新知丨非洲白蚁丘与仿生建筑

小白蚁，大能量，“摩天大楼”也能盖

中-非中心基建项目环评会现场

2018年11月19日，著名学术刊物“Current Biology”上刊登了一篇文章——科学家在巴西东北地区发现一个近4000多年悠久历史的“白蚁城市”。该“城市”覆盖面积与英国相当，达到23万平方公里。数千年来，白蚁在挖掘地下隧道联通巢穴时产生总体量约为10,000,000,000立方米的土壤，相当于4000个吉萨金字塔的体积，在地面上堆积了近2亿个锥形的土丘，有的高约2.5米，宽约9米。

科学家报道在巴西发现4000年历史的白蚁丘

白蚁在中国也不陌生，破坏河流堤坝、蚕食木质建筑，祸患无穷。

事实上，除南极洲外的六大洲，以赤道为中心，南、北纬45°之间广阔区域都有它的踪迹。非洲大陆的白蚁尤其闻名，这里不仅种类多、而且密度相当大。

无论如何你应该没有这样的非洲经历——前一天在建设现场搭建的帐篷会场，第二天发现桌下布满了白蚁新堆的泥土包。

一夜之间主席台桌下的白蚁巢初具规模

肯尼亚博格利亚地区黄色白蚁巢突兀险峻

白蚁丘的建筑材料是工蚁们自制的“混凝土”——分泌的唾液加上碎草泥土，相当坚固。因白蚁种类不同、地理环境各异以及构筑年代有别，或敦实如山峰，或险峻似高塔；可零散分布，可集中成片；新筑之巢因不断完善则外表粗糙，老旧之巢被动物蹭擦而油腻光滑，遗弃之巢受各种破坏而千疮百孔。随各地土壤颜色，红、黄、灰俱有。

埃塞俄比亚西部高塔状白蚁巢颜色棕红

坦桑尼亚塔兰吉雷地区灰色白蚁巢已破败不堪

房子附近高大的白蚁巢，这是刚刚修建不久的新巢穴

津巴布韦·马拉普保护区白蚁也没有缺席，譬如前面已介绍的苹果环相思树就受到白蚁的蚕食，密密麻麻的布满树干，密集恐惧症者不忍直视，相信苹果环相思树更无法忍受。

林中随处可见的白蚁巢与灌木密不可分，与人类毗邻而居，在这片土地上很认真的共存。虽然坚固的白蚁巢能熬死身边的乔木，却有时也不幸沦落为黑长尾猴的游乐场，被攀爬成光滑的矮丘。

黑长尾猴在白蚁丘上活动

靠近赞比西河的河滩上星罗棋布也散布着大大小小的白蚁丘，如同科幻片中某种巨兽产生的粪堆。为防止周期性被洪水淹没，白蚁丘比干旱地区明显要更高一些。

白蚁“王朝”，建制齐备

分飞能繁殖的长翅白蚁，白蚁的扩散就是它们的“功劳”湿热天气长翅白蚁离开巢穴分飞，翅膀脱落，完成交配寻找新的筑巢地

之所以叫它白蚁，主要是身体无色或白色，体态和行动如蚂蚁，实际上它是蟑螂的近亲。白蚁有着二亿五千万年生存历史，远远大于仅有六千万年的蚂蚁，算得上是昆虫界的老祖先之一。

全世界约3000多种白蚁。它们的组织结构无疑是自然界中最复杂的一类生物，任何一群白蚁都是一个等级森严、分工严密的社会。

白蚁分化示意图（余泉绘）

在白蚁的世界里繁殖是王道。最高贵者是专司繁殖后代的蚁王和蚁后，尤其是蚁后，深居蚁巢“王宫”中，每天产卵数千。其次是发育充分的有翅白蚁，在温度湿度合适时飞离巢穴另行扩散安家。

