从技术运用角度解析“垂直森林”中立体绿化建设

徐明月 刘 运

中国矿业大学 江苏 徐州 221000

面对全球化可持续发展的背景下，绿色建筑设计理念在当今社会资源耗能严重、环境问题严峻的背景下逐渐被人们重视。近些年，“绿色至上”这个主题经常被建筑界被提及。关于绿色建筑的定义在《绿色建筑评价标准》有两点被广泛认同：一是保护环境，提倡垃圾和废物回收循环利用，减少对环境产生的污染和破坏；二是节约资源，减少能源的使用[1]。

1 “垂直森林”概述及内涵

在绿色建筑的热潮下，Stefan Boeri工作室在此背景下，设计了意大利米兰两座名为Bosco Verticale的建筑。这是世界首列将景观与建筑结合起来的绿色建筑，在意大利语中有垂直森林的意思，顾名思义一座城市中的森林。按照Stefan Boeri设计理念，“垂直森林”是在随着全球化环境的变化，社会的环保意识在不断增强，打造绿色建筑、构筑生态城市，成为越来越多建筑思考与探索的方向[2]。垂直森林位于米兰的Porta Nuova郊区，由两座双塔组成，分别为27和19层。塔楼将民居与植物、植物与建筑相结合，沿着外墙体、种下共800棵乔木、5000株灌木和1万多株草本植物，成功的将自然元素融入到建筑结构与景观中。这相当于1.1万公顷的绿色植被。技术上使用钢制篮将树根球固定在混凝土结构上作为保护，这个体系由两根交叉的横梁组成，并束缚在垂直框架的上部，这消除了树根土球和草皮从盆子里倾覆出的可能性。整个建筑运用诸多科技，如浇灌系统、太阳能电板等技术，除此之外建筑需要多方面的专家参与，包括植物学家、动物学家、生态学家等[3]。

2 垂直森林中的技术设备

2.1 树木锚固系统

为垂直森林中高空生长的植物而设，是为保障居民和公共空间的使用者安全而做的专项研究成果。第一座垂直森林建于米兰新门，其树木锚固系统具有三重安全防护措施[4]。

临时安全装置：所有中型和大型植物的树根土球被固定在种植盆中由管柱组成的水平框架上，种植盆上覆盖草皮，草皮上面又用安全皮带来固定。这样可以防止树干倾斜或树木从草皮下，甚至从种植盆中翻出来。

基本固定装置：通过3根弹性安全皮带，所有中型和大型植物被固定在一个悬空的拉伸钢索上。钢索一端接在阳台地坪上，一端接在上层阳台板上。这样可以预防植物在某些极端条件下倾覆或枝杆断裂。安全皮带可以根据树木的生长情况定期调整。

保险的安全装置：树木一旦遭遇极端恶劣的环境状况，比如风速超出了设计所允许的速度，那么还有一个钢制篮将树根固定在混凝土结构上作为保护。这个体系由两根交叉的横梁组成，并束缚在垂直框架的上部，这消除了树根土球和草皮从植物盆里倾覆的可能性。

2.2 可持续能源设备

垂直森林可以装配屋顶的风力发电机、屋顶以及立面上的光伏板，以及产生热能的太阳能板。大楼里产生的污水在经过过滤和净化后，可用于灌溉植物。由每一层环绕种植的植物所形成的遮蔽和保护，可以显著地减少空调系统所产生的能源消耗。综合这些因素，较之那些有着玻璃幕墙、需要大量能源来进行夏季降温和冬季避寒的居民楼，垂直森林系统是个不错的选择。因为传统玻璃幕墙建筑即使充分配备了可再生能源供应系统，其能源的利用效率仍然不高。

