美國“無窗教室”中小學校的設計發展變化

劉佳男

1 戰后新需求下的中小學校建筑設計變化

在二戰結束后，歐美國家普遍出現了“嬰兒潮”現象，新生人口的大量增加使得戰后入學的人數大幅增長，引發了歐美中小學校建筑設計活動的熱潮和新建筑設計形式的出現。傳統的古典樣式的中小學校建筑很快遭到了戰后現代主義建筑師們的嚴格批判，認為其更注重外觀上的裝飾性設計，同時對于學校建筑內部的功能性需求——尤其是在教室光環境的需求方面缺乏設計考慮[1]。如何又快又好地設計建造中小學校建筑成為當時人們關注的重點內容。

同時，隨著戰后對“以學生為中心”教育理念的強調，自由、靈活的開放式教育模式逐漸成為美國中小學校建筑設計研究者們所推崇的對象。教室內人均使用面積每生35平方英尺（約3.25m2）成為了戰后美國推薦的中小學校建筑設計標準[2]。這就使得學校教室的空間進深被進一步設計加大，以期滿足孩子們更為多樣化的學習活動需求。

而在對學校建筑光環境設計問題的討論中，美國在二戰結束后就將戰前中小學校教室桌面光照度“15英尺燭光”的要求提升到了“30燭光英尺”①，并對室內光線的“均勻分布”提出了設計上的要求。要想在進深較大的教室空間中，僅通過傳統側窗采光的方式來實現高質量、高水平的光環境設計標準是難以做到的；而在部分建筑師以及照明工程師看來，只有通過更大面積的玻璃開窗、或者采用建筑屋頂采光以及人工照明的方式，才可以解決新教室空間形式下的光環境需求問題[3]。

以當時的知名建筑師馬修·諾維奇于1949年提交的一個完全不同于傳統學校建筑方案的新設計構想為例，建筑師以一個完整的長方形大空間平面將所有的學校功能房間包括其中，所有的教學空間單元都是自由開敞且進深較大的平面形式，從而滿足了開放式教育的需要。而為了實現建筑內部空間的采光照明需求，建筑師通過均勻分布在整個建筑屋面上的工業特制圓頂天窗以及人工照明設備來達成[1]（圖1）。而另一個具有代表性的設計方案是1955年由建筑師約翰·里德設計的希爾斯代爾高中。比馬修·諾維奇的方案更為夸張的是，采用預制裝配式結構的學校建筑內部空間，被獨立于支撐結構的活動金屬面板墻圍合出了許多封閉的小房間，并被作為常規的教室空間使用。所有的內部教室空間都是不開側窗的，而建筑師里德同樣通過分布于屋面的天窗采光口加上輔助的熒光燈管照明的方式，來滿足這些內部教室房間的光環境需求[4]（圖2）。

圖1 馬修·諾維奇設計的屋面布滿圓頂天窗的學校建筑方案平面

圖2 希爾斯代爾高中建筑房間結構剖面以及教室照片（剖面紅色部分為屋頂天窗采光口）

在當時，馬修·諾維奇的方案引起了美國建筑界的熱議，而希爾斯代爾高中則成為美國建筑師協會的優秀獲獎作品——這種通過先進的工業技術手段實現中小學校建筑快速建造、大進深空間平面和高質量光環境需求的做法獲得了教育家和建筑師的贊同，但同時也很快暴露出建筑天窗在設計應用方面的一些問題——兩個學校建筑方案在建筑頂部天窗采光上所花費的設計建造成本遠多于普通學校；而天窗采光的設計形式也并不能夠很好地適用于所有的學校建筑空間，通常只適用于單層的或者位于教學樓頂層的教室空間；此外復雜的天窗屋面結構亦會帶來排水、密閉性等后期設計和使用維護上的麻煩。

而隨著人工照明技術在二戰后的迅速發展進步，人們逐漸認為發光穩定且不易受干擾的高性能人工照明設備更適合于這種進深較大的建筑空間環境的使用——相對于復雜設計的天窗采光方式，在同樣達成較高光照度且分布均勻的室內光環境效果上，人工照明方式似乎更為經濟有效，同時也符合人們對建筑設計中先進技術手段應用的追求。到20世紀50年代末時，標準的冷白色熒光燈設備已經成為歐美發達國家公共建筑中最為常見的室內照明方式[5]，而越來越多的學校建筑設計者們亦開始傾向于單一的人工照明方式在中小學校建筑光環境設計中的應用。

