基于集合種群理論生態(tài)模型的垂直森林社區(qū)設計模式探究*

徐嫻雅，Stefano Boeri

(1.華東師范大學設計學院，上海 200062；2.米蘭理工大學建筑與城市學院，意大利 米蘭 20123)

城市擴張是人類干擾、破壞自然生態(tài)系統(tǒng)的主要形式之一[1]。在此過程中所占用的森林、農田、草地、濕地、水域等建設用地其實有著重要的生態(tài)服務功能[2],而取代這些用地的城市建筑和基礎設施則直接形成了自然物種生境的破壞和割裂，從而導致生態(tài)系統(tǒng)結構與功能逐漸衰退[3]。當代城市所處的獨特歷史空間條件，亟待生態(tài)策略的引入，以重構城市系統(tǒng)[4]，通過人工干預和引導的方式，協(xié)助自然生態(tài)的修復，提升城市自身的生態(tài)承受力。運用植物綠化成為城市設計師們建設“生態(tài)都市”[5]最有效的手段之一：一方面綠化與建筑的結合有利于城市能量流的循環(huán)，緩解“熱島”和“雨島”效應[6]；另一方面通過綠化重塑城市的景觀格局，修補景觀破碎化局面，是生物多樣性續(xù)存的關鍵[7-10]。

2014年建成的米蘭垂直森林首次在建造史上將大面積固碳與隔熱能力較強的喬木與灌木運用于建筑立面綠化，充分利用和開發(fā)了建筑物側面的潛在生態(tài)效益[11]。該項目擺脫了城市化對多物種維持與發(fā)展的控制與干涉，構建了一種既能延續(xù)生物多樣性又適宜包括人類在內的大多數物種居住的建筑新范式。雖然單一的垂直森林建筑可以利用垂直空間創(chuàng)造一片適宜的生境，但若其與城市其他綠地缺乏連通性，則仍會造成局域物種的空間隔離，使他們無法完成遷徙、擴散等一系列生命維續(xù)過程[12-13]，導致綠地生境斑塊間無法形成集合種群動態(tài)，不利于植物的自然更新與多樣性的自我維持，從而面臨較高的滅絕風險，進而，也會大大提高綠化維護管理成本[14-15]。然而，如果為此在城市中一味加大垂直森林建筑密度，提高綠化連接度，則不利于建構多樣化的人類活動空間，無法展現富有積淀的城市形象。因此，此類生態(tài)建筑介入城市建設的過程中，如何在地塊中設計布局單體建筑是其持續(xù)發(fā)揮生態(tài)效應的關鍵。本文基于生態(tài)學理論，模擬綠化種群續(xù)存與滅絕概率，探索垂直森林建筑在一定規(guī)模的城市建設用地范圍內的客觀數量閥值，使其在滿足一定社會經濟文明發(fā)展需求的同時，能長效地為城市生態(tài)系統(tǒng)貢獻價值。

本文通過集合種群模型模擬，合理推算垂直森林建筑中局域種群續(xù)存所需要的生境規(guī)模，回應以下3個問題：(1)垂直森林建筑模式在社區(qū)中的介入是否有助于城市社區(qū)自然生態(tài)物種的長期自我維持？(2)在特定情形下，能否推導垂直森林建筑在社區(qū)中占有數量比例，實現經濟和生態(tài)效益的最優(yōu)化？(3)如何從物種種群續(xù)存角度，探索社區(qū)內垂直森林建筑最優(yōu)規(guī)劃布局？

