主動式太陽能技術與建筑立面設計的結合

丁英杰 胡博雅

1.太陽能技術的背景與問題

我國建設事業發展迅速，建筑能耗比重日益增大，因此，設計一棟建筑時，要加強各種能源的節約和利用。對太陽能的利用，充分體現了節能理念，采用太陽能取暖設施比常規設備更加經濟。主動式太陽能采用的收集器附在建筑及其結構之上，是一套單獨需要功能的裝置，如太陽能熱水器、太陽能光伏板。它與立面相結合并應用時，往往作為后置構件出現，忽略了其外形與建筑本身的聯系，未將它作為建筑的有機組成部分，給建筑立面帶來了不好的影響。在結合時，應考慮太陽能構件的顏色、造型、位置等因素，與建筑立面產生聯系，并在建造建筑時設置適當的預埋件以及預埋位置。除此之外，還有很多構件排列凌亂、規格不統一等問題出現。

2.太陽能技術結合建筑立面設計的探索

隨著綠色建筑不斷得到社會和大眾的重視，主動式太陽能技術得到了空前的快速發展，這種發展不僅指技術性能的發展，而且太陽能組件在尺寸、形態、色彩、透明度、組裝方式等方面也得到了改良。同時隨著大眾審美標準和社會文化藝術要求的不斷提高，太陽能組件的應用不僅要與自然環境條件相適宜，也要符合美學法則，這就需要設計者結合建筑造型特點與太陽能組件的美學特性，運用色彩肌理、統一變化、節奏韻律、對比微差這四方面的設計策略，將建筑與太陽能組件融為一體。

2.1 色彩與肌理

建筑立面的藝術除建筑本身造型外，與其外表面材料的色彩肌理是離不開的。由于自然條件需要，太陽能組件往往被放置在南面及陽光所及之處，這些部位一般是立面中最引人注目的位置，因此它的色彩肌理必須與建筑造型風格相協調。目前的主動式太陽能技術主要分為光電系統和光熱系統，光熱系統主要為集熱器，種類顏色單一，光電系統也就是光伏板，種類多樣，色彩、尺寸、透明度等均可定制。傳統的光伏板主要是晶硅片，單晶硅呈黑色，多晶硅呈藍色，多給人沉穩、端莊、崇高的感受，一般應用于辦公樓、政府大樓等，營造嚴肅、知性、理智的建筑氛圍，可與混凝土、玻璃、鋼等材質結合。但由于晶硅片的不透光性，薄膜電池技術應運而生，這種光伏板不僅透光，而且顏色及點陣圖案多樣，可根據設計意圖自行選擇，多嵌入窗戶或光伏幕墻中，不僅豐富了立面肌理，并且在室內形成光影變化。目前出現了新型光伏電池技術，其透光性極強，但由于技術仍不成熟，還未大量推廣，未來其完全可以與大規模玻璃幕墻結合，取代傳統玻璃。除了作為輔助材料與其他材料結合，太陽能構件還可以作為建筑立面的主要材料，通過與其他材料的配合，將自身顏色作為主要顏色，塑造全新的建筑立面肌理，如海南英利大樓，就是將深藍色光伏板作為主要立面材料組成幕墻，橫條狀深藍色玻璃裝飾，在陽光照射下熠熠發光。

2.2 統一與變化

統一與變化是形式美的基本法則，統一是指各元素之間的聯系和共同特性，變化是指各元素之間的區別差異，兩者相輔相成，缺少統一就會毫無秩序，缺少變化會單調無趣。太陽能組件在剛剛應用時，往往游離于建筑之外，作為建筑的附屬功能構件，尤其是在應用于既有建筑時，就更需要借助統一與變化將兩者融合。在設計初期往往將統一作為主線，一是色彩與肌理的統一，主要是太陽能構件作為輔助材料與建筑主要材料所營造氛圍須一致；二是各元素之間的協調統一，當太陽能構件作為點、線、面元素進行構圖時，其形狀、比例、尺度、組合方式等應與立面其他元素相一致，如中國德州太陽谷，建筑展現給人的立面呈半圓形，太陽能板的排布便按半圓形，建筑立面變規整統一。統一并不意味著完全沒有變化，可通過增加立面元素或材質尋求變化，但一般不要超過三種，如國家電力投資辦公樓外立面就采用了深色BIPV 光伏組件和透光玻璃兩種元素，形狀尺寸一致，并通過線性構圖使立面既富有變化又統一整體；當立面元素單一，僅僅為太陽能構件時，可通過改變方向、按比例縮放等方式產生韻律及動感或形成某種漸變或放射效果。任何美的事物都是統一與變化、簡單與復雜共存的，就如電影中要有一或兩條主線貫穿始終，圍繞主線展開豐富的故事情節，在建筑立面設計時，我們往往會采用豐富多樣的手法和元素，經過有序的組合使各部分達到統一，產生立面藝術效果。

