建筑材料研究菌丝的应用设计

摘要：文章将围绕菌丝成为可持续建筑材料的内容展开，结合生物学和建筑学的方向，提出生物可渗透性设计概念，通过新颖的设计和数字制造技术，探索利用菌丝开发新型可持续墙板系统的实验方法。

关键词：菌丝形态；建筑可持续性；生物设计；可持续设计；生物材料

引言

近年来，城市建筑逐渐演变为一片由钢筋混凝土搭建的丛林，充斥着拥挤和冷漠。建筑师与人们都在不断地追求绿色建筑，然而目前大部分绿色建筑都需要消耗更多的能源去维护，这样又给环境带来新的负担。设计师应该在本质上赋予建筑物可降解和可持续的能力，就像大自然的循环一样。因此，对于生物材料的探索是一个很好的方法，以生物学为灵感，研究生长而非制造的材料。沿着这些思路，菌丝基复合材料提供了可再生降解替代的可能性。

1菌丝特性

菌丝是真菌的营养部分，是一种细菌菌落，由大量的分枝和线组成，通常可以在土壤和其他有机物中发现。研究表明，菌丝体柔韧灵活、经久耐用。经过处理，菌丝的丝线网络具有绝缘效果，可以防潮、防水、阻燃并支撑大量压力。近年来，菌丝作为一种新型建筑材料在成熟的设计创新平台得到了越来越多的认可。

2生物可渗透性实验设计——菌丝外墙面板

1995年，Guilitte首次提出了生物渗透性设计（Bioreceptivedesign）的概念，即提炼出一种物质可以承担生物繁殖容器的能力，使生物可以在其表面自然生长[1]。生物支架设计（Bioscaffold）是其中一个很有意义的研究方向，为了更好地结合微生物于材料中，设计一个有能力让微生物可以直接生长在其表面的结构，培养结构本身成为微生物生长的基底。通过孔隙率、材料的保水性以及其他一些对微生物生长、繁衍有利的环境因素（pH、太阳辐射等）的控制，使得结构本身成为一个允许自我生长、自我修复和适应环境的生物基质。以菌丝材料为例，菌丝倾向于生长在稻草及一些农业废料中，使用这些材料作为生物支架的基底材料可以促进菌丝的生长；另一方面，设计师可以研究基底表面的几何肌理来促进生物可渗透性的程度。例如不同的表面纹理控制着储水能力，而条带状结构有助于将水分输送到特定的区域。在生物可渗透性设计概念下，需要分析菌丝的生长习性来推测设计方向，通过材料研究及几何形态的设计来控制生物支架基底促进菌丝生长的能力。下文将依次围绕菌丝环境分析、几何设计及材料建造等内容展开。

2.1菌丝生存环境分析

多种物理和环境因素可能会影响到菌丝生长的分布，例如气候、环境污染指数、物理因素和基底的化学条件。因此，了解菌丝的生长因子来为其提供最优的生长条件对于实验到生产过程具有深远的影响。

2.1.1生长实验为了进一步了解菌丝的习性，本文尝试进行真实的培养实验，将菌丝孢子与咖啡渣混合在8个培养皿中，置于不同的自然条件下（图1）。实验过程中，通过控制环境变量：光照、氧气、水分、温度、不同的营养体（葡萄糖、酵母），试图推测菌丝的生长条件。结合M.J.Fuhrl[2]、MarekSiwulski1[3]等的数据表明，菌丝总是向外生长以寻找水和营养物质，如碳和氮，这是菌丝自身持续产生生物量和生长所必需的。有了合适的养分，菌丝体就可以在一些简单的有机材料中生长，包括稻草和其他形式的农业废料。除营养充足外，水分活性、温度、pH和菌丝基复合材料的增长有机基质（例如大麻、锯末、稻草等）都是影响菌丝生长的重要因素。根据科学研究，菌丝体生长的最佳pH范围为6.7、7.7。但是，如果pH低于7，在菌丝外壳层中可能会出现各种绿色的霉菌（木霉），pH越低，污染的可能性就越高。此外，菌丝可以吸收空气中的水分，在相对湿度较高的环境下会加速菌丝的生长繁衍。2.1.2结论：（1）pH：6.7to7.7；（2）相对湿度：≥90％；（3）光照强度：菌丝偏向于生长在较暗的空间；（4）营养基质：大麻、锯末、稻草；（5）年均温：24～27℃；（6）风速：风速较高生长更致密；（7）朝向：任何方向。

2.2几何设计

基于上述研究，生长环境的形态会影响菌丝数量，探索如何让几何基底影响菌丝的生长是设计中需要探索的重要话题。结论表明，多项因素会影响菌丝的生长，而其中光照强度和相对湿度是建筑师在几何设计中可控的条件，根据环境分析提供的极限条件，可用于创建适宜的几何图形满足不同光照和相对湿度的需求。

