傳承與創造——馬斯達爾學院設計解析

劉叢紅，康珍珍/LIU Conghong, KANG Zhenzhen

1.引言

諾曼·福斯特（Norman Foster）認為，建筑設計是融合和統一許多獨立學科的過程，設計的本質不能從構思它的過程中剝離出來。他帶著對過去的警覺為現在而設計，努力探索和觸及一些關于永續本質的問題，以期回到事物的基本原則 。在他為阿布扎比新城所設計的馬斯達爾學院中，源自傳統的被動生態策略與最新的主動技術完美地融合在一起，以回溯建筑本源的設計理念，創造出獨具地域特色的建筑布局和建筑形象，成為馬斯達爾城可持續設計的典范。

2.馬斯達爾學院概況

馬斯達爾是阿拉伯聯合酋長國擬建的一座綠色城市，位于首都阿布扎比以東1km的沙漠地區，這里將成為世界上首個達到零碳、零廢物標準的城市，也是全球最大的政府主導投資的綠色新城。正在建設的馬斯達爾學院將全面利用太陽能，可謂“沙漠中的綠色象牙塔” 。

馬斯達爾學院有中東麻省理工之稱，按照阿布扎比政府的計劃，馬斯達爾學院被定位為“世界上第一所專注研究清潔能源的高等院校”，以推動創新理念、發展關鍵技術為主要目標。

學院建筑由福斯特事務所設計，建設分為4個階段，目前第一階段已經于2010年9月完工，包括一棟實驗樓、一棟圖書館和4棟學生宿舍樓（圖1）。第二階段于2010年末開工建設。

3.馬斯達爾學院設計解析

為了設計這座環境友好型校園，福斯特首先對阿拉伯的居住區進行深入研究。他在紐約接受采訪時表示：“回首傳統，了解一些最基本的東西，這一點非常關鍵 。” 在大量前期調研的基礎上，福斯特將傳統建筑中的生態策略和文化思想，與當代新技術相結合，創造出新的地域建筑形式，使建筑與環境融為一體，真正地實現了建筑的可持續發展。下面分別從整體布局和建筑單體設計進行分析。

3.1.總體布局

馬斯達爾屬熱帶沙漠氣候，很少下雨，全年陽光普照，大面積高溫和強烈的太陽輻射是其主要氣候特征 。針對當地氣候特征，設計團隊通過以下幾個方面的分析，確定學院的總體布局。

首先，設計團隊在前期調研中發現，當地的居住區通常建在高地上，這種選擇不僅出于防御考慮，同時也能有效利用自然風。因此，馬斯達爾學院整體都建在一個7.62m（25英尺）高的混凝土基座上，以加強建筑整體的通風效果（圖2）。同時，混凝土基座內部布置了13組無人駕駛的電動個人快速運輸車（Personal Rapid Transit，簡稱PRT），進入馬斯達爾學院的參觀者和游客把汽車停到開發區周邊，然后乘坐這些豆莢形的遠程遙控PRT校車到達學校各個位置（圖3）。

其次，該地區傳統建筑彼此緊密相依，街道非常狹窄，形成一個密集聚合的格局。這樣的格局可以減少外墻和屋頂的受熱面積，相鄰建筑之間也能夠互相遮蔽，有效地減少熱輻射滲透到室內（圖4）。馬斯達爾學院的總體布局傳承了這種方式，已建成的6棟建筑在選擇最佳遮陽方位的基礎上呈環形布局，建筑之間彼此緊密相連，形成了狹窄的街道空間。街道的寬度設計在日照模擬分析的基礎上確定，與太陽東升西落的移動軌跡呈一定角度，能夠實現遮陽效果的最大化，同時，狹窄的街道也有助于加速場地的空氣流通（圖5）。

此外，宿舍樓環繞著實驗樓和圖書館，使居住區與學習場所毗鄰，縮短學生的出行線路和體力消耗，從而提高效率、節約能源（圖6）。總體布局還考慮了當地保護隱私的傳統，將男女宿舍分開，以實驗樓為分隔，女性和家人住在一側，單身男性住在另一側，宿舍樓和實驗樓自然地圍合成兩個小型公共廣場，成為重要的休閑和社交場所。