1 生態(tài)社區(qū)的區(qū)域效應

1.1 垂直森林的生態(tài)目標和局限性

米蘭垂直森林項目由2座分別高80 m和112 m的塔樓構成，建造了113戶居住單位。建筑占地面積3 000 m2，立面種植喬木與灌木，共計設立291個森林露臺(露臺總面積8 900 m2)，為多物種的生存提供了有計劃和有目標的支持[16]。它所關注的核心是人類和其他動、植物物種根據合理的搭配所形成的無限趨于自然的多樣化生態(tài)系統(tǒng)，將“生態(tài)策略”，尤其是與城市發(fā)展密切相關的生態(tài)技術作為切入點，解決和城市發(fā)展沖突的生態(tài)問題[5]。垂直森林建筑是以構筑一個人類與多物種共棲的空間模式為目標，在接受人類社會城市擴張客觀壓力的前提下，做出的爭取城市生物多樣性，抵御生態(tài)脅迫的實踐。

垂直森林建筑不僅可以容納、維持較高的生物多樣性，而且其本身作為一個具有較大生境面積的“城市森林”生態(tài)系統(tǒng)也能夠產生一定的輻射效應，為周圍呈碎片狀分布的小型城市綠化斑塊的維持做出貢獻。其內在機理主要是因為相比于其他建筑綠化，垂直森林建筑生境面積大，其中的各植物種群滅絕風險低，同時該建筑還能成為植物個體遷入、遷出的重要節(jié)點，當鄰近的小型綠化中的植物發(fā)生種群大小降低時，它能夠為其補充個體，有效避免局部滅絕，維系物種存活。然而，這一切必須建立在垂直森林建筑與城市中其他綠地建立連通性的前提下，因此垂直森林建筑在城市中的生態(tài)效益還取決于它在“量”上的聚集，以及在城市綠化空間格局中的位置[17]。

1.2 由單體到社區(qū)的生態(tài)布局

理查德·福曼(Richard Forman)教授提出土地嵌合體(Land Mosaics)的景觀規(guī)劃模式，從空間和時間的動態(tài)格局探索城市中人類活動空間和自然的關系。他認為景觀的結構單元由斑塊(Patch)、廊道(Corridor)和基質(Matrix)3種類型構成[18]，并以“集中與分散相結合”的格局進行土地利用，既保持了大型自然植被斑塊的完整性，充分發(fā)揮其生態(tài)功能；同時又運用廊道用以滿足物種空間運動擴散的需要；并在廊道中結合小型自然斑塊的介入確保景觀的異質性。由此形成的“空間語言”，是城市中維系物種存活的必要條件[18-19]。也就是說在城市社區(qū)設置集中綠地，并與周邊建筑中包括屋頂綠化在內的社區(qū)其他綠地斑塊形成景觀生態(tài)體系，以維持物種生存。然而，如若周邊建筑無法提供足夠綠化覆蓋，因空間阻隔而造成的生境片斷化，往往使這種生態(tài)效應的輻射范圍無法覆蓋整個社區(qū)，尤其是處于距離集中綠地較遠的社區(qū)邊緣區(qū)域，最終也直接導致社區(qū)綠地無法實現生態(tài)自我維持。因此，在社區(qū)中利用垂直森林的景觀連接作用，構架起空間的生態(tài)廊橋與斑塊，通過其在空間合理的排布，可將生態(tài)效應輻射至社區(qū)的每個角落。由多棟垂直森林建筑替代普通建筑單體，與集中綠地相互靠近所構成的生態(tài)社區(qū)，往往在生態(tài)系統(tǒng)維持表現方面有更好的預期。

