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摘要:对垂直农业的概念进行阐述，并从城市建筑的空间结构上分类，对垂直农业在建筑空间结构水平方向上的发展模式进行详细探讨，指出垂直农业作为城市农业理论的分支将城市建筑与垂直农业相结合，对保障粮食短缺，改善城市生态环境具有十分重要的意义。
关键词:城市建筑;垂直农业;生态农业
农业作为国民经济的支柱性和基础性产业，对国民经济的发展与建设起着重要的支撑作用。进入到21世纪以来，随着城市化的高度发展，由此带来的生态恶化、能源短缺、可耕地面积减小、环境污染、食品安全、人口增长等对人类的生产生活都造成了巨大的影响，尤其是食品安全和城市生态环境已经成为制约现代城市发展的主要因素。将垂直农业与城市建筑相结合具有重要的生态意义和社会意义。通过建筑全过程分析构建与实施，打造城市生态可持续的垂直发展模式，适应城市未来社会发展需求，解决城市人口不断增加和生态环境污染的矛盾都具有积极作用。本文从建筑结构设计的角度出发，从建筑垂直空间角度进行划分，依托建筑屋面、楼板、地下室等水平空间将垂直农业从上到下依次划分为屋顶农业、楼层(室内)农业、地下室农业［1］。通过这样的划分，可以更好地将城市建筑与垂直农业相结合，进行全过程设计、管理和使用，从而为城市建筑与农业相结合的可持续发展提供相关借鉴。
1问题的提出
1．1能源消耗
建筑能耗一般指狭义的建筑能耗，即建筑的运行能耗，就是人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等的能耗，它是建筑能耗中的主导部分。随着经济社会的快速发展，建筑消费的重点将从“硬件(装修和耐用的消费品)”消费转向“软件(功能和环境品质)”消费，因此保障建筑适应品质所需的能耗(空调、通风、采暖、热水供应)将会迅速上升。根据《中国建筑节能年度发展研究报告(2017》［2］显示，2015年中国建筑能源消费总量为8．57亿t标准煤，占全国能源消费总量的20%，其中:公共建筑能耗占建筑能耗3．41亿t标准煤;城镇居住建筑能耗3．2亿t标准煤。我国已有的建筑中超过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经成为制约城市生态环境发展的重要问题。
1．2土地资源短缺
快速的城市化发展大量吞噬着我国原有的耕地，而城市周边的可用耕地也急剧减少。自改革开放以来，我国可耕地面积已经失去超过1000万hm2，根据2008年国家土地调查报告显示，2008年年底我国可耕地面积仅为18．26亿亩，已接近18亿亩耕地红线［3，4］。将城市建筑与现代农业相结合的垂直农业模式对缓解土地资源短缺、发展现代农业具有积极意义。
1．3传统设施农业缺陷
我国传统设施农业规模较小，如温室大棚种植科技含量较低，在温控节能方面也比较陈旧，与国外现代化农业种植还有很大差距;传统设施农业种植主要以日常蔬菜种植为主，经济附加值有限，同时由于人们生活观念的转变，如何给人们提供绿色安全无公害食品，也已成为社会需求的重点。
2垂直农业概念提出
2．1垂直农业概念
垂直农业概念最早是在1915年由美国地质学家吉尔伯特•埃利斯•贝利提出，但真正引起人们的重视是在2007年由美国哥伦比亚大学环境学家迪克森•迪斯波米尔教授的详细阐述［5］，他指出在城市建筑中模拟农作物生长环境，通过利用建筑可循环的能源和温室技术，进行大规模的垂直耕作形式的农业生产可为城市生活的人口提供食物保障。
2．2垂直农业的优势
垂直农业通过充分依附于城市建筑可以节省大量土地资源［6］;通过建筑设计与农业种植技术结合可以形成独立的生态循环系统，提高粮食产量、保证食品安全;通过对有机废弃物的处理，提升城市公共卫生［7］;城市农产品的供给一般都由城市郊区或者更远的地方提供，由此无形中增加了中间环节的投入，加大了城市居民的生活成本，发展城市垂直农业可以大大减少中间环节的投入;绿色的垂直农业种植还可以为城市居民提供休闲空间，解决城市居民的休闲需求［7］;另外垂直农业在调节城市微气候，降低城市热岛效应，改善生态环境，节能减排方面有积极意义。
2．3垂直农业面临的问题
城市建筑垂直农业的设计与实施是一项专业化、系统化的循环工程，涉及到建筑结构、建筑规划设计、环境科学、机械、生物能源、植物学等学科内容，这就需要一大批复合型的技术人才，我国目前在这方面还很缺乏，短期内还需要依赖国外成熟的技术和发展模式［7，8］;另一方面我国在城市建筑实施农业种植还没有形成系统的法律法规、国家标准和制度体系，这使得垂直农业的发展受到很大的限制。