1 馬斯達爾學院規劃模型圖（紅框內為一期建筑，圖片來源：http://blog.reegle.info/wp-content/uploads）

2 馬斯達爾學院建在基座上（圖片來源：http://bashay48.wordpress.com）

4 沙漠地區民居（http://www.tslnjx.com.cn）

5 馬斯達爾學院鳥瞰（圖片來源：http://ditu.google.cn）

6 馬斯達爾學院二層平面（圖片來源：Sona Nambiar and Joann Gonchar,AIA：馬斯達爾學院[J] .建筑實錄，2011(4)）

7 宿舍樓建筑（圖片來源：左：http://www.constructionweekonline.com，右：http://www.fosterandpartners.com/Projects）

8 宿舍樓建筑剖面及內部透視，可以看到，中庭的天窗是精心設計的，考慮了太陽能板的安裝角度，避免陽光射入室內。（圖片來源：左：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA:馬斯達爾學院[J] .建筑實錄，2011(4)，右：http://www10.aeccafe.com/blogs）

3.2. 單體建筑設計

3.2.1.宿舍樓

馬斯達爾學院的宿舍樓主要提供給教授、學生及他們的家人居住，建筑外形采用較傳統的建筑風格，以期實現建筑文化的傳承。

宿舍樓共4層，平面采用波浪形曲線，相鄰樓層互相交錯，形成良好的自遮陽效果。同時，由于外墻采用曲線形式，鄰近建筑之間形成一定的視線屏蔽，能有效保護個人隱私，符合中東地區人們的生活習慣。

宿舍樓外立面的窗戶設置了很多混凝土格柵，這種手法借鑒了阿拉伯地區傳統民居中的木格屏形式，既可以避免房間被陽光照射，又能通風透氣，同時充當視線屏障。格柵的紋理來自傳統的伊斯蘭建筑，充滿地域特征。沒有格柵遮擋的窗戶，不僅開窗面積較小，而且深深地凹陷，形成自遮陽，減少建筑得熱。建筑外墻采用當地沙石制成的玻璃纖維增強型混凝土板，外表呈赭紅色，與沙漠顏色相協調，就地取材、經濟便捷，同時使建筑很好地融入環境（圖7）。

宿舍樓內部設有多個狹長的中庭，屋頂開有天窗。白天，天窗關閉，防止熱空氣進入，借助經過特殊設計的蓄熱墻來保持室內舒適度。夜間，天窗開啟，借助中庭的煙囪作用，加強空氣流動，熱空氣從天窗排出，冷卻蓄熱墻體。同時，均勻分布的中庭也增加了建筑內部的自然采光，減少能源消耗（圖8）。

3.2.2.實驗樓

實驗樓內設有各種實驗室，其中一部分是與麻省理工學院合作的研究機構，主要致力于研發可持續能源。實驗樓在外觀上更為現代，從建筑形式到建筑材料都體現了被動策略和高技術的融合。

實驗樓共有3層，盡量設置高窗、減少開窗面積，經過計算的開窗面積能夠滿足實驗室的自然采光要求。建筑外立面設有水平和垂直兩種遮陽板，遮陽板的間距、大小和角度根據窗戶的朝向、位置和大小進行調整，以保證實驗室不僅有足夠的自然光照，且能避免陽光直射。模擬技術輔助設計的遮陽板在大小、角度和方向上不完全一致，從而形成了一種變化的建筑立面，其存在既是必然，又是獨特的建筑語匯和裝飾（圖9）。

實驗樓底部架空，既利于場地通風，又形成了涼爽的公共活動和交流空間（圖10）。同時，這里也是一種過渡空間，從炎熱的室外進入涼爽的室內，為人們提供緩沖，使人感覺更舒適。建筑外墻采用枕頭形乙烯－四氟乙烯板，這是一種高度絕緣的充氣材料，極為堅固，外觀光滑，呈半透明狀態，讓建筑在炎熱的沙漠地區仍能保持涼爽的觸感。

9 實驗樓的遮陽板設置（圖片來源：http://www.fosterandpartners.com/Projects）

10 實驗樓底層架空（圖片來源：http://www.designboom.com）

11 屋頂太陽能光電板在提供清潔能源的同時，還能為建筑提供遮陽（圖片來源：左：http://www.architypereview.com，右：http://www.jotunpowder.com）

