國外活態(tài)植物建筑的發(fā)展與實踐研究進展

張軍杰

技術進步使人類的生活越來越現(xiàn)代化，但同時也造成和環(huán)境的關系越來越對立和疏遠。因此越來越多人希望逃離現(xiàn)代城市的鋼筋混凝土森林，而回到一種和自然結合更為緊密的原始森林環(huán)境。許多設計師也開始研究建筑與自然在設計中的融合和相互作用，他們采用把自然元素引進建筑并進行整合的方法，其中的典型就是把正在生長的樹木作為建筑的承重結構從而實現(xiàn)兩者的有機結合。

樹木參與建筑的建造歷時已久，例如人類居所的原型就是以樹干作為骨架，但這種利用還是采用無生命的材料，而正在生長的樹木則主要是作為園林景觀、綠化、屋頂種植等用途。德國斯圖加特大學建筑學院現(xiàn)代建筑研究所(IGMA)的德·布勞恩教授(Gerd de Bruyn)帶領的團隊則把樹木的應用提到了一個新高度，并形成一種新的建筑類型──活態(tài)植物建筑，基于此還提出了一個新的建筑學概念──Baubotanik①。

1 活態(tài)植物建筑概述

作為活態(tài)植物建筑研究的核心機構，Baubotanik既是學術性研究組織“活態(tài)植物建筑發(fā)展協(xié)會”的名稱，于2007年由德·布勞恩教授組織成立，另外也有“植物建筑學”的意思。

活態(tài)植物建筑指利用正在生長的植物特性，綜合建筑學、結構工程學和植物學等學科的相關知識，通過利用相關技術和植物的特性進行整合，使正在成長的多棵樹木幼苗構成一個有機整體，再經(jīng)過生長后形成建筑的承重結構，從而形成一種全新的建筑類型和建造方式[1]。塑造了一種綠色、動態(tài)和具有生命力的活態(tài)建筑形式。

2 活態(tài)植物建筑的發(fā)展歷史及產(chǎn)生原因

“活態(tài)建筑”作為活態(tài)植物建筑的前身，并不是一個新的概念，最初稱為“Living Architecture”，已經(jīng)有幾個世紀歷史，是指利用自然生物體的力量和可能性來幫助和建設低成本、可持續(xù)的建筑[2]。顯然，活態(tài)建筑的形成和植物利用直接相關。

2.1 發(fā)展歷史

2.1.1 初級應用時期

人們很早就發(fā)現(xiàn)，很多植物有非常好的再加工性能和應用潛力，所以由生長的植物形成構筑物的做法在世界很多地區(qū)都能找到類似案例，并對各地的園藝發(fā)展史有重要貢獻。像日本、印尼的藤橋和印度北部的榕樹橋就是其中的典型代表。特別是印度當?shù)氐娜藗兝瞄艠涞臍飧L特性來建造橋梁，這種交織的氣根框架能跨越寬度達20m的峽谷和河流。而在德國施威琴根的城堡花園，園丁們通過對樹木進行修剪形成巴洛克風格的建筑門廊，另外在法國和塞爾維亞也有類似案例。

但上述的應用主要還是作為景觀和日常用途，應用范圍和數(shù)量都極為有限，對植物的加工也較為初級和簡單，主要利用植物根的繁殖、易于彎曲和自愈生長的特性并通過編織、修剪和纏繞等控制手段形成所需形狀。

2.1.2 現(xiàn)代應用的萌芽時期(20世紀初─20世紀80年代)

到了20世紀初，人們開始有意識地挖掘植物的應用潛力。例如約翰·克魯布斯克(John Krubsack)從1903年就研究柳樹的塑形加工技術，他于1907年開始種植柳樹，柳樹經(jīng)過7年的生長被打造成了一把柳樹椅。這種做法對其他園藝設計師有很多啟示[3]。

阿克塞爾·厄蘭德森(Axel Erlandson)是美國最知名的喬木雕塑家，他于1925年開始進行樹木整形研究，并于1945年在美國加利福尼亞展示了70多座“樹雕”。著名的“Basket tree”和“Circus Tree”就是他的代表作。

亞瑟·維丘拉(Arthur Wiechula)是此時期影響最大的一位開拓者。他從1926年開始探索能夠種植的柵欄、橋梁和建筑，并且出版《生長的建筑》(Developing Houses from Living Trees)一書，用草圖描繪了如何使用生長的樹木來建造建筑，后來還出版了一本名為“與自然結合的木建筑”的小冊子。雖然他并沒有實際建造的案例，但他的開創(chuàng)性思想和理論影響卻一直持續(xù)到現(xiàn)在[4]。

