循环代谢的可移动生态建筑——RTKL事务所“闭环温室（The Looper）”方案解析

刘长安董芷含

1 背景介绍

当前，随着城市化进程加快，环境污染、资源浪费、能源短缺等问题层出不穷，其中城市线性代谢现象是长期被人们所忽略的问题[1]。“代谢交换”广泛存在于人类与地球之间，这也是人与自然之间沟通的基本手段，包括自然生态系统中植物生长所需要的氮、磷、钾等养分元素的不断循环。然而工业文明的进步，使原本“农田—城市—农田”的养分循环被打断，导致大量来自土壤的养分无法回归。长此以往，土壤的养分补充只能依靠耗费额外的能量和资源所制造的化学肥料，不但浪费了资源，也破坏了自然生态系统[2]。这就是早在19世纪中后期，马克思在其后期理论中指出的由于人类对利益的追求而在人类生产与自然条件之间出现的“代谢断层”（metabolic rift）现象[3]。

“代谢”（Metabolism）源于生物学中的“新陈代谢”概念，指的是生物体与外界环境之间的物质与能量交换以及生物体内部物质与能量的转变过程[4]。1965年，沃尔曼（Abel Wolman）将城市生态系统与生物学的自然生态系统进行类比，最早提出“城市代谢”（Urban Metabolism）这一概念[5]，此后吉拉尔代特（Girardet）[6]、巴齐尼（Baccini）[7]等人对该领域进行了拓展，肯尼迪（Kenedy）认为城市代谢是“为实现能源增长、生产，以及废弃物消除，而在城市中发生的技术和社会经济过程的总和”[8]。1990年以来，“城市代谢”逐渐成为城市生态学和其他交叉学科进行生态城市研究的又一切入点[9]，目的是实现健康的城市循环代谢，维持生态系统的稳定。

循环代谢使城市中的有机废弃物分解并重回农田，弥补“代谢断层”所带来的养分失衡，减少由于人类工业文明发展所带来的不利影响。然而，目前的理论大多以改善生态环境为基础，侧重突破传统的城市发展模式、促进城市层面的可持续发展研究，对建筑本体这一构成城市整体的重要微观要素考虑较少。在建筑领域，生态和绿色设计已经成为共识，但通常做法是以实现建筑自身的生态节能为目标，多关注建筑的保温、隔热、减排等技术措施，回避或忽视建筑对外部环境所带来的生态优化、废物消纳等“外在”问题，更少见到以优化城市代谢为目标的建筑案例。

因此，面对日益严峻的线性代谢危机，少数富有前瞻性的建筑师试图从建筑与环境的互动关系出发去思考和解决问题，带来具有启发性的前沿实践。美国RTKL事务所设计的“闭环温室”（The Looper）就是一个着眼于物质循环和生态修复，综合运用多种技术手段推动建筑和环境同步可持续发展、保护生态环境的典型案例。

2 “闭环温室”概述

“闭环温室”是R T K L 事务所参加snoLEAF温室创意大赛①的作品（图1）。大赛要求参赛作品在促进西北太平洋斯诺霍米什（Snohomish）地区新鲜农产品发展的同时满足“生态建筑挑战标准”②的要求。因此，“闭环温室”选址于与美国华盛顿州西北海岸的普吉特海湾（Puget Sound）连通的斯诺霍米什河（Snohomish River）上。方案突破了传统的温室模式，并将可持续理念贯穿其中，制定了包括建筑设计、材料、生态系统、物质流动等在内的一系列策略，推动资源最大化循环利用；充分利用当地要素，保护生态环境和生物多样性，以提高社区的生活质量。

图1 “闭环温室”效果图

“闭环温室”的基本原理源自设计团队对于陶德（John Todd）“生活机器”（Living Machine）③作用机理的理解，进而提出植物生长从本质上清洁生态系统的理念，通过建筑改造、作物种植以及水循环、能量循环和养分循环的综合利用达到改善生态、净化环境的目的。

方案将现有小型河驳船改造为内置“生活机器”的可移动温室，将收集的河水进行过滤后输送至“鱼菜共生”水培系统中，为植物和鱼的生长提供必要的养分。温室通过收集、使用、过滤并将清洁后的水排至河中形成循环，其可移动性可以使温室往返于诺霍米什地区和埃弗利特（Everett）地区，改善该区域的河水和栖息地现状，向周边社区展示物质循环和农业种植过程，并为居民提供新鲜农产品（图2）。

