步離不開對自然的感知和學習，這種自然的認知反過來可以促使人類產生更高層次的思考，并開展各種創(chuàng)造性的行為活動。生物學作為重要的基礎學科，它是所有學科當中最先面對自然界問題的綜合性科學。

生物學相關理論及思想為建筑學帶來了重要的啟示。弗雷澤[1]（Frazer J., 1995）在其《進化的建筑》（An Evolutionary Architecture）中提出，建筑被認為是一種人工的生命形式，是一個有生命且不斷進化的實體，因此需要通過對自然界中形態(tài)生成的研究來探索建筑生長與發(fā)展過程。在現(xiàn)代建筑與城市的設計研究中，無論是有機建筑、仿生建筑等思想，還是“建筑表皮”“立面骨骼”“城市針灸”等結合生物學的相關術語被廣泛使用[2]。這些都意味著建筑學正在不斷

融合生物學思想，促使著建筑結合自然的可持續(xù)發(fā)展。

在生物學的物種進化過程中，生物體為適應自然法則必須不斷變化并改善其機體功能和生存方式，這種變化和適應的相互性關系也稱為共生現(xiàn)象。共生更像是有意識的智化現(xiàn)象，是一種生存狀態(tài)的最優(yōu)化傾向[3]。如何利用生物學的共生思想解讀建筑與自然的內在關系，并探析可持續(xù)建筑設計方法與技術，是本文旨在研究的核心問題。

1 生物學共生思想的內涵

1.1 共生的概念

生物學中的共生（symbiosis）概念是1879年由德國植物學家德巴里（Anton de Bary）提出[4]，其定義為“兩個不同生命體共同的生活”。道格拉斯[5]（Douglas，2010年）將共生理解為任何形式之間的持久性相互作用。艾哈邁德[6]（Ahmadjian，2000年）則指出共生是兩種或兩種以上不同生物體之間的關聯(lián)，共生是自然界中普遍存在現(xiàn)象，沒有任何一個生物是一個“孤島”的存在，每個生物都會直接或間接與其他生物有著聯(lián)系。

現(xiàn)代的生態(tài)學將整個人類地球生態(tài)系統(tǒng)視為一個大型的生態(tài)系統(tǒng)，在這個生物圈中，各生物及其外部環(huán)境通過生物間的能量轉換、外部物質的循環(huán)緊密地相連，形成了一個自然共生的系統(tǒng)，這是一種廣義的共生（generalized symbiosis）。狹義的共生（narrow symbiosis）則主要是指兩個生物體之間的關系及其生存發(fā)展狀態(tài)與其利害輕重程度之間的共生關系[7]。

1.2 共生的類型

美國微生物學家瑪葛莉絲（L .Margulis）認為共生是一種生物演化的機制，并揭示了生物間互助性及對抗性的共生關系。在現(xiàn)代生物學的領域，根據生物體共生關系的利害性可以分為以下六種模式[7]：

①寄生共生（P a ra sitis m）。一種生物體依附于另一種生物，利用附著生物體的營養(yǎng)、環(huán)境獲得生存需求；②偏利共生（Commensalism）。其中一方生物體獲得利益，對另外一方生物體不產生任何的影響；③互利共生 （Mutualism）。每個生物體均在這種互利生存的模式中可以獲得到了好處；④偏害共生（Amensalism）。生物體其中一方獲得利益，而另一方要則做出一定犧牲；⑤競爭共生（Competition）。這是一種對抗性關系，對所涉及到的生物體均產生消極的影響；⑥無關共生（Neutralism）。共生生物體之間相互不產生影響，都無益無損（表1）。

