從技術(shù)運(yùn)用角度解析“垂直森林”中立體綠化建設(shè)

徐明月 劉 運(yùn)

中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇 徐州 221000

面對(duì)全球化可持續(xù)發(fā)展的背景下，綠色建筑設(shè)計(jì)理念在當(dāng)今社會(huì)資源耗能嚴(yán)重、環(huán)境問題嚴(yán)峻的背景下逐漸被人們重視。近些年，“綠色至上”這個(gè)主題經(jīng)常被建筑界被提及。關(guān)于綠色建筑的定義在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》有兩點(diǎn)被廣泛認(rèn)同：一是保護(hù)環(huán)境，提倡垃圾和廢物回收循環(huán)利用，減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染和破壞；二是節(jié)約資源，減少能源的使用[1]。

1 “垂直森林”概述及內(nèi)涵

在綠色建筑的熱潮下，Stefan Boeri工作室在此背景下，設(shè)計(jì)了意大利米蘭兩座名為Bosco Verticale的建筑。這是世界首列將景觀與建筑結(jié)合起來的綠色建筑，在意大利語中有垂直森林的意思，顧名思義一座城市中的森林。按照Stefan Boeri設(shè)計(jì)理念，“垂直森林”是在隨著全球化環(huán)境的變化，社會(huì)的環(huán)保意識(shí)在不斷增強(qiáng)，打造綠色建筑、構(gòu)筑生態(tài)城市，成為越來越多建筑思考與探索的方向[2]。垂直森林位于米蘭的Porta Nuova郊區(qū)，由兩座雙塔組成，分別為27和19層。塔樓將民居與植物、植物與建筑相結(jié)合，沿著外墻體、種下共800棵喬木、5000株灌木和1萬多株草本植物，成功的將自然元素融入到建筑結(jié)構(gòu)與景觀中。這相當(dāng)于1.1萬公頃的綠色植被。技術(shù)上使用鋼制籃將樹根球固定在混凝土結(jié)構(gòu)上作為保護(hù)，這個(gè)體系由兩根交叉的橫梁組成，并束縛在垂直框架的上部，這消除了樹根土球和草皮從盆子里傾覆出的可能性。整個(gè)建筑運(yùn)用諸多科技，如澆灌系統(tǒng)、太陽能電板等技術(shù)，除此之外建筑需要多方面的專家參與，包括植物學(xué)家、動(dòng)物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家等[3]。

2 垂直森林中的技術(shù)設(shè)備

2.1 樹木錨固系統(tǒng)

為垂直森林中高空生長的植物而設(shè)，是為保障居民和公共空間的使用者安全而做的專項(xiàng)研究成果。第一座垂直森林建于米蘭新門，其樹木錨固系統(tǒng)具有三重安全防護(hù)措施[4]。

臨時(shí)安全裝置：所有中型和大型植物的樹根土球被固定在種植盆中由管柱組成的水平框架上，種植盆上覆蓋草皮，草皮上面又用安全皮帶來固定。這樣可以防止樹干傾斜或樹木從草皮下，甚至從種植盆中翻出來。

基本固定裝置：通過3根彈性安全皮帶，所有中型和大型植物被固定在一個(gè)懸空的拉伸鋼索上。鋼索一端接在陽臺(tái)地坪上，一端接在上層陽臺(tái)板上。這樣可以預(yù)防植物在某些極端條件下傾覆或枝桿斷裂。安全皮帶可以根據(jù)樹木的生長情況定期調(diào)整。

保險(xiǎn)的安全裝置：樹木一旦遭遇極端惡劣的環(huán)境狀況，比如風(fēng)速超出了設(shè)計(jì)所允許的速度，那么還有一個(gè)鋼制籃將樹根固定在混凝土結(jié)構(gòu)上作為保護(hù)。這個(gè)體系由兩根交叉的橫梁組成，并束縛在垂直框架的上部，這消除了樹根土球和草皮從植物盆里傾覆的可能性。

