建筑综合农业（BIA）主要使用无土栽培技术，如水培、鱼菜共生或气雾培。BIA的好处包括全年生产、更高的产量、更大的食品安全和生物安全控制，以及在水供应、农药、除草剂和肥料方面显著减少投入，同时通过农场与其宿主建筑之间的共生关系改善建筑的能源效率。BIA系统可以应用于建筑外壳——在屋顶或立面上，以利用自然光的可用性——或在室内使用人工光，或在独立建筑中（图2），所有生长参数均可控制。这被称为受控环境农业（CEA），它结合了园艺和工程技能，以优化作物生产、作物质量和生产效率。

屋顶温室在现有的多种BIA形式中，屋顶温室农业是最受欢迎的之一，因为屋顶代表了城市中大量未利用的区域，轻型水培温室不需要对宿主建筑进行任何重大结构加固（Benis & Ferrão 2018）。屋顶是密集城市中种植植物的理想场所，因为它通常比下面的地面有更大的太阳能暴露。虽然水培温室的产量高于露天土壤屋顶农场，但可以种植的蔬菜种类较少，通常限制在叶菜、微型蔬菜、香草、西红柿、黄瓜、茄子、辣椒和草莓（Buehler & Junge 2016）。水培温室通常配备气候控制系统，如风扇、加热器、蒸发冷却、热屏和可操作窗户，以调节室内空气并实现最佳温度、相对湿度和二氧化碳水平，无论外部条件如何。它们使用天然气或电力加热，并可能通过光伏（PV）面板提供备用。最先进的设施捕获建筑HVAC系统的废热，并可能使用太阳能玻璃建造，收集特定波长的阳光以发电，同时将其他波长传输和扩散到温室中（图3）。

一些北美公司已经证明，在密集城市环境中未利用的屋顶上，可以全年为城市居民生产大量食品。Lufa Farms于2011年在加拿大蒙特利尔的一座工业建筑上建造了世界上第一个商业屋顶温室。这个2880 m2的温室用于种植各种不同的蔬菜。此后，他们又建造了两个，一个旨在最大化西红柿的生产（3995 m2），另一个则专门用于种植叶菜（5853 m2）。他们的每个温室都配备了NFT水培系统，设计不仅更大，而且更轻、更便宜和更高效。在美国，Gotham Greens在纽约市和芝加哥的4个设施中运营16000平方米的城市屋顶温室，同样使用NFT水培。他们在纽约市于2011年建造的旗舰温室是美国首个商业规模的温室。这个1394 m2的设施每年生产超过45000公斤的叶菜。该设施在设计和建造时以可持续性为重心，其电力需求由60 kW的现场太阳能光伏面板抵消，高效设计特征包括LED照明、先进的玻璃、被动通风和热帘，所有这些都有助于减少电力和供暖需求。屋顶集成进一步减少了能源使用，同时也为下面的建筑提供了绝缘。Gotham Greens的第二个温室于2013年建成，是第一个建在超市顶部的商业规模温室。该温室面积超过1858 m2，每年生产超过90000公斤的叶菜、香草和西红柿。他们在纽约市的第三个也是最大的温室面积为5574 m2，每年种植超过500万株叶菜。与此相比，他们在芝加哥的温室面积超过6968 m2，是世界上最大和最高产的屋顶农场，种植多达1000万株叶菜和香草。

图3：屋顶温室与宿主建筑之间水、能源和气体流动的潜在互换（来源：Céron-Palma 等 2012）

纽约市还拥有另外三个水培屋顶温室。Sky Vegetables种植香草和绿叶蔬菜，而The Vinegar Factory则种植西红柿、草莓、香草和绿叶蔬菜。最近在纽约市的Arbor House上建造了一座屋顶温室，这是一个经济适用房区。该地区有着不成比例的低收入人群，肥胖、糖尿病和心脏病的发病率较高，这个929 m2的水培农场将作为社区支持农业（CSA）安排，居民可以通过每周的蔬菜盒订阅计划购买农产品。约40%的农产品将通过与附近学校、医院和市场的联系提供给当地社区。Edenworks是位于纽约市的一个水产养殖屋顶温室农场，种植微型蔬菜。