2 方法

2.1 集合種群理論

自然生境的數量、大小和密度決定了種群續(xù)存的概率[20]。在區(qū)域尺度中，人為干擾生態(tài)的主要形式是生境片斷化。而在片斷化生境中通常植物種群的滅絕過程可歸納為如下幾個步驟:首先，棲息地先行片斷化; 其次，連續(xù)分布的種群分裂成斑塊狀種群; 接著，斑塊內的種群由于資源匱乏或種群密度低且與其他種群隔離等原因逐一滅絕; 最后，整個種群的滅絕[21]。物種維持主要與殘存生境斑塊面積以及不同斑塊間不同種群交流的能力有關，因此，綠化系統(tǒng)自我維持研究不能僅針對某個或某幾個種群，而需研究區(qū)域內所有斑塊種群作為一個整體進行分析，這些相互之間有關聯的，棲息于這些破碎景觀中的局域種群從總體上構成“集合種群”[22]。根據局域種群間的相互關系，集合種群結構分為經典型、大陸-島嶼型、綴塊型、非平衡態(tài)型和混合型等類型[23]。在城市生態(tài)系統(tǒng)中，大型綠地與城市建筑綠化間的關系類似于大陸-島嶼型，而城市小型綠地與建筑綠化間以及不同建筑綠化間的關系較為契合經典型集合種群。這兩種集合種群類型中局域種群的維持存在局域滅絕與其他局域種群遷入個體間的平衡關系，應重點維護生境面積和局域種群規(guī)模以及種群間連通性(即遷移率)。而這些因子的權衡即是生態(tài)保護區(qū)規(guī)劃中的重要議題即“SLOSS”(single large or several small)爭議[24]。一般而言，生境面積大且種群間具有良好的連通性有利于生物多樣性的維持與各物種種群的續(xù)存。

事實上，由于城市空間資源極其有限，盡管目前城市建設中強調盡可能增加城市綠地與建筑綠化空間，但是無限制地擴張綠地生態(tài)系統(tǒng)也是不切實際的。Zhou & Wang[25]利用計算機模擬研究發(fā)現當局域種群的生境面積低于一定閾值時將發(fā)生滅絕，這個閾值與局域種群 Allee 效應強度(即由于種群規(guī)模下降導致種群適合度下降進一步降低種群規(guī)模)、遷移率(即局域種群或生境斑塊間的連通性)和初始種群大小都有關系。由此建立數學模型可模擬、預測并評估未來社區(qū)中垂直森林建筑密度與植物種群滅絕風險間的關系，為合理優(yōu)化設計垂直森林社區(qū)提供設計建議。

2.2 集合種群模型模擬

垂直森林單體建筑中綠化平臺面積受到空間、結構等客觀因素制約。如要提高垂直森林社區(qū)中綠化系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性與長期維持能力，有必要通過設定植物擴散能力(目前設置為統(tǒng)一值)與垂直森林建筑的空間分布模擬每座建筑中的綠化面積和建筑間連通性變化狀況(通常為建筑物之間的直線距離)，獲得垂直森林建筑在不同空間分布格局下對降低社區(qū)綠化植物種群滅絕風險的貢獻，進而總結出維持社區(qū)綠化長期穩(wěn)定所需的最小垂直森林建筑比例，為改進垂直森林建筑生態(tài)設計，以及日后建造由垂直森林建筑構成的社區(qū)提供有利參考。

在本次針對垂直森林社區(qū)的模擬研究中，將基于集合種群相關理論，從傳統(tǒng)社區(qū)設計場景(即無大型綠地的傳統(tǒng)社區(qū)與具有中心大型綠地的現代社區(qū))出發(fā)，從時空尺度上揭示垂直森林建筑數量與空間排布格局(如線性排列、十字排列或隨機分布等)變化對整個社區(qū)綠地系統(tǒng)維持的影響，并嘗試探索中心綠地與垂直森林建筑的最優(yōu)配置方式，做到在投入最少垂直森林建筑的情況下，使社區(qū)整體綠化系統(tǒng)得以長期維持。

