基于文献计量学的亲生物设计研究进展

胡振宇,李子秀,彭立华,杨琳卓

南京工业大学建筑学院,南京 211816

“亲生物设计”源于“亲生物性”。“亲生物性”一词由美籍德裔心理学家、哲学家埃里克·弗洛姆(Erich Fromm)在1964年首次提出,但真正推广这个概念的是美国哈佛大学的社会生物学家爱德华·威尔逊(Edward O. Wilson)教授。1984年,他在其著作《Biophilia》(亲生物性)中将亲生物性定义为“人类对其他生物体的天生情感归属,天性意味着遗传性,因此,亲生物性从根本上而言是人性的一部分”[1]。早期对亲生物性的研究主要来自于生物学、生态学等学科,重点关注对自然现状的保护。以后,随着亲生物性的各种益处逐渐被科学证据所证实,例如,提高认知能力、促进正面情感反应和情感功能、培养创造力、提高生产力和减轻压力等,亲生物性才逐渐开始被人居环境领域所重视。2006年春,美国耶鲁大学的史蒂芬·科勒特(Stephen R. Kellert)教授主持召开了一次会议,来自绿色设计领域的专家和工程师汇聚一堂,展开学术研讨,将亲生物性正式引入环境设计领域[2]。会后,2008年,史蒂芬·科勒特、朱迪思·赫尔维格(Judith Heerwegen)、马蒂·马德(Marty Mador)等人出版了专著《Biophilic design:the theory, science and practice of bringing buildings to life》(亲生物设计:将建筑赋予生命的理论、科学和实践),在此书中,“亲生物设计(Biophilic design)被界定为通过对自然的重现、利用、模拟和提取等手段,创造能够支持和复兴人类亲生物天性的人工环境”[3],由此正式确立了“亲生物设计”的定义。从规划和设计的角度来看,所谓亲生物设计,实际上是整合自然元素,以便在建筑和城市中创造亲生物性或亲生物感。2010年后,亲生物设计逐渐由建筑维度拓展到城市维度和景观维度。在学界通过多学科展开理论和方法研究的同时,美国、英国、加拿大、丹麦、瑞典、挪威、日本、新加坡、澳大利亚、新西兰等国也在工程实践中进行了诸多探索。在亲生物设计的发展过程中,不可避免地需要与可持续设计、绿色设计和低影响开发等理念进行区分。以上几种理念更多地关注节能和降低碳排放,实际上,亲生物设计的内涵也包含有以上理念,但更加关注生境与物种保护、人在自然中的体验、人工环境与自然环境的共生等。许多研究证明,亲生物设计将自然元素和生态模式运用到建筑或环境中,增强视觉、嗅觉和听觉等多重感官刺激,能对人们起到舒缓紧张情绪,助益身心健康，提高工作效率的作用[3]。

第七次全国人口普查公报数据显示,截至2020年11月1日,我国居住在城镇的人口占全国人口的63.89%。伴随着城市化水平的提高,人们在享受现代物质手段和科学技术带来的种种便利的同时,却发现自己与大自然日益疏离,成为人工环境中的孤独生物,身心健康和人格发育在不同程度上存在问题。生物多样性是动物、植物、微生物及其生存的环境所构成的复杂生态系统[4],保护生物多样性对城市的绿色发展、健康发展具有重要的战略意义。目前,我国的城市在规划建设与保护自然环境相结合、与保护生物多样性相结合等方面还较为滞后,有许多难题需要破解。而近年来逐渐兴起的亲生物设计的理念,为我们提供了一种新的研究视角,因为亲生物设计是连接自然环境保护和建筑亲生物感的桥梁,本质上是要打破人工环境与自然环境的原有边界,使两者共生共融,以恢复、保持和提高我们与自然界在生理、心理和情感上的联系,在提高人们健康水平、改善人居环境质量和促进经济发展方面发挥重要作用(图1)。国内目前在亲生物设计领域的研究和实践还处于起步阶段,与亲生物设计直接相关的文献较少,研究的视野不够开阔,研究的范围较窄,研究的深度亦不足,因此,本文基于文献计量的方法,收集、检索和甄别相关文献,探究亲生物设计的发展状态和研究热点,可为国内的亲生物设计研究和相关实践提供参考,具有学术价值和现实意义。