2.2 可持續(xù)能源設(shè)備

垂直森林可以裝配屋頂?shù)娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)、屋頂以及立面上的光伏板，以及產(chǎn)生熱能的太陽能板。大樓里產(chǎn)生的污水在經(jīng)過過濾和凈化后，可用于灌溉植物。由每一層環(huán)繞種植的植物所形成的遮蔽和保護(hù)，可以顯著地減少空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的能源消耗。綜合這些因素，較之那些有著玻璃幕墻、需要大量能源來進(jìn)行夏季降溫和冬季避寒的居民樓，垂直森林系統(tǒng)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。因?yàn)閭鹘y(tǒng)玻璃幕墻建筑即使充分配備了可再生能源供應(yīng)系統(tǒng)，其能源的利用效率仍然不高。

在建筑中，屋頂被設(shè)計(jì)為一個(gè)具有獨(dú)特功能的大面積的公共區(qū)域，在此可以研究不同種類動(dòng)物的行為，實(shí)踐生物多樣性策略，安置能源環(huán)境的可持續(xù)性設(shè)備（風(fēng)力渦旋機(jī)和光伏板）[5]。在首個(gè)垂直森林，通風(fēng)管和屋頂通風(fēng)扇的上方設(shè)計(jì)了部分挑空的地面鋪裝和水池，這樣的設(shè)計(jì)可以在有限的基層厚度、零養(yǎng)護(hù)的條件下生長草本植物。沿著通風(fēng)管布置的水箱內(nèi)的礫石，可以使用較大粒子的基質(zhì)以及開花草本（野生植物屋頂）來替代。綠色屋頂?shù)拇嬖诮档土宋菝娴臏囟取?shí)際上，因?yàn)樘柲馨宓男茉诟邷丨h(huán)境下會(huì)降低，綠色屋面還有利于優(yōu)化太陽能板的效能產(chǎn)出。

2.3 智能灌溉系統(tǒng)

垂直森林首個(gè)使用了集中“智能”滴灌系統(tǒng)，根據(jù)植物有機(jī)體的需求、分布和定位設(shè)計(jì)。灌溉系統(tǒng)由中央控制計(jì)算機(jī)（將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析中心）、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（土壤水分濕度傳感器完成）、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、控制灌溉中心、灌溉設(shè)備（管道、蓄水池、閥門、電磁閥、滴灌等）[6]。灌溉系統(tǒng)有三點(diǎn)特點(diǎn)：一是智能灌溉系統(tǒng)采用計(jì)中央算機(jī)控制智能決策灌溉，二是智能灌溉系統(tǒng)，使用自由設(shè)定施肥時(shí)間和管道沖洗時(shí)間的先進(jìn)的水肥混合技術(shù)。三是不僅可以全自動(dòng)控制，還允許采用半自動(dòng)、手動(dòng)等控制方式，適應(yīng)多樣化的管理[7]。

灌溉系統(tǒng)有一個(gè)可以獨(dú)立管理一小組種植盆的設(shè)備，這樣可以根據(jù)這組植物的實(shí)際需求來調(diào)整耗水量。每一株植物因?yàn)楣庹諚l件和生長高度的不同，其需水量也會(huì)有明顯差異[8]。一系列由電腦設(shè)備遠(yuǎn)程控制的探測器被用來監(jiān)控植物的濕度。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，供水系統(tǒng)可以靈活地開關(guān)。系統(tǒng)的故障也可以通過感應(yīng)器探測出來。灌溉用水并非飲用水，而是將其他用水循環(huán)利用，如空調(diào)系統(tǒng)余水、地下水或廢水。養(yǎng)護(hù)采用集中式管理，由一個(gè)獨(dú)立的模塊根據(jù)5 年計(jì)劃來運(yùn)行這個(gè)系統(tǒng)。

3 實(shí)施中的主要技術(shù)問題

確保垂直森林生態(tài)系統(tǒng)順利運(yùn)行；在實(shí)施過程中，面臨土壤、結(jié)構(gòu)、植物、維護(hù)四個(gè)方面的技術(shù)問題。需要考慮保證樹在不同的高度、濕度、日照下,獲得連續(xù)的、有效旳灌溉[9]；考慮避免樹木不被私人住戶破壞以及高空墜落。在整個(gè)設(shè)計(jì)中花費(fèi)了大量時(shí)間咨詢了植物學(xué)家、動(dòng)物學(xué)家、園藝師等，為了確保結(jié)構(gòu)能夠承受植物施加的負(fù)荷，并進(jìn)行了風(fēng)洞測試，確保樹木不會(huì)因狂風(fēng)而倒塌[10]。