2.2.1几何空间需求（1）阴影空间菌丝倾向于阴暗的空间，因此通常需要适度的遮蔽，所以对于具有一定自遮阳特性的几何体来说是理想的，例如即保持适度的光线穿透，同时又防止空间直接受到阳光的照射。（2）几何空间的持水能力水是菌丝生长过程中所必需的元素，它喜欢潮湿或有足够水分的地方进行繁殖。因此，在设计过程中，关键方法是使几何肌理具有足够的保水性和把水分输送到正确地方的能力。

2.2.2几何逻辑探索充满孔洞或树木间裂缝的几何形体是菌丝偏爱的生存空间。根据菌丝的形状、位置和大小赋予设计一定的灵感，例如，通过不同大小的孔洞可以控制透光或储水和捕捉水分；利用线性空间来控制水流方向。基于这些元素限制进行的设计可以增加菌丝生长的可行性和形态的可控性。基本设计逻辑（以树木表皮的裂缝及多孔空间为例）形体功能：（1）裂缝型：引导运输水分；（2）多孔型：保持水分；（3）倾斜度：减缓水流速度。

2.2.3模仿菌丝生存空间的几何模型测试作为模型设计和实际功能方面的联系，环境分析获取的结论为我们的设计提供一个至关重要的约束和理论指导。立柱结构（图2）是第二阶段的设计尝试（扩大尺度）。整个结构将扮演一个雨水收集器和水分提供者的角色。通过扩大顶面来确保收集足够的水分，具有可以运输水分的条带状结构以及在不同的位置设置了吸收尘埃中营养物质、储存水分的孔洞。通过改变参数，来实现挤出面变化的多样性，精确的控制曲面挤出的方向、旋转的程度、缝隙的深度、通道的转化还有整体的形态。

2.3建筑尺度的外墙面板设计

基于上述逻辑测试，本文将设计的类型转化为建筑尺度的外墙面板设计（图3）。利用新型的生物可渗透性环境驱动的几何设计，在立面面板的表面上增强菌丝的生长。通过新颖的设计和数字制造方法，对每个细节和内容进行细致推敲，实现新型生物可渗透性菌丝面板来改善建筑外立面性能，增强建筑材料的可回收、持续性能，成为传统材料的代替品。研究目标：（1）使用菌丝设计和制造的创新墙板，以替代传统普通的外墙面板。（2）在几何技术的调节下完成高效率的水分吸收、保留和分配，促进菌丝的生长。（3）结合跨学科的设计、数字制造和环境测试流程，以创建未来可商业化产品的基础。（4）设计生物渗透性的墙板可以控制表面肌理的美学变化以满足不同的审美需求。（5）建立新的设计范例，在材料上提出绿色方案，来改善建筑环境。

2.3.1设计操作使用Houdini软件生成条带状和多孔状两种几何形态，几何肌理的主要的作用是将墙板上部的水分引流到控制菌丝生长的特定部位。特点：（1）在设计中创造适合菌丝生长的不同空间和微环境的几何体，专注于自组织的复杂自适应系统。（2）考虑水流的方向和作为面板部分几何形状的连续性。雨水流经条带状的肌理后储存在设定好的凹陷孔洞中，水流速度过快时面板中的一些部分设置了凹陷的孔洞来储存水分，控制材料的持水性和平衡含水率，同时这些孔洞也用于吸收尘埃中的营养物质。（3）控制光透入模式，提供相对的阴影空间来完善自遮光的功能避免菌丝受到阳光直射。相应的，在凹陷孔洞内是促进菌丝生长的空间。

2.4基底材料与实际建造

前面提到，菌丝偏爱生存于大麻、稻草、农业废料等有机材料中，并且菌丝砖、菌丝亭等现有设计案例表明菌丝可以与稻草、农业废料等结合成为一种高强、防水和耐火的建筑材料，所以该类物质可以被选择作为生物支架的基底材料。利用3D打印/浇筑技术，使用上述有机基质制出适合菌丝生长的面板。将菌丝孢子散落在所设计的特定几何肌理表面，置于合适的外部环境中（pH、相对湿度、适宜的温度等），加快它们的生长速度，以增强面板的综合性能。根据上述步骤制成的菌丝面板，材料本身完全绿色可降解，并且具有优越的综合性能，可尝试用于建筑结构或一系列城市环境，包括大型挡土墙、高架铁路线等。

结语

在全球资源紧缺的情况下，探索生物材料代替人工或化学材料是一个重要的解决方案。生物基作为常规材料的可持续替代品，相对于传统材料来说更原始、环保且有利于提升传统材料的综合性能。同时，用生物自然生长的特性，建筑材料将更具有美观的特征。菌丝在建筑行业具有巨大的潜力，研究者可以基于生物可渗透性设计概念，利用设计生物支架来创造菌丝与材料结合的新方式，增加菌丝在建筑施工中的可持续性。通过探索基底类型和需要控制的环境条件来控制菌丝体的生长位置，让菌丝自然生长，相互作用应用到建筑材料中。本文所设计的试验方法具有深层次的设计和制造优势，在将来的研究中值得深入探讨。

作者：林欣荷 单位：福州大学至诚学院