在建筑中，屋顶被设计为一个具有独特功能的大面积的公共区域，在此可以研究不同种类动物的行为，实践生物多样性策略，安置能源环境的可持续性设备（风力涡旋机和光伏板）[5]。在首个垂直森林，通风管和屋顶通风扇的上方设计了部分挑空的地面铺装和水池，这样的设计可以在有限的基层厚度、零养护的条件下生长草本植物。沿着通风管布置的水箱内的砾石，可以使用较大粒子的基质以及开花草本（野生植物屋顶）来替代。绿色屋顶的存在降低了屋面的温度、实际上，因为太阳能板的效能在高温环境下会降低，绿色屋面还有利于优化太阳能板的效能产出。

2.3 智能灌溉系统

垂直森林首个使用了集中“智能”滴灌系统，根据植物有机体的需求、分布和定位设计。灌溉系统由中央控制计算机（将相关数据传输到中央计算机数据分析中心）、 数据采集系统（土壤水分湿度传感器完成）、 数据存储中心、控制灌溉中心、灌溉设备（管道、蓄水池、阀门、电磁阀、滴灌等）[6]。灌溉系统有三点特点：一是智能灌溉系统采用计中央算机控制智能决策灌溉，二是智能灌溉系统，使用自由设定施肥时间和管道冲洗时间的先进的水肥混合技术。三是不仅可以全自动控制，还允许采用半自动、手动等控制方式，适应多样化的管理[7]。

灌溉系统有一个可以独立管理一小组种植盆的设备，这样可以根据这组植物的实际需求来调整耗水量。每一株植物因为光照条件和生长高度的不同，其需水量也会有明显差异[8]。一系列由电脑设备远程控制的探测器被用来监控植物的湿度。根据收集到的数据，供水系统可以灵活地开关。系统的故障也可以通过感应器探测出来。灌溉用水并非饮用水，而是将其他用水循环利用，如空调系统余水、地下水或废水。养护采用集中式管理，由一个独立的模块根据5 年计划来运行这个系统。

3 实施中的主要技术问题

确保垂直森林生态系统顺利运行；在实施过程中，面临土壤、结构、植物、维护四个方面的技术问题。需要考虑保证树在不同的高度、湿度、日照下,获得连续的、有效旳灌溉[9]；考虑避免树木不被私人住户破坏以及高空坠落。在整个设计中花费了大量时间咨询了植物学家、动物学家、园艺师等，为了确保结构能够承受植物施加的负荷，并进行了风洞测试，确保树木不会因狂风而倒塌[10]。

3.1 土壤

垂直森林土壤的研制为广泛的技术和设计革新提供了机遇，其中特别关注什么样的土壤才能满足植物生长所需。由于种植盆与阳台的悬挑部分的重量，设计人员有必要寻找一种可以最小化负载的建筑方案，因此，必须考虑承载负荷的结构尺寸[11]。为此，相关人员配制出了一种重量轻，却可以满足植物营养需求的特定土壤。它是由有机和无机材料组成的混合物，排水性强且肥料丰富。种植盆的标准尺寸，已经考虑到种植盆的容积受荷载的限制，同时确保能为植物提供最佳的生长条件。这个标准可以归纳为一个简洁的数据：能容纳1m厚的栽培基质。

3.2 结构

首个垂直森林的两栋大楼的结构为钢筋混凝土框架，楼板地面为后张混凝土。后张技术用于限制同等重量下的平板厚度，由此限制了施工过程中水泥的使用量。于传统建筑立面截然相反，垂直森林的立面并不是单纯地将室内室外分开的二维元素，而是一个三维的复杂体系，其高度和宽度，都是与植物生长深度结合。现实建筑立面上的垂直森林是由空心砖的墙面构成，叠加了带保暖纤维的绝热层，然后外涂层由金属支撑，陶瓷板之后还能通风。立面的最外层是由植物构成，这些植物被当成天然的过滤器，同时可以为室内提供有益的小气候环境。地基，与标准的建筑相比，并不存在任何结构差异[12]。奥雅纳公司的结构设计使最大内部跨度可以达到10m空间，阳台出挑约3.25m，此外拐弯处的露天可以出挑6m。阳台边缘的种植盆对这个设计形成较大的结构负荷。如果种植盆种植植物高度为3m，结构负载则为11kN/m;如果种植植物高 6m，结构负载为13kN/m。建筑还考虑到了树木重量。随着生长，预计最大6m高的树在不计算草坪或土壤重量的条件下，它的重量可以翻倍；种植时，最大树木的重量为 300kg，那么其存活期最大的重量为 600kg[13]。在设计阶段，对所选植物还进行了几何空间研究，据此确定出树干的设计高度、植物的重心位置以及空气渗透性。