写到这里，眼前浮现2015年内罗毕雨季一个没关窗户忘关灯的夜晚：忽闻楼下客厅若有若无的嘈杂声，以为有什么不速之客。和同事一起战战兢兢下去，眼前成千上万狂欢的长翅白蚁在群魔乱舞，彻底挤满了客厅的整个空间，密集到不断发生空中交通事故相撞而掉落。纷飞的长翅白蚁一旦相互“情投意合”就会飞落地面，各自脱掉翅膀，雌雄成双追逐，完成婚配，继而寻找新的场所建新巢定居。

数量繁多的工蚁和兵蚁属于不能繁殖的群体，没有翅膀甚至眼睛退化。其中工蚁处于白蚁世界的最底层，数量最多，约占群体的80%，个体最小却天生一副劳碌命——建蚁巢、掘隧道、修蚁路、培菌圃、采食物、做清洁、护蚁卵、育幼蚁、兵蚁和蚁后。在无兵蚁时还要负责抵御外敌。可以说工蚁用“羸弱的身板”扛起了整个社会责任。

而兵蚁，顾名思义要“保家卫巢”，防止其它蚁群的“异族入侵”。它们的头部高度骨化，上颚发达成为御敌武器，但在强大的捕食者面前，它们也是首当其冲的炮灰。亲睹三五只蜘蛛嚣张的堵在白蚁洞口，把一群兵蚁、工蚁吓得噤若寒蝉，偶尔一两只勇敢者冲出来，最终都英勇献身成为战利品。

头部高度骨化下颚发达的白蚁兵蚁

蜘蛛与白蚁的对峙

兵蚁和工蚁对阳光敏感，总在相对潮湿阴暗的环境中，而兵蚁的尸体是蜘蛛的美食

白蚁--天生的杰出建筑师

蚁巢壁上有许多相互垂直的辐射状通风道，如同机器的散热片，有助于热空气通过此处时冷却。通风道经蚁巢表面的大量细孔和外界进行气体交换。白天辐射状通风道里空气受热上升，形成气压差向外抽走蚁巢中热空气，与此同时同时巢底部空气贮存室里冷空气自动注入蚁巢，降低蚁巢温度；周边的空气顺着周边散热片通风道降温后进入空气贮存室。夜晚通道中空气冷却后，也会协同新鲜空气下沉到贮存室。（余泉绘）白蚁巢内部碎片，可见孔隙密布，通道发达

历经亿万年的“蚁类文明”必然有其独特之处——白蚁天生是杰出的建筑师！

我们在非洲、在南美所见之巨大的白蚁巢，不仅坚固能保护白蚁群体免受外敌侵害，更重要的是提供一个适于生活的稳定环境。自然环境中脱离蚁巢的白蚁很难长期得以生存，说明蚁巢极其重要的地位。

文献显示自上世纪初，学者就开始关于白蚁巢结构与热量交换的的研究。研究发现因为通风系统堪称完美、“内部庭院”设计合理，以至于在非洲旱季酷暑之下，蚁巢内温度能相对稳定在30度以内，犹如安装空调一般，同时也可收集冷凝的水滴，维持巢内湿度。

马拉普保护区典型的白蚁巢

白蚁巢纵剖面示意图（余泉绘）

剖开白蚁巢坚固的外壳，可以看到，里面隧道密布，上部呈树枝状，下部则为大量细孔道。这些隧道甚至长达数十米，到达地下水或基岩深度。主要结构见示意图，包含：

通气孔——分布于顶部和两侧，数量不等，多达几百个；孔径大小不等，从厘米级到毫米级。道理并不复杂，通过气体对流更换新鲜空气，尤其是顶部的主通气孔，能产生烟囱效应。冬天外部气温低，白蚁将通气孔缩小或堵塞减少对流，巢内二氧化碳浓度高而保持巢内温度（20℃~25℃）；夏天外部气温高，则扩大通气孔，增加空气对流降低巢内温度。白蚁巢依靠太阳能为动力，使巢内通风系统有效地运转，始终保证空气新鲜，温度适宜（机理见示意图及图注）。此处有兵蚁把守。

