传承与创造——马斯达尔学院设计解析

刘丛红，康珍珍/LIU Conghong, KANG Zhenzhen

1.引言

诺曼·福斯特（Norman Foster）认为，建筑设计是融合和统一许多独立学科的过程，设计的本质不能从构思它的过程中剥离出来。他带着对过去的警觉为现在而设计，努力探索和触及一些关于永续本质的问题，以期回到事物的基本原则 。在他为阿布扎比新城所设计的马斯达尔学院中，源自传统的被动生态策略与最新的主动技术完美地融合在一起，以回溯建筑本源的设计理念，创造出独具地域特色的建筑布局和建筑形象，成为马斯达尔城可持续设计的典范。

2.马斯达尔学院概况

马斯达尔是阿拉伯联合酋长国拟建的一座绿色城市，位于首都阿布扎比以东1km的沙漠地区，这里将成为世界上首个达到零碳、零废物标准的城市，也是全球最大的政府主导投资的绿色新城。正在建设的马斯达尔学院将全面利用太阳能，可谓“沙漠中的绿色象牙塔” 。

马斯达尔学院有中东麻省理工之称，按照阿布扎比政府的计划，马斯达尔学院被定位为“世界上第一所专注研究清洁能源的高等院校”，以推动创新理念、发展关键技术为主要目标。

学院建筑由福斯特事务所设计，建设分为4个阶段，目前第一阶段已经于2010年9月完工，包括一栋实验楼、一栋图书馆和4栋学生宿舍楼（图1）。第二阶段于2010年末开工建设。

3.马斯达尔学院设计解析

为了设计这座环境友好型校园，福斯特首先对阿拉伯的居住区进行深入研究。他在纽约接受采访时表示：“回首传统，了解一些最基本的东西，这一点非常关键 。” 在大量前期调研的基础上，福斯特将传统建筑中的生态策略和文化思想，与当代新技术相结合，创造出新的地域建筑形式，使建筑与环境融为一体，真正地实现了建筑的可持续发展。下面分别从整体布局和建筑单体设计进行分析。

3.1.总体布局

马斯达尔属热带沙漠气候，很少下雨，全年阳光普照，大面积高温和强烈的太阳辐射是其主要气候特征 。针对当地气候特征，设计团队通过以下几个方面的分析，确定学院的总体布局。

首先，设计团队在前期调研中发现，当地的居住区通常建在高地上，这种选择不仅出于防御考虑，同时也能有效利用自然风。因此，马斯达尔学院整体都建在一个7.62m（25英尺）高的混凝土基座上，以加强建筑整体的通风效果（图2）。同时，混凝土基座内部布置了13组无人驾驶的电动个人快速运输车（Personal Rapid Transit，简称PRT），进入马斯达尔学院的参观者和游客把汽车停到开发区周边，然后乘坐这些豆荚形的远程遥控PRT校车到达学校各个位置（图3）。

其次，该地区传统建筑彼此紧密相依，街道非常狭窄，形成一个密集聚合的格局。这样的格局可以减少外墙和屋顶的受热面积，相邻建筑之间也能够互相遮蔽，有效地减少热辐射渗透到室内（图4）。马斯达尔学院的总体布局传承了这种方式，已建成的6栋建筑在选择最佳遮阳方位的基础上呈环形布局，建筑之间彼此紧密相连，形成了狭窄的街道空间。街道的宽度设计在日照模拟分析的基础上确定，与太阳东升西落的移动轨迹呈一定角度，能够实现遮阳效果的最大化，同时，狭窄的街道也有助于加速场地的空气流通（图5）。

此外，宿舍楼环绕着实验楼和图书馆，使居住区与学习场所毗邻，缩短学生的出行线路和体力消耗，从而提高效率、节约能源（图6）。总体布局还考虑了当地保护隐私的传统，将男女宿舍分开，以实验楼为分隔，女性和家人住在一侧，单身男性住在另一侧，宿舍楼和实验楼自然地围合成两个小型公共广场，成为重要的休闲和社交场所。