2 “無窗教室”學校的設計出現與發展

2.1 “無窗教室”空間形式的設計誕生

隨著人們對建筑中人工照明依賴程度的不斷加深，一些激進的建筑光環境設計觀念亦隨之被提出。1960年在美國當時知名的教育建筑研究機構——教育設施實驗室（The Educational Facilities Laboratories）對學校光環境設計問題的研究討論中，該機構的研究者們認為在新的科學技術條件下，人造光以及空調、音響等人工設備可以塑造穩定的教育環境，其能夠阻擋住無益的太陽強光、戶外冷風、炎熱氣候和噪聲；和傳統的與自然共存的教育環境相比，其可以形成更滿足使用需求的環境效果。因此該機構提出，教育環境設計的發展會毫無疑問地朝向環境受控制的方向前進，在學校建筑或其他類型的建筑中，人們遲早會從依賴自然條件的環境轉向人造的工業環境，并盡可能地隔絕自然條件的影響[6]。

在這種并不十分健全的認識觀念下，一種拋棄天然采光而完全使用人工照明進行學校建筑設計的“無窗教室”形式率先在美國開始出現。在教育設施實驗室的資助下，1962年一個以美國建筑師伊茲拉·埃倫克蘭茨為核心，包含了斯坦福大學和加州大學多領域專家所組成的跨學科團隊，嘗試設計出一種新學校建筑建造模式，并將開放式教育模式中的大進深教學空間以及高度工業化的預制裝配式結構都綜合其中，一種名為“學校建筑系統發展”（The School Construction Systems Development）的學校建筑模式很快得以誕生。而為了滿足大進深建筑空間的內部光環境需求，SCSD體系建筑的整個屋面采用了“照明天花板系統”（Lighting-Ceiling System）——在選擇完全放棄使用天然采光設計后，設計團隊采用了能夠配合建筑結構快速施工且使用效果穩定的人工照明設備，作為建筑內部光環境設計的唯一方式，并將整個照明系統整合進入了學校建筑的天花板內，從而形成了建筑內部封閉且完全沒有開窗的“無窗教室”空間形式[7]（圖3）。

圖3 SCSD體系建筑結構透視圖（紅色部分為“照明天花板系統”部分）

在“照明天花板系統”的具體設置上，設計者采用“組合照明”的設計方式，通過改變天花板空間內照明元件的數量、類型和位置，以直接照明、間接照明和發光照明三種不同的方式，實現了“無窗教室”內具有不同視覺和光度特征的照明效果；同時設計者們還提出所采用的人工照明設備應至少具有70英尺燭光的照度和較低的眩光系數——這就遠遠高出了戰后初期美國所制定的學校光環境設計標準，也更進一步地滿足了“無窗教室”內各項教學活動對于不同照明亮度水平的要求[8]（圖4）。

圖4 包含了三種照明方式的SCSD體系學校建筑室內人工照明設計示意圖

2.2 對“無窗教室”人工照明方式的認可

這種特殊的“無窗教室”形式很快引起當時美國社會的注意，而在SCSD體系下所表現出的經濟高效、適應性強、施工省時的設計特點又使“無窗教室”很快贏得了美國教育領域、建筑光學領域和建筑設計研究領域的認可。

隨著社會的發展，兒童福利機構中棄嬰所占比例越來越多。而棄嬰中殘疾又占絕大多數。目前莊園內共有孤殘兒童503人，殘疾兒童337人，占總數的67%，其中77%以上都為多重殘疾（見表1）。

在1962年美國國家教育協會出版的與學校建筑光環境設計相關的研究手冊中就指出，在新建的學校建筑中可以只采用電燈設備進行光環境設計，同時進行少量的建筑開窗——窗戶僅為提供景觀視野的需求而設置，而通過這樣的設計方式可以大大降低學校建筑的維護成本[9]。在建筑光學研究領域，以美國照明工程學會為代表的光學專家們同樣認為，一定照度水平和穩定的光環境才有助于教育活動的展開，而要想達到這一環境設計目標，人工照明顯然要比天然采光的方式要方便的多[10]。

