張 明 超

(陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱性和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與建設(shè)起著重要的支撐作用。進(jìn)入到21世紀(jì)以來，隨著城市化的高度發(fā)展，由此帶來的生態(tài)惡化、能源短缺、可耕地面積減小、環(huán)境污染、食品安全、人口增長等對(duì)人類的生產(chǎn)生活都造成了巨大的影響，尤其是食品安全和城市生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為制約現(xiàn)代城市發(fā)展的主要因素。

將垂直農(nóng)業(yè)與城市建筑相結(jié)合具有重要的生態(tài)意義和社會(huì)意義。通過建筑全過程分析構(gòu)建與實(shí)施，打造城市生態(tài)可持續(xù)的垂直發(fā)展模式，適應(yīng)城市未來社會(huì)發(fā)展需求，解決城市人口不斷增加和生態(tài)環(huán)境污染的矛盾都具有積極作用。本文從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，從建筑垂直空間角度進(jìn)行劃分，依托建筑屋面、樓板、地下室等水平空間將垂直農(nóng)業(yè)從上到下依次劃分為屋頂農(nóng)業(yè)、樓層(室內(nèi))農(nóng)業(yè)、地下室農(nóng)業(yè)[1]。通過這樣的劃分，可以更好地將城市建筑與垂直農(nóng)業(yè)相結(jié)合，進(jìn)行全過程設(shè)計(jì)、管理和使用，從而為城市建筑與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的可持續(xù)發(fā)展提供相關(guān)借鑒。

1 問題的提出

1.1 能源消耗

建筑能耗一般指狹義的建筑能耗，即建筑的運(yùn)行能耗，就是人們?nèi)粘Ｓ媚?，如采暖、空調(diào)、照明、炊事、洗衣等的能耗，它是建筑能耗中的主導(dǎo)部分。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，建筑消費(fèi)的重點(diǎn)將從“硬件(裝修和耐用的消費(fèi)品)”消費(fèi)轉(zhuǎn)向“軟件(功能和環(huán)境品質(zhì))”消費(fèi)，因此保障建筑適應(yīng)品質(zhì)所需的能耗(空調(diào)、通風(fēng)、采暖、熱水供應(yīng))將會(huì)迅速上升。根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告(2017》[2]顯示，2015年中國建筑能源消費(fèi)總量為8.57億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的20%，其中：公共建筑能耗占建筑能耗3.41億t標(biāo)準(zhǔn)煤；城鎮(zhèn)居住建筑能耗3.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤。我國已有的建筑中超過95%都是高耗能建筑，如何降低既有建筑和新建建筑的能耗水平已經(jīng)成為制約城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重要問題。

1.2 土地資源短缺

快速的城市化發(fā)展大量吞噬著我國原有的耕地，而城市周邊的可用耕地也急劇減少。自改革開放以來，我國可耕地面積已經(jīng)失去超過1 000萬hm2，根據(jù)2008年國家土地調(diào)查報(bào)告顯示，2008年年底我國可耕地面積僅為18.26億畝，已接近18億畝耕地紅線[3,4]。將城市建筑與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相結(jié)合的垂直農(nóng)業(yè)模式對(duì)緩解土地資源短缺、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有積極意義。

1.3 傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)缺陷

我國傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模較小，如溫室大棚種植科技含量較低，在溫控節(jié)能方面也比較陳舊，與國外現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植還有很大差距；傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植主要以日常蔬菜種植為主，經(jīng)濟(jì)附加值有限，同時(shí)由于人們生活觀念的轉(zhuǎn)變，如何給人們提供綠色安全無公害食品，也已成為社會(huì)需求的重點(diǎn)。

2 垂直農(nóng)業(yè)概念提出

2.1 垂直農(nóng)業(yè)概念

垂直農(nóng)業(yè)概念最早是在1915年由美國地質(zhì)學(xué)家吉爾伯特·埃利斯·貝利提出，但真正引起人們的重視是在2007年由美國哥倫比亞大學(xué)環(huán)境學(xué)家迪克森·迪斯波米爾教授的詳細(xì)闡述[5]，他指出在城市建筑中模擬農(nóng)作物生長環(huán)境，通過利用建筑可循環(huán)的能源和溫室技術(shù)，進(jìn)行大規(guī)模的垂直耕作形式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可為城市生活的人口提供食物保障。

2.2 垂直農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)