在欧洲，瑞士初创公司UrbanFarmers在巴塞尔的一个屋顶温室中设立了他们的商业水产养殖农场试点UF001LokDepot。260 m2的种植空间年产5000公斤蔬菜，而水产养殖系统的容量为800公斤鱼。

总部位于柏林的初创公司ECF Farmsystems建造了两个水产养殖屋顶温室。Eco Jäger于2016年在瑞士巴德拉戈兹开业，种植生菜、香草和餐馆、酒店及餐饮公司的鲑鱼。BIGH于2018年在布鲁塞尔开业，生产生菜、香草和混合条纹鲈鱼，供餐馆、食品零售市场和直接农场销售。法国的第一个城市屋顶温室将于2019年开业。Toit Tout Vert位于巴黎的一个住宅区，1400 m2的种植空间的农产品将出售到当地商店。

独立温室空置的城市地块也为独立温室提供了机会。Metropolitan Farms位于芝加哥的一个前停车场。该水产养殖温室生产生菜、罗勒和罗非鱼，通过农贸市场、当地食品合作社和特色杂货店销售。在欧洲，ECF Farmsystems在柏林市中心运营一个水产养殖温室。ECF Farm Berlin于2015年开业，占地1800 m2，用于种植罗勒和鲈鱼，供食品零售市场使用。

垂直农场和植物工厂“垂直农业”这一概念由迪克森·德斯波米耶（Dickson Despommier）在2010年其著作《垂直农场：在21世纪喂养世界》中提出。垂直农场可以位于温室或建筑内部，使用各种不同的技术在垂直平面上种植植物，以最大化相对于生产单元表面的产量（有关这些垂直生长系统技术的详细信息，请参见第14章）。理论上，垂直农场也可以以垂直集成温室（VIG）的形式放置在建筑立面上，该温室由双层建筑立面与水培系统结合而成。然而，尽管VIG作为一个概念已经开发并获得专利，但尚未建成。垂直农场也可以是专门建造的摩天大楼（有时称为“天空农场”）。同样，这种乌托邦式的愿景尚未实现。这在很大程度上是因为这样的项目在经济上不可行。

总部位于斯德哥尔摩的Plantagon已经为天空农场申请了多项设计专利。世界粮食大厦（图4）是一座60米高的办公大楼，兼作垂直农场，2012年在瑞典林雪平市开始建设，预计于2020年完工。这座4000万美元的建筑旨在展示该公司对城市建筑的看法，他们称之为“农业建筑”——一个结合农业、技术和建筑的合成词。建筑的北面将包含17层办公空间，而倾斜的玻璃立面将覆盖南侧，以允许最大量的阳光照射到农场区域。附近的废物焚烧和生物气体工厂将为建筑提供供暖以及食品生产的燃料，而温室的废物将被送往生物气体工厂进行堆肥，从而创造一个能量的循环流动。然而，该公司于2019年破产，这引发了关于世界粮食大厦是否会完成建设的质疑。

天空农场最有可能首先在新加坡和上海等亚洲大城市实现。新加坡是一个只有750 km2的小岛，人口超过五百万，面临潜在的食品安全问题。由于土地稀缺，岛上只有0.9%的土地用于农业，仅生产7%的食品。其余的需求通过从世界各地进口食品来满足。然而，食品运输成本日益高昂，因此新加坡开始认真对待垂直农业。该市的第一座农场Sky Greens于2012年开始生产，垂直农场的数量从2016年的六个增长到2018年的26个（Wei 2018）。

