基于生態(tài)效能的建筑形態(tài)設(shè)計研究

陳玉飛 王琴

摘 要：當(dāng)今時代，人類的發(fā)展對自然和社會造成的影響越來越大。建筑作為傳統(tǒng)的能耗大戶，其對地球生態(tài)和人類生存環(huán)境的影響也日益加深。我國的建筑領(lǐng)域能源消耗占國民經(jīng)濟比例日益增大，資源浪費嚴(yán)重。出于改善環(huán)境的考慮，建筑形態(tài)應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需求，隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化。從更具生態(tài)價值的建筑物綠色效能出發(fā)，重新審視建筑物的存在形式，開辟一條生態(tài)建筑設(shè)計的新途徑，意義重大，這其中建筑形態(tài)對生態(tài)效能的投射不可或缺。

關(guān)鍵詞：生態(tài)效能;建筑形態(tài);生態(tài)建筑設(shè)計

本文所提及的生態(tài)效能，不僅包括建筑物壽命全周期范圍的內(nèi)外部環(huán)境，還包括區(qū)域環(huán)境內(nèi)可再生的自然資源生態(tài)能量的重新整合。通過對太陽能、風(fēng)能、植物能以及水資源的利用，改善碳儲存和吸收，降低能耗，并通過建筑形態(tài)及其環(huán)境行為對區(qū)域生態(tài)條件的影響，也即微氣候環(huán)境的營造，減弱城市熱島效應(yīng)，凈化大氣，達(dá)到區(qū)域環(huán)境（住區(qū)）內(nèi)能量需求的良性轉(zhuǎn)換和傳遞。

在建筑的不同層面“形態(tài)設(shè)計”中，本文將“效能型建筑形態(tài)”作為異于其他建筑形態(tài)體系的本質(zhì)特征，并通過這種形態(tài)對環(huán)境生態(tài)的特殊（綠色）需求做出有效回應(yīng)，實現(xiàn)對不利環(huán)境的主動控制。

基于生態(tài)效能的建筑形態(tài)設(shè)計是在觀念不斷創(chuàng)新的時代，以生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以后現(xiàn)代哲學(xué)為思潮根源，以現(xiàn)代化建造技術(shù)為支撐，試圖通過綠色多元的直觀形態(tài)和豐富的空間體驗來模擬和還原現(xiàn)實世界綠色的建筑形態(tài)體系，是建筑形態(tài)基于“綠色生態(tài)”的重新再造，“效能型建筑形態(tài)”以非線性思維為本質(zhì)特征，以數(shù)字化技術(shù)為物質(zhì)基礎(chǔ)，以向我們展現(xiàn)眼前世界的生態(tài)性為設(shè)計目的，它是外在設(shè)計形態(tài)與內(nèi)在的復(fù)雜生態(tài)（邏輯）關(guān)聯(lián)的綜合體。建筑形態(tài)流變的混沌與正在全面滲透的環(huán)境生態(tài)導(dǎo)向，是當(dāng)代建筑實踐對事物整體關(guān)聯(lián)、動態(tài)進化機制的映射，“生態(tài)性”的實質(zhì)是這一機制引導(dǎo)下的設(shè)計觀念轉(zhuǎn)變。

1833年，巴黎植物園溫室成為第一個以玻璃和鐵等新材料、新技術(shù)、新功能為代表的標(biāo)志性建筑，滿足了那個時代工業(yè)建筑對大空間和采光的要求，對后世的建筑構(gòu)造方式帶來巨大影響。1851年，在工業(yè)革命的催化作用下，以鐵和玻璃為建筑骨架和表皮的水晶宮，開創(chuàng)了20世紀(jì)現(xiàn)代建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)的先河。柯布西耶為巴黎大學(xué)設(shè)計的巴黎瑞士學(xué)生宿舍被認(rèn)為是二次世界大戰(zhàn)后流行起來的玻璃幕墻的先聲。

實踐證明，玻璃建筑在熱、光、通風(fēng)方面的物理性能夠最大程度影響其內(nèi)部的建筑物理環(huán)境水平。因此，本文通過對常州大學(xué)教學(xué)和科研用溫室建筑形態(tài)的再設(shè)計，用大自然的力量改善建筑室內(nèi)的溫度、濕度，提高室內(nèi)舒適度，營造滿足室內(nèi)使用者舒適要求的建筑物理環(huán)境，同時最大限度利用外部環(huán)境資源，減少能耗，改善氣候不利條件，實現(xiàn)建筑對區(qū)域環(huán)境的生態(tài)反哺。