12 圖書館南向立面和北向立面（圖片來源：http://www.masdar.ac.ae）

13 圖書館剖面（圖片來源：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA:馬斯達爾學院[J] .建筑實錄）

14 圖書館北側屋頂細部，經過模擬分析的形式有利于室內通風（圖片來源：http://thecarboncult.com）

此外，宿舍樓和實驗樓屋頂都鋪滿太陽能光伏發電板，大約5 000m2，為整個校園建筑提供30%的能源，加熱75%的熱水；除此之外，還為屋頂遮陽，降低屋頂溫度；光伏板與屋頂的間隙，能促進屋頂上的自然通風，帶走輻射熱量；同時，光伏板向外伸展，為建筑之間的街道遮陽（圖11）。

3.2.3.圖書館

圖書館只有兩層，其外形像一個巨大的頭盔，但其形式來源于當地氣候以及對周圍建筑的分析，通過深入的環境分析、風洞試驗、計算機模擬之后得到這樣的結果。

首先，圖書館建筑南北向布置，建筑南側立面向南傾斜一定角度，形成良好的自遮陽；其次，采用出挑很遠的整體屋頂，將建筑罩在一頂“陽傘”下，由于圖書館不同于宿舍，對于照度有較高的要求，所以，圖書館南側設計了大面積的玻璃幕墻。出挑深遠的屋頂、充足的自然采光，抵消了玻璃幕墻帶來的能源消耗，又能讓館內人員無遮擋地欣賞場地景觀（圖12）。

頭盔狀的大屋頂包括兩個主要部分，位于建筑南側的屋頂滿鋪太陽能光電板，光電板與建筑外表皮完美地整合在一起，經過計算機模擬優化后的光電板形式能最大限度地吸收太陽光。位于建筑北側的屋頂設置很多醒目的折板狀的通風口，這些通風口的位置及大小是通過風洞試驗確定的，以保證圖書館能進入更多的北向涼風，并促進室內通風，增加空間舒適度（圖13、14）。屋頂材料不是鋼材，而是采用經過認證的、具有更低耗能系數的集成木材（圖15）。

15 圖書館屋頂采用低能耗的集成木材（圖片來源：http://www.thefuturebuild.com）

16 當地建筑中的通風塔（圖片來源：左：http://www.dpchallenge.com，右：http://www.trekearth.com）

17 馬斯達爾學院的通風塔外觀及剖面（圖片來源：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA：馬斯達爾學院[J] .建筑實錄,2011(4)）

3.2.4 . 通風塔

福斯特發現，當地建筑通常利用高聳的中空“風塔”來加強自然通風，達到降溫目的，這種風塔也因此成為中東地區具有標志性的建筑語匯（圖16）。受這一傳統手法的啟發，在馬斯達爾學院的設計中，福斯特借鑒了這一傳統要素，在北側廣場上設置了一個巨大的通風塔，區別于傳統通風塔將熱空氣從塔底抽拔到塔頂排出，帶動場地空氣流動，這里的通風塔是利用高技術將新風從塔頂經塔身冷卻后輸送到塔底，促進場地空氣冷卻。具體工作原理是通風塔頂部裝有風向傳感器，自動控制百葉朝向，在一年的不同季節和一天的不同時段能自動捕捉最強風向。新風從塔頂進入后，經由塔內裝置的水霧發生器得到冷卻，從塔底排出，為整個場地帶來涼爽而清新的空氣。塔高45m，高度的設置是經過計算確定的，能取得最佳的氣流控制效果 （圖17）。

除了總體布局和建筑單體的設計外，設計團隊還非常注重環境設計，在校園的兩個廣場上都種植了大量當地植物，并布置了各種水體及噴泉，這些植物和水體對降低溫度、促進通風、減輕強烈的陽光照射、調節微氣候非常有幫助，也為在這里生活和學習的人們提供了良好的室外環境（圖18）。