图4：瑞典林雪平的世界粮食大厦效果图 www.plantagon.com

上海是另一个理想的垂直农业城市。面对近2400万居民的食品需求以及农业用地的可用性和质量下降，高地价使得向上建设比向外扩展在经济上更可行。城市规划师Sasaki Associates为Sunqiao Urban Agricultural District制定了总体规划。该地区位于主要国际机场和市中心之间，占地100公顷，将包括66611 m2的住房、12820 m2的商业空间、69956 m2的垂直农场和79525 m2的公共空间。虽然主要是为了响应该地区日益增长的农业需求，Sasaki的愿景更进一步，利用城市农业作为创新、互动和教育的动态生活实验室，并部署一系列适合城市的农业技术，如藻类农场、漂浮温室、垂直种子图书馆，以及用于满足典型上海饮食中对绿叶蔬菜需求的水培和水产养殖垂直农场（图5和图6）。Sasaki批准的方案的规模表明了中国农业部门日益增加的价值。中国是世界上最大的农业产品消费国和出口国，该行业提供了22%的就业和13%的国内生产总值。因此，中国政府渴望保护、现代化和展示这一显著降低贫困率的行业。该地区的建设始于2018年，预计于2038年完成。

图5：上海Sunqiao Urban Agricultural District效果图 http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/

图6：上海Sunqiao Urban Agricultural District效果图 http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/

虽然天空农场仍然是未来的愿景，但商业植物工厂在北美、欧洲、东亚和中东的农村和城市地区均已投入运营。植物工厂是一种封闭的植物生产系统，其中通风保持在最低限度，人工光作为植物生长的唯一光源。环境可以根据需要精确控制，无论天气如何。除了水培系统中的循环营养液外，植物蒸发的水分可以在空调的冷却面板上凝结和收集，然后回收用于灌溉。通常，植物工厂由6个主要组成部分构成：一个热绝缘且几乎密闭的仓库式不透明结构；4到20层垂直堆叠的水培培养床，配备荧光灯或LED灯；用于冷却和除湿的空调（热泵），以消除灯产生的热量和植物蒸发的水蒸气，以及用于循环空气以增强光合作用和蒸腾作用，并实现均匀空间空气分布的风扇；一个CO2供应单元，以在光照期间保持CO2浓度在约1000 mmol/L，以增强光合作用；一个营养液供应单元，配有水泵；以及一个环境控制单元，包括营养液的电导率（EC）和pH控制器。虽然由于其紧凑的尺寸，荧光灯主要被使用，但由于其低灯表面温度、高光利用效率和广泛的光谱，LED灯的使用越来越多。最新的植物工厂正在使用先进的机器人技术，包括远程传感、图像处理、智能机器人手、云计算、大数据分析和3D建模（Kozai 2013）。

在植物工厂中生长的植物需要高度低于约30厘米，因为垂直层之间的距离通常约为40厘米，这是最大化空间利用的最佳高度。适合使用植物工厂进行商业生产的植物是那些在相对低光强下生长良好、在高种植密度下茁壮成长、快速生长（移植后10-30天可收获），并且大部分部分（85%以鲜重计）可食用且售价较高的植物。因此，在日本和其他亚洲国家，植物工厂被用于商业生产叶菜、香草、药用植物和移植苗。仅占地15-100 m²的小型植物工厂在日本也被广泛用于商业生产苗木，因为苗木可以在短时间内以高种植密度生产。嫁接和非嫁接的西红柿、黄瓜、茄子、用于水培的菠菜和生菜苗，以及高价值观赏植物的苗木和插条，均在这些小型植物工厂中进行商业生产（Kozai 2013; Kozai 等 al. 2016）。

在北美，Plenty、Planted、Oasis Biotech、FreshBox Farms和We the Roots在前仓库中运营城市植物工厂，而AeroFarms则位于前钢铁厂。Fresh Impact Farms位于一个郊区购物中心内，Farm.One则位于一家餐厅的地下室。在欧洲，PlantLab位于荷兰‘s-Hertogenbosch，是一个占地20000 m2的植物工厂和研发设施，位于一个空置的工厂和仓库空间内。该农场使用先进的LED技术，根据精确需求校准光的组成和强度，并采用自动化系统监控和控制80多种不同的变量，包括湿度、CO2、光强、光色、空气速度、灌溉、营养价值和空气温度，以提高植物的产量和质量。GROWx位于阿姆斯特丹，在一个仓库中种植微型蔬菜、香草和生菜，按订单收获，供高档餐厅使用。在伦敦，GrowUp Urban Farms在一个仓库中运营商业水产养殖农场，而Growing Underground在地下33米的二战空袭避难所中种植微型蔬菜。La Caverne是位于巴黎一个停车场的地下农场，种植蘑菇、菊苣和微型蔬菜。