2.2.1 模型建立與參數設置

模擬分析時設置單體建筑的數據參照已建成的米蘭垂直森林，且設定垂直森林生態(tài)社區(qū)的面積為1 km2、社區(qū)內有建筑(樓宇)60座、每座建筑間距離隨機但需大于40 m(此處用地參數的設定以米蘭建成垂直森林，簡稱垂森01，作為數據參考：垂森01總面積約40 000 m2，社區(qū)露臺綠化面積8 900 m2，設定地塊容積率為2.4 )。所有建筑分為兩類：(1)垂直森林建筑(每座建筑中綠化面積平均值為(0.8±0.05)hm2，具體每個建筑的綠化面積在此范圍內隨機分配)；(2)普通建筑(每座建筑屋頂和立面貢獻的綠化與其周圍小型綠化斑塊面積總和的平均值為(0.008±0.002)hm2，具體每個建筑的綠化面積在此范圍內隨機分配)。社區(qū)中心綠地面積為10 hm2。為方便模擬，設定整個小區(qū)的綠化植物為同一物種且世代間不重疊，其繁殖體平均擴散距離為600 m(垂森01的人工植物配種以選擇近自然林物種為原則，選擇生存能力強且繁殖體具有遠距離擴散能力的植物)。初始狀態(tài)下所有綠地(包括兩類建筑物與社區(qū)中心綠地)的綠化比例為100%。

模擬開始后，各建筑綠化斑塊的滅絕風險E符合公式。

E=e/Ax

式中：A為綠化面積，e與x為滅絕相關參數，分別賦值為0.001與0.9。t時刻綠化植物遷入未綠化建筑的概率為Ci(t)，該參數假設符合sigmoid函數(或稱邏輯斯蒂函數)且隨連接度的增加而增加，公式為：

Ci(t)=Si2(t)/(Si2(t)+y2)

式中，y為遷入相關參數(默認設定為0.01)，Si2(t)為建筑物間的連接度，該參數與植物繁殖體擴散強度(這一常數設定為0.045)以及建筑物間距有關。

在每個模擬場景下對模擬分析綠化植物在1 000個世代(一個世代涉及一次可能的滅絕事件與一次擴散事件)，在每個世代中計算擁有綠化植物的建筑物數量占總建筑數量的比例(Greenpro)，并顯示這些擁有綠化植物的建筑在空間上的分布格局以反映綠化植物種群的維持狀態(tài)。需要注意的是，盡管為了檢測到模型模擬達到穩(wěn)定時的情形采用1 000個世代數，但是模擬時考慮到城市更新與建筑建設周期，重點考慮綠化植物在初始的30個世代(約在70 a范圍內，在喬木、灌木和草本植物中存在一定差異)Greenpro值的總體變化趨勢。

2.2.2 模擬場景設定

本次模擬設置11個場景，從無大型綠地的傳統(tǒng)社區(qū)和具有中心大型綠地的現社區(qū)這兩個基本場景出發(fā)，逐漸增加垂直森林建筑的數量，并在相同垂直森林建筑數量的情況下設定不同的建筑空間排布格局(線性排列、十字排列或隨機分布：垂直森林建筑優(yōu)先十字排列，出現飽和狀態(tài)后，即2棟垂直森林建筑立面出現重合時，超出的部分將隨機排布)(表1)。通過這個模型，可以回答下列問題:(1)與傳統(tǒng)社區(qū)相比，社區(qū)中心大型綠地的存在是否對社區(qū)綠化的整體維持產生了促進作用(即Greenpro值明顯提高)？(2)隨著垂直森林建筑數量的增加，Greenpro值是否有明顯提高的趨勢？(3)在垂直森林建筑數量相同時，不同空間排布格局是否對Greenpro值有明顯影響？(4)最優(yōu)化的垂直森林社區(qū)設計布局是什么(即在社區(qū)綠化得以整體維持的情況下，所需要的最少垂直森林建筑數量及其對應的空間排布格局)？