图1 传统设计与亲生物设计不同视角下的建筑与环境的关系Fig.1 Relationship between architecture and environment under traditional design and biophilic design

1 研究方法

1.1 数据来源

近年来,文献计量学已经成为各学术领域研究学科进展的一个重要手段,即用统计学和数学的方法研究某一学科在一段时间内的发展脉络和状况,即一个学科的发展状况、进展和趋势可以通过一段时间内的文献检索与统计数据来反映[5]。

本文应用文献计量学的方法,对美国的Web of Science(WOS)核心数据库和中国的中国知网(CNKI)数据库内有关亲生物设计的相关文献进行了检索和定量分析。在WOS核心数据库中分别以“Biophilic design”、“Biophilic city”、“Biophilia”和“Biological affinity”为主题词进行检索。在中文主题词检索时,需要指出的是,“Biophilia”的原意是亲近生物的、迷恋生物的,它的中文释义是热爱生命(或自然)的本性,直译成中文就是“亲生物性”,但也经常被译为“亲自然性”、“生物亲和性”；“Biophilic design”直译成中文就是“亲生物设计”,但也经常被译为“亲自然设计”、“生物友好型设计”等。实际上,目前国内学界对亲生物设计领域的相关名词尚无统一的或权威的译法。因此,在CNKI数据库中,与Biophilic design、Biophilic city、Biophilia、Biological affinity相对应,以“亲生物设计”、“亲自然设计”、“亲生物城市”、“亲自然城市”、“亲生物性”、 “亲自然性”、“生物亲和”和“生物友好型”为主题词进行较大范围的检索,并对检索结果仔细甄别,剔除与亲生物设计研究领域不相关的文献。

1.2 分析方法

对检索文献的发表年份、文献被引、作者被引、国家、关键词和学科类别等题录信息进行分类和提取。运用CiteSpace软件分别统计WOS数据库和CNKI数据库检索文献的题录信息中各个类别的频次,由此获得文献的数量、作者、分布情况等信息,通过可视化分析,识别出国家发文量、作者被引频次和亲生物设计研究领域的主要研究力量；再通过CiteSpace软件对文献的关键词进行基于关联强度或相似度的聚类分析,从而得到亲生物设计领域的研究热点。

将WOS数据库和CNKI数据库检索的文献数据分别保存为纯文本格式和Refworks格式,运用CiteSpace软件进行数据转换处理和可视化分析。在CiteSpace中绘制作者被引频次、国家发文量和关键词频次图谱,图谱中频次和发文量由节点同心圆大小表示,出现频次、发文量越高,同心圆越大；同心圆颜色代表时间顺序。利用文献关键词的共现频率绘制关键词聚类知识图谱。中介中心性是指经过网络中某一点并连接两个节点的最短路径占这两个节点之间的最短路径线总数之比,若中介中心性大于0.1,则该节点为网络的关键节点[6]。

图2 2012—2021年亲生物设计研究文献的年度分布 Fig.2 Number of publications on biophilic design distributed by year WOS:科学引文索引 Web of Science；CNKI:中国知网数据库 China National Knowledge Infrastructure；

2 检索结果分析与讨论

2.1 年度发文量

通过检索,发现亲生物设计领域在1999—2011年的年均发文数量较少,因而本节仅对2012—2021年这十年间的发文量进行年度统计。由图2可知,2012—2021年亲生物设计研究领域的文献发表总量为470篇,其中WOS数据库收录文献172篇,CNKI数据库收录文献298篇。WOS数据库年度发文量约17篇,整体上呈现逐步上升趋势。

CNKI数据库年均发文量约30篇,且在2019年后大幅上升并超过WOS数据库年均发文量,仅2020年和2021年的发文量就占到CNKI总发文量的71.5%。这可能是受到联合国生物多样性峰会、我国生物多样性保护政策以及全球新冠疫情的影响,因而,关于亲生物设计的研究论文数量激增,显示了越来越多的学者关注人与自然以及人工环境与自然环境的关系。

