建筑材料研究菌絲的應用設計

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摘要：文章將圍繞菌絲成為可持續(xù)建筑材料的內(nèi)容展開，結合生物學和建筑學的方向，提出生物可滲透性設計概念，通過新穎的設計和數(shù)字制造技術，探索利用菌絲開發(fā)新型可持續(xù)墻板系統(tǒng)的實驗方法。

關鍵詞：菌絲形態(tài)；建筑可持續(xù)性；生物設計；可持續(xù)設計；生物材料

引言

近年來，城市建筑逐漸演變?yōu)橐黄射摻罨炷链罱ǖ膮擦?，充斥著擁擠和冷漠。建筑師與人們都在不斷地追求綠色建筑，然而目前大部分綠色建筑都需要消耗更多的能源去維護，這樣又給環(huán)境帶來新的負擔。設計師應該在本質上賦予建筑物可降解和可持續(xù)的能力，就像大自然的循環(huán)一樣。因此，對于生物材料的探索是一個很好的方法，以生物學為靈感，研究生長而非制造的材料。沿著這些思路，菌絲基復合材料提供了可再生降解替代的可能性。

1菌絲特性

菌絲是真菌的營養(yǎng)部分，是一種細菌菌落，由大量的分枝和線組成，通?？梢栽谕寥篮推渌袡C物中發(fā)現(xiàn)。研究表明，菌絲體柔韌靈活、經(jīng)久耐用。經(jīng)過處理，菌絲的絲線網(wǎng)絡具有絕緣效果，可以防潮、防水、阻燃并支撐大量壓力。近年來，菌絲作為一種新型建筑材料在成熟的設計創(chuàng)新平臺得到了越來越多的認可。

2生物可滲透性實驗設計——菌絲外墻面板

1995年，Guilitte首次提出了生物滲透性設計（Bioreceptivedesign）的概念，即提煉出一種物質可以承擔生物繁殖容器的能力，使生物可以在其表面自然生長[1]。生物支架設計（Bioscaffold）是其中一個很有意義的研究方向，為了更好地結合微生物于材料中，設計一個有能力讓微生物可以直接生長在其表面的結構，培養(yǎng)結構本身成為微生物生長的基底。通過孔隙率、材料的保水性以及其他一些對微生物生長、繁衍有利的環(huán)境因素（pH、太陽輻射等）的控制，使得結構本身成為一個允許自我生長、自我修復和適應環(huán)境的生物基質。以菌絲材料為例，菌絲傾向于生長在稻草及一些農(nóng)業(yè)廢料中，使用這些材料作為生物支架的基底材料可以促進菌絲的生長；另一方面，設計師可以研究基底表面的幾何肌理來促進生物可滲透性的程度。例如不同的表面紋理控制著儲水能力，而條帶狀結構有助于將水分輸送到特定的區(qū)域。在生物可滲透性設計概念下，需要分析菌絲的生長習性來推測設計方向，通過材料研究及幾何形態(tài)的設計來控制生物支架基底促進菌絲生長的能力。下文將依次圍繞菌絲環(huán)境分析、幾何設計及材料建造等內(nèi)容展開。

2.1菌絲生存環(huán)境分析

多種物理和環(huán)境因素可能會影響到菌絲生長的分布，例如氣候、環(huán)境污染指數(shù)、物理因素和基底的化學條件。因此，了解菌絲的生長因子來為其提供最優(yōu)的生長條件對于實驗到生產(chǎn)過程具有深遠的影響。

