基于仿生設計的彈性景觀基礎設施建設理論初探

吳軍，高英杰，杜曲

湛江科技學院，廣東湛江 524000

中共黨的十九大明確指出人與自然和諧共生的現(xiàn)代化建設，在美麗中國建設“四大舉措”中突出推進綠色發(fā)展，著力解決環(huán)境問題。近年來針對生態(tài)文明建設各行各業(yè)進行了創(chuàng)新與探索。從應對城市風險的“彈性城市”的探索，到雨洪管理的“海綿城市”的設計，再到“共享農(nóng)莊”“田園綜合體”的鄉(xiāng)土發(fā)展問題，暴露出早期開發(fā)建設中生態(tài)環(huán)境遭受破壞，環(huán)境再生修復能力減弱，城市風險提高、城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡等諸多問題。亟需一種新的發(fā)展模式來應對新時代的發(fā)展風險。面對新風險，彈性城市理論也在更新豐富，其中城市景觀基礎設施的應用更是存在著巨大的可能性。運用自然規(guī)律達到一種緩和的解決問題方式，探索仿生設計在彈性景觀基礎設施中的運用是十分有必要的。

1 彈性景觀基礎設施概念解析

系統(tǒng)“彈性”的最初概念源自于美國生態(tài)學學者Holling 提出：彈性最核心的含義是系統(tǒng)吸收外界沖擊的能力、同時能將系統(tǒng)盡量維持在功能正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)[1]。之后Alberti 等將彈性的概念引入城市范疇并將“城市的彈性”定義為：城市在遇到變化重組之前，其能夠吸收與化解變化的能力和保持平衡的程度。之后由馮璐、王春曉等將景觀基礎設施與彈性城市相結合，在綠色基礎設施的框架體系上提出了彈性景觀基礎設施框架體系，分別由模塊、網(wǎng)絡、維度三個要素組成[2]（詳見圖1）。文章將彈性景觀基礎設施的特點歸結如下：

首先，參照模塊化經(jīng)濟，以公園、河流、綠色等景觀單位為“模塊”強化模塊間靈活性，從而增加整體的冗余度，在部分單元模塊遇到問題時可以及時進行功能替換，降低牽一發(fā)而動全身的成本。諸如，傳統(tǒng)的城市灰色基礎設施建設的排水系統(tǒng)，面對城市暴雨，不能進行雨污分流，統(tǒng)一排入地下水網(wǎng)，快速達到徑流峰值，易形成城市內(nèi)澇。而基于海綿城市建設的綠色基礎設施，諸如下沉綠地、雨水花園等模塊綠色基礎設施，對雨水進行初步滯留、凈化、蓄水等功能，在分流緩解峰值的同時，兼顧了生態(tài)功能，同時滯留的雨水可以降低城市養(yǎng)護成本。通過模塊化綠色基礎設施組合可以緩解突發(fā)環(huán)境的危機。

其次，以模塊間的空間和功能疊加構成彈性的網(wǎng)絡，強調(diào)空間的連通性。通過彈性網(wǎng)絡的多元性和多功能性為基礎創(chuàng)建新的功能連接鍵[1]。

最后，以彈性景觀基礎設施為平臺整合包含經(jīng)濟、政治、社會等其它抽象維度資源，加深網(wǎng)絡層次的聯(lián)動性。

2 仿生設計在彈性景觀運用的趨勢

仿生設計是在仿生學和設計學的基礎上新興邊緣學科。是對動植物的生長肌理和自然界中一切自然規(guī)律的借鑒，結合設計對象的特點使其適應新的環(huán)境的一種創(chuàng)作手法[3]。仿生設計本集聚設計科學的嚴謹科學的藝術性。

在景觀基礎設施的設計中，生態(tài)主義的興起，讓城市的基礎設施的物質(zhì)形態(tài)與自然環(huán)境的交互融合需求日益增加。彈性景觀基礎設施要在功能上改善傳統(tǒng)灰色基礎設施對生態(tài)忽略的局面，成為促進城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的潤滑劑，協(xié)調(diào)城市多方面系統(tǒng)的，指導可持續(xù)發(fā)展[2]。而仿生設計本身建立在生態(tài)學的背景基礎上，作為一種“取之自然，用之自然”的設計方式，本身的內(nèi)涵與方式與綠色彈性景觀基礎設施十分契合。

面對城市對景觀日益增加的多方面需求，彈性景觀基礎設施是調(diào)節(jié)城市生態(tài)的重要角色，而仿生設計是彈性景觀基礎設施的展現(xiàn)的重要手段。