2.2 论文被引频次

表1显示的是分别在WOS和CNKI数据库中被引频次位列前5的文献。

2.2.1WOS文献的论文被引频次分析

在WOS数据库中被引频次最高的论文为发表在InternationalJournalofEnvironmentalResearchandPublicHealth的《Biophilia: does visual contact with nature impact on health and well-being?》,被引频次214次。作者是挪威公共卫生研究中心的Björn Grinde教授。该文提出在人的视野内添加自然元素(图片等)或增加与自然的接触,有助于减少情绪压力,甚至能够降低肥胖、注意力障碍和抑郁症等疾病患病率[7],从而肯定了亲生物性的研究价值,为将亲生物性引进人居环境领域奠定了理论基础。

表1 WOS和CNKI数据库中被引频次前5的文献Table 1 List of the top 5 cited publications in WOS and CNKI

排名第2的是中国科学院西双版纳热带植物园的Weizhe Zhang等发表在BiologicalConservation的论文《How contact with nature affects children′s biophilia, biophobia and conservation attitude in China》,被引频次128次。该文的研究结果表明儿童与自然的接触与他们的生物热爱程度呈显著正相关,与他们的生物厌恶程度呈显著负相关。并且与大自然接触能够通过培养对野生动物的亲生物态度,间接地增强儿童支持动物保护的意愿[8]。

排名第3的是荷兰奈梅亨大学的Riyan J.G. van den Born教授在2001年发表在EnvironmentalConservation的论文《The new biophilia: an exploration of visions of nature in Western countries》,被引频次106次。该文阐述了西方国家的公众对于自然的态度,指出欧洲和美国的公众已经开始形成普遍的“亲生物性”观念,为亲生物的相关研究提供了民主基础和研究需求。

排名第4的是美国弗吉尼亚大学蒂姆西·比特利(Timothy Beatley)教授2013年发表在Sustainability的论文《Biophilic cities are sustainable, resilient cities》,被引频次92次。该文系统地归纳了亲生物设计在建筑、街区、社区和地区各个维度的实现途径,这些内容共同构成了亲生物城市的内涵；揭示了亲生物城市与韧性城市的有机联系；提出亲生物城市的衡量标准。该文促使亲生物设计从建筑视角走向更为宏观的城市视角。

排名第5的是美国哈佛大学的Jie Yin发表在BuildingandEnvironment的论文《Physiological and cognitive performance of exposure to biophilic indoor environment》,被引频次64次。该文也是有关亲生物设计主题的文献中被引频次最多的(图3)。该文运用虚拟现实技术(VR),将自然元素融入室内环境,有助于人从压力和焦虑中恢复[9],此外,还探讨了亲生物设计应用到办公和医疗建筑领域的方法。

图3 基于亲生物设计主题的文献被引频次图谱(WOS)Fig.3 Cited frequency of publications on biophilic design in WOS

2.2.2CNKI文献的论文被引频次分析

在CNKI数据库中,被引频次最高的论文是同济大学徐磊青教授发表在《国际城市规划》的《疗愈导向的街道设计:基于VR实验的探索》,被引频次为62次。该文通过虚拟现实技术(VR)模拟道路和绿地两种城市环境,得出如下结论:相比道路景观,绿地有更好的疗愈性；绿视率与疗愈性呈正相关[10]。论文的研究结果表明,利用虚拟现实技术实现的亲生物设计同样具有疗愈功能。

排名第2的是清华大学周燕珉教授2017年发表在《建筑学报》的论文《失智老人护理机构疗愈性空间环境设计研究》,被引频次52次。该文指出应充分发挥空间环境干预对于失智老人的疗愈性作用,在室内添加绿植、鱼缸等亲生物元素,同时尽可能提供多重感官刺激元素,例如自然光、自然风、窗外景色、花香和可触摸的丰富材质等[11]。由亲生物设计带来的适合老年人群的疗愈、促进积极情绪和减缓压力的功能,越来越多地被应用在养老建筑中。