图2 温室的航线

3 “闭环温室”解析

“闭环温室”主要由建筑系统和循环系统组成，二者密切结合，互为依存。建筑系统为循环系统提供空间载体，循环系统则体现了“闭环温室”这一前卫建筑的最主要特征。

3.1 建筑系统

设计团队通过结构、表皮以及空间的改造设计，使即将废弃的驳船得到重新利用。考虑到船体自身的特点，设计团队保留了原本驳船结构，并在屋顶加入了水平风力涡轮机、斜肋、支撑结构以及用于包裹内部空间的表皮等（图3）。温室外表皮由位于船体内部张拉钢索上方的乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）气枕膜结构组成，具有可操作性强、动态化、高效模块化、自重轻及可回收等优势。

图3 驳船的结构改造

温室入口位于船体的两个短边处，分别服务于工作人员和参观者。建筑内部被楼梯分隔成三层空间。负一层为设备层，局部借由贯通一层甲板来放置养鱼池等大型设施；一层设置包含会议室、教室在内的办公区，以及作物种植、收集、鱼类养殖、废弃物处理等在内的公共开放区；二层是水培床、集装箱种植等集中种植区。通过部分通高空间连通的一层和二层，不但满足了不同功能的需求，也为参观者营造出多变的空间体验（图4～5）。

图4 船体空间改造

图5 船体通高空间

3.2 循环系统

“闭环温室”的物质循环系统包括能量、水以及养分循环系统，三者相互结合、相互作用，共同维持系统的正常运行。

（1）能量循环

“闭环温室”优先考虑了“生态建筑挑战标准”影响下的能量优化，其能量循环系统主要包括温室外部的太阳能最大化利用以及温室内部的能量循环两方面。

日照是温室内植物生长的必备要素。在形体设计上，方案依托典型的温室形状对船体的形态、大小、截面和结构进行优化，使其能够更好地适应当地的气候。设计团队通过太阳高度角和驳船平均航向角的分析分阶段地对船体进行改造，通过调整屋顶坡度、规划航向、弯曲屋顶、减少多余面积、增加外部结构等方式来支持可持续的被动系统，后续利用软件对其进行测试，以达到能量获取的最大化（图6～8）。

图6 温室形体生成图

图7 驳船航行的平均角度

图8 软件测试

设计团队还对温室内部系统进行优化以降低能耗。通过高性能的气枕表皮、铺设保温毯、辐射加热等方式来消除夜间的热损失，减少温室的加热负荷；通过优化太阳能获取方式以及优先选择需要较低照明水平的本地植物，将照明负荷被动地降至最低，而高效的LED灯和屋顶的水平风力涡轮机也能够为植物提供照明。此外，船停靠的码头配备水下潮汐流涡轮机，可为温室充电，也可将多余的能量通过码头输送到社区电网中。

“闭环温室”对空调、通风和供暖系统进行了进一步的设计优化。水泵将冷水从河底抽出并输送至温室的管道中来冷却室内空气并排出热空气，此后水排回河中完成冷却的过程；空气在温室内部循环后从屋顶板排出；窗户也可使室内自然交叉通风，进一步提高通风效果（图9）。温室的供暖系统主要是对于太阳热能的最大化收集和利用，包括太阳能得热和集热、热风循环、混凝土地板和北墙蓄热、产热长灯供热、保温毯保温以及直流电加热器补充热量等措施（图10）。

图9 空调通风系统

图10 加热系统

在能量循环过程中，设计团队通过综合利用可持续技术达到能量的最大利用及最小消耗，而多余的能量能够为周边社区供能。经计算，“闭环温室”所消耗的能量与传统温室相比，照明、空调、供暖能耗分别减少90%、87%、39%，总能耗降低了85%[10]（图11）。

图11 能量消耗对比图

（2）水循环

水循环主要包括河水循环和雨水循环，河水和雨水经“生活机器”过滤返回河中或进入“鱼菜共生”系统，在温室供水、社区教育、修复周边生态等方面发挥着重要作用。

河水循环分为三个阶段：第一阶段在封闭的厌氧化粪池和厌氧反应器中进行，经沉淀、分解后，灰水被输送至模拟植物根系的过滤装置中，使之达到三级标准；第二阶段，通过模拟具有不同深度的自然清洁系统、微生物群、植物群和动物群的特性来处理水，将其排放在“水平流湿地”（Horizontal flow wetlands）中；第三阶段，水可以排回河中或进入“鱼菜共生”圈，完成河水循环的整个过程（图12～14）。