3.1 土壤

垂直森林土壤的研制為廣泛的技術(shù)和設(shè)計(jì)革新提供了機(jī)遇，其中特別關(guān)注什么樣的土壤才能滿足植物生長所需。由于種植盆與陽臺(tái)的懸挑部分的重量，設(shè)計(jì)人員有必要尋找一種可以最小化負(fù)載的建筑方案，因此，必須考慮承載負(fù)荷的結(jié)構(gòu)尺寸[11]。為此，相關(guān)人員配制出了一種重量輕，卻可以滿足植物營養(yǎng)需求的特定土壤。它是由有機(jī)和無機(jī)材料組成的混合物，排水性強(qiáng)且肥料豐富。種植盆的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，已經(jīng)考慮到種植盆的容積受荷載的限制，同時(shí)確保能為植物提供最佳的生長條件。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以歸納為一個(gè)簡潔的數(shù)據(jù)：能容納1m厚的栽培基質(zhì)。

3.2 結(jié)構(gòu)

首個(gè)垂直森林的兩棟大樓的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，樓板地面為后張混凝土。后張技術(shù)用于限制同等重量下的平板厚度，由此限制了施工過程中水泥的使用量。于傳統(tǒng)建筑立面截然相反，垂直森林的立面并不是單純地將室內(nèi)室外分開的二維元素，而是一個(gè)三維的復(fù)雜體系，其高度和寬度，都是與植物生長深度結(jié)合?，F(xiàn)實(shí)建筑立面上的垂直森林是由空心磚的墻面構(gòu)成，疊加了帶保暖纖維的絕熱層，然后外涂層由金屬支撐，陶瓷板之后還能通風(fēng)。立面的最外層是由植物構(gòu)成，這些植物被當(dāng)成天然的過濾器，同時(shí)可以為室內(nèi)提供有益的小氣候環(huán)境。地基，與標(biāo)準(zhǔn)的建筑相比，并不存在任何結(jié)構(gòu)差異[12]。奧雅納公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使最大內(nèi)部跨度可以達(dá)到10m空間，陽臺(tái)出挑約3.25m，此外拐彎處的露天可以出挑6m。陽臺(tái)邊緣的種植盆對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)形成較大的結(jié)構(gòu)負(fù)荷。如果種植盆種植植物高度為3m，結(jié)構(gòu)負(fù)載則為11kN/m;如果種植植物高 6m，結(jié)構(gòu)負(fù)載為13kN/m。建筑還考慮到了樹木重量。隨著生長，預(yù)計(jì)最大6m高的樹在不計(jì)算草坪或土壤重量的條件下，它的重量可以翻倍；種植時(shí)，最大樹木的重量為 300kg，那么其存活期最大的重量為 600kg[13]。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)所選植物還進(jìn)行了幾何空間研究，據(jù)此確定出樹干的設(shè)計(jì)高度、植物的重心位置以及空氣滲透性。

3.3 植物

垂直森林獨(dú)特的生長條件，使其對(duì)植物的選擇有特別要求。種植的所有大中型植物都綜合了審美標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)建筑不同，建筑外形除了取決與功能構(gòu)成、形態(tài)要求和技術(shù)規(guī)范這三個(gè)設(shè)計(jì)原則外，垂直森林的建筑外觀還與植物系統(tǒng)的安放設(shè)置要求密不可分，因而對(duì)植栽也有一套相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則[14]。在米蘭首個(gè)垂直森林中，植物的布局考慮到了它們對(duì)于陽光的要求，因此常綠植物位于西南方布置，落葉植物則種在東北方。此外，植物的生長高度與陽臺(tái)的設(shè)計(jì)和公寓使用舒適度被并置在一起進(jìn)行綜合考慮。