3 仿生設計與彈性景觀基礎設施結合的內(nèi)在耦合性

3.1 結構層次性

彈性城市是人口、建筑、交通等多個系統(tǒng)構成的復合型系統(tǒng)，對彈性景觀基礎設施多方面做出了要求。諸如在工程性基礎設施中對道路、水電等，而社會性基礎設施中對學校、劇院等公共空間都有所要求[5]。仿生設計做作為一個交叉性學科，有著生態(tài)學、環(huán)境行為心理學、人體工程學等應對不同的尺度及類型的彈性景觀基礎設施層次的需求。

3.2 自然聯(lián)系性

彈性城市強調(diào)城市與自然的聯(lián)通，而彈性景觀設施作為重要的組成部分，首先景觀基礎設施就包含河流、山川、湖泊、森林等區(qū)域，直接體現(xiàn)了景觀基礎設施的自然屬性；另一方面，農(nóng)田、公園、綠島等作為人造自然也在模仿自然履行自然的生態(tài)功能。其本身的就是仿生學在生態(tài)視角下的實際運用。仿生設計通過對自然的觀察，總結自然規(guī)律，尋求一種協(xié)調(diào)的方式來解決城市的生態(tài)問題，多方基礎設施需求。取之自然、用之自然。

3.3 功能復合性

彈性城市和彈性景觀由于要面對沖擊的不確定性與可能性，對功能的復合性要求很高。而自然本身存在的物質(zhì)狀態(tài)形式是長期生物體智慧的產(chǎn)物，諸如蜂巢的六邊形結構，在滿足高空間利用率的同時實現(xiàn)構造形態(tài)的穩(wěn)定與低成本。充分觀察，利用這些現(xiàn)象是十分必要的解決功能性問題的參考。

例如成都的活水公園，活水公園中仿生設計的體現(xiàn)，主要在于“魚”形園區(qū)的打造[4]。府河水通過厭氧池、流水雕塑等基礎設施得到凈化，在形態(tài)上分別模仿魚的生長機理，向人們演示了水與自然界由“濁”變“清”、由“死”變“活”的生命過程[5]。通過形態(tài)和功能上的仿生解決了生態(tài)上的問題同時，滿足了城市對綠地景觀的需求，達到了科普教育的功能，可謂一舉多得。仿生與彈性景觀基礎設施的緊密結合，在功能復合性的基礎上達滿足了多方效益。

3.4 動態(tài)適應性

彈性城市與彈性景觀是一個動態(tài)的狀態(tài)，是一個應對環(huán)境改變具有生命力的體系。所謂彈性，諸如遭遇到重大災害或者城市發(fā)展變遷，應對這種風險使恢復原狀的能力，或者產(chǎn)生新的構造能力，是彈性景觀基礎設施具有“生命”的特征之一。仿生設計是參考生命物質(zhì)與環(huán)境能量交換的規(guī)律。模仿自然的修復能力。

諸如2010 年為上海世博園打造的核心綠地——上海后灘公園。場地原為上海浦東鋼鐵集團和后灘船舶修理廠，污染嚴重，在面對城市變遷造成的工業(yè)遺留問題和生態(tài)破壞的沖擊下，后灘公園運用濕地凈化系統(tǒng)和生態(tài)景觀基底作為最主要的仿生手段，在修復場地生態(tài)平衡的基礎上，展現(xiàn)了包括田園、工業(yè)、后工業(yè)的文化，在社會層面上同樣達到了平衡[6]。

4 彈性景觀基礎設施中仿生設計構架

彈性景觀應對的是風險社會的來臨，全球變暖、環(huán)境污染、臭氧空洞、核泄漏、物種滅絕，還有政治和制度風險、金融危機等。這些風險的本質(zhì)在于其結果的不可預測性，其后果及影響無法進行定量估算。風險一方面是無規(guī)律的極端自然災害的頻發(fā)，城市不合理建設本對生態(tài)環(huán)境的破壞，從而降低了環(huán)境的承載能力。導致極端氣候災害的產(chǎn)生，形成的惡性循環(huán)。另一方面是社會上層建筑引發(fā)的秩序和規(guī)則混亂，導致戰(zhàn)爭，饑荒等系列次生災害。因此德國社會學家烏爾里.希貝克認為“世界風險社會”己經(jīng)來臨[7]。

面對這種風險，彈性城市是城市或城市系統(tǒng)能夠消化并吸收外界干擾，并保持原有主要特征、結構和關鍵功能的能力[8]。彈性景觀作為城市與自然的紐帶，改善了城市與自然關系。傳統(tǒng)的灰色基礎設施是抵御外界的干擾，將風險和干擾作為外部事物，強調(diào)自身不受到其影響。但彈性景觀基礎設施強調(diào)的是消化和吸收外界的干擾，強調(diào)動態(tài)過程把外部干擾轉(zhuǎn)化重新組合新的整體。