表1 生物體共生模式及關系

2 建筑學中的共生思想

長期以來，建筑、城市一直被比作“活的有機體”。柏拉圖于公元前380年在他的Politeia中，將城市稱為一個“巨大的人類”（macro-anthropos），強調了城市與人體的相似性。柏拉圖也提出了人與城市之間的關系：“一個公正的人與一個公正的城市并無不同?！辟愡_爾[8]（Cerdà，1867年）認為城市是一個身體、一個活的有機體，并把城市規(guī)劃者比喻為“診斷專家”和“外科醫(yī)生”?？铝炙筟9]（Collins，1965年）總結了生物學和建筑學的共通特點：①有機體與環(huán)境的關系；②器官（元件）之間的關系；③形式與功能的關系；④生命力本身的原則。此外，柯林斯關注人體如何適應不斷變化的環(huán)境，并認為建筑同樣可以具備這種應對環(huán)境的屬性或能力。弗雷澤[1]（Frazer，1995年）在生物學共生思想的基礎上描述了建筑遺傳學（architectural genetics）這一領域，將建筑與自然界中的多細胞關系及細部對變化條件的反應機制進行了類比。進化建筑的目標是在建成的環(huán)境中實現(xiàn)共生行為（symbiotic behavior）和代謝平衡（metabolic balance），這是一種遵循自然環(huán)境的現(xiàn)象。

有機建筑（Organic Architecture）的思想由美國建筑師沙利文（Louis Sullivan）提出，其借鑒生物學“有機”的概念：生物體的物質基礎是蛋白質,它通過代謝等形式表現(xiàn)出應激、生長、繁殖等生命現(xiàn)象，使有機體與外界環(huán)境之間進行著能量物質的交換，形成了一個互相聯(lián)系且對立統(tǒng)一的整體。其中“有機”包含了兩層的意思，一是有機生命體各器官組織的生命特征，二是有機生命體與環(huán)境的共生關系[10]。美國建筑師賴特（Frank Lloyd Wright）是有機建筑的代表人物，他認為建筑的“有機”體現(xiàn)在：整體性（integral）、統(tǒng)一性（entity）和內在屬性（intrinsic），是一種“活”的建筑理論思想，即崇尚自然，并且賦予建筑生命[11]。這種建筑思想體現(xiàn)了將人與自然環(huán)境視為共生體的生物哲學。

黑川紀章（Kurokawa）等日本建筑師為了應對第二次世界大戰(zhàn)后消極凋敝的社會城市，提出了基于生物學新陳代謝理論的建筑思潮[12]。生物學中的新陳代謝是指生物體內部能量和物質的轉變、生物體與外界自然環(huán)境能量和物質的交換。生物學新陳代謝中“改變”與“成長”的概念被黑川紀章引入到建筑代謝論里，體現(xiàn)在建筑形式、材料與能源的新陳代謝。20世紀中后期，現(xiàn)代建筑的多元化運動為日本建筑設計的思潮發(fā)展帶來了一種多樣性的發(fā)展趨勢，黑川紀章基于建筑代謝論提出了“共生哲學”，定義了共生思想是關注生物體彼此需要的要素之間的關系。其核心在于強調人與物質文化的共生、人與科學技術的共生、人與自然的共生，這種關系的關鍵在于共存的理念。黑川紀章的建筑“共生哲學”揭示了不同時間、不同空間、不同文化的共生關系，論證了建筑與其它自然環(huán)境共生的包容性[12]。

3 基于生物共生模式的可持續(xù)建筑解析

在建筑領域，共生關系可以被轉譯為建筑物與新干預（技術）之間的關系，這種共生關系的唯一目的應該是允許建筑從中獲得好處、營養(yǎng)或保護，即建筑的結構、材料、能耗、形式或空間上的提升。因此，在共生思想與可持續(xù)的背景下，本文利用生物共生模式中的三種“正相關模式”（圖1），即前文提到的寄生共生、偏利共生、互利共生，對三個典型建筑案例的可持續(xù)技術與設計方法進行探析。

圖1 建筑與生物共生的三種正相關模式圖解

3.1 利用生物嫁接復合結構的寄生共生模式——德國Baubotanik植物建筑

庫姆斯[13]（Combes，2001年）將寄生（Parasitism）定義為物種之間的共生關系，其中一個有機體以犧牲另一有機體（宿主）的利益為代價，從中獲得部分或全部的有機營養(yǎng)。并且由于對宿主產生一定程度的損害，其通常會表現(xiàn)出自適應的結構改變。對于建筑領域，寄生共生的模式意味著不同實體之間的動態(tài)關系，從結構上講，意味著新結構元素的引入，原有結構邏輯完全改變，并產生對抗性的新干預。德國Baubotanik植物建筑的案例體現(xiàn)了這種寄生共生模式：通過對特定植物結構邏輯的“損害”和“重組”，將建筑結構“寄生”于自適應的植物結構上。利用作為宿主的植物結構的“犧牲”，實現(xiàn)了一種建筑與植物共生的復合結構系統(tǒng)。