20世紀60年代的大地藝術運動也給活態(tài)植物建筑的形成產(chǎn)生一定影響[5]。這種思潮采用自然景觀和天然素材進行創(chuàng)作，將自然界材料作為作品的重要構成因素，形成與自然共生的結構，是一種藝術與大自然的卓越結合。

此時期雖然進行了較多開創(chuàng)性探索，但應用范圍仍然局限于小型化和利用植物本身的特性，缺乏現(xiàn)代技術的加入和系統(tǒng)性研究應用。

2.1.3 創(chuàng)造性應用時期(20世紀80年代以后)

到了20世紀80年代，越來越多的人開始研究樹木的實踐化應用，在應用范圍、規(guī)模和技術方面都有大幅度進步，在樹種選擇上也非常多元化。

圖1 人行橋[7]

例如赫曼·布勞克(Hermann Block)受到亞瑟·維丘拉思想的啟發(fā)，在1986年研究用柳樹編織圓形穹頂。20世紀80年代末期，英國的伊恩·亨特(Ian Hunter)也開始在英格蘭北部的校園內(nèi)制作精美的柳樹結構[3]。

馬修·卡爾伯(Marcel Kalberer)于1988年開始研究活體柳樹捆綁技術，通過綁扎成束柱結構來建造大型大跨度穹頂建筑(例如宮殿、教堂等)。1998年，卡爾伯和他的團隊用一個月時間就建造了Auerworld palace這個大尺度的項目。至今已在歐洲建造了超過70個項目，他在美國建造的首個項目也是一個活體柳樹宮殿。

德國的康斯坦丁·基爾希(Konstantin Kirsch)在此方面也有突出貢獻。他也是受到亞瑟·維丘拉思想的啟發(fā)，開始研究能夠種植的建筑，并于1989年建造了一個穹頂建筑，另外于1997年出版了書籍Living Architecture。

1996年，彼得·庫克(Peter Cook)推出其著名的Pooktre Living Chair作品及其系列植物形態(tài)作品。

2001年，柔性結構小組(Sanfte Strukturen)在德國羅斯托克建造了世界最大的活體柳樹教堂Weidendom(Willow Chapel)，長度達到了52m[3]。

2006年，麻省理工學院的米切爾·約阿希姆(Mitchell Joachim)、賈維爾·阿博納(Javier Arbona)和勞拉·格雷登(Lara Greden)建造了作品“奇妙的樹屋”(Fab Tree Hab Shelter)。他們探索了一種用活體榆樹、橡樹和泥土等天然材料編織、建造住居的生態(tài)性方法，這種住宅能和周圍生態(tài)系統(tǒng)完全成為一體[6]。

2005年，德國的費迪南德·路德維格(Ferdinand Ludwig)探索了另外一種新的植物應用方式：把植物有機體和金屬無機體結構進行整合作為承重結構，并在博登湖附近建造了第一個采用此結構的活態(tài)植物建筑原型──“人行橋”(圖1)， 這個20m長的構筑物對活態(tài)植物建筑概念形成有重要作用。

德·布勞恩教授是活態(tài)植物建筑理論形成過程中的一個重要人物，他于2004年開始發(fā)起活態(tài)植物建筑的研究，并由路德維格、奧利弗·史多爾茲(Oliver Storz)及漢娜斯·施維爾特費格(Hannes Schwertfeger)等組成了研究小組“Baubotanik”(活態(tài)植物建筑發(fā)展協(xié)會)。他們系統(tǒng)挖掘了不同樹木的技術性能，主要是把現(xiàn)代結構和材料結合進原有技術中，開拓了應用范圍，形成了系統(tǒng)的理論和技術。通過使用工業(yè)結構引導、控制樹木生長，使其達到預想狀態(tài)并成為建筑的支撐結構，使植物和建筑產(chǎn)生有機結合。這種做法大大突破了原有植物的性能。2012年，布勞恩教授指導路德維格完成其博士論文，論文的主要貢獻是通過實驗研究不同植物的生長特性和一系列結構技術，制定了與植物自身生長規(guī)律結合的設計規(guī)則。此小組后續(xù)還完成了大量活態(tài)植物建筑技術研究和項目設計[8-11]。

2011年，邦妮·蓋爾(Bonnie Gale)的論文The Potential of Living Willow Structures in the Landscape則重點梳理了柳樹結構的應用。

此時期的最大進步一是活態(tài)植物建筑的規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高；二是活體樹木不再是作為孤立結構使用，而是和現(xiàn)代技術緊密結合，并形成了較為系統(tǒng)的理論和成套技術。