图12 河水循环示意图

图13 “生活机器”图

图14 河水循环流程图

雨水循环通过温室外部的管道和重力收集雨水径流、雾和冷凝水，收集的雨水输送至温室内的储水罐中，通过砂过滤装置过滤，随后泵送至甲板上方的储水箱中储存，用作卫生间冲洗或者植物灌溉（图15）。

图15 雨水循环流程图

（3）养分循环

养分循环系统主要指温室种植和“鱼菜共生”系统，通过消纳有机废物，为居民提供新鲜的蔬菜和鱼类，进而减少食物里程，保障食品的安全性。

在“鱼菜共生”系统中，鱼的排泄物在水中溶解产生的养分被植物根系直接吸收，过滤后的水返回养鱼池中再循环，在植物的生长周期结束后，水经“生活机器”循环排入河中。养鱼池中主要饲养罗非鱼和受威胁的本地物种，鱼类生长所需要的营养可以从温室垃圾和昆虫中获取。

温室种植促进“鱼菜共生”系统的良性运转，在养分循环中具有重要的作用。种植系统通过水培和土壤种植技术相结合的方式运行。作物生长在无土水培床上，采用涨落式水培系统进行生产，待根系成熟后被移植到土壤中，而种植产生的秸秆、废物以及社区堆肥等为土壤提供更多的养分。“闭环温室”优先考虑需要较低光照水平的本地植物，提出了“蔬菜生产四重计划”，制定的生产日程表使植物种植能够最大限度地利用太阳能和气候条件，将能源消耗保持在最低水平。

3.3 “闭环”的温室

“闭环温室”遵循“生态建筑挑战标准”，以实现对环境的零影响。“闭环”意味着“闭合循环”，通过能量、水以及养分等循环来弥补线性代谢所带来的一系列不足。流动的温室建立并加强了社区之间的联系，将新鲜的农产品运送到沿途的市场和社区，为周边学校和社区提供生态循环和农业种植的体验和教育场所。“闭环温室”还可以使人们参与其中，增加植物种植、鱼类饲养和与“生活机器”互动的实际经验，了解物质循环能够改善环境健康的作用机理，使生态可持续的理念全方位融入社区生活。

结语

“闭环温室”打破了传统的建筑思维，创建了全新的温室形式，通过构建建筑内部的物质循环系统最大程度地节约资源、保护环境、维持生态系统稳定，可为我国城乡人居可持续发展带来启示。

（1）建筑可以成为环境的净化者

当前多数生态建筑自身仍是废弃物的排放者或者很少从净化环境出发考虑问题。而“闭环温室”提供了另外的思路，它对船体进行适应性改造、最大化地利用固有资源，通过建立物质循环系统有效缓解了资源浪费、环境污染等问题，使得建筑成为外部环境的净化者，帮助消纳人类活动带来的废弃物，并使之重新回到城市代谢循环中。

（2）从整个建成环境出发统筹考虑生态问题

建筑和环境之间有着复杂关联，是一个物质基本守恒的复杂系统，而所谓的废弃物和资源往往因所处位置不同而转化。因此，生态问题不能只囿于建筑自身，而是应该从整个建成环境出发统筹考虑、协同作用，这样才能更快、更好地推动人居环境的生态可持续发展。

（3）循环代谢是同等重要的生态评价指标

当前的生态理念主要是“减排”，即提高材料热工性能、减少建筑自身的能耗和废弃物排放。然而从“闭环温室”可以看出，养分、能量和水分等物质的循环代谢不但能够实现建筑自身的生态性，还可以同步推动整个建成环境的可持续发展，因而同样是值得考量的生态评价指标。正如麦克威尔（Mcconville）所言，考虑到物质代谢重要性，在制定任何尺度的城市空间规划设计策略时，都需要将物质代谢和再利用问题考虑在内[11]。

资料来源：

图1：bryantyeedesign.com；

文中其余图片均改绘自Bryant Yee Design。

注释

① snoLEAF是卡斯卡迪亚绿色建筑委员会（Cascadia Green Building Council）主办的竞赛，卡斯卡迪亚绿色建筑委员会（Cascadia Green Building Council）是一个跨国协会，在北美和加拿大地区的绿色建筑发展中起到重要作用。

② “生态建筑挑战标准”由卡斯卡迪亚绿色建筑委员会（Cascadia Green Building Council）制定，被广泛地认为是世界上最严格的绿色建筑评估标准，包括场地、水、能源、健康、材料、公平和美观七部分。

③ “生活机器”是一种生态工程污水处理系统，即通过藻类、微生物和鱼类等在储水罐中构成微型生态系统，从而净化污水、消解有机废物。