3垂直农业划分
3．1屋顶农业
屋顶种植作为城市绿化、美化建筑在城市垂直农业发展过程中应用最为广泛，也最为成熟。根据我国建筑工业出版社《种植屋面工程技术规程》［9］将种植屋面定义为:铺以种植土或设置容器种植植物的建筑屋面和地下室顶板，其中建筑屋面种植又分为平屋面种植和坡屋面种植，屋面均为上人屋面。种植屋面和一般屋面相比有更高的防水要求，同时由于种植作物生长的特性，需要设置耐根刺的防水材料，覆土种植屋面一般构造层包括结构层、基层、保温找平层、防水层、耐根刺防水层、隔离层、保护层、蓄(排)水层、过滤层、种植层。屋顶种植对于建筑微气候调节、城市生态环境改善效益明显，通过屋顶种植可以调节建筑空气质量、改善微气候;收集雨水进行作物灌溉，减缓雨水径流;吸收室外热量，调节建筑室内热环境，减缓城市热岛效益。目前种植屋面在国内外已经得到了快速的发展，图2［11］是位于美国芝加哥的盖瑞康莫尔青年中心屋顶农园，它为当地青少年和老人们提供了一个课外学习的室外活动空间。农园面积9160平方英尺，不仅为当地人提供了食物来源，创造了环境优美的休闲场所，也让当地学生受到良好的教育意义;图3是位于浙江绍兴的屋顶农田，通过安装雨水收集设备和水泵，可以种植蔬菜、西瓜和稻谷。
3．2楼层(室内)农业
室内农业即在建筑室内依托建筑楼板或楼层进行农业种植的活动。对于一般农业种植活动而言需要有充足的空气、光照、温湿度和水分，因此最初进行室内农业种植的难度很大。但是随着现代农业种植技术的快速发展和城市土地资源的急剧减少，在城市建筑中进行室内农业种植已成为一种环保、经济的发展模式。目前进行室内农业种植主要可以分为利用容器在室内散点栽培、人工进行采光的设施农业以及与建设设备结合的一体化栽培。建筑室内种植最大的问题是采光，图4是位于美国纽约市的一栋废弃建筑，通过对建筑内安装采光系统和供水系统将其改造成室内种植基地。除了图4的实施农业之外，建筑内部农业种植应用最广泛的是室内散点栽培，室内散点栽培具有空间灵活布置、种植方便、对于不同建筑类型如住宅、办公建筑均适用的优势，散点种植不需要投入太多的精力和专业的农业种植技术，使人们在日常工作的闲暇时刻便可以进行。图5［12］是利用无土栽培技术在建筑内部进行的蔬菜种植，图5所展示的蔬菜种植器具整合了采光、营养液、植物水培等技术，为在城市上班的人们提供了体验式的办公农场环境，这种小型或微型的室内农业种植项目具有广阔的发展空间。
3．3地下室农业
将建筑地下室充分利用进行农业种植活动在国内还没有成熟的案例，国外已有很多专家学者做了大量的工作。由于地下室空间相对密闭、潮湿、采光不足，根据这些特点选择有特殊需求的农作物如转基因食品、真菌类、药材、银耳等作物进行种植。图6［13］是位于印第安纳的废弃地下石灰石采石场进行的转基因作物种植，通过对地下室作物生长环境的调节，实现了比传统温室还高的作物产量和生产效率，该农业目前已成功试验种植了西红柿、玉米和土豆。该农场在地下种植的优势体现在:1)地下农场的温度、湿度、光照、空气被严格控制;2)在密闭环境中种植转基因作物和其他作物可以避免污染：3)稳定密闭的地下空间可以全天候进行生产。
4结语
在城市土地资源短缺、高能耗和生态环境污染的大背景之下提出城市建筑与农业种植相结合的垂直农业模式，它是一个复杂且庞大的体系，需要多学科、多领域的人才加入。现阶段由于我国农业发展的整体水平还很低、科技含量不高使得垂直农业的发展和应用充满很多挑战和不确定性。本文将城市建筑按水平空间划分成为屋顶农业、楼层(室内)农业和地下室农业，并列举了一些实际应用案例，可以为垂直农业的发展提供借鉴。垂直农业现阶段的发展还处在较低水平，要想取得更大的发展应重点注意以下几方面的管理策略:1)加强设计管理。垂直农业涉及学科体系较多，但最主要的还是建筑设计，因此要加强对各类建筑的概念设计，从规范标准要求新建建筑从结构选型、系统选型上就要考虑到后期农业种植的技术和需求;2)加强政府监督管理。政府对市场的监督管理应该起到引领和示范的作用，助推垂直农业良性发展;3)在规划管理方面最大限度的利用空地种植和营造适宜微气候，有利于可持续作物生产;4)充分利用当地绿色资源，我国可再生资源丰富(如太阳能、风能)，将这些资源与建筑垂直农业相结合尤其是与高层建筑超高层建筑相结合可为节能减排作出很大贡献。
作者:张明超 单位:陕西地建土地综合开发有限责任公司