垂直農(nóng)業(yè)通過充分依附于城市建筑可以節(jié)省大量土地資源[6]；通過建筑設(shè)計(jì)與農(nóng)業(yè)種植技術(shù)結(jié)合可以形成獨(dú)立的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，提高糧食產(chǎn)量、保證食品安全；通過對(duì)有機(jī)廢棄物的處理，提升城市公共衛(wèi)生[7]；城市農(nóng)產(chǎn)品的供給一般都由城市郊區(qū)或者更遠(yuǎn)的地方提供，由此無形中增加了中間環(huán)節(jié)的投入，加大了城市居民的生活成本,發(fā)展城市垂直農(nóng)業(yè)可以大大減少中間環(huán)節(jié)的投入；綠色的垂直農(nóng)業(yè)種植還可以為城市居民提供休閑空間，解決城市居民的休閑需求[7]；另外垂直農(nóng)業(yè)在調(diào)節(jié)城市微氣候，降低城市熱島效應(yīng)，改善生態(tài)環(huán)境，節(jié)能減排方面有積極意義。

2.3 垂直農(nóng)業(yè)面臨的問題

城市建筑垂直農(nóng)業(yè)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是一項(xiàng)專業(yè)化、系統(tǒng)化的循環(huán)工程，涉及到建筑結(jié)構(gòu)、建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境科學(xué)、機(jī)械、生物能源、植物學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，這就需要一大批復(fù)合型的技術(shù)人才，我國目前在這方面還很缺乏，短期內(nèi)還需要依賴國外成熟的技術(shù)和發(fā)展模式[7,8]；另一方面我國在城市建筑實(shí)施農(nóng)業(yè)種植還沒有形成系統(tǒng)的法律法規(guī)、國家標(biāo)準(zhǔn)和制度體系，這使得垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到很大的限制。

3 垂直農(nóng)業(yè)劃分

3.1 屋頂農(nóng)業(yè)

屋頂種植作為城市綠化、美化建筑在城市垂直農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)用最為廣泛，也最為成熟。根據(jù)我國建筑工業(yè)出版社《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》[9]將種植屋面定義為：鋪以種植土或設(shè)置容器種植植物的建筑屋面和地下室頂板，其中建筑屋面種植又分為平屋面種植和坡屋面種植，屋面均為上人屋面。種植屋面和一般屋面相比有更高的防水要求，同時(shí)由于種植作物生長的特性，需要設(shè)置耐根刺的防水材料，覆土種植屋面一般構(gòu)造層包括結(jié)構(gòu)層、基層、保溫找平層、防水層、耐根刺防水層、隔離層、保護(hù)層、蓄(排)水層、過濾層、種植層，如圖1所示[1,10]。

屋頂種植對(duì)于建筑微氣候調(diào)節(jié)、城市生態(tài)環(huán)境改善效益明顯，通過屋頂種植可以調(diào)節(jié)建筑空氣質(zhì)量、改善微氣候；收集雨水進(jìn)行作物灌溉，減緩雨水徑流；吸收室外熱量，調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)熱環(huán)境，減緩城市熱島效益。

目前種植屋面在國內(nèi)外已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，圖2[11]是位于美國芝加哥的蓋瑞康莫爾青年中心屋頂農(nóng)園，它為當(dāng)?shù)厍嗌倌旰屠先藗兲峁┝艘粋€(gè)課外學(xué)習(xí)的室外活動(dòng)空間。農(nóng)園面積9 160平方英尺，不僅為當(dāng)?shù)厝颂峁┝耸澄飦碓?，?chuàng)造了環(huán)境優(yōu)美的休閑場所，也讓當(dāng)?shù)貙W(xué)生受到良好的教育意義；圖3是位于浙江紹興的屋頂農(nóng)田，通過安裝雨水收集設(shè)備和水泵，可以種植蔬菜、西瓜和稻谷。

3.2 樓層(室內(nèi))農(nóng)業(yè)

室內(nèi)農(nóng)業(yè)即在建筑室內(nèi)依托建筑樓板或樓層進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植的活動(dòng)。對(duì)于一般農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)而言需要有充足的空氣、光照、溫濕度和水分，因此最初進(jìn)行室內(nèi)農(nóng)業(yè)種植的難度很大。但是隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的快速發(fā)展和城市土地資源的急劇減少，在城市建筑中進(jìn)行室內(nèi)農(nóng)業(yè)種植已成為一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式。目前進(jìn)行室內(nèi)農(nóng)業(yè)種植主要可以分為利用容器在室內(nèi)散點(diǎn)栽培、人工進(jìn)行采光的設(shè)施農(nóng)業(yè)以及與建設(shè)設(shè)備結(jié)合的一體化栽培。