2.1.1生長實驗為了進一步了解菌絲的習性，本文嘗試進行真實的培養(yǎng)實驗，將菌絲孢子與咖啡渣混合在8個培養(yǎng)皿中，置于不同的自然條件下（圖1）。實驗過程中，通過控制環(huán)境變量：光照、氧氣、水分、溫度、不同的營養(yǎng)體（葡萄糖、酵母），試圖推測菌絲的生長條件。結合M.J.Fuhrl[2]、MarekSiwulski1[3]等的數(shù)據(jù)表明，菌絲總是向外生長以尋找水和營養(yǎng)物質，如碳和氮，這是菌絲自身持續(xù)產(chǎn)生生物量和生長所必需的。有了合適的養(yǎng)分，菌絲體就可以在一些簡單的有機材料中生長，包括稻草和其他形式的農(nóng)業(yè)廢料。除營養(yǎng)充足外，水分活性、溫度、pH和菌絲基復合材料的增長有機基質（例如大麻、鋸末、稻草等）都是影響菌絲生長的重要因素。根據(jù)科學研究，菌絲體生長的最佳pH范圍為6.7、7.7。但是，如果pH低于7，在菌絲外殼層中可能會出現(xiàn)各種綠色的霉菌（木霉），pH越低，污染的可能性就越高。此外，菌絲可以吸收空氣中的水分，在相對濕度較高的環(huán)境下會加速菌絲的生長繁衍。2.1.2結論：（1）pH：6.7to7.7；（2）相對濕度：≥90％；（3）光照強度：菌絲偏向于生長在較暗的空間；（4）營養(yǎng)基質：大麻、鋸末、稻草；（5）年均溫：24～27℃；（6）風速：風速較高生長更致密；（7）朝向：任何方向。

2.2幾何設計

基于上述研究，生長環(huán)境的形態(tài)會影響菌絲數(shù)量，探索如何讓幾何基底影響菌絲的生長是設計中需要探索的重要話題。結論表明，多項因素會影響菌絲的生長，而其中光照強度和相對濕度是建筑師在幾何設計中可控的條件，根據(jù)環(huán)境分析提供的極限條件，可用于創(chuàng)建適宜的幾何圖形滿足不同光照和相對濕度的需求。

2.2.1幾何空間需求（1）陰影空間菌絲傾向于陰暗的空間，因此通常需要適度的遮蔽，所以對于具有一定自遮陽特性的幾何體來說是理想的，例如即保持適度的光線穿透，同時又防止空間直接受到陽光的照射。（2）幾何空間的持水能力水是菌絲生長過程中所必需的元素，它喜歡潮濕或有足夠水分的地方進行繁殖。因此，在設計過程中，關鍵方法是使幾何肌理具有足夠的保水性和把水分輸送到正確地方的能力。

2.2.2幾何邏輯探索充滿孔洞或樹木間裂縫的幾何形體是菌絲偏愛的生存空間。根據(jù)菌絲的形狀、位置和大小賦予設計一定的靈感，例如，通過不同大小的孔洞可以控制透光或儲水和捕捉水分；利用線性空間來控制水流方向。基于這些元素限制進行的設計可以增加菌絲生長的可行性和形態(tài)的可控性。基本設計邏輯（以樹木表皮的裂縫及多孔空間為例）形體功能：（1）裂縫型：引導運輸水分；（2）多孔型：保持水分；（3）傾斜度：減緩水流速度。

2.2.3模仿菌絲生存空間的幾何模型測試作為模型設計和實際功能方面的聯(lián)系，環(huán)境分析獲取的結論為我們的設計提供一個至關重要的約束和理論指導。立柱結構（圖2）是第二階段的設計嘗試（擴大尺度）。整個結構將扮演一個雨水收集器和水分提供者的角色。通過擴大頂面來確保收集足夠的水分，具有可以運輸水分的條帶狀結構以及在不同的位置設置了吸收塵埃中營養(yǎng)物質、儲存水分的孔洞。通過改變參數(shù)，來實現(xiàn)擠出面變化的多樣性，精確的控制曲面擠出的方向、旋轉的程度、縫隙的深度、通道的轉化還有整體的形態(tài)。