（1）德國Baubotanik項目背景

Baubotanik是一種“植物建筑學”的概念，它是由德國斯圖加特大學IGMA（現(xiàn)代建筑基礎與設計研究所）提出，由費迪南德·路德維希（Ferdinand Ludwig）等人共同研究創(chuàng)建，其主要思想是利用活的植物進行建筑，通過將建筑的構件內置于正在生長的植物結構中，形成一種生物與非生物連接的復合結構，最終實現(xiàn)二者融為一體的寄生共生關系[14]?；贐aubotanik思想和技術，IGMA創(chuàng)造了梧桐樹立方、步行橋、柳樹塔等一系列景觀建筑（圖2～5），讓這種融會建筑學、植物學和結構工程等多元學科的建造方式在實踐方面取得了成功。

圖2 Baubotanik梧桐樹立方

圖3 剖面及節(jié)點形式

圖4 Baubotanik柳樹塔

圖5 復合結構的模擬分析

（2）生物嫁接復合結構

Baubotanik的思想是創(chuàng)建一種整合植物與技術的建筑，其核心是一種生物嫁接技術：有生命的植物結構與無生命的建筑構件進行關聯(lián)，融合成一個復合化的結構[15]。這種復合結構技術首先需要完成植物與植物的嫁接融合，利用梧桐樹、柳樹、楊樹等生命力強且適合嫁接的植物，通過嫁接或編織的方式使樹枝、樹干融合形成具有較強負載能力的“植物承重元件”。復合結構更加關鍵的技術是完成生物與非生物的次生鏈接，其構造方法是將鋼管、鋼架等金屬建筑元件植入到嫁接后的“植物承重元件”中，在植物的接觸點利用機械連接的構造使其變成牢固的“關節(jié)”（圖6），在經過長期的植物木纖維生長后，最終實現(xiàn)生物與非生物共生的生理單位。

圖6 植物結構與建筑元件組成的復合結構

Baubotanik利用這種技術創(chuàng)造一種活的建筑形式，植物在建筑的整個使用周期內將一直以自然生命的形式存在，并持續(xù)生命活動。對于木材或其他傳統(tǒng)材料而言，這種“活”的建筑可持續(xù)性更加顯著：活的樹根部的降雨徑流大大減少，抵抗了水土的流失；樹冠提供了氧氣、自然的場所和空間。此外，樹木的蒸騰作用提供了一種可調節(jié)建筑微氣候的方式，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復合結構的思想，整合了建筑設計、結構工程、生物學研究和園藝程序等領域，創(chuàng)造了一套多元雜化的設計方法，其本質實現(xiàn)了將建筑元素（空間場所）轉嫁到生物體（植物結構）的過程，即在共生關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——德國BIQ生物能住宅

偏利共生（Commensalism）一詞是由貝內登（P.J.van Beneden）在1876年首次使用，指的是其中一個共生物在營養(yǎng)或保護方面受益，而另一個不受傷害或幫助。艾哈邁德[6]（Ahmadjian，2000年）將這種關系解讀為一種“奉獻主義”。這種模式可以直接類推到建筑領域，新引入的元素為建筑提供了“營養(yǎng)”（能耗），而新元素自身盡管沒有受益，但也沒有受到損害，二者形成了和諧的整體。德國BIQ生物能住宅是建筑與生物偏利共生模式的范例，案例中通過一種生物能立面技術，將藻類生物變成了建筑的“皮膚”，并把自身產生的可再生能源提供給建筑系統(tǒng)使用，二者形成一個能耗可持續(xù)的有機體。

（1）德國BIQ項目背景

BIQ（Bio Intelligent Quotient）生物智能住宅是2013年德國漢堡國際建筑展覽IBA（Internationale Bauausstellung）中的實驗性建筑，由柏林SPLITTERWERK 建筑事務所設計，是世界上第一個在住宅建筑中應用生物反應立面（Bio-reactive Facade）的試點項目。該建筑是一棟五層的居住公寓，建筑總面積為1600m2，最具有創(chuàng)造性的可持續(xù)性設計在于它是全世界首次使用了生物反應立面（圖7）。整個建筑擁有200m2充滿藻類的光合生物反應器PBR（Photo-Bioreactor）[16]，它利用藻類生物質的光合作用將自然光轉換成生物能和熱能并輸送給建筑使用和存儲。基于這種生物能立面，BIQ住宅實現(xiàn)了一種生物為建筑供能的共生關系。