建筑室內(nèi)種植最大的問題是采光，圖4是位于美國紐約市的一棟廢棄建筑，通過對(duì)建筑內(nèi)安裝采光系統(tǒng)和供水系統(tǒng)將其改造成室內(nèi)種植基地。除了圖4的實(shí)施農(nóng)業(yè)之外，建筑內(nèi)部農(nóng)業(yè)種植應(yīng)用最廣泛的是室內(nèi)散點(diǎn)栽培，室內(nèi)散點(diǎn)栽培具有空間靈活布置、種植方便、對(duì)于不同建筑類型如住宅、辦公建筑均適用的優(yōu)勢(shì)，散點(diǎn)種植不需要投入太多的精力和專業(yè)的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，使人們?cè)谌粘９ぷ鞯拈e暇時(shí)刻便可以進(jìn)行。圖5[12]是利用無土栽培技術(shù)在建筑內(nèi)部進(jìn)行的蔬菜種植，圖5所展示的蔬菜種植器具整合了采光、營養(yǎng)液、植物水培等技術(shù)，為在城市上班的人們提供了體驗(yàn)式的辦公農(nóng)場環(huán)境，這種小型或微型的室內(nèi)農(nóng)業(yè)種植項(xiàng)目具有廣闊的發(fā)展空間。

3.3 地下室農(nóng)業(yè)

將建筑地下室充分利用進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)在國內(nèi)還沒有成熟的案例，國外已有很多專家學(xué)者做了大量的工作。由于地下室空間相對(duì)密閉、潮濕、采光不足，根據(jù)這些特點(diǎn)選擇有特殊需求的農(nóng)作物如轉(zhuǎn)基因食品、真菌類、藥材、銀耳等作物進(jìn)行種植。

圖6[13]是位于印第安納的廢棄地下石灰石采石場進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因作物種植，通過對(duì)地下室作物生長環(huán)境的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)溫室還高的作物產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，該農(nóng)業(yè)目前已成功試驗(yàn)種植了西紅柿、玉米和土豆。該農(nóng)場在地下種植的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

1)地下農(nóng)場的溫度、濕度、光照、空氣被嚴(yán)格控制；

2)在密閉環(huán)境中種植轉(zhuǎn)基因作物和其他作物可以避免污染；

3)穩(wěn)定密閉的地下空間可以全天候進(jìn)行生產(chǎn)。

4 結(jié)語

在城市土地資源短缺、高能耗和生態(tài)環(huán)境污染的大背景之下提出城市建筑與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合的垂直農(nóng)業(yè)模式，它是一個(gè)復(fù)雜且龐大的體系，需要多學(xué)科、多領(lǐng)域的人才加入?，F(xiàn)階段由于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的整體水平還很低、科技含量不高使得垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用充滿很多挑戰(zhàn)和不確定性。本文將城市建筑按水平空間劃分成為屋頂農(nóng)業(yè)、樓層(室內(nèi))農(nóng)業(yè)和地下室農(nóng)業(yè)，并列舉了一些實(shí)際應(yīng)用案例，可以為垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

垂直農(nóng)業(yè)現(xiàn)階段的發(fā)展還處在較低水平，要想取得更大的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾方面的管理策略：

1)加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理。垂直農(nóng)業(yè)涉及學(xué)科體系較多，但最主要的還是建筑設(shè)計(jì)，因此要加強(qiáng)對(duì)各類建筑的概念設(shè)計(jì)，從規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求新建建筑從結(jié)構(gòu)選型、系統(tǒng)選型上就要考慮到后期農(nóng)業(yè)種植的技術(shù)和需求；2)加強(qiáng)政府監(jiān)督管理。政府對(duì)市場的監(jiān)督管理應(yīng)該起到引領(lǐng)和示范的作用，助推垂直農(nóng)業(yè)良性發(fā)展；3)在規(guī)劃管理方面最大限度的利用空地種植和營造適宜微氣候，有利于可持續(xù)作物生產(chǎn)；4)充分利用當(dāng)?shù)鼐G色資源，我國可再生資源豐富(如太陽能、風(fēng)能)，將這些資源與建筑垂直農(nóng)業(yè)相結(jié)合尤其是與高層建筑超高層建筑相結(jié)合可為節(jié)能減排作出很大貢獻(xiàn)。