排名第3的是清华大学刘博新博士2015年发表在《风景园林》的论文《康复景观的亲生物设计探析》,被引频次为50次。该文研究在医疗保健设施中引入自然要素,将亲生物设计应用到康复景观,其所表现的恢复性作用显著[12]。

排名第4的是河海大学朱伟博士2015年发表在《水资源保护》的论文《倡导“亲自然河道”治理模式——对我国农村河道治理的思考》,被引频次48次。该文针对现状与问题,将亲自然的设计理念和河道水资源保护相结合,构建了“亲自然河道”的治理模式,是从园林景观视角来构建亲生物环境。

排名第5的是由英国伯明翰市Pegasus规划集团乔·克兰西(Joe Clancy)发表在《景观设计师》的论文《亲自然的景观设计对改善健康与福祉的作用》,被引频次22次。该文阐述了亲自然设计的定义、作用以及在景观设计领域的实施模式和战略[13]。

2.3 作者被引频次

研究人员在本研究领域的影响力和知名度可通过文献作者被引频次直观地反映出来。基于WOS文献作者被引频次前五的作者是美国哈佛大学的爱德华·威尔逊教授、耶鲁大学的史蒂芬·科勒特教授、瑞典查尔姆斯理工大学的罗格·乌尔里希(Roger S. Ulrich)教授(原在美国德州农工大学任教)、美国密歇根大学的罗切尔·卡普兰(Rachel Kaplan)教授和瑞典乌普萨拉大学的特里·哈蒂格(Terry Hartig)教授(表2)。

表2 WOS文献排名前5的作者被引频次Table 2 Cited frequency of the top 5 authors in WOS

中介中心性是由可视化软件计算生成,能够反映该作者在学科领域知识发展过程中的关键性和重要程度。在WOS作者被引频次图谱(图4)中,节点同心圆大且中介中心性高的作者史蒂芬·科勒特教授是亲生物设计研究领域的核心作者,对促进亲生物设计研究领域的发展起到关键性作用。

图4 WOS文献作者被引图谱Fig.4 Cited frequency of authors in WOS

图5 WOS文献作者的国家分布及其合作关系 Fig.5 Distribution and cooperation of authors′ countries in WOS

2.4 WOS文献涉及的国家

根据WOS检索结果(图5),亲生物设计领域文献数量排名前十的国家依次是美国(USA)、澳大利亚(AUSTRALIA)、英国(ENGLAND)、意大利(ITALY)、日本(JAPAN)、加拿大(CANADA)、韩国(SOUTH KOREA)、新西兰(NEW ZEALAND)、西班牙(SPAIN)和法国(FRANCE)。其中,美国发文量67篇,占比30.9%；日本发文量8篇,是亚洲发文量最多的国家。

由表3可知,美国、澳大利亚、英国、意大利、日本和加拿大的节点同心圆较大且中介中心性均超过0.1,是亲生物设计研究领域具有较大影响力的国家。

2.5 关键词分析

2.5.1WOS文献的关键词分析

图6 WOS关键词共现图谱Fig.6 Analysis of keywords in WOS

从文献计量学角度,可根据关键词出现的频率去追踪一个领域的研究热点。通过CiteSpace绘制文献关键词聚类知识图谱,描绘关键词间的相互关联度,依此确定热点研究的分布。由图6可知,在WOS数据库中,有关亲生物设计文献出现频率排在前六位的关键词依次是:health(健康,35次)、benefit(效益,22次)、environment(环境,20次)、stress(压力,20次)、conservation(保护,17次)和recovery(疗愈,13次)。对关键词进行聚类分析后生成的聚类图谱共有8个聚类(图7)。其中,聚类0、2和聚类3主要关注生物多样性和城市生态,聚类6主要关注人在自然中的游憩(即自然接触)的益处,聚类7、8和聚类10关注室内亲生物设计的疗愈功能,聚类9和11主要研究与生物的自然伦理关系。以上聚类构成了WOS文献的亲生物设计热点研究领域。