2.3建筑尺度的外墻面板設計

基于上述邏輯測試，本文將設計的類型轉化為建筑尺度的外墻面板設計（圖3）。利用新型的生物可滲透性環(huán)境驅動的幾何設計，在立面面板的表面上增強菌絲的生長。通過新穎的設計和數(shù)字制造方法，對每個細節(jié)和內(nèi)容進行細致推敲，實現(xiàn)新型生物可滲透性菌絲面板來改善建筑外立面性能，增強建筑材料的可回收、持續(xù)性能，成為傳統(tǒng)材料的代替品。研究目標：（1）使用菌絲設計和制造的創(chuàng)新墻板，以替代傳統(tǒng)普通的外墻面板。（2）在幾何技術的調節(jié)下完成高效率的水分吸收、保留和分配，促進菌絲的生長。（3）結合跨學科的設計、數(shù)字制造和環(huán)境測試流程，以創(chuàng)建未來可商業(yè)化產(chǎn)品的基礎。（4）設計生物滲透性的墻板可以控制表面肌理的美學變化以滿足不同的審美需求。（5）建立新的設計范例，在材料上提出綠色方案，來改善建筑環(huán)境。

2.3.1設計操作使用Houdini軟件生成條帶狀和多孔狀兩種幾何形態(tài)，幾何肌理的主要的作用是將墻板上部的水分引流到控制菌絲生長的特定部位。特點：（1）在設計中創(chuàng)造適合菌絲生長的不同空間和微環(huán)境的幾何體，專注于自組織的復雜自適應系統(tǒng)。（2）考慮水流的方向和作為面板部分幾何形狀的連續(xù)性。雨水流經(jīng)條帶狀的肌理后儲存在設定好的凹陷孔洞中，水流速度過快時面板中的一些部分設置了凹陷的孔洞來儲存水分，控制材料的持水性和平衡含水率，同時這些孔洞也用于吸收塵埃中的營養(yǎng)物質。（3）控制光透入模式，提供相對的陰影空間來完善自遮光的功能避免菌絲受到陽光直射。相應的，在凹陷孔洞內(nèi)是促進菌絲生長的空間。

2.4基底材料與實際建造

前面提到，菌絲偏愛生存于大麻、稻草、農(nóng)業(yè)廢料等有機材料中，并且菌絲磚、菌絲亭等現(xiàn)有設計案例表明菌絲可以與稻草、農(nóng)業(yè)廢料等結合成為一種高強、防水和耐火的建筑材料，所以該類物質可以被選擇作為生物支架的基底材料。利用3D打印/澆筑技術，使用上述有機基質制出適合菌絲生長的面板。將菌絲孢子散落在所設計的特定幾何肌理表面，置于合適的外部環(huán)境中（pH、相對濕度、適宜的溫度等），加快它們的生長速度，以增強面板的綜合性能。根據(jù)上述步驟制成的菌絲面板，材料本身完全綠色可降解，并且具有優(yōu)越的綜合性能，可嘗試用于建筑結構或一系列城市環(huán)境，包括大型擋土墻、高架鐵路線等。

結語

在全球資源緊缺的情況下，探索生物材料代替人工或化學材料是一個重要的解決方案。生物基作為常規(guī)材料的可持續(xù)替代品，相對于傳統(tǒng)材料來說更原始、環(huán)保且有利于提升傳統(tǒng)材料的綜合性能。同時，用生物自然生長的特性，建筑材料將更具有美觀的特征。菌絲在建筑行業(yè)具有巨大的潛力，研究者可以基于生物可滲透性設計概念，利用設計生物支架來創(chuàng)造菌絲與材料結合的新方式，增加菌絲在建筑施工中的可持續(xù)性。通過探索基底類型和需要控制的環(huán)境條件來控制菌絲體的生長位置，讓菌絲自然生長，相互作用應用到建筑材料中。本文所設計的試驗方法具有深層次的設計和制造優(yōu)勢，在將來的研究中值得深入探討。

作者：林欣荷 單位：福州大學至誠學院