圖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從海藻生物質和太陽能熱能中產生可再生能源，這種具有生物活性的立面也稱為Solar Leaf（太陽能葉片）。BIQ住宅建筑的西南和東南兩側總共安裝了129個、面積達到200m2的生物反應器（PBR），這種生物反應器由大小為2.5m×0.7m的平板玻璃組成，形成一個18mm寬的空腔，容量為24升，用于藻類生長和水循環(huán)（圖8）。生物反應器內模仿著藻類植物在自然中的棲息環(huán)境，這種藻類是一種特殊的微型海藻，它們只由單細胞組成，每個細胞都能進行光合作用，在將光轉化為生物能方面有顯著的功效[17]。生物反應立面系統(tǒng)的核心是完全自動化的能源管理中心，太陽能和藻類產生的熱能被收集在一個封閉的回路中，并被儲存起來產生熱水，因此熱能可以直接用于住宅供暖；同時生物反應器中每天產生約15g/m2的生物質，收集儲存系統(tǒng)定期收集和儲存這些生物質，并通過發(fā)酵產生甲烷氣體，甲烷燃燒發(fā)電可以為建筑提供能源（圖9）。

圖8 生物反應器結構示意圖

圖9 生物能立面的能量關系及工作原理

與此同時，這個立面系統(tǒng)集成了額外的功能：生物反應器面板可以沿著垂直軸旋轉來跟蹤太陽的位置，形成建筑的外表皮，為建筑提供熱緩沖、動態(tài)遮陽、保溫及噪音降低的作用，突出了這項技術的全部潛力（圖10）。BIQ住宅利用這項技術，不僅能產生清潔能源，每年還可以減少6噸CO2的排放，為未來的城市建筑環(huán)境的低碳發(fā)展樹立了良好的典范。

圖10 生物反應器的工作狀態(tài)

BIQ住宅在設計中利用幕墻技術、太陽能技術、生物能發(fā)電等方法，有效地為建筑生產、存儲和供應可持續(xù)再生能源，最終形成生物為建筑供能的集成閉合系統(tǒng)，建立了一種建筑與生物偏利共生的關系，為建筑能耗關聯(lián)的可持續(xù)設計提供一種新方法。

3.3 利用微型生物圈系統(tǒng)的互利共生模式——荷蘭UF002-DeSchilde都市農場

互利共生（Mutualism）是一種良性共生體，其中的所有共生物不僅互相適應，并且都可以從這種關系中受益。奧勒頓[18]（Ollerton，2006年）指出，互利共生關系的共生體中存在交換資源、服務或保護的現(xiàn)象。對于建筑方面而言，原有建筑物的空間、環(huán)境以及人的活動與新干預的有機體組織在一起，可以產生相互促進作用和物質交換，形成一個存在利益循環(huán)的生物圈。荷蘭UF002-DeSchilde都市農場的案例中，在既有建筑的改造中，將農業(yè)生產系統(tǒng)與人類生活系統(tǒng)相結合。這種互利共生的關系不僅體現(xiàn)在建筑中的蔬菜、魚和人的資源交換，更要強調的是在社會行為層面的“行為共生”，即建筑系統(tǒng)中多樣化行為模式（種植、養(yǎng)殖、辦公、交流、示范、研究等）的發(fā)生與促進。

（1）荷蘭UF002-DeSchilde項目背景

UF002-DeSchilde是一個建筑可持續(xù)再生改造項目，2 016 年在荷蘭海牙的DeSchilde既有辦公大樓基礎上進行改造，實現(xiàn)了歐洲最大的開放式屋頂綜合性都市農場（Urban Farmers）。原辦公大樓是于1959年設計的飛利浦公司工廠，總面積達12400m2，由于該建筑質量堅固，拆除非常昂貴，市政府和開發(fā)商決定將其內部進行改造以煥發(fā)出新的生機。UF002-DeSchilde都市農場的設計理念是將食品生產和加工帶回到城市生活領域，法國建筑團隊Space&Matter基于這一理念對建筑進行改造（圖11），通過室內漁場和溫室農場的植入，使改造后的建筑不僅擁有辦公功能，還具備魚菜生產、食物加工、生態(tài)景觀以及示范觀摩的復合功能[19]。UF002-DeSchilde項目將都市農場與未充分利用的建筑空間整合為一個新的單元體，在城市建筑中實現(xiàn)了農業(yè)生產系統(tǒng)與人類生活系統(tǒng)的共存（圖12）。