2.5.2CNKI文献的关键词分析

由图8可知,在CNKI数据库中,有关亲生物设计文献出现频率排在前五位的关键词依次是:虚拟现实(43次)、园艺疗法(10次)、亲自然(10次)、疗愈环境(10次)和景观设计(6次)。对关键词进行聚类分析后生成的聚类图谱共有5个聚类(图9)。其中聚类1和聚类5主要关注园艺景观所具有的疗愈和恢复功能研究,聚类3关注亲自然的具体效益,聚类0和聚类2主要关注亲生物设计在医疗和养老建筑中的应用研究。以上关键词及其聚类构成了基于CNKI文献的亲生物设计热点研究领域。

表3 WOS文献排名前10的国家Table 3 List of the top 10 countries of publications in WOS

图7 WOS关键词聚类图谱Fig.7 Clustering analysis of keywords in WOS

图8 CNKI关键词共现图谱Fig.8 Analysis of keywords in CNKI

图9 CNKI关键词聚类图谱Fig.9 Clustering analysis of keywords in CNKI

图10 WOS数据库中按学科类别划分的亲生物设计文献 Fig.10 Number of biophilic design publications distributed by subject in WOS

2.6 学科交叉分析

亲生物设计是多学科交叉所产生的结果,最初起源于生物学,在其发展过程中融合了医学、心理学、生态学、建筑学、城市规划学和景观学等学科的理论和方法并日趋成熟,不同领域的专家学者做出了不同的探索。爱德华·威尔逊教授率先从生物学科提出“亲生物性”的理念；罗格·乌尔里希教授则关注于亲生物设计所具有的医学上的疗愈功能,例如减缓压力,降低疼痛感等；罗切尔·卡普兰教授从环境心理学角度研究自然对人际关系和健康的益处,其在“恢复性环境”和“注意力恢复理论”方面的研究工作对景观和设计专业产生了巨大影响；史蒂芬·科勒特教授引入亲生物理论,界定了亲生物设计的内涵,推动了亲生物设计在建筑环境、城市规划和园林景观领域的发展；蒂姆西·比特利教授长期关注亲生物城市的规划、建设和管理,是这一领域最重要的专家学者之一, 在国际上具有广泛影响。

基于WOS数据库的检索结果表明(图10),集中分布的学科主要有环境科学(146篇,67.3%)、建筑工程学(60篇,27.6%)、绿色可持续技术(43篇,19.8%)、生态学(36篇,16.6%)、生物学(35篇,16.1%)、城市规划学(31篇,14.3%)、公共卫生健康学(24篇,11.1%)、植物科学(22篇,10.1%)和社会学(6篇,2.8%)等。

部分论文涵盖多个研究方向(图11),集中分布的方向有环境科学(88篇,40.6%)、环境研究(58篇,26.7%)、绿色可持续科学技术(43篇,19.8%)、生态学(36篇,16.6%)、公共卫生健康(24篇,11.1%)、生物多样性保护(22篇,10.1%)、建筑工程技术(22篇,10.1%)、环境工程(21篇,9.7%)、城市研究(20篇,9.2%)、土木工程(17篇,7.8%)、跨学科融合科学(13篇,6.0%)、林业(12篇,5.5%)、城市规划(11篇,5.1%)、植物科学(10篇,4.6%)和生物学(8篇,3.7%)等。

图11 WOS数据库中按研究方向划分的亲生物设计文献数量Fig.11 Number of biophilic design publications distributed by research direction in WOS

3 结论

本文运用文献计量学方法,以具有文献可视化功能的CiteSpace软件为工具,以WOS核心数据库和CNKI数据库提供的亲生物设计研究领域文献数据为研究对象,从发文量、文献被引、作者被引、国家、关键词和学科交叉等方面对1999—2021年的文献数据进行分析,得到以下结论:

