應對光熱環境的建筑立面形態

■ 楊 辛 Yang Xin

0 引言

隨著綠色、生態等建筑設計理念的深入，許多建筑作品都對氣候做出積極應對，尤其是光環境和熱環境等與使用者息息相關的方面。眾所周知，室內自然光環境的良好與否直接影響建筑空間使用者的視覺感受，也影響室內人工照明的布置、使用以及能耗。室內良好的自然光環境不僅可以有效降低照明能耗，還能調節空間使用者的情緒，從而提高視覺舒適性和工作效率。熱環境是溫度、濕度、氣壓以及通風狀況等因素的綜合體現，熱環境對舒適度具有重大的影響，不僅決定空間使用者身體熱量消耗，也左右工作效率的高低。良好的熱環境不僅可以降低采暖或致涼的能耗，也能使人體處于合理的熱量得失狀態，從而獲得較高的熱舒適性。而從建筑被動式利用能源看，建筑的得熱與采光具有同步相關性，因此，在探討建筑的氣候應對時，應充分考慮光、熱環境的各自主導影響和綜合作用。

1 建筑立面作用

立面是除屋頂之外的外圍護部分，是建筑藝術外在的主要呈現者，立面傳達建筑設計者賦予建筑的表情。同時，立面處于建筑內部空間與外部環境之間，傳遞建筑應對外部環境的信息。建筑與人類身體一樣都要面對變化的多種多樣的光熱環境，而且當面對惡劣氣候（嚴寒或酷暑）時都要采取相應的措施進行調節。建筑一般無法隨季節完全更換立面，需面臨不利氣候條件下室內空間保持舒適度的問題。

根據與建筑主體結構關系和在立面上占比，建筑立面的形態設計元素可分為開口元素、構件元素以及表皮元素。根據所處環境和面臨的主要光熱狀態，建筑師通過開口、構件、表皮及其組合形成立面，以調節室外的光熱對室內空間的影響，來滿足建筑內部空間的使用需求和使用者的舒適度，從而產生了豐富多樣的建筑立面。

2 開口形態

開口是指建筑開向外部環境的形態總稱，在立面上主要形式有門、外窗、陽臺及外廊等。這里的開口既指建筑內外空間的分界處的可開啟部分（如門、外窗），也指處于內外之間的過渡空間（陽臺、外廊）。開口是建筑內部空間到外部空間能量進出的通道，是光熱因素影響的必經之路。根據在立面上的延伸狀況，開口形態可分為片段式開口和連續式開口。立面上的開口也可看做建筑的眼，都說“眼睛是心靈的窗戶”，通過立面開口的分析亦可稍窺建筑的“心靈”。

2.1 片段式開口

片段式開口，顧名思義，是在立面上呈片式、呈段式的開口類型，常見的片段式開口有內凹門窗洞、凹陽臺等。在具體的建筑設計中，片段式開口具有較大的自由度，千變萬化。根據建筑內部不同功能空間，在立面上產生變化的開口，大小不一，深淺各異。反過來，通過片段式開口的變化，也可以推測內部空間的轉換。由于室外光線通過開口到達室內，因此，通過片斷式開口的設計，可為室內營造不同氛圍，符合使用要求。如現代主義建筑大師柯布在朗香教堂的立面采用了外小內大棱臺式開口方式，使進入室內的光線產生擴射的效果，制造了某種神圣效果，升華了教堂的氣氛。

斯洛文尼亞的Pilon 住宅，位于廢舊的采石場旁邊（圖1），面臨保留遺產文化和形成地區新標志的問題。建筑師根據基地現狀，將140套公寓分成兩幢建筑。立面上陽臺內凹開口，陽臺兩邊的墻面和欄桿都涂成明亮的黃色，陽臺緊鄰儲藏室，外墻面為黑色鋼絲網水泥板，這樣在水平上形成虛實相間的變化，相鄰層之間，陽臺和儲藏室的位置相互錯落布置，表現出動感。立面上，黑色與黃色相間，虛開口與實墻體相錯，產生了強烈的視覺效果，達到了新標志的要求。