1 马斯达尔学院规划模型图（红框内为一期建筑，图片来源：http://blog.reegle.info/wp-content/uploads）

2 马斯达尔学院建在基座上（图片来源：http://bashay48.wordpress.com）

4 沙漠地区民居（http://www.tslnjx.com.cn）

5 马斯达尔学院鸟瞰（图片来源：http://ditu.google.cn）

6 马斯达尔学院二层平面（图片来源：Sona Nambiar and Joann Gonchar,AIA：马斯达尔学院[J] .建筑实录，2011(4)）

7 宿舍楼建筑（图片来源：左：http://www.constructionweekonline.com，右：http://www.fosterandpartners.com/Projects）

8 宿舍楼建筑剖面及内部透视，可以看到，中庭的天窗是精心设计的，考虑了太阳能板的安装角度，避免阳光射入室内。（图片来源：左：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA:马斯达尔学院[J] .建筑实录，2011(4)，右：http://www10.aeccafe.com/blogs）

3.2. 单体建筑设计

3.2.1.宿舍楼

马斯达尔学院的宿舍楼主要提供给教授、学生及他们的家人居住，建筑外形采用较传统的建筑风格，以期实现建筑文化的传承。

宿舍楼共4层，平面采用波浪形曲线，相邻楼层互相交错，形成良好的自遮阳效果。同时，由于外墙采用曲线形式，邻近建筑之间形成一定的视线屏蔽，能有效保护个人隐私，符合中东地区人们的生活习惯。

宿舍楼外立面的窗户设置了很多混凝土格栅，这种手法借鉴了阿拉伯地区传统民居中的木格屏形式，既可以避免房间被阳光照射，又能通风透气，同时充当视线屏障。格栅的纹理来自传统的伊斯兰建筑，充满地域特征。没有格栅遮挡的窗户，不仅开窗面积较小，而且深深地凹陷，形成自遮阳，减少建筑得热。建筑外墙采用当地沙石制成的玻璃纤维增强型混凝土板，外表呈赭红色，与沙漠颜色相协调，就地取材、经济便捷，同时使建筑很好地融入环境（图7）。

宿舍楼内部设有多个狭长的中庭，屋顶开有天窗。白天，天窗关闭，防止热空气进入，借助经过特殊设计的蓄热墙来保持室内舒适度。夜间，天窗开启，借助中庭的烟囱作用，加强空气流动，热空气从天窗排出，冷却蓄热墙体。同时，均匀分布的中庭也增加了建筑内部的自然采光，减少能源消耗（图8）。

3.2.2.实验楼

实验楼内设有各种实验室，其中一部分是与麻省理工学院合作的研究机构，主要致力于研发可持续能源。实验楼在外观上更为现代，从建筑形式到建筑材料都体现了被动策略和高技术的融合。

实验楼共有3层，尽量设置高窗、减少开窗面积，经过计算的开窗面积能够满足实验室的自然采光要求。建筑外立面设有水平和垂直两种遮阳板，遮阳板的间距、大小和角度根据窗户的朝向、位置和大小进行调整，以保证实验室不仅有足够的自然光照，且能避免阳光直射。模拟技术辅助设计的遮阳板在大小、角度和方向上不完全一致，从而形成了一种变化的建筑立面，其存在既是必然，又是独特的建筑语汇和装饰（图9）。

实验楼底部架空，既利于场地通风，又形成了凉爽的公共活动和交流空间（图10）。同时，这里也是一种过渡空间，从炎热的室外进入凉爽的室内，为人们提供缓冲，使人感觉更舒适。建筑外墙采用枕头形乙烯－四氟乙烯板，这是一种高度绝缘的充气材料，极为坚固，外观光滑，呈半透明状态，让建筑在炎热的沙漠地区仍能保持凉爽的触感。

9 实验楼的遮阳板设置（图片来源：http://www.fosterandpartners.com/Projects）

10 实验楼底层架空（图片来源：http://www.designboom.com）

11 屋顶太阳能光电板在提供清洁能源的同时，还能为建筑提供遮阳（图片来源：左：http://www.architypereview.com，右：http://www.jotunpowder.com）