此項研究的目的不是對建筑形態(tài)新趨勢的歸納性總結(jié)，而是將研究對象置于動態(tài)的、開放的研究體系中，通過對這具有普遍意義的玻璃建筑的生態(tài)化“形態(tài)”再造，針對有利于生態(tài)效能的建筑形態(tài)創(chuàng)作方法、設(shè)計流程展開研究與實踐，具體探討建筑形態(tài)內(nèi)外環(huán)境的互動關(guān)系，旨在構(gòu)建一個對其能客觀、綜合解讀的研討平臺，以期帶動更大范圍內(nèi)的住區(qū)環(huán)境生態(tài)反哺研究。這其中科學(xué)技術(shù)的制約對建筑形態(tài)的改變固然重要，但意識形態(tài)和設(shè)計理念的改變也不容忽視，雖然這種改變常常落后于新材料、新技術(shù)、新功能所帶來的變化。而基于生態(tài)效能的建筑形態(tài)再造更多來自于上層建筑和意識形態(tài)的改變。國內(nèi)的玻璃溫室沒有將其建筑形態(tài)與生態(tài)技術(shù)有利結(jié)合，沒有真正用好生態(tài)效能這個“永動機”。盡管建筑形態(tài)是本文討論的重點，但是在建筑設(shè)計過程中，形態(tài)和建筑整體乃至外部環(huán)境都是密不可分的。因此，在研究基于環(huán)境效能的建筑形態(tài)創(chuàng)作理論和方法的同時，關(guān)注點并不局限于形態(tài)表面，而是通過對建筑形態(tài)系統(tǒng)化的設(shè)計，形成對建筑環(huán)境、地域文化、獨特功能等需求的系統(tǒng)性有效回應(yīng)，形成更加理性客觀的建筑生態(tài)關(guān)聯(lián)。

該玻璃溫室原設(shè)計為連續(xù)橫向跨度60米、縱向跨度16米、頂高7米并配有外拉幕遮陽系統(tǒng)、風(fēng)機濕簾降溫系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、屋頂噴淋系統(tǒng)。這是國內(nèi)玻璃溫室的標(biāo)準(zhǔn)做法，雖然也采用了一些智能設(shè)計，但還是存在較大問題。首先是立面單層玻璃幕墻在夏季沒有遮陽系統(tǒng)，室內(nèi)溫度過高，風(fēng)機濕簾降溫系統(tǒng)作用有限，空調(diào)降溫能耗較大，而在建筑外立面幕墻上如果設(shè)置外遮陽簾雖然在夏季可以達(dá)到一定的降溫效果，但采光會受到較大影響，同時遮陽簾的自動調(diào)節(jié)等控制系統(tǒng)成本較高。此外，從人文、歷史、審美等文化層面的因素考慮，這樣的設(shè)計效果明顯不能達(dá)到建筑的生態(tài)美學(xué)要求。冬季，白天由于陽光照射，溫度還可以達(dá)到舒適要求，夜晚由于玻璃的物理特性室內(nèi)溫度下降較快，無法滿足使用要求。基于此，我們首先從因地制宜的設(shè)計需要出發(fā)，重視江南地區(qū)的氣候特征，同時考慮玻璃、金屬型材吸熱快散熱也快的物理屬性，結(jié)合溫室使用需求、使用方式等特定條件，重新設(shè)計了室外玻璃頂棚的沉降出水系統(tǒng)。通過室外池塘鍋盔型底部過濾泵將蓄水泵上屋頂沉降槽，淀出泥沙雜質(zhì)后均勻溢出，在建筑表皮形成帶有坡度角的流淌水幕，配合原有的遮陽系統(tǒng)，在夏季能夠起到更好的降溫效果，沉降槽內(nèi)沉積物可以作為肥料使用。其次，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c優(yōu)化建筑體型系數(shù)，在有利于接受太陽光的南立面外再加設(shè)單層帶有一定傾斜度的無框幕墻，這樣能夠增大建筑的延展面積，以最大面積、最佳角度、最多時間更有效地收集太陽光能。當(dāng)然，這其中我們還要通過可升降金屬遮陽簾，解決大面積玻璃墻體陽光直射造成的光污染問題。同時，基于被動式技術(shù)優(yōu)先的原則，在內(nèi)外幕墻距地80公分的水平縱線上平均設(shè)置多個通風(fēng)窗并將兩窗之間做密封連接，形成通過兩層幕墻間空腔的通風(fēng)管道。夏天打開這一縱向封閉的內(nèi)外通風(fēng)窗，將經(jīng)過水塘的室外涼風(fēng)引入室內(nèi)，利用7米的室內(nèi)上行高度與頂棚天窗形成熱煙囪效應(yīng)，室外冷空氣從通風(fēng)窗進入室內(nèi)促使室內(nèi)熱空氣向上從天窗出氣口排出，帶走了室內(nèi)的熱量。雙層幕墻上下兩端各自設(shè)計風(fēng)機進風(fēng)和排風(fēng)裝置，外層幕墻的上下通風(fēng)口在夏季均開啟，而內(nèi)層幕墻的上通風(fēng)口閉合，使得來自水塘方向的冷空氣還能在下通風(fēng)口進入經(jīng)上通風(fēng)口排出做被動式吸入排出空氣循環(huán)，這一過程可持續(xù)地給腔體降溫，就好似給溫室套上一件“隔熱服”。兩層幕墻地面距離為1.5米，幕墻間空腔高度為4.6米，正是這種雙層幕墻形成的腔體“呼吸”功能消化掉了陽光照射幕墻對室內(nèi)造成的升溫。此外，我們讓頂棚水系經(jīng)過帶有一定坡度角的外立面幕墻回流到溫室前的池塘中，這樣外層幕墻玻璃表面就會形成一層薄薄的水幕系統(tǒng)，在夏季，通過水幕流淌蒸發(fā)吸熱的方式降低玻璃的溫度。蒸發(fā)的水汽還會調(diào)整建筑物所在區(qū)域的濕度和溫度，改善區(qū)域小環(huán)境的微氣候。同時，流淌的水幕會吸附空氣中的灰塵，洗刷幕墻表皮保持幕墻外觀的清潔。由于外層幕墻在距地80公分處改斜坡為退層垂直結(jié)構(gòu)，水幕流淌到此處會形成跌水景觀，跌落的水流形成曝氣曝氧現(xiàn)象，并通過水塘邊的多層砂石和水生植物根莖的過濾系統(tǒng)達(dá)到水質(zhì)的循環(huán)凈化。玻璃表皮的水幕經(jīng)過陽光紫外線的照射也會對水質(zhì)有很好的殺菌作用。池塘水系依靠這種生態(tài)循環(huán)可以保持自潔。