圖1 Pilon 住宅的凹陽臺

日本東京的Sugamo Shinkin 銀行，底層為自動存取款機、出納柜臺、院子和一個開放空間，二層包括貸款功能區、接待室、辦公室和院子，而三層主要為工作人員的空間。建筑師以樹為母題，出現于立面上，意在營造清新的空間，為顧客提供自然、愜意的感覺。同時，結合內部空間，設計出主立面上大小的內凹窗洞開口，并賦予14種不同的顏色，處于內部空間的顧客通過開口能感受到五彩繽紛的光線反射（圖2）。處于底層的公共空間受到內凹開口的遮蔽，避免了陽光的直射，內部光線比較柔和，使座椅14種顏色得到真實表現（圖3）。

圖2 Sugamo Shinkin 銀行西立面

圖3 Sugamo Shinkin 銀行室內

2.2 連續式開口

連續開口是指在立面的尺度上占據大部分或者全部的開口形式，通常表現形式為開敞外廊。連續開口往往在立面上形成水平為主的構圖，形態比較舒展。在室內空間和外部環境之間形成緩沖空間，往往成為人們日常活動的重要場所。開口的連續性也決定了其連續的遮陽性能，效果較好。

圖4 Living Foz

葡萄牙的Foz住宅樓，靠近波爾圖的海濱區，7層，共40套公寓。折線形的外廊開口為每戶創造了不同的半室外空間，具有豐富光影對比效果，隨著太陽直射角和方位角的變化呈現不同的光影景象（圖4）。白色的陽臺板黑色的圍護墻體形成強烈的對比。更重要的是，寬闊的折線形陽臺控制了直射太陽光對室內的熱輻射，減少了能耗和電氣的使用（圖5）。

墨爾本的某高層建筑，在朝海立面上采用陽臺和陽臺板外挑的做法，形成連續開口，遮蔽陽光的直射。同時，在高層中使用連續開口可以形成一定的構圖序列，有利于減少高層的尺度，減少高體量給人的壓迫感（圖6）。

圖5 開敞的陽臺

圖6 墨爾本某高層

3 構件形態

構件是附著于建筑主體結構上的構筑物，通常也是建筑的組成部分。立面構件通過一定的構造措施與建筑主體結構連接，并與主體部分一起形成建筑立面的構圖全貌。一般來說，立面構件不影響建筑主體結構的安全和穩定，也不影響室內空間的功能性質。有效的構件的意義能在立面上得到充分表達，對外部光熱環境對建筑的作用施加影響，優化光熱因素，以符合設計意圖和使用需求。根據構件作用方向的不同，立面構件可分為水平構件、垂直構件和綜合構件。而實際上，一個建筑往往會采取多種構件以及不同構件的組合，以滿足不同朝向不同功能空間的光熱環境優化需求。

圖7 巴西的熱帶住宅（北立面）

3.1 水平構件

水平構件是指在水平方向展開的構件，常見如水平百葉、水平擋板等。水平構件往往被用作朝陽面（北半球的南面和南半球的北面）的遮陽，效果比較顯著，尤其是太陽高度角較大的時間段內。在太陽高度角常年較大的區域（如熱帶），水平構件遮陽的適用范圍就比較大。

巴西塞拉阿州的熱帶住宅，處于南緯3°10’ 42.51”，常年溫度22～33℃，是個度假屋（圖7）。應業主的要求，建筑師共設計了3個臥室以及一些服務功能空間。在這些空間外圈，圍繞寬闊的外廊，以減少太陽對于墻體的熱輻射。木質水平構件圍在外廊之外，猶如裙擺，進一步為外廊空間遮擋直射陽光，同時，木構件之間存在空隙，可以滲透南面的涼風，以減少甚至避免空調的使用。這些木質構件的一部分又成為廊道欄桿的欄板，圍合和遮陽作用兼而有之（圖8）。