垂直农场也可以在温室中运营，以利用自然光；因此，环境仅为半控制。例如，美国的Vertical Harvest和新加坡的Sky Greens。2019年开业的Tour Maraichère位于巴黎郊区的罗曼维尔，是一座专门建造的温室，由两个单元组成，其中最高的单元高达24米（图7）。2060 m2的种植空间每年将生产12吨水果、蔬菜、蘑菇和可食用花卉，温室将用于展示短食品生产链，为当地居民提供低生态足迹的新鲜食品，减少公路运输的使用，并创造就业机会。

图7：巴黎Tour Maraichère效果图 http://ilimelgo.com/fr/projets/tour-maraichere.html

集装箱农场城市农业领域的另一个新兴趋势是集装箱农场，这些农场也使用垂直农业技术。配备最先进的气候控制技术和水培生长塔或堆叠的NFT通道，集装箱农场允许全年生产，并可以安装在空地或屋顶上。集装箱的优点包括其紧凑性和模块化、大量可用性，以及如果使用再利用的集装箱，其低成本。由于它们是模块化的，因此可以轻松堆叠，因此理论上可以创建一个非常高密度和高产的农场，尽管这一机会尚未被接受。CropBox系统是一个再利用的集装箱，面积为30 m2，使用一系列水平NFT通道；它每年可以生长5445公斤生菜、3175公斤草莓或84吨微型蔬菜。Tiger Corner Farms系统也使用再利用的集装箱，但通过使用垂直气雾培技术，在每个生长周期中种植3800到7600种作物。Freight Farms最初使用再利用的集装箱（Leafy Green Machine），但现在销售专门建造的集装箱（Greenery），具有更好的绝缘和更高效的气候控制系统。这两个系统都使用垂直生长塔，可以容纳多达4500株成熟植物。Leafy Green Machine已被北美的一些城市农场采用，用于种植叶菜和香草，包括Square Roots、Corner Stalk Farm、Acre in a Box、Very Local Greens、Bright Greens和Enlightened Crops。第三家美国公司GreenTech Agro销售Growtainer，这是一种定制建造的集装箱，提供四种尺寸——6、12、13.7和16米，并使用专有的轻质铝制生长床堆叠。这样的系统已在达拉斯的中央市场安装，用于种植叶菜和香草，然后在超市中出售。这些集装箱在美国和鹿特丹制造。

在欧洲，Agricool使用集装箱在巴黎种植草莓。全球最大的家具零售商宜家已开始在瑞典的商店外种植生菜，这些生菜随后在店内餐厅提供（Thomasson 2019），瑞典超市ICA Maxi已开始在其哈尔姆斯塔德的商店外销售在集装箱中种植的叶菜和香草（Jachec 2019）。比利时初创公司Urban Crop Solutions开发了两种集装箱农场系统；FarmFlex和FarmPro。FarmFlex是一个需要人工劳动的集装箱农场，而FarmPro则是完全自动化的，看起来更像是一个位于集装箱内的植物工厂。

UrbanFarmers开发了一种城市水产养殖农场系统，由一个集装箱和顶部的温室组成，称为UF Box。这一系统已被英国初创公司GrowUp Urban Farms模仿：GrowUp Box每年可以生产435公斤绿叶蔬菜和150公斤鱼。比利时列日大学的Gembloux Agro-Bio Tech正在试验一个类似的系统，PAFF Box（植物和鱼类养殖箱）（Delaide 等 2017）。在加拿大，Ripple Farms使用集装箱和屋顶温室系统在多伦多生产罗非鱼、绿叶蔬菜和微型蔬菜。

版权 © Aqu@teach项目的合作伙伴。Aqu@teach是一个由格林威治大学主导的Erasmus+高等教育战略伙伴关系（2017-2020），与瑞士苏黎世应用科技大学、西班牙马德里理工大学、卢布尔雅那大学和斯洛文尼亚生物技术中心Naklo合作。