冬季，水幕系統(tǒng)停止工作，外層幕墻的上下通風(fēng)口均閉合，內(nèi)層幕墻反之，玻璃腔體經(jīng)太陽輻射產(chǎn)生溫室效應(yīng)，這一過程可持續(xù)給腔體增溫。內(nèi)層幕墻上下通風(fēng)口通過被動式給排風(fēng)將雙層幕墻間的熱空氣循環(huán)到溫室內(nèi)，夜晚關(guān)閉內(nèi)外幕墻所有通風(fēng)口，減少白天蓄積熱量的內(nèi)外流動。同時，為了增加夜晚室內(nèi)的溫度，我們首先利用金屬遮陽簾在白天吸收太陽光能，夜晚再將熱能慢慢釋放出來，其次在溫室北面幕墻做距地1.8米實體蓄熱墻，也是在白天吸收太陽光熱，夜晚釋放增溫，同時實體墻可以有效降低冬季西北風(fēng)對溫室的侵害。此外，在溫室西北方向堆土為山種植防風(fēng)林帶也阻擋了西北風(fēng)，起到一定的生態(tài)防風(fēng)作用。

春秋兩季，通過幕墻內(nèi)外通風(fēng)道的開啟面積，調(diào)節(jié)雙層幕墻上下端進氣排氣裝置的開啟量以獲得需要的通風(fēng)效果和氣壓差，在溫室內(nèi)形成自然通風(fēng)，加之在進出風(fēng)口和通風(fēng)窗設(shè)置防蟲網(wǎng)和過濾裝置，既可防蚊蟲、降灰塵，又能更新室內(nèi)空氣，這其中可調(diào)節(jié)的最大通風(fēng)量是決定溫度的關(guān)鍵。這種復(fù)合式幕墻腔體構(gòu)造結(jié)合水幕降溫設(shè)計將會大大降低空調(diào)能耗。

近年來在建筑設(shè)計中，將環(huán)境性能優(yōu)化作為設(shè)計出發(fā)點及主導(dǎo)價值觀，逐步得到學(xué)界的認(rèn)可。本文通過對溫室建筑的復(fù)合表皮形態(tài)以及這種表皮可變性結(jié)構(gòu)，在不同季節(jié)根據(jù)室內(nèi)氣候環(huán)境的使用要求隨時進行開啟、閉合等動態(tài)調(diào)節(jié)的研究，探索不同建筑形態(tài)主動適應(yīng)外界氣候變化的途徑，推動更大范圍建筑環(huán)境中自然資源蘊含的能量優(yōu)勢和不利條件的篩選和剝離，固化和優(yōu)化自然環(huán)境中的有利因素，通過建筑形式對自然環(huán)境的影響，達(dá)到微氣候環(huán)境的改善和補償，以期從生態(tài)效能反哺視角幫助設(shè)計師擺脫綠色建筑設(shè)計的瓶頸和生態(tài)效能利用之困，最終實現(xiàn)更加宜居和可持續(xù)的“生態(tài)反哺”的住區(qū)模式。

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作者單位：

陳玉飛，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院、上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院。

王琴，常州大學(xué)藝術(shù)學(xué)院。