新西蘭奧克蘭的Waitaker市民中心，包括市民部分、管理層部分以及聯接體。市民部分的會議室弧形墻面外設置了鋁質水平遮陽構件，構件架于垂直豎梃之上，可以控制角度。水平構件有效地遮擋了過多的陽光輻射，減少空調能耗（圖9）。足夠量的較柔和光線通過鋁板的反射、玻璃的折射進入室內，使室內靠外墻部分具有較好均勻光照，使室內避免了眩光。在白天開會的時候，只需要打開少量的燈光，即可滿足使用要求，減少了人工照明需求。室外的水平構件還可以根據室外的光熱情況調節角度，使得會議室內的光熱狀況處于較舒適的范圍（圖10）。

圖8 構件對外廊空間的遮陽

圖9 Waitaker市民中心會議室水平構件

圖10 白天開會時的光線

3.2 垂直構件

垂直構件就是在垂直方向展開的構件，一般用于東西立面的遮陽。垂直構件廣泛地應用于太陽高度角較小的地區和方位。重復使用的垂直構件容易在立面上形成一定的肌理和變化。垂直構件還經常成為水平構件的支撐結構，也會和水平構件一起出現在朝陽面。

廣州大學城華南理工大學院系辦公實驗樓群，在東西立面上設置許多垂直構件，來應對廣州地區（夏熱冬暖地區）強烈的太陽輻射。在南立面設置紅色涂料和白色涂料相間的垂直擋板，縮小了開口的尺寸（相當于增加了開口的進深），在垂直構件之上還設置了水平百葉，從而獲得較好的遮陽效果。在東西立面則以單色垂直擋板為主，避免喧賓奪主（圖11）。

圖11 立面垂直構件

西班牙馬德里維拉紐瓦255套住宅區，由6幢平面為L形的住宅樓組成，共有255公寓。不同朝向開口比例不同，但窗洞有兩種規格：1.80m×1.80 m用于大房間（如起居室、大臥室）和0.90m×1.80m用在小臥室。在所有的窗洞外35cm處都有1塊或2塊純色穿孔擋板。這些擋板由窗外的金屬架支撐，擋板可以滑動，具有幾種鮮亮的顏色，在銀白金屬墻面的映襯下格外奪目。穿孔板由于直接擋在窗玻璃之前，因此對光熱的調節作用比較明顯（圖12）。日常生活中，人們根據遮陽、遮光的需求來移動擋板，全開、半開或關閉，會使建筑立面呈現豐富的變化，活躍立面，避免建筑立面的單一化。

3.3 綜合構件

綜合構件是指同時具備水平方向和垂直方向伸展的構件形式，也可以看成水平構件和垂直構件的組合，經常與立面開口結合設置。如澳大利亞維多利亞的Barwon健康教學培訓與研究中心和美國科羅拉多國家再生能源實驗室，都是在窗洞口設置了綜合構件，起到外遮陽的作用（圖13、14）。綜合構件同時具備水平構件和垂直構件的優點，具有較廣的使用方位和朝向。

4 表皮形態

表皮是位于建筑自身圍護結構之外的大面積構筑物。表皮不是真皮，一般不能獨立成為建筑的圍護結構，對建筑的圍護結構起輔助作用。建筑表皮與建筑內部空間并不像開口和構件那么緊密的對應關系，它自身具有一定獨立性。在一定程度上，表皮可以擺脫建筑內部空間的關系來形成符合設計審美的形態。隨著建造技術的進步和材料運用的多元化，越來越多的建筑披上了新奇的表皮，獲得了有沖擊力的視覺效果和較高的關注度。根據表皮自身組成元素的空間形態，表皮可分為平面表皮和立體表皮。