國內(nèi)關于活態(tài)植物的建筑化利用還是以觀賞性做法為主，即作為風景區(qū)或公園內(nèi)的廊、亭等建筑小品或者作為建筑立體綠化、屋頂綠化或空間圍合等輔助用途。對國外活態(tài)植物建筑的研究相對較少，研究內(nèi)容還處于簡單介紹階段[12-14]。

2.2 產(chǎn)生原因

活態(tài)植物建筑的產(chǎn)生不只是建筑師的個人興趣或博取眼球原因，而是環(huán)境、氣候、城市化、自然與人類健康問題等諸多因素綜合影響的結果。

2.2.1 生態(tài)環(huán)境及氣候需要

當前，氣候和環(huán)境惡化已嚴重影響人類的居住質量和健康。為減少對環(huán)境的負面影響，一個簡單的做法就是盡可能多地種植樹木并保存現(xiàn)有樹種群，特別是那些能產(chǎn)生較多陰影的樹木，它們不僅能積極影響城市小氣候，改善空氣質量，還能避免雨水快速蒸發(fā)和形成熱島效應，而活體樹木和建筑的結合就成為應對環(huán)境和氣候變化的一條探索之路。

2.2.2 與自然交流的需要

城市高強度建設與樹木生長需要的獨立空間形成難以協(xié)調的矛盾，這種矛盾經(jīng)常造成因為建設優(yōu)先而犧牲樹木栽種。所以城市逐漸變成人工建筑物的森林，同時也使城市與自然環(huán)境的距離越來越遠。缺少與自然的接觸、交流會給人們的健康、幸福感和創(chuàng)造力帶來直接影響，而活態(tài)植物建筑的出現(xiàn)則提供了一個更好的自然與城市的融合，為解決上述矛盾提供了一個兩者兼顧的思路。

2.2.3 城市可持續(xù)性發(fā)展需要

高密度的城市建設使人們?nèi)鄙僮銐虻木G色開放公共空間，也使生態(tài)系統(tǒng)服務的功能降低。而活態(tài)植物建筑在生物多樣性、清潔雨水和廢水、水土保持以及增加公園和娛樂場所面積方面具有的優(yōu)勢將會提升城市的活力和實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。

3 主要理論和技術

3.1 基本策略

圖2 疊加法示意[15]

圖3 螺釘連接方式[15]

Baubotanik的主要做法是通過使用常規(guī)輕質結構來引導樹木按照所需的形狀生長、發(fā)育，從而達到所需的結構要求。主要采用彎曲、連接、綁扎、修剪或編織等各種手段對這些樹木幼苗進行重新組織，利用植物的自愈特性使原來多個獨立個體形成為一個整體，再通過進一步生長，原來細小、柔弱的植物個體就構成一個更大、更強壯的植物有機整體，從而具有了較強的支撐和承載能力，并成為建筑的主要結構。其和內(nèi)部附屬結構的連接則是通過初期搭好的框架，這也使整個建筑結構呈現(xiàn)出生物與非生物復合的成分構成，使樹木與建筑具有非凡的創(chuàng)新結合和獨特的趣味體驗。

Baubotanik開創(chuàng)的這種建筑方法，提供了一種使建筑建造歸結于技術介入和植物生長同步的技術。單一植物合并成一個新的、更大的有機體，而其他常規(guī)結構要素在植物生長過程逐漸融入其中。

Baubotanik和以前研究相比，其最大的貢獻一是把現(xiàn)代材料、結構和活體植物進行有機結合；二是通過實驗定量化研究了植物生長、連接特性及不同樹種的生長規(guī)律，制定了設計規(guī)則，并提出較為成熟的系列技術方法。

3.2 技術整合方法

3.2.1 植物疊加法

活態(tài)植物支撐結構形成的過程大致是：首先選擇適合本地區(qū)的樹種類型，并根據(jù)建筑使用功能做好外圍輕鋼結構支撐及內(nèi)部使用結構排布，然后在支撐結構外部沿四周種植多層樹木幼苗并使各層樹木相互連接形成上下疊加的框架，內(nèi)部功能結構的構件則伸進編織好的框架內(nèi)，經(jīng)過生長、融合、整理和剔除，樹木逐漸長大并形成一個整體從而具有結構支撐作用，同時伸進的構件也和樹木生長結合到一起，最后撤除輕鋼支撐結構(圖2)。這種通過多層植物上下疊加形成整體的方法稱為“植物疊加法”，這種方法也是活態(tài)植物建筑的技術基礎[16]。