表1 11個模擬場景中垂直森林建筑數量與建筑空間排布格局

3 結果與分析

模擬結果顯示在沒有集中自然綠化的社區(qū)中，Greenpro值隨時間推移快速降低并最終達到0，表明由普通建筑的片斷式景觀形成的社區(qū)綠化系統(tǒng)無法自我維持，超過一半的建筑物綠化斑塊在經過10個世代后滅絕，不能長期產生穩(wěn)定的生態(tài)效益； 當社區(qū)設有中心集中綠地，Greenpro值雖然在短期內經歷了快速下降，但之后逐漸趨于穩(wěn)定，在0.15附近徘徊，反映出此設計對社區(qū)綠化整體的維持貢獻較低(圖1)。隨著垂直森林建筑的增加，社區(qū)中Greenpro值隨世代數增加下降幅度不斷縮小，直到場景10和11，即社區(qū)內分別擁有25座和30座垂直森林建筑的情況下，指數接近，并在前100個世代基本穩(wěn)定在0.9以上(圖1)。此外，當社區(qū)中同樣設有8座或16座垂直森林建筑的情形下，十字排布(場景6和8)時Greenpro值在各時間段均明顯高于線性排布(場景5和7)。

圖1 不同模擬場景下Greenpro值隨世代數 增加而變化的情況 Fig.1 The Greenpro indicator changes with the increaseof generations in different simulation scenarios

在空間布局上，僅有集中綠地的場景，中央綠化能夠幫助維持鄰近建筑物的綠化斑塊，但這種援助效應無法輻射至社區(qū)的其他區(qū)域(圖2)；當有4棟垂直森林建筑時，查看不同世代數中擁有綠化植物的建筑物的空間排布格局發(fā)現相比于僅有中心大型綠地的場景，其帶來的輻射效應能使更大范圍內的建筑物綠化得以長期維持；而8棟時，大部分邊緣地區(qū)的建筑綠化斑塊得到很好的維持；16棟時，綠化斑塊的消失具有較強隨機性，無明顯邊緣效應，綠化系統(tǒng)已基本達到長期穩(wěn)定狀態(tài)(圖3)；當垂直森林達到30棟時，社區(qū)內綠化斑塊空間分布格局已不存在任何社區(qū)綠化死角，均可長期維持(圖4)。由此，垂直森林建筑的介入可以有效增強社區(qū)內綠化斑塊的穩(wěn)定性，區(qū)域輻射效應隨著垂直森林密度提高而增強(圖2～4)。通過結果分析得到以下結論回應之前的4個問題：(1)社區(qū)中心大型綠地的存在對社區(qū)綠化的整體維持產生了一定的促進作用，但這種效應僅能輻射至鄰近區(qū)域，具有很大局限性(圖1、2)；(2)隨著垂直森林建筑數量的增加，Greenpro值表現出明顯提高的趨勢，且當所有建筑中有42%的垂直森林建筑，即25棟時，此類建筑產生的區(qū)域輻射效應達到飽和(當社區(qū)中存在4座垂直森林建筑時，盡管Greenpro值也在短時間內發(fā)生嚴重下降，但最終穩(wěn)定于0.3左右，說明社區(qū)綠化的穩(wěn)定性得到一定程度的提升，同時十字排列與線性排列(場景3和4)對Greenpro值的提升效應無明顯差異。當垂直森林建筑增加至20座時，Greenpro值與十字排布的16座垂直森林建筑相比無明顯變化；但當該類建筑增加至25座時，Greenpro值又發(fā)生了提升，并穩(wěn)定在0.9以上；而繼續(xù)提高垂直森林建筑至30座時，Greenpro值未發(fā)生明顯變化，表明所有建筑中有42%(25座)的垂直森林建筑即可使其產生的區(qū)域輻射效應達到飽和)(圖4、5);(3)在垂直森林建筑數量相同時，十字排列布局中Greenpro值明顯高于線性排列(圖1、3、5)，這可能是因為十字排列使垂直森林建筑在社區(qū)中的分布范圍更廣，且避免此類建筑綠化面的重合，提高了區(qū)域輻射效應；(4)基于模擬結果，當垂直森林建筑數量達到16座(即占總建筑數量的27%)時且該類建筑呈十字排布時，或者垂直森林建筑數量達到20座(33%)或以上時，社區(qū)整體綠化得以長期穩(wěn)定維持，社區(qū)邊緣不存在綠化死角(圖5)。