3.3 植物

垂直森林独特的生长条件，使其对植物的选择有特别要求。种植的所有大中型植物都综合了审美标准和技术标准。与传统建筑不同，建筑外形除了取决与功能构成、形态要求和技术规范这三个设计原则外，垂直森林的建筑外观还与植物系统的安放设置要求密不可分，因而对植栽也有一套相应的设计原则[14]。在米兰首个垂直森林中，植物的布局考虑到了它们对于阳光的要求，因此常绿植物位于西南方布置，落叶植物则种在东北方。此外，植物的生长高度与阳台的设计和公寓使用舒适度被并置在一起进行综合考虑。

利用植物的观赏性及形式感，通过将建筑整体立面和居住单元局部的立面综合起来设计，该项目逐步得以完善。植物的配置是由一组植物学家共同决定，耗时2年多来实施。植物的选择基于两个主要参数：一是每种植物的美学意义和物理性质，尤其是植物生长高度与冠幅，另一个是植物在建筑立面的位置关系[15]。在垂直森林的种植盆项目中，在考虑到植物营养所需的参数并满足浇灌要求的基础上，种植盆大小是标准化的，使植物达到“垂直森林”种植生长要求。

3.4 维护

类似一个随着时间进化的“活”系统，垂直森林非常强调对绿色植物的维护计划，对绿色植物的控制深入至微。米兰首个垂直森林中的植栽，都得到各种定期照料（修剪、施肥、植物保护监控与锚固系统等），由新门地产直接统筹委托给专业公司管理。检查乔灌木健康情况、场地条件、植物根系抽检等工作都由专业的机械团队、专业的植物养护团队和农学家负责。随着季节变化和需要，这个团队的专家和技术人员构成也会发生变化。所有操作都是在阳台内外同步进行。阳台外的操作通过具有特殊用途的吊篮辅助进行，吊篮由两个放置在大楼顶部的固定悬臂吊车支撑。阳台内的维护项目包括两位专业人员进入公寓，提供每年两次的植物外形修剪，及每年两次或四次的养护操作[16]。

4 垂直森林的当代价值

垂直森林的当代价值：一是当代城市中的环境生存项目，推动城市中的建筑与自然共生的仪器，它是复杂的城市生态系统的创新；二是倍增了城市中的树木，如果350颗树可以造就1hm2的森林，那么种植超过700颗树的垂直森林的绿量相当于2hm2的森林和林下植被；三是树木与人类共同居住的塔楼，在建成的环境中设置了人与树之间的生存标准，为每个人对应种植2颗大乔木、8颗大灌木和40颗小灌木 ；四是反城市蔓延的设备，构建另一种城市环境，贴近树木以及其他植物；五是净化了城市的矿物质表面，增加了城市中绿化和渗透面，同时减少由玻璃立面反射日光造成的热岛效应[17]；六是降低了城市环境中的污染，垂直森林中的植物被设计定义为持续的绿色净化器，能够产生氧气，吸收二氧化碳，并在阳台上制造一层隔离噪声与污染的屏障；七是减少了能源消耗，屋顶的太阳能板给水汞供电，水汞抽取地表水，灌溉每个种植池中的植物，植物作为过滤器，可以保证室内温度比室外少3℃；八是城市生物多样性的放大器，容纳约100种不同植物品种；九是一个不断变化的城市地标，因阳台中有不同植物种类，垂直森林一直改变着它的外表和颜色，随季节与天气的变化而变幻；十是一个活的生态系统，位于不同高度的乔木、灌木和地被植物的树叶将垂直森林的立面变幻成了潜在的垂直生态走廊[18]。