基于生態效能的建筑形態設計研究

陳玉飛 王琴

摘 要：當今時代，人類的發展對自然和社會造成的影響越來越大。建筑作為傳統的能耗大戶，其對地球生態和人類生存環境的影響也日益加深。我國的建筑領域能源消耗占國民經濟比例日益增大，資源浪費嚴重。出于改善環境的考慮，建筑形態應可持續發展的需求，隨之產生相應變化。從更具生態價值的建筑物綠色效能出發，重新審視建筑物的存在形式，開辟一條生態建筑設計的新途徑，意義重大，這其中建筑形態對生態效能的投射不可或缺。

關鍵詞：生態效能;建筑形態;生態建筑設計

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

在建筑的不同層面“形態設計”中，本文將“效能型建筑形態”作為異于其他建筑形態體系的本質特征，并通過這種形態對環境生態的特殊（綠色）需求做出有效回應，實現對不利環境的主動控制。

基于生態效能的建筑形態設計是在觀念不斷創新的時代，以生態學為理論基礎，以后現代哲學為思潮根源，以現代化建造技術為支撐，試圖通過綠色多元的直觀形態和豐富的空間體驗來模擬和還原現實世界綠色的建筑形態體系，是建筑形態基于“綠色生態”的重新再造，“效能型建筑形態”以非線性思維為本質特征，以數字化技術為物質基礎，以向我們展現眼前世界的生態性為設計目的，它是外在設計形態與內在的復雜生態（邏輯）關聯的綜合體。建筑形態流變的混沌與正在全面滲透的環境生態導向，是當代建筑實踐對事物整體關聯、動態進化機制的映射，“生態性”的實質是這一機制引導下的設計觀念轉變。

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、新功能為代表的標志性建筑，滿足了那個時代工業建筑對大空間和采光的要求，對后世的建筑構造方式帶來巨大影響。1851年，在工業革命的催化作用下，以鐵和玻璃為建筑骨架和表皮的水晶宮，開創了20世紀現代建筑形態與結構的先河。柯布西耶為巴黎大學設計的巴黎瑞士學生宿舍被認為是二次世界大戰后流行起來的玻璃幕墻的先聲。

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

此項研究的目的不是對建筑形態新趨勢的歸納性總結，而是將研究對象置于動態的、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化“形態”再造，針對有利于生態效能的建筑形態創作方法、設計流程展開研究與實踐，具體探討建筑形態內外環境的互動關系，旨在構建一個對其能客觀、綜合解讀的研討平臺，以期帶動更大范圍內的住區環境生態反哺研究。這其中科學技術的制約對建筑形態的改變固然重要，但意識形態和設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、新功能所帶來的變化。而基于生態效能的建筑形態再造更多來自于上層建筑和意識形態的改變。國內的玻璃溫室沒有將其建筑形態與生態技術有利結合，沒有真正用好生態效能這個“永動機”。盡管建筑形態是本文討論的重點，但是在建筑設計過程中，形態和建筑整體乃至外部環境都是密不可分的。因此，在研究基于環境效能的建筑形態創作理論和方法的同時，關注點并不局限于形態表面，而是通過對建筑形態系統化的設計，形成對建筑環境、地域文化、獨特功能等需求的系統性有效回應，形成更加理性客觀的建筑生態關聯。