空气贮存室——位于蚁巢底部。这个较大的空间贮存着大量新鲜、清凉的空气，在蚁巢空气交换中起着重要作用。

分飞孔——长翅繁殖蚁离家另立门户的出口，比通气孔粗大，内有比较宽敞的空间，便于繁殖蚁做飞翔前的准备，也叫“候飞室”。毕竟一旦出了这个孔，就如泼出去的水，一生不会再回来。安全起见，非繁殖季节的分飞孔会被堵上或者缩小。此处亦有兵蚁把守。

真菌圃——难以想象，白蚁居然能在巢中利用其排泄物培养真菌，最后形成的富含各种氨基酸的多孔块状物供其食用。真菌圃是部分白蚁生存中不可缺少的部分。

白蚁智慧的衍生

独特的烟囱清晰可见东门中心所有的外墙都尽量避免阳光直射使用了深悬挑来避免窗户和墙壁直接受到阳光的照射

人类善于学习，自然不会忽视这种智慧满满的建筑。在津巴布韦首都哈拉雷一个偶然的机会，中津野生动物保护基金会宋黎主席推荐了市中心的“东门购物与办公中心”（Eastgate Shopping and Office Centre）。高十层，商业面积5,600 m，办公面积26,000 m，车位450个，这些数据无论如何都算不上耀眼，但如果说它可能是世界上第一个模仿白蚁巢，使用自然通风冷却技术的建筑？仅此一条，便注定它魅力无穷。

东门中心局部，非常独特的外形

东门中心的外表即使放在1992年（设计初）也谈不上现代化。但现代化的玻璃大楼往往花费昂贵去维持一个舒适的温度，需要对室内空气冬天加热夏天冷却，并且努力将其留于室内避免浪费，导致建筑内空气污染严重。所以东门中心的建筑设计师米克皮尔斯(Mick Pearce)完全摒弃那种大玻璃幕墙包裹密封空间的模式，加之哈拉雷地处热带，但气候温和，日温差为10~14°C，所以白蚁巢仿生学思路得以在此实现。

东门中心有两栋平行的单体楼，利用玻璃顶中庭连接而成。两栋楼分别设立空气输入与排除的通道（见示意图）。

东门中心建筑布局及通风示意图（余泉绘）

结构仿生——中庭设有玻璃天桥，最小限度影响采光，并起到遮阴降温，改变视觉效果的作用。风机抽取凉爽空气送至各层地板下通风空腔，由墙脚部风口进入各办公室。办公电器及人产生的热量使空气变热后会通过天花板排风口被吸入中央内层的排风井，最终由屋顶两排整齐的烟囱抽至室外，完成整个空气循环。屋顶48个烟囱产生的压强差又有助于底层冷空气进入循环体系，大大节省了能源，并让空气质量调节、室内温度调节、单向通风减少细菌等传染等得到圆满解决。

中庭中玻璃天桥增加视觉美感，也便于交通

各楼层地板下有通风孔，冷空气由此进入

材料仿生——整个建筑采用生态混凝土和石材，使得白天热空气经过上述材料时能够被部分吸收，夜晚冷空气经过时也可带走一部分热量，通过材料的预冷和预热，也有效调节室温在一个相对恒定的范围。

肌理仿生——外墙上凸凹有致的，布满孔洞的粗糙深檐是完全遮蔽了墙壁，如同白蚁巢的不规则外表，既能使建筑本身免受夏季的太阳照射，有助于空气流通，兼顾到散热和遮阳作用；同时让冬季的太阳在早上温暖建筑，并有利于采光。

源于白蚁巢生态设计的津巴布韦哈拉雷东门中心，在夏季外部气温30度以上，室内温度24~25°C，达到理想的热舒适条件。同时因减少空调设施等费用，总计节省了350万美元投资及10~15%的运营费，效益惊人，是极为成功的一个建筑仿生学应用案例。之后，白蚁这种小生灵的“建筑智慧”又被应用于澳大利亚绿色建筑示范项目“墨尔本市新政厅”、马耳他啤酒厂，以及著名华人建筑师崔悦君设计的旧金山"终极塔楼”，一定程度上实现改造自然与适应自然间的和谐之美"。

来源：中国科学院中-非联合研究中心|作者：严雪 康克兢