12 图书馆南向立面和北向立面（图片来源：http://www.masdar.ac.ae）

13 图书馆剖面（图片来源：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA:马斯达尔学院[J] .建筑实录）

14 图书馆北侧屋顶细部，经过模拟分析的形式有利于室内通风（图片来源：http://thecarboncult.com）

此外，宿舍楼和实验楼屋顶都铺满太阳能光伏发电板，大约5 000m2，为整个校园建筑提供30%的能源，加热75%的热水；除此之外，还为屋顶遮阳，降低屋顶温度；光伏板与屋顶的间隙，能促进屋顶上的自然通风，带走辐射热量；同时，光伏板向外伸展，为建筑之间的街道遮阳（图11）。

3.2.3.图书馆

图书馆只有两层，其外形像一个巨大的头盔，但其形式来源于当地气候以及对周围建筑的分析，通过深入的环境分析、风洞试验、计算机模拟之后得到这样的结果。

首先，图书馆建筑南北向布置，建筑南侧立面向南倾斜一定角度，形成良好的自遮阳；其次，采用出挑很远的整体屋顶，将建筑罩在一顶“阳伞”下，由于图书馆不同于宿舍，对于照度有较高的要求，所以，图书馆南侧设计了大面积的玻璃幕墙。出挑深远的屋顶、充足的自然采光，抵消了玻璃幕墙带来的能源消耗，又能让馆内人员无遮挡地欣赏场地景观（图12）。

头盔状的大屋顶包括两个主要部分，位于建筑南侧的屋顶满铺太阳能光电板，光电板与建筑外表皮完美地整合在一起，经过计算机模拟优化后的光电板形式能最大限度地吸收太阳光。位于建筑北侧的屋顶设置很多醒目的折板状的通风口，这些通风口的位置及大小是通过风洞试验确定的，以保证图书馆能进入更多的北向凉风，并促进室内通风，增加空间舒适度（图13、14）。屋顶材料不是钢材，而是采用经过认证的、具有更低耗能系数的集成木材（图15）。

15 图书馆屋顶采用低能耗的集成木材（图片来源：http://www.thefuturebuild.com）

16 当地建筑中的通风塔（图片来源：左：http://www.dpchallenge.com，右：http://www.trekearth.com）

17 马斯达尔学院的通风塔外观及剖面（图片来源：Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA：马斯达尔学院[J] .建筑实录,2011(4)）

3.2.4 . 通风塔

福斯特发现，当地建筑通常利用高耸的中空“风塔”来加强自然通风，达到降温目的，这种风塔也因此成为中东地区具有标志性的建筑语汇（图16）。受这一传统手法的启发，在马斯达尔学院的设计中，福斯特借鉴了这一传统要素，在北侧广场上设置了一个巨大的通风塔，区别于传统通风塔将热空气从塔底抽拔到塔顶排出，带动场地空气流动，这里的通风塔是利用高技术将新风从塔顶经塔身冷却后输送到塔底，促进场地空气冷却。具体工作原理是通风塔顶部装有风向传感器，自动控制百叶朝向，在一年的不同季节和一天的不同时段能自动捕捉最强风向。新风从塔顶进入后，经由塔内装置的水雾发生器得到冷却，从塔底排出，为整个场地带来凉爽而清新的空气。塔高45m，高度的设置是经过计算确定的，能取得最佳的气流控制效果 （图17）。

除了总体布局和建筑单体的设计外，设计团队还非常注重环境设计，在校园的两个广场上都种植了大量当地植物，并布置了各种水体及喷泉，这些植物和水体对降低温度、促进通风、减轻强烈的阳光照射、调节微气候非常有帮助，也为在这里生活和学习的人们提供了良好的室外环境（图18）。