圖11 改造后的DeSchilde大樓外觀及屋頂溫室農場

圖12 建筑屋頂的農業(yè)生產系統(tǒng)

（2）建筑內置微型生物圈系統(tǒng)

改造后的DeSchilde大樓共六層，一到五層為建筑的生活系統(tǒng)，包含了整個辦公、交流、示范、研究等活動空間；第六層為900m2的室內漁場，屋頂層為1200m2的溫室，它們共同構成了建筑中的農業(yè)生產系統(tǒng)。UF002-DeSchilde都市農場的核心技術基于魚菜共生系統(tǒng)（Aquaponics System）（圖13），這是一種將水產品養(yǎng)殖和蔬菜種植（水耕法）的生存空間和環(huán)境結合的復合循環(huán)生物圈：系統(tǒng)內的養(yǎng)魚過程所使用的水和魚的糞便在經過了細菌的分解處理之后，再輸送給植物澆灌，維持植物生長所需的營養(yǎng)物質。而植物吸收了養(yǎng)分后水質已經得到了凈化，魚則可以再次使用，形成一個資源高效循環(huán)利用生物圈（圖14）。

圖13 魚菜共生系統(tǒng)關系圖

圖14 建筑微型生物圈系統(tǒng)的剖面關系

整個魚菜共生系統(tǒng)的溫度、濕度、光照、食物、肥料等在都市農場中得到精確的調配和控制，這套系統(tǒng)為大樓內的有機餐廳、本地900戶居民以及一所學校每周能夠提供大約500條魚、每年能夠供給50噸蔬菜[19]。與此同時，都市農場的大量蔬菜和植物可以調節(jié)建筑的微氣候環(huán)境，并且實現(xiàn)城市中農產品的就近供應，減少運輸過程產生的碳排放量。不僅如此，都市農場作為一個城市里少有的大型農作物基地，可以開展采摘、教育、科等一系列社會活動，為人們提供了更多親近自然的體驗和學習機會。

UF002-DeSchilde都市農場是重新激活既有建筑物并增加土地利用率的有效途徑。更重要的是，通過魚菜共生生物系統(tǒng)與人類生活系統(tǒng)二者在建筑這個反應器中發(fā)生協(xié)同聯(lián)合，構建了一種建筑內置的微型復合生物圈，從而實現(xiàn)建筑與生物環(huán)境共存的互利共生關系。

結語

本文分析了生物學的共生思想及其與建筑之間內涵，提出適于可持續(xù)建筑設計的三種“正相關模式”，即寄生共生、偏利共生、互利共生。通過三種共生模式的視角，對德國Baubotanik植物建筑、德國BIQ生物能住宅、荷蘭UF002-DeSchilde都市農場這三個國際前沿可持續(xù)建筑進行解析，重新強調了“共生”對于建筑可持續(xù)設計的核心意義：①功能及性能的調節(jié)；②環(huán)境變化的應對；③建筑進化的驅動力。

文中所論的“可持續(xù)建筑設計與技術”并不僅僅局限于建筑學的設計研究范疇，其不僅彌合了生物學和建筑學領域之間的鴻溝，并且將設計與技術的探索拓展到融合植物園藝、生物工程、生物能源、農產養(yǎng)殖等更廣闊領域，有助于映射出更具廣度的建筑思想，為可持續(xù)建筑設計方法與技術的探索提供更多可能性和新思路。

資料來源：

圖2～6：德國Ferdinand Ludwig；

圖7～9：德國漢堡IBA提供；

圖11～12 ：荷蘭Space&Matter建筑設計事務所；

圖14：作者根據材料編繪。

文中其余圖表均為作者繪制、拍攝。