3.2.2 樹種選擇

樹木形成承重結構的關鍵是樹種的選擇和相互之間的連接技術。但并不是所有的樹木都適合這種做法，理想的樹種主要有柳樹、榆樹、梧桐樹、楊樹、白樺和鐵樹等薄皮和充滿生命力的樹木，因為它們具有生長快速、易于移植和融合的特點。

但這些樹種也并非完全令人滿意。例如柳樹作為一種適應性非常強的樹種，具有非常廣闊的應用范圍和歷史，對環(huán)境條件要求不高，耐濕、根系發(fā)達、固土能力強，同時生長迅速、易于操作。但柳樹存在易腐爛，栽種范圍有限等不足，特別是連接部分的耐久性稍差。

通過Baubotanik的比較研究得出：梧桐樹是最適合活態(tài)植物建筑的樹種。一因為是梧桐樹的生命力非常頑強，二是可以長得比較高，三是比較柔軟有彈性并能以較小半徑彎曲加工[9]。

3.2.3 節(jié)點連接技術

除了樹種的選擇，另外一個關鍵技術就是節(jié)點連接技術，包括樹木相互間的連接以及樹木和其他結構元素之間的連接。樹木之間連接主要通過在幼苗時期采用類似嫁接(沒有刻意去除樹皮)的方式進行，連接處的樹木相互之間緊密擠壓形成愈傷組織并逐漸融合成為一體。關于節(jié)點的連接處理方式主要有鋼絲綁扎連接、超強纖維綁扎連接和螺釘連接3種[17]。

1)鋼絲綁扎連接。

圖4 樹木與其他結構的連接[15]

圖5 Baubotanik塔[15]

圖6 梧桐樹立方[15]

鋼絲連接就是把樹木擬連接部位用高強鋼絲綁扎形成擠壓，來模仿嫁接的自然條件，一段時間后，節(jié)點部位逐漸相融并形成連接體。采用高強鋼絲是避免生長過程中斷裂以形成持續(xù)擠壓的目的。

2)超強纖維帶綁扎連接。

超強纖維帶連接和鋼絲連接類似，都是通過綁扎節(jié)點部位形成擠壓進而生長為一體。

3)螺釘連接。

螺釘連接較為簡單，即通過螺釘或螺桿穿過重合部位，把2棵或多棵樹木連接到一起，使之成長為一個整體(圖3)。

樹木和其他結構之間的連接主要通過鋼絲或超強纖維帶把植物與其他結構綁扎到一起，進而使兩者相融(圖4)。

3.3 代表性案例

3.3.1 “Baubotanik”塔

2009年9月，Baubotanik研究小組向公眾開放了第一個活態(tài)植物建筑作品──“Baubotanik”塔，用來測試活態(tài)植物建筑的性能。建筑占地面積8m2，高9m，內(nèi)部有3個能夠行走的平臺，使用了400棵柳樹(圖5)。

整個建筑外層先由一個鋼腳手架支撐，腳手架通過螺絲固定在地面底座上，這樣方便后期拆除。栽種柳樹的容器放置到腳手架上，并有獨立的灌溉系統(tǒng)。通過植物疊加方法、技術，各層的柳樹相互融合，然后再把上層柳樹的根和多余的枝干剪除，此時所有的柳樹都由最下層的樹木供給養(yǎng)分和水分。一旦整個植物結構達到足夠穩(wěn)定能支撐生長過程和承載能力，腳手架將被移除。

這個建筑體現(xiàn)了利用活體植物進行工程應用的可能性，并將活態(tài)植物建筑的建造過程可視化。這也是第一個利用植物疊加法建造的案例。

3.3.2 梧桐樹立方

2012年，路德維格為納戈爾德園藝展提供的一個在城市環(huán)境里建造的作品──“梧桐樹立方”，建筑尺度為10m×10m×10m，是目前最大的活態(tài)植物建筑實際案例。園藝展期間，它作為游客的觀景塔和休息處，展覽結束后，隨著展區(qū)的城市化建設，“梧桐樹立方”將被城市房屋所包圍，成為社區(qū)廣場的一部分。

“梧桐樹立方”也是利用植物疊加法建造。最初小的梧桐樹苗被種植在獨立的容器內(nèi)，放置到輕鋼框架上，容器分為上下6層排放，并圍合成一圈綠色的墻，圍繞內(nèi)部的一個開放空間。內(nèi)部空間西側有供園丁和游客使用的3層維修通道，可通過鋼樓梯到達各平臺(圖6)。