3.3.测试效果

通过运用各种主被动策略，马斯达尔学院跟同类新建筑相比，能节约54%的用水量和51%的用电量，而且建筑用电完全由太阳能提供 。建筑舒适度得到大幅度提高，这一点可以从两张“热量分布”测试图上看出来。设计师用热成像摄像机分别记录了马斯达尔学院一条街道和阿布扎比市中心一条街道在10月1日正午时分的热量分布情况，从数据分析上可以看到，马斯达尔学院街道此时的平均温度为20℃，感觉比较凉爽，而阿布扎比市中心平均温度则要高得多，而且马斯达尔学院街道平均辐射不强，在人体舒适范围内，阿布扎比市中心街道平均辐射则非常强烈，令人不适（图19）。

通过实际测试可以看到，马斯达尔学院的设计在数字模拟技术和环境性能测试技术的辅助下，采取了恰当的主、被动策略，实现了既舒适又节能的目标，而且产生了充满地域特色的新建筑形式。虽然这样的设计结果不会适合每个地区或者每个项目，但是这套以可持续理念为根本的设计思想和设计方法为我们提供了良好的参照模式，值得我们总结和借鉴。

4.设计总结

在西方，有100多年历史的现代建筑运动，逐步形成了一套成熟的以“功能形式理性”为主导的“常规设计方法”，并逐渐影响到全世界。1960年代以来，多元多价的建筑流派虽然进行了积极的探索，也仅仅是在常规设计链条上的某一点实现突破。相对而言，马斯达尔学院所代表的是一套较为系统的环境友好型可持续设计方法，与常规设计方法相比，至少在以下方面不同。

4.1.设计出发点不同

常规设计的出发点在于解决功能和形式问题，在可行的经济条件下，达成功能与形式的统一，同时表达某种特定的文化意义。马斯达尔学院的设计目标则是解决“建筑与环境的关系”。基本出发点是，在保证建筑舒适度的同时，最大限度地减少建筑对环境的负面影响，实现建筑环境与社会文化的可持续性。

4.2.设计逻辑不同

常规设计一般以解决功能问题或形式问题为立足点，依据现成的结构材料技术和已有的经验，确定各个设计阶段的策略，形成最终设计成果。对环境问题的认知和解决方法往往是片段化的、先验的。

马斯达尔学院以“环境友好型”建筑为立足点，在前期调研、建筑布局、单体设计、细部设计、景观设计等不同层面，系统化地贯彻可持续设计理念。在模拟技术分析的辅助下，本着“被动优先、主动辅助”的原则，探索适宜的技术方法，挖掘传统生态智慧，生成形式成果。

4.3.设计工具不同

在建筑方案设计阶段，常规设计的策略和手法往往来自于设计师的主观分析和经验积累，计算机仅仅充当辅助绘图或形式表现的工具，就像建筑师手中的一支笔，将设计师的想法表现出来或加以完善，却不能对方案决策起到主导作用。

在马斯达尔学院的方案设计中，数字模拟成为建筑师进行科学决策的助手。在方案设计过程中，建筑师借助风环境、光环境、能耗等各种环境技术模拟软件，确定方案设计各个层面的合理形式。数字模拟工具在方案设计阶段的分析结果，演绎为独特的地域性形式语言。

5.结语

19世纪的工业革命，引起了社会生产和社会生活的大变革，使建筑设计面临新的需求；在机械化生产模式的辅助下，产生了“新建筑五点”。以此类推，在目前环境问题突显、全球强调可持续发展的背景下，信息时代的模拟技术，应该在建筑设计决策中发挥关键作用。马斯达尔学院作为一个经典的案例，为应用模拟工具，实现建筑与环境的可持续发展做出了示范。□（本文受国家自然科学基金资助，项目批准号51178292）

18 场地中设置的各种水体和植物（http://www10.aeccafe.com/blogs）

19 马斯达尔学院与阿布扎比市中心的热能成像图（图片来源：http://archrecord.construction.com/projects）

1. 窦以德等编译.诺曼·福斯特[M] .北京：中国工业出版社，1997：1-50.

2. http://www.ynhouse.com

3. http://www. p1.cn

4. 百度百科关于阿拉伯联合酋长国的介绍，http://baike.baidu.com/view/6802.htm

5. Sona Nambiar and Joann Gonchar, AIA：马斯达尔学院[J] .建筑实录，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