2.3 節奏與韻律

節奏與韻律是在統一與變化的基礎上，同種可見元素通過某種規則的重復形成一種有秩序的動感。韻律是一種停留在表象上的連續有條理的元素重復的構圖形式，這種形式使得立面更加簡潔、協調，同時使得立面產生某種節奏感。能應用于建筑立面的韻律形式有很多種，一是連續韻律，太陽能構件本身便帶有韻律，晶硅片中電池的排布、薄膜電池光伏板中的點陣都是元素的有規律的重復，我們可以將固定形狀的組件作為主元素不斷重復，形成勻速移動的節奏動感；二是漸變韻律，可以等倍數改變其排布間距，形成加速運動的節奏感，也可以保持其比例不變排布時按一定倍數縮放，甚至可以僅僅改變組件的方向（最好是根據太陽角度和天氣智能旋轉），韻律依然存在，形成漸變生長的動感，如美國芝加哥太陽大廈外立面僅采用圓形太陽能收集器，這些太陽能板會自動跟隨太陽旋轉角度，形成螺旋向上之感。通過這種設計策略，可以將代表現代科技的太陽能技術有秩序地與傳統建筑立面結合，形成一種新的生態藝術形式。

2.4 對比與微差

對比是指元素之間顯著的差異，微差是指元素間細微的差異，這兩者之間沒有明確的界限，缺一不可。當一種元素運用節奏與韻律排列在一起，突然破壞其連續性，用與它差異較大的元素代替，此時便會產生對比，形成引人注目的視覺效果，這兩種元素可借彼此之間的差異烘托各自的特點，但若過分強調對比，便會失去協調，這時就需運用微差，借助兩元素之間的共性尋求統一和諧。對比的方式有很多：色彩、肌理、疏密、虛實、輕重等，太陽能構件可通過材料對比和虛實對比應用于建筑立面之上。材料的對比主要是構件的顏色肌理與立面其他材質之間對比，如按一定規律外貼冷色調的晶硅板與暖色調的建筑涂料之間對比，形成強烈的視覺焦點和韻律節奏。虛實對比主要有兩種方式，一是實體太陽能構件與立面上完整的玻璃幕墻的對比；二是有透光性的太陽能構件與玻璃幕和實體墻的對比，如上海世博會的阿爾薩斯案例館的立面一部分大面積垂直綠化覆蓋，一部分則是光伏玻璃幕墻，虛實對比、材質對比、生態與科技的對比強烈，豎向的構圖形式又將兩部分完美協調。由虛實對比還可衍生出光影變化，基礎的太陽能構件與窗戶結合，可在建筑立面和內部空間形成多樣的陰影效果，或者將太陽能構件與其他節能構件結合，如韓國的韓華集團總部大樓就是將太陽能板與遮陽構件結合，也可引入智能化，太陽能構件可根據氣候條件自動調節角度和位置，產生動態的立面陰影。

3.應用與設想

太陽能光電板多為黑色，比較單調。歐洲PVACCEPT 研究機構發明了一種新的薄膜電池的生產工藝，可以實現生產各種不同顏色與模式的太陽能光電產品應用于建筑設計中[1]，來豐富建筑立面。但這種生產工藝下的電池造價較高，還未獲得大范圍認可與推廣。另外，門窗幕墻綠色節能設計也是很普遍的一種對太陽能加以利用又不影響建筑立面美觀的常見方式。采用密封處理技術的中空玻璃來加入惰性氣體降低其導熱性，滿足采光和保暖的需求[2]。SDE 競賽中，天津大學 sunflower 的外墻放置電池板，做成了清水磚墻的效果，完美詮釋了現代中國風；集熱器做成了管狀，與坡屋頂結合鑲嵌，交相呼應。同濟大學的太陽能竹屋，將電池板與曲面屋頂結合，巧妙又實用[3]。

太陽能技術在建筑中的應用已成為一種常態，但其設備與建筑立面一體化設計還未能在實際應用中做到所謂完美。事實上，由于太陽能構件自身的局限性，確實難以達到建筑美學的極致。隨著建筑走向模塊化、預制化、集成化，太陽能構件或許可以在設計初始便作為模塊的一部分，通過一定的手法豐富立面造型。在材料、技法和政策的推動下，建筑師有了更多實驗和創新的機會，探索它與建筑立面的新的關系。這種探索可能性無窮，也許它會在外形上消隱，也許它會融為建筑的一部分，但毫無疑問，這一探索終會由量變到質變，為建筑立面設計錦上添花。