該玻璃溫室原設計為連續橫向跨度60米、縱向跨度16米、頂高7米并配有外拉幕遮陽系統、風機濕簾降溫系統、空調系統、屋頂噴淋系統。這是國內玻璃溫室的標準做法，雖然也采用了一些智能設計，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，室內溫度過高，風機濕簾降溫系統作用有限，空調降溫能耗較大，而在建筑外立面幕墻上如果設置外遮陽簾雖然在夏季可以達到一定的降溫效果，但采光會受到較大影響，同時遮陽簾的自動調節等控制系統成本較高。此外，從人文、歷史、審美等文化層面的因素考慮，這樣的設計效果明顯不能達到建筑的生態美學要求。冬季，白天由于陽光照射，溫度還可以達到舒適要求，夜晚由于玻璃的物理特性室內溫度下降較快，無法滿足使用要求。基于此，我們首先從因地制宜的設計需要出發，重視江南地區的氣候特征，同時考慮玻璃、金屬型材吸熱快散熱也快的物理屬性，結合溫室使用需求、使用方式等特定條件，重新設計了室外玻璃頂棚的沉降出水系統。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，在夏季能夠起到更好的降溫效果，沉降槽內沉積物可以作為肥料使用。其次，根據當地氣候特點優化建筑體型系數，在有利于接受太陽光的南立面外再加設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，基于被動式技術優先的原則，在內外幕墻距地80公分的水平縱線上平均設置多個通風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管道。夏天打開這一縱向封閉的內外通風窗，將經過水塘的室外涼風引入室內，利用7米的室內上行高度與頂棚天窗形成熱煙囪效應，室外冷空氣從通風窗進入室內促使室內熱空氣向上從天窗出氣口排出，帶走了室內的熱量。雙層幕墻上下兩端各自設計風機進風和排風裝置，外層幕墻的上下通風口在夏季均開啟，而內層幕墻的上通風口閉合，使得來自水塘方向的冷空氣還能在下通風口進入經上通風口排出做被動式吸入排出空氣循環，這一過程可持續地給腔體降溫，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造成的升溫。此外，我們讓頂棚水系經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，在夏季，通過水幕流淌蒸發吸熱的方式降低玻璃的溫度。蒸發的水汽還會調整建筑物所在區域的濕度和溫度，改善區域小環境的微氣候。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構，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象，并通過水塘邊的多層砂石和水生植物根莖的過濾系統達到水質的循環凈化。玻璃表皮的水幕經過陽光紫外線的照射也會對水質有很好的殺菌作用。池塘水系依靠這種生態循環可以保持自潔。

冬季，水幕系統停止工作，外層幕墻的上下通風口均閉合，內層幕墻反之，玻璃腔體經太陽輻射產生溫室效應，這一過程可持續給腔體增溫。內層幕墻上下通風口通過被動式給排風將雙層幕墻間的熱空氣循環到溫室內，夜晚關閉內外幕墻所有通風口，減少白天蓄積熱量的內外流動。同時，為了增加夜晚室內的溫度，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對溫室的侵害。此外，在溫室西北方向堆土為山種植防風林帶也阻擋了西北風，起到一定的生態防風作用。

春秋兩季，通過幕墻內外通風道的開啟面積，調節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效果和氣壓差，在溫室內形成自然通風，加之在進出風口和通風窗設置防蟲網和過濾裝置，既可防蚊蟲、降灰塵，又能更新室內空氣，這其中可調節的最大通風量是決定溫度的關鍵。這種復合式幕墻腔體構造結合水幕降溫設計將會大大降低空調能耗。

近年來在建筑設計中，將環境性能優化作為設計出發點及主導價值觀，逐步得到學界的認可。本文通過對溫室建筑的復合表皮形態以及這種表皮可變性結構，在不同季節根據室內氣候環境的使用要求隨時進行開啟、閉合等動態調節的研究，探索不同建筑形態主動適應外界氣候變化的途徑，推動更大范圍建筑環境中自然資源蘊含的能量優勢和不利條件的篩選和剝離，固化和優化自然環境中的有利因素，通過建筑形式對自然環境的影響，達到微氣候環境的改善和補償，以期從生態效能反哺視角幫助設計師擺脫綠色建筑設計的瓶頸和生態效能利用之困，最終實現更加宜居和可持續的“生態反哺”的住區模式。

參考文獻：

[1]吳煥加.中外現代建筑解讀[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]莊惟敏，祁斌，林波榮.環境生態導向的建筑復合表皮設計策略[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

作者單位：

陳玉飛，上海應用技術大學藝術與設計學院、上海國際設計創新研究院。

王琴，常州大學藝術學院。