而在建筑設計研究領域，部分設計研究者在進行初步的調查研究后就直接對“無窗教室”的建筑設計形式給予了支持態度。1965年，同樣在教育設施實驗室的資助下，一個由密歇根大學多領域專家組成的研究團隊發布了《無窗教室對小學生影響》的調查研究報告，通過對使用SCSD體系建成的兩所美國小學校的日常觀察，最終得出的研究成果認為“無窗教室”的環境對兒童青少年學生的學習成績幾乎不會產生任何影響，且完全取消校舍窗戶的設計不會對孩子們產生不利影響[11]。

在另一本受當時美國建材企業聯合贊助發表的《現代學校建筑設計、造價、施工的新趨勢》研究資料中，“無窗教室”學校被研究者稱之為“具有最小的傳統開窗和最大的內部空間靈活性”[12]。開窗僅僅是為了視覺放松，而不開窗的墻面不僅可以創造出更多的教學可利用空間，還可以減少內部環境的熱量交換以及外部環境的干擾，從而大大降低學校建筑的設計成本和使用成本[12]。資料列舉了當時多個對“無窗教室”設計持支持態度的學校建筑設計師的觀點，并認為只有人工照明控制的“無窗教室”環境才更有利于中小學校建筑設計及其教育學習活動的發展。

在這些具有偏頗性的研究觀念的影響下，美國中小學校建筑光環境的設計做法迅速發生了一些變化。越來越多的學校建筑開始采用以人工照明為主的教室光環境設計方式，甚至直接設計改造成“無窗教室”的形式，與之相關的設計變化涉及當時美國的1300多所學校建筑[13]（圖5）。而隨著影響力的擴大，“無窗教室”的空間設計形式又進一步擴散到了其他歐美國家，影響了當時英國的紐波特中學、沃特菲爾德中學等多個學校建筑設計方案。

圖5 20世紀60年代美國“無窗教室”中小學校

3 質疑與反對之聲

3.1 對單一人工照明環境做法的質疑

雖然在20世紀60年代“無窗教室”形式在美國得到了廣泛的設計發展，但這種完全取消學校建筑開窗、以單一人工照明方式進行光環境設計的做法還是遭到了一些專家學者的質疑。如1963年美國建筑光學專家詹姆斯·格里菲斯教授在其著作中就指出：“無窗”的空間設計形式相當于把人們帶回到原始的山洞環境中，其忽視了建筑天然采光設計可能會帶來的好處[14]。但是，由于缺少更為客觀的科學論證數據，這些質疑觀點并沒能充分證明缺少了天然采光和戶外溝通的“無窗教室”形式，是否對學生的身心健康或學習行為產生了不利影響。

直至歐美醫學領域對光環境健康影響問題的研究介入，人們才逐漸發現光譜構成較為單一的人工照明環境并不能對青少年兒童學生產生健康方面的積極影響。在1968年麻省理工學院光生物學專家理查德·沃特曼博士在其發表的《光照環境的生物學意義》中寫道，從當時已有的醫學實驗研究成果可以表明，天然光具有特定的生物效應，包括影響人的內分泌系統和新陳代謝狀態；雖然對其發生相應效應的光譜作用機制還不是很清楚，但可以明確的是在當時大多數商業化的人工照明設備所提供的光譜中都沒有能夠對人體產生積極影響作用的光譜區域；因此，在人類長久以來的生物進化需求下，只有充分利用天然光才應當是工程師們所需要樹立的建筑設計發展方向[15]。

這些在醫學領域研究論證后所確立的重要結論，使得人們開始重新關注起已設計建成的“無窗教室”環境對中小學生甚至老師在其生理、心理和行為等多方面的影響究竟是怎樣的。而在“無窗教室”被長期投入使用后，一些對師生身心行為上的負面影響很快就在美國建筑學領域的一些研究中暴露出來——無窗環境中學生的不良行為和厭學情緒都更容易出現，同時教師的挫敗感也在增加[16-17]。而這些新的研究發現影響了“無窗教室”形式的繼續傳播和設計發展。

3.2 “無窗教室”設計的停止

這份報告從官方立場上對“無窗教室”的設計形式表達了基本的反對態度，同時也對學校建筑開窗進行天然采光設計給予了明確的支持意見。許多美國中小學校建筑又重新恢復成擁有開窗采光的設計形式，并形成了窗戶天然采光與人工照明設備共同發揮光照作用的使用情況。曾經風靡一時的SCSD體系“無窗教室”設計形式亦因為建設需求的減少以及建設資金的中斷而在1975年左右戛然停止，僅留下部分先進的建筑結構設計體系依然延用在其他的商業、交通等公共建筑中[19]。