(1)亲生物设计研究领域,在1999—2011年,发文量较少；在2012—2021年,发文总量总体呈上升趋势,特别在2019年以后,发文总量有明显的大幅提升。结果表明,越来越多的国内外学者开始关注亲生物设计研究领域。

(2)《Biophilia: does visual contact with nature impact on health and well-being?》是WOS数据库文献中被引频次最高的论文；《疗愈导向的街道设计:基于VR实验的探索》是CNKI数据库文献被引频次最高的论文。

(3)耶鲁大学的史蒂芬·科勒特教授是基于WOS数据库文献的亲生物设计研究领域的核心作者。他界定了亲生物设计的概念,将亲生物理论应用于建筑设计实践,并将其推向更为广泛的城市设计领域,对亲生物设计领域的发展起到了关键性作用。

(4)美国、澳大利亚、英国、意大利、日本和加拿大是基于WOS数据库文献亲生物设计研究领域具有较大影响力的国家。

(5)通过绘制和分析关键词共现图谱和聚类图谱,发现:基于WOS数据库文献的研究热点为生物多样性、城市生态、室内亲生物设计的疗愈功能、人在自然中的游憩(即自然接触)的益处和与生物的自然伦理关系研究；基于CNKI数据库文献的热点研究为虚拟现实技术(VR)与亲生物设计的结合研究、园艺景观所具有的疗愈和恢复功能研究、亲自然的具体效益研究和亲生物设计在医疗和养老建筑中的应用研究。

(6)基于WOS数据库文献的检索结果表明,有关亲生物设计的学科方向主要有环境科学、建筑工程学、绿色可持续技术学、生态学、生物学、城市规划学、公共卫生健康学、植物科学和社会学等。

亲生物设计作为新兴的前沿研究领域,获得国内外学者越来越多的关注。笔者将WOS数据库和CNKI数据库的主要核心文献进行精读、分类和分析,显示目前亲生物设计的研究领域,从宏观到中微观尺度,分布在城市、景观、建筑和室内环境4个领域的不同方向上,具有范围较宽,学科交叉的特点(表4)。

表4 WOS和CNKI有关亲生物设计主要核心文献的内容分类Table 4 Content classification of main papers of biophilic design in WOS and CNKI

亲生物的理念出现于1960年代,1980年代以后开始逐渐发展,但引进到环境设计领域则较晚,自2008年科勒特教授定义亲生物设计的概念以来,从人与自然接触所产生的积极效益的基础性研究到基于亲生物理念的城市规划、城市设计、景观设计、建筑设计、室内设计等应用领域,已经形成了较为系统的多学科支撑的理论架构。不过,与亲生物设计密切相关的研究至今才十余年,其理论体系、研究方法和工程实践仍在发展之中,相对于其他已经成熟的研究领域来说,这是一个富有发展潜力的新领域。目前国际上高水平的研究热点主要集中在生物多样性、亲生物城市、室内亲生物设计的疗愈功能等方面,并呈现出学科交叉、相互推进的特点。同时,在实践方面(生态城市规划、亲生物建筑设计、绿色技术应用、评价标准和政策法规制定等)也取得了一些比较成功的经验,如米兰“垂直森林”大楼、新加坡的“花园城市”、奥斯陆的“森林城市”、纽约的“高线公园”、芝加哥的“鸟类友好高层”等,都带有亲生物设计的印迹。本文的研究表明,目前国内已发表的相关文献在理论和方法上以引介国外的理论和方法为主,在工程实践中的应用也刚刚起步,相对于国外研究的深入性和多样性,国内的研究还存在着一定的差距。但近年来国内论文的发文量已超过国外发文量,并且在实证研究方面多是基于本土实践并有所拓展,这说明中国在亲生物设计研究领域正在努力赶超国际先进水平。

我国社会发展已进入新时代,亲生物设计对人工环境融入自然环境,保护生物多样性,提升人居环境质量,促进城市健康发展具有重要意义。希望通过追踪借鉴国外先进经验,结合本土的大量实践,尽快形成具有中国特色的亲自然设计的理论、方法和技术应用体系,为实现“双碳”目标,建设绿水青山的美丽中国助力。