“梧桐樹立方”項目重新定義了建筑內(nèi)外、城市與景觀、自然與文化之間的關系。

3.3.3 社區(qū)生長方案

本方案是活態(tài)植物建筑設計應用到社區(qū)建造中的一個新嘗試。通過在現(xiàn)有居住建筑間種植2排樹木，樹木之間加入多層現(xiàn)代結構平臺，在平臺上置入功能房間，形成一個與前后建筑物尺度適應的公共空間，具有服務、休閑娛樂等使用功能，以彌補社區(qū)功能的欠缺。根據(jù)樹種和初始結構的不同，預計需要10～15年實現(xiàn)樹木的自我支撐。而按照樹木的承載能力，可以布置不同的使用功能，如客房、工作室或娛樂用房等(圖7)。

4 活態(tài)植物建筑的優(yōu)勢與問題

4.1 優(yōu)勢

1)創(chuàng)立了一種全新的建筑類型，實現(xiàn)了自然、科技和創(chuàng)新的融合。

活態(tài)植物建筑存在的最大價值是擺脫了常規(guī)建筑無生命的無機體形象，創(chuàng)造了一種全新的、動態(tài)生長而變化的建筑類型，它改變了人、建筑與自然環(huán)境的關系，使建筑不再是自然環(huán)境的破壞者和粗暴插入者，而是成為自然環(huán)境的一部分。

2)優(yōu)秀的綠色、生態(tài)效果。

活態(tài)植物建筑是將生物體作為必要組成部分加入建筑中，比常規(guī)仿生設計更進一步，提高了建筑的生態(tài)功能。因為和傳統(tǒng)利用加工木材作為建筑材料的做法比較，生長的樹木可以降低環(huán)境溫度，并持續(xù)對抗土壤侵蝕，吸收二氧化碳，提供氧氣、營養(yǎng)、庇護和住所，同時還可以減少雨水徑流、改善水質，另外還有利于生物多樣性和自然均衡。而建筑的建造過程無碳、無污染和不產(chǎn)生廢物，不使用時能完全返回自然。此外，由于其良好的降溫能力還能降低使用過程中的能源需求和成本，相應減少了溫室氣體排放。

3)建造成本低。

活態(tài)植物建筑的建造成本低，不需要很多勞動力或使用過多的工業(yè)材料。

盡管有上述這些優(yōu)點，但樹木作為有生命的特殊建筑材料和承重結構，也存在較多的問題，更需要在設計中對其進行特別的考慮。

4.2 存在的問題

1)結構的不可控性。

活態(tài)植物建筑的問題之一是其結構的不可控性。建筑師需要解決的困難是一方面對于植物的可塑性和相容性加以利用，還要力圖排除植物生長過程中的不可控因素。因為影響樹木生長的因素較多(天氣、自然災害、病蟲害等)，而能否達到預設目的和效果也缺乏成熟的理論，同時其使用年限和適用承載力也是影響其推廣的限制條件[18]。另外，不是所有樹木都適合作為建筑結構。

2)需要更多專業(yè)人員的協(xié)同配合。

活態(tài)植物建筑和常規(guī)建筑相比，需要更多人員和專業(yè)的加入，包括需要生物學家、工程師、人文學者和建筑師多協(xié)同合作研究，這也使建造過程變得極為復雜。

3)適用范圍有限。

一是樹木生長的長周期性使活態(tài)植物建筑難以大范圍推廣；二是樹種種植的適用范圍大大限制其應用；三是由于樹木本身的條件制約，目前其還不算嚴格意義上的建筑，所以適用范圍和規(guī)模還有較大限制，主要適合娛樂、展示類等低、多層的小型公共建筑或者亭、橋、走道等構筑物類型。

5 討論和啟示

活態(tài)植物建筑的探索一方面挖掘了植物的應用潛力，另一方面則充分體現(xiàn)了植物的生態(tài)作用價值，體現(xiàn)了自然與人工、技術與生態(tài)、現(xiàn)代與傳統(tǒng)的交織融合，同時也給人們提供了在自然中生活的味道和另外一種與自然接觸的體驗。所以，雖然這種做法難以成為主流，但其所具有的生態(tài)平衡性和可持續(xù)性的思想，既是建筑師和植物學家應對環(huán)境問題的另一種思路，也是對社會可持續(xù)發(fā)展路徑的另一種思考。

另外，活態(tài)植物建筑研究對我國風景園林學科的發(fā)展也有一定的啟示：一是通過與其他學科的交叉融合能大大拓展學科的發(fā)展空間；二是應加強對植物本身性能和相互間結合作用的定量化研究，以便能更好地控制植物的生長形態(tài)；三是應努力探索植物新的應用方式，增強人類與植物的交互作用，使人、建筑和自然產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系。

圖7 社區(qū)生長方案[15]

注釋：

① Baubotanik是德國研究者新創(chuàng)造的一個專業(yè)性名詞。