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2017年4月6日 作者:xwz2367609 [返回]
都市型螺旋梯田式垂直农场特点及构建

前言
    都市发展农业生产或者园艺休闲型农业,都是生态文明及人类回归本性的一种体系,人及动物在自然时化过程中形成协同进化的关系,也是生态文明之所以成为人类社会可持续发展的重要文明的原因所在。都市发展农业是未来都市生态文明建设及农业元素融合城市建设的重要表现形式。都市发展农业在非耕地上或者城市建筑肤表上发展农业生产,一般都是以无土栽培为主,而无土栽培中要数气雾栽培最具都市环境的适应性与实用性,可以利用雾培技术发展空中农业、天台农业,三维立体空间战略,让太阳光能有效辐射得以最大化利用,同时为都市居民提供丰富的菜篮子,而且更是贴近自然的休闲养生活动,都市农业不仅仅是生产方式,更重要是一种生态方式与生活方式。
    都市空间都因建筑密集,难以有空旷的耕地环境,所以都市农业必然走立体空间战略,如何在有限的空间上构建无限的耕作平台,农业生产也如城市建筑一样,由平房发展为摩天大楼,一个是创造居住与商业活动空间,一个是创造立体空间的耕作平台,两者具同样的意义。所以垂直化耕作与垂直化农场将是未来都市农业发展的重要方向。
    空间平台的构建如果采用建筑风格,往往资源浪费投入过大,不符合商业规律,所以摩天楼式的垂直农业一直还是概念与思路启发,未能在现实中实现。我院通过多年的设施农业研究,在结合先进耕作技术的同时,创新性的形成了独具风格的鸟巢建筑温室,这种整体张拉的温室可以实现低成本高旷空间的构建,而且极具抗性,让它成为都市农业的重要技术载体变为现实。垂直农场目前大多采用楼层的分层模式,这种模式在植物工厂上也得以应用,楼层式构建对光资源的利用率低,如植物工厂建设中需层层补光能耗过大,而且空间利用率未能达到最大化。
    对空间巧妙资源最省化利用,要求自然界的生物,包括动植物,大凡有生命的在进化过程中都会考虑资源及空间的最优方案,就如几何球体,具有构建表面积最小化空间最大化的优点,所以生命元素大多选择球形结构。其实宇宙运动的星球及小至分子原子都是以球形体出现。而在生命与宇宙元素中,运动规则大多选择螺旋式结构,螺旋式生长,与螺旋式运动。这估计与螺旋式具有最优的结构最少的能耗资源最大化利用等优点有关,成为生命及自然的普遍元素也是进化的结果。2000多年前阿基米德从科学的角度提出了螺旋线定律,上世纪五十年代又发现微观世界的生命遗传物质的双螺旋结构,及笛卡尔用数学解析及方程式提出了对数螺旋结构。这些科学家从认知世界的角度赋予了螺旋的美妙与神奇,也赋予了美与艺术。
    在植物生长中,藤蔓类为了获取光资源及支撑生长,进化出螺旋盘绕的茎与卷须,这表面看仅仅是攀附的需要,其实也是通过螺旋让叶片获取最科学最充足的生态位光照的需要。建筑师利用车前草的标准螺旋式叶片布局,仿生建造出的楼房让每居所都具充足的采光与通风。其实大多数植物叶片叶序的排列都是按照螺旋式排列,这样可以让每张叶居于最佳的光生态位,获取充足利用光照资源。动物及生命物质的螺旋更是到处可见,蔗糖与淀粉及蛋白质肽链都是螺旋结构,因为这些结构在生命过程中可以起到比其它结构更为高效的代谢及能量利用,可以在狭小空间内创造更大的表面积。宏观的人头发与动物皮毛上的旋涡及牛羊的角都是螺旋生长,这与毛囊的角朊蛋白相关。其实宇观的天体运动也是螺旋形的运动。所以螺旋是生命与宇宙的重要元素一点都不为过。