圖2 模擬場景2中不同世代數(0、10、30、50、100 和500)中留存的建筑綠化斑塊的空間分布情況Fig.2 The spatial distribution of the remaining building greenpatches in different generations(0,10,30,50,100,and 500)in the simulation scenario 2

圖3 模擬場景8中不同世代數(0、10、30、50、100 和500)中留存建筑綠化斑塊的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the remaining building greenpatches in different generations(0,10,30,50,100,and 500)in the simulation scenario 8

圖4 模擬場景11中不同世代數(0、10、30、50、100 和500)中留存建筑綠化斑塊的空間分布 Fig.4 The spatial distribution of the remaining building greenpatches in different generations(0,10,30,50,100,and 500)in the simulation scenario 11

圖5 經歷10、30、50個世代模擬后隨著座垂直森林建筑 數量增加Greenpro指標的變化情況(僅包括存在大 型中心綠地的10個場景)Fig.5 Changes in the Greenpro indicator as the number ofvertical forest buildings increases after 10,30,and 50generations of simulation(only includes 10 sceneswith large central green spaces)

4 建議與展望

基于模擬結果，對未來垂直森林建筑應用在生態(tài)社區(qū)設計提出以下建議：(1)在設有中心大型綠地的社區(qū)中，邊緣地區(qū)往往是生態(tài)效益無法輻射到的綠化死角，需要注意在這些區(qū)域設置垂直森林建筑；(2)垂直森林建筑的分布格局與綠化整體穩(wěn)定性存在很大關聯，這類建筑的分布盡可能避免生態(tài)輻射效應的重疊，因此最好保持一定間距，在垂直森林建筑總數有限的情況下建議采用十字分布使垂直森林建筑生態(tài)輻射區(qū)域達到最大；(3)基于垂直森林建筑經濟投入與其生態(tài)效益的權衡，建議在具有中心大型綠化的社區(qū)中垂直森林建筑比例可維持在總建筑數量的1/3。

城市化建設與城市區(qū)域功能布局導致城市綠化系統(tǒng)必然呈現破碎化、片斷化分布的空間格局。這一現象往往導致綠化斑塊狹小且動植物遷移受斑塊間不透水介質阻隔，造成種群個體行為、遺傳 、結構、種群動態(tài)、種間互作、以及群落特征的改變[26]，不利于綠化系統(tǒng)的整體長期維持。垂直森林建筑能夠在不占據更多土地面積的情況下產生大面積綠化，大大降低綠化植物的滅絕風險，有助于構建健康的都市生態(tài)格局。作為一種應用于城市生態(tài)規(guī)劃的新建筑類型，垂直森林建筑可以為城市無序擴張而帶來的一系列生境隔離提供有效的修復策略，并可被不斷復制。在建造技術層面，它可用于改建、加建和新建；生態(tài)設計層面，可根據地理氣候帶和項目環(huán)境，采用米蘭項目的方法與手段，進行適應性調整，進而構建一套適合當地氣候的動植物藍本。因此，從城市生態(tài)學視角研究垂直森林建筑在社區(qū)設計中的生態(tài)效益最大化，為其在城市建設中的高效運用提供理論支持，顯得尤為必要。文章基于集合種群理論建立生態(tài)模型，模擬、驗證了城市社區(qū)中垂直森林建筑形成的區(qū)域效應對社區(qū)綠化系統(tǒng)整體維持的貢獻。雖然本次模擬分析得出的設計平面只適用于現有設置參數與模擬生態(tài)過程中，且距離方案的具體成型仍有待調整和深入，但對于設計策略原則的制定有重要指導意義。此次模擬實驗從時空維度，檢視了社區(qū)各綠化斑塊中植物滅絕與恢復的動態(tài)，為現代生態(tài)社區(qū)建設過程中優(yōu)化設計和布局垂直森林建筑提供重要參考價值，并為具體社區(qū)設計中案例調整模型參數變化，重演模擬過程，以獲得更為切合實際的設計指導，提供方法支持。