4 討論與反思

通過先進的工業技術手段來解決二戰后的大規模建筑設計需求，是近現代外國建筑史中最為典型的建筑活動現象，這一點同樣體現在以美國為代表的中小學校建筑設計中。SCSD體系的“無窗教室”設計形式正是這一活動現象的實際表現，其不僅是美國在戰后特定的社會需求下衍生出的一種特殊空間形式，同時也在一定程度上很好地滿足了戰后美國社會對新學校建筑的多重設計需求。因此，從先進的人工技術在建筑上推廣應用的角度來看，“無窗教室”形式的設計發展使得先進的人工照明設備被廣泛地應用于20世紀60年代的美國中小學校建筑設計中，甚至影響了當時美國建筑光環境設計標準的制定，其部分結構形式至今仍發揮著優秀的建筑設計作用。

但是，“無窗教室”在設計之初所做出的過于極端化的采光照明方式選擇，卻為自身的發展埋下了環境健康問題上的隱患。高度技術集成化的建筑設計特征，使“無窗教室”形成了獨立的、內向型的教育活動空間，完全放棄了與自然環境的相互呼應。這種對人工技術設備在建筑設計應用中的過度追求，使人們一時將具有重要健康意義的學校自然環境設計條件完全拋卻腦后。這種偏激的設計觀念所帶來的建筑結果必然是有問題的。

而當時代發生變化時，對建筑技術和能源利用認識態度上的轉變，使這種本就存在健康問題隱患的設計方式迅速遭到了淘汰。到20世紀80～90年代，美國建筑師又重新關注起對學校教室多樣化的天然采光設計方式以及對太陽能資源的利用，并將后者作為學校建筑設計潛在的節能手段[20]。而將具有優秀天然采光表現的天窗、高側窗、傾斜天花等設計形式與先進的人工照明設備進行結合，則成為今天美國中小學校教室光環境設計的典型做法（圖6）。

圖6 美國采用屋頂天窗、高側窗、傾斜天花進行教室光環境設計的學校

反觀國內，隨著近年來社會經濟實力的不斷發展，國內新設計建成的中小學校方案也大都具備了不亞于國外優秀建筑方案中完善的功能搭配和先進的照明設備，以及漂亮的空間形式。但是，與國內今天豐富多彩的中小學校建筑設計活動相對的，是越來越多的學校教室中存在著“開燈拉窗簾”的日常使用現象（圖7）——這無異于曾經“無窗教室”中隔絕窗戶天然采光而完全依賴人工照明的做法，而其可能會導致的不良后果已經在美國過去的學校建筑設計歷史發展過程中得以驗證。在學習壓力不斷激增的今天，這一在國內學校中普遍存在的教室天然采光缺失現象，無疑令長期身處在教室中的青少年兒童能夠接觸到自然陽光的機會越來越少，這不禁令人同樣對孩子們的健康問題感到擔憂。

圖7 國內中小學校教室普遍存在的“開燈拉窗簾”使用現象

在新時代發展背景下，高質量的中小學校建筑已成為國內教育建筑未來設計發展的主要目標。在對先進的教育技術設備添加使用的同時，國內的建筑師們更應當注意對與青少年兒童學生健康因素密切相關的天然光環境等自然條件在學校教室空間中的設計應用。在中小學校教室中努力地設計增加更多優質的天然采光，呵護好青少年兒童的光環境健康，從而真正實現國內高品質中小學校建筑的設計形式。

資料來源：

圖1：Architectural Forum.October 1949；

圖2：Clinchy, Evans.Hillsdale High School,San Mateo, California.Profiles of Significant Schools.1960；

圖3：http://prefabricate.blogspot.com/2014/09/prefabrication-experiments-32-school.html；

圖4：Benet, James.SCSD: The Project and the Schools.A Report from Educational Facilities Laboratories.1967；

圖5：Lee, Joshua David.Questioning modern approaches to flexibility: 50 years of learning from the School Construction Systems Development (SCSD) project.Diss.2016；

圖6：https://www.innovativedesign.net/portfolio/durant-road-middle-school/，https://www.fordarch.com/Education/Dawson-Lower-School/thumbs；

圖7：百度圖片。

注釋

① 1燭光英尺＝10.76勒克斯。