前者是將城市和自然作為消極關系割裂開，從而導致生態(tài)的不完整，忽略社會亦或城市，包括人及行為本身就是完整生態(tài)鏈的一部分。后者則轉(zhuǎn)化應對思路，通過吸收和轉(zhuǎn)化。試圖從調(diào)整城市發(fā)展與自然之間的關系上，去打破生態(tài)破壞與風險社會的惡性循環(huán)。

針對彈性景觀所帶來的發(fā)展模式關系的調(diào)整，仿生設計作為其中最重要的手段之一，通過發(fā)現(xiàn)規(guī)律，運用規(guī)律，從對象自然本身的特質(zhì)角度來解決問題。契合了彈性景觀發(fā)展的包括結構層次性、自然聯(lián)系性、功能復合型、動態(tài)適應性等在內(nèi)的多種特性需求[9]。

當然，現(xiàn)有的仿生設計手段主要是通過模仿生物形態(tài)進行局部改造，多運用在機械工業(yè)設計等等，局部的小型基礎設施，諸如奧地利仿生木質(zhì)海膽亭。而針對大尺度的場地，進行系統(tǒng)化建設的綠地景觀較少，諸如成都的活水公園。尺度越大的區(qū)域，其生態(tài)結構越復雜，針對性的仿生系統(tǒng)需要更完善，對仿生系統(tǒng)的構架要求越高。

5 設計案例

海尾生態(tài)濕地公園設計，場地位于海南省西部、昌江黎族自治縣境內(nèi)的海尾鎮(zhèn)石港塘濕地范圍內(nèi)，占地面積為296hm2。原址常年遭受臺風侵襲，災害過后造成土地鹽堿化，進而引起居民產(chǎn)業(yè)調(diào)整，有近海捕撈轉(zhuǎn)變?yōu)轸~蝦養(yǎng)殖，而養(yǎng)殖業(yè)的高生物富集污水就近排入入?？?，進步造成水體污染等多樣次生災害。

針對現(xiàn)狀多樣化問題，方案從提高區(qū)域生態(tài)彈性入手，結合仿生設計理念，以蛛網(wǎng)結構為基礎，構建跟穩(wěn)固的多樣化生態(tài)系統(tǒng)。

第一步，構建雨水蝦塘養(yǎng)殖凈化池，通過模仿局部蛛網(wǎng)形態(tài)調(diào)整水系的基礎設施結構，凈化過濾水體，環(huán)節(jié)水體污染的此生災害。

第二步，滴灌技術與瓜林防風林結合，鹽堿化地域中層選中防風植被，地被以西瓜等匍匐類農(nóng)作物，在穩(wěn)固突然結構的前提下，緩解區(qū)域農(nóng)業(yè)對生產(chǎn)環(huán)境的破壞。通過改變水系灌溉類基礎設施，結合瓜林景觀，實現(xiàn)場地生態(tài)保護與居民增收的雙贏局面。

第三步，調(diào)整區(qū)域植被群落結構，緩解紅樹林破碎化程度，提高其凈化水體的能力。結合場地氣候特征，作為候鳥遷徙地址，針對性引入鳥類棲息樹種，增加生物鏈的結構層。同時選址作為城市公園對居民開放，增加其科普教育的功能性。

從結構與功能的兩個角度，在彈性基礎設施的分布上，一方面模仿蛛網(wǎng)的形態(tài)，通過分隔區(qū)，局部按階段凈化，同時通過管線強化區(qū)域聯(lián)系。在功能上，借鑒蛛網(wǎng)的一點受力多向散發(fā)緩解的模式，區(qū)域在面對臺風災害與次生災害時，實現(xiàn)多層次多區(qū)域協(xié)調(diào)緩解災害的程度。

6 結語

文章分析了彈性景觀基礎設施的初步理論，探討了其與彈性城市的關系，探索了仿生設計作為重要的設計手段與彈性景觀基礎設施的耦合性。從結構層、自然聯(lián)系、復合功能、動態(tài)適應、論證了仿生設計的應用適應性。并進一步探索仿生設計在彈性景觀設計中的構架位置，其作為重要的設計手段，是在滿足功能性前提下，運用自然規(guī)律的成本最低設計。結合具體的設計案例，驗證其仿生設計與彈性景觀基礎設施的耦合性。

近年來，伴隨著“碳中和”理念的提出，國家生態(tài)建設在不斷的前進發(fā)展，而彈性景觀基礎設施作為生態(tài)景觀建設的重要一環(huán)，會有更多的發(fā)展空間，不斷更新的技術材料也將為仿生設計理念在基礎設的應用提供更多的可能性。該文的理論有待在日后的實踐和案例中進一步完善和開發(fā)。