圖12 窗口穿孔滑動擋板

圖13 Barwon健康教學培訓與研究中心

圖14 國家再生能源實驗室

圖15 萊茵河瀑布游客中心

4.1 平面表皮

平面表皮是在建筑圍護結構外通過一定構造措施固定的一層表皮，通常厚度較薄（相比建筑立面尺寸），呈平面形態。這類表皮大多通過穿孔、鏤空等方式形成一定圖案意義的表皮開口，使得光熱經過表皮的過濾再接觸里面的圍護結構。很顯然，這樣的表皮可以削弱過強的太陽輻射和過高的自然光照度。

瑞士的萊茵河瀑布游客中心的外表皮由銹蝕鋼板組成。2層之上的外立面則采用了穿孔鋼結構，以不對稱的、變形的、近十字的圖案為原型，通過變化大小、轉換方向，使落在室內光斑呈現落葉或花朵的意象。2層的室內空間通過穿孔的表皮獲得了充足的自然采光，并且均勻度較好（15、16）。

倫敦市政廳酒店是個豪華酒店，坐落于老貝斯諾格林市政廳，在倫敦蓬勃發展的東端中心地帶，項目包括對二級保護建筑的修復與更新。建筑師用由激光切割出孔洞的鋁板對建筑進行了二次圍護，在原有的建筑維護結構外增加了一層表皮，在立面沒有出現門窗，使得建筑在視覺上與周邊的建筑立面迥異。由于鏤空鋁板的圍護，自然光可以進入背后的房間，同時又能在內外空間保證很好的隱私，這點對于豪華酒店十分重要（圖17、18）。

圖16 室內光影

4.2 立體表皮

立體表皮是指表皮本身有一定三維空間形態，內部構件形成一定規律的組合，能產生一定的立體光影效果。通過立體表皮，建筑可以呈現具有很強立體感的立面肌理，大大增強視覺表現力。同時，立體表皮由于采用不同材料和組合形態，對建筑室內空間具有不同程度的遮蔽作用，可以調節光熱因素的影響。

法國“折紙”辦公樓立面表皮采用斜線構架，構架上安裝采用復合面板，雙層玻璃上覆以大理石薄膜。對稱的玻璃板形成“打開的書籍”的視覺效果，大理石紋絡在陽光的照射下得到充分的表現。同時，大理石薄膜呈半透明，可以過濾陽光，柔化光線。玻璃板夾角并不相同，立面中間部位的玻璃片夾角較小，顯得更加立體，而立面兩端的玻璃片夾角較大，因而顯得平緩，整個立面就形成了一定的動感變化（圖19～21）。

圖17 倫敦市政廳酒店

圖18 室內光影

圖19 立面整體

圖20 大理石紋路

圖21 動感變化

5 結語

建筑立面是建筑藝術的展示部分，在應對氣候中也承擔重要的角色。建筑立面通過開口、構件、表皮等設計元素，對所在區域的特定氣候下的光熱環境做出應對。片斷式開口和連續性開口對立面作用范圍不同：片斷式開口影響范圍有限，但在立面上位置較為自由，光熱應對的針對性較強；而連續性開口則容易形成連續構圖，大氣舒展，重復的連續性開口容易形成韻律，可以形成連續的光熱緩沖區，為使用者提供適宜的活動空間。水平構件、垂直構件和綜合構件在立面上適用性存在差異。水平構件對朝陽面以及太陽高度角較大的時間段和區域具有顯著作用，垂直構件對于東西立面以及太陽高度角較小的時間段和區域較為有效，綜合構件則兼具以上兩者構件特點。由于方向不同、自身材料性能（如透光性）的差異，立面構件對于光熱影響也會存在較大差別。表皮由大面積的構件組成，覆蓋建筑立面的全部或大部分，能產生新奇的視覺效果，對建筑內部光熱環境具有全局性影響。隨著技術的進步和建造自由度的提高，表皮不僅能塑造建筑表情，還能提高建筑的生態適應性，從而不斷改善空間光熱舒適度。