利用植物的觀賞性及形式感，通過將建筑整體立面和居住單元局部的立面綜合起來設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目逐步得以完善。植物的配置是由一組植物學(xué)家共同決定，耗時(shí)2年多來實(shí)施。植物的選擇基于兩個(gè)主要參數(shù)：一是每種植物的美學(xué)意義和物理性質(zhì)，尤其是植物生長高度與冠幅，另一個(gè)是植物在建筑立面的位置關(guān)系[15]。在垂直森林的種植盆項(xiàng)目中，在考慮到植物營養(yǎng)所需的參數(shù)并滿足澆灌要求的基礎(chǔ)上，種植盆大小是標(biāo)準(zhǔn)化的，使植物達(dá)到“垂直森林”種植生長要求。

3.4 維護(hù)

類似一個(gè)隨著時(shí)間進(jìn)化的“活”系統(tǒng)，垂直森林非常強(qiáng)調(diào)對(duì)綠色植物的維護(hù)計(jì)劃，對(duì)綠色植物的控制深入至微。米蘭首個(gè)垂直森林中的植栽，都得到各種定期照料（修剪、施肥、植物保護(hù)監(jiān)控與錨固系統(tǒng)等），由新門地產(chǎn)直接統(tǒng)籌委托給專業(yè)公司管理。檢查喬灌木健康情況、場地條件、植物根系抽檢等工作都由專業(yè)的機(jī)械團(tuán)隊(duì)、專業(yè)的植物養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊(duì)和農(nóng)學(xué)家負(fù)責(zé)。隨著季節(jié)變化和需要，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的專家和技術(shù)人員構(gòu)成也會(huì)發(fā)生變化。所有操作都是在陽臺(tái)內(nèi)外同步進(jìn)行。陽臺(tái)外的操作通過具有特殊用途的吊籃輔助進(jìn)行，吊籃由兩個(gè)放置在大樓頂部的固定懸臂吊車支撐。陽臺(tái)內(nèi)的維護(hù)項(xiàng)目包括兩位專業(yè)人員進(jìn)入公寓，提供每年兩次的植物外形修剪，及每年兩次或四次的養(yǎng)護(hù)操作[16]。

4 垂直森林的當(dāng)代價(jià)值

垂直森林的當(dāng)代價(jià)值：一是當(dāng)代城市中的環(huán)境生存項(xiàng)目，推動(dòng)城市中的建筑與自然共生的儀器，它是復(fù)雜的城市生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)新；二是倍增了城市中的樹木，如果350顆樹可以造就1hm2的森林，那么種植超過700顆樹的垂直森林的綠量相當(dāng)于2hm2的森林和林下植被；三是樹木與人類共同居住的塔樓，在建成的環(huán)境中設(shè)置了人與樹之間的生存標(biāo)準(zhǔn)，為每個(gè)人對(duì)應(yīng)種植2顆大喬木、8顆大灌木和40顆小灌木 ；四是反城市蔓延的設(shè)備，構(gòu)建另一種城市環(huán)境，貼近樹木以及其他植物；五是凈化了城市的礦物質(zhì)表面，增加了城市中綠化和滲透面，同時(shí)減少由玻璃立面反射日光造成的熱島效應(yīng)[17]；六是降低了城市環(huán)境中的污染，垂直森林中的植物被設(shè)計(jì)定義為持續(xù)的綠色凈化器，能夠產(chǎn)生氧氣，吸收二氧化碳，并在陽臺(tái)上制造一層隔離噪聲與污染的屏障；七是減少了能源消耗，屋頂?shù)奶柲馨褰o水汞供電，水汞抽取地表水，灌溉每個(gè)種植池中的植物，植物作為過濾器，可以保證室內(nèi)溫度比室外少3℃；八是城市生物多樣性的放大器，容納約100種不同植物品種；九是一個(gè)不斷變化的城市地標(biāo)，因陽臺(tái)中有不同植物種類，垂直森林一直改變著它的外表和顏色，隨季節(jié)與天氣的變化而變幻；十是一個(gè)活的生態(tài)系統(tǒng)，位于不同高度的喬木、灌木和地被植物的樹葉將垂直森林的立面變幻成了潛在的垂直生態(tài)走廊[18]。