3.3.測試效果

通過運用各種主被動策略，馬斯達爾學院跟同類新建筑相比，能節約54%的用水量和51%的用電量，而且建筑用電完全由太陽能提供 。建筑舒適度得到大幅度提高，這一點可以從兩張“熱量分布”測試圖上看出來。設計師用熱成像攝像機分別記錄了馬斯達爾學院一條街道和阿布扎比市中心一條街道在10月1日正午時分的熱量分布情況，從數據分析上可以看到，馬斯達爾學院街道此時的平均溫度為20℃，感覺比較涼爽，而阿布扎比市中心平均溫度則要高得多，而且馬斯達爾學院街道平均輻射不強，在人體舒適范圍內，阿布扎比市中心街道平均輻射則非常強烈，令人不適（圖19）。

通過實際測試可以看到，馬斯達爾學院的設計在數字模擬技術和環境性能測試技術的輔助下，采取了恰當的主、被動策略，實現了既舒適又節能的目標，而且產生了充滿地域特色的新建筑形式。雖然這樣的設計結果不會適合每個地區或者每個項目，但是這套以可持續理念為根本的設計思想和設計方法為我們提供了良好的參照模式，值得我們總結和借鑒。

4.設計總結

在西方，有100多年歷史的現代建筑運動，逐步形成了一套成熟的以“功能形式理性”為主導的“常規設計方法”，并逐漸影響到全世界。1960年代以來，多元多價的建筑流派雖然進行了積極的探索，也僅僅是在常規設計鏈條上的某一點實現突破。相對而言，馬斯達爾學院所代表的是一套較為系統的環境友好型可持續設計方法，與常規設計方法相比，至少在以下方面不同。

4.1.設計出發點不同

常規設計的出發點在于解決功能和形式問題，在可行的經濟條件下，達成功能與形式的統一，同時表達某種特定的文化意義。馬斯達爾學院的設計目標則是解決“建筑與環境的關系”。基本出發點是，在保證建筑舒適度的同時，最大限度地減少建筑對環境的負面影響，實現建筑環境與社會文化的可持續性。

4.2.設計邏輯不同

常規設計一般以解決功能問題或形式問題為立足點，依據現成的結構材料技術和已有的經驗，確定各個設計階段的策略，形成最終設計成果。對環境問題的認知和解決方法往往是片段化的、先驗的。

馬斯達爾學院以“環境友好型”建筑為立足點，在前期調研、建筑布局、單體設計、細部設計、景觀設計等不同層面，系統化地貫徹可持續設計理念。在模擬技術分析的輔助下，本著“被動優先、主動輔助”的原則，探索適宜的技術方法，挖掘傳統生態智慧，生成形式成果。

4.3.設計工具不同

在建筑方案設計階段，常規設計的策略和手法往往來自于設計師的主觀分析和經驗積累，計算機僅僅充當輔助繪圖或形式表現的工具，就像建筑師手中的一支筆，將設計師的想法表現出來或加以完善，卻不能對方案決策起到主導作用。

在馬斯達爾學院的方案設計中，數字模擬成為建筑師進行科學決策的助手。在方案設計過程中，建筑師借助風環境、光環境、能耗等各種環境技術模擬軟件，確定方案設計各個層面的合理形式。數字模擬工具在方案設計階段的分析結果，演繹為獨特的地域性形式語言。

5.結語

19世紀的工業革命，引起了社會生產和社會生活的大變革，使建筑設計面臨新的需求；在機械化生產模式的輔助下，產生了“新建筑五點”。以此類推，在目前環境問題突顯、全球強調可持續發展的背景下，信息時代的模擬技術，應該在建筑設計決策中發揮關鍵作用。馬斯達爾學院作為一個經典的案例，為應用模擬工具，實現建筑與環境的可持續發展做出了示范。□（本文受國家自然科學基金資助，項目批準號51178292）

18 場地中設置的各種水體和植物（http://www10.aeccafe.com/blogs）

19 馬斯達爾學院與阿布扎比市中心的熱能成像圖（圖片來源：http://archrecord.construction.com/projects）

1. 竇以德等編譯.諾曼·福斯特[M] .北京：中國工業出版社，1997：1-50.

2. http://www.ynhouse.com

3. http://www. p1.cn

4. 百度百科關于阿拉伯聯合酋長國的介紹，http://baike.baidu.com/view/6802.htm

5. Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA：馬斯達爾學院[J] .建筑實錄，2011（4）：20-22

6. http://www10.aeccafe.com

7. http://www.masdarcity.ae/

8. http://www.fosterandpartners.com

9. http://www.masdar.ac.ae

10. http://archrecord.construction.com