    温室设施的发展也是基于仿生与自然规律的应用,把垂直农场的梯田结构建成螺旋构造,一是解决层架式挡光严重问题,让每层梯田都获取最充足的光照与通风。另外也可以在有限空间内创造更大的耕作平台,提高温室空间资源的利用率。未来垂直农场的发展采用螺旋方式将是成本最低效能最高的结构模式,将是垂直农场的主体模式。
垂直农场构型特点
    作为垂直农场首先是高效化的生产设施,所以必须考虑适合垂直农场建设的微气调控,必须结合温室设施技术为垂直农场创造适合周年生产的环境条件,所以在温室类型的选择上,传统的温室难以创高旷的空间,必须独辟蹊径,走网架式高耸的整体结构温室风格。为了让空间效能利用最大化,特别是考虑温室的夏季降温,所以垂直农场的温室一般采用烟囱式的半截锥体结构,外观类似核反应堆的冷却塔,可以让热空气烟囱式上升同时,又可以通过喷泉及水气技术迅速带走热量,是一种节能的通风降温结构。只需从温室底处进风,可以形成涡旋式的顶处快速出风,送风距离短,也符合热动力学原理。所以垂直农场一般选择塔锥结构式温室作为围护。
    中心主体农场平台采用螺旋梯田的方式构建,而且梯田平面采用铺设铁丝网的方式构建,即方便管理及观光人员走动,又让栅漏光得以最大化利用,比平台铺板式对光的利用更为科学。
    垂直农场中心一般建设成水体,水体的作用除了调节垂直农场的湿度外,重要的还是蓄热的载体,通过水体蓄热可以起到寒季的节能效果,因为在自然界中,水的比热远比土下岩石高3-5倍,白天可以吸收太阳光能量,夜晚降温时释放的效果。另外夏日也可以开启水体的喷泉或者采用水体上方空旷的微喷降温,实现水气蒸发带走温室聚积热能的效果,有点类似冷却塔的功效。
    垂直农场的顶处一般设计为雨漏形,可以收集雨水进入中心水体(养殖池),一是可以充分利用水资源,另外雨水通过雨漏形成水幕墙式效果,又可以起到调温与调湿的效果。垂直农场水体上方的雨漏,夏日开设烟囱式大口加速通风,寒季可以覆盖保温。
    垂直农场是高效化生产系统,冬季的保温极为重要,利用双层整体张拉结构构建的锥体温室设施,具备覆卡内膜的功能,可形成双层膜保温,极寒区还可以于温室双层夹层之间填充肥皂泡进行泡沫的绝缘保温。这样既使加温也可以达到能源消耗的最省化。
    垂直农场内部耕作模式,如果水体作为水产养殖,可以在梯田上设置两道无土基质培的种植槽,用水体养殖水层层下落循环灌溉,再结合轻型化的营养液气雾栽培,创造两者结合的复合耕作模式。在品种布局上,可以按照梯田的光资源与光生态位不同,按排不同的植物,分为喜阳、喜荫、中性及耐荫品种,尽量让梯田上种植的植物处于最佳的光生态位环境,获取最高的生物产额及品质。
    垂直农场的夏日通风降温一般于温室四周安装冷风机,不是特别炎热的地区,只需把水体内的喷泉开启,再掀去底层覆盖的膜,即可形成冷却塔式的降温。也可以于垂直农场顶处安装弥雾降温,利用垂直高程性,达到雾化水最大的汽化降温效果。
设计图示说明

冷却塔式外形

顶处集水雨漏构造及大通风口

底处的冷风顶鼓入通风,顶处出风

垂直农场的部非梯田空间采用立柱雾培

中心养殖水体及喷泉

地下式养液池

宽6米的梯面设计四道栽培线,两侧为陶粒培与水体构建循环,中间两道为管道化水气培

喷泉及顶处的雨幕

梯面铺设铁丝网减少挡光,每层宽6米高3米,作四层盘绕

 

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