应对光热环境的建筑立面形态

■ 杨 辛 Yang Xin

0 引言

随着绿色、生态等建筑设计理念的深入，许多建筑作品都对气候做出积极应对，尤其是光环境和热环境等与使用者息息相关的方面。众所周知，室内自然光环境的良好与否直接影响建筑空间使用者的视觉感受，也影响室内人工照明的布置、使用以及能耗。室内良好的自然光环境不仅可以有效降低照明能耗，还能调节空间使用者的情绪，从而提高视觉舒适性和工作效率。热环境是温度、湿度、气压以及通风状况等因素的综合体现，热环境对舒适度具有重大的影响，不仅决定空间使用者身体热量消耗，也左右工作效率的高低。良好的热环境不仅可以降低采暖或致凉的能耗，也能使人体处于合理的热量得失状态，从而获得较高的热舒适性。而从建筑被动式利用能源看，建筑的得热与采光具有同步相关性，因此，在探讨建筑的气候应对时，应充分考虑光、热环境的各自主导影响和综合作用。

1 建筑立面作用

立面是除屋顶之外的外围护部分，是建筑艺术外在的主要呈现者，立面传达建筑设计者赋予建筑的表情。同时，立面处于建筑内部空间与外部环境之间，传递建筑应对外部环境的信息。建筑与人类身体一样都要面对变化的多种多样的光热环境，而且当面对恶劣气候（严寒或酷暑）时都要采取相应的措施进行调节。建筑一般无法随季节完全更换立面，需面临不利气候条件下室内空间保持舒适度的问题。

根据与建筑主体结构关系和在立面上占比，建筑立面的形态设计元素可分为开口元素、构件元素以及表皮元素。根据所处环境和面临的主要光热状态，建筑师通过开口、构件、表皮及其组合形成立面，以调节室外的光热对室内空间的影响，来满足建筑内部空间的使用需求和使用者的舒适度，从而产生了丰富多样的建筑立面。

2 开口形态

开口是指建筑开向外部环境的形态总称，在立面上主要形式有门、外窗、阳台及外廊等。这里的开口既指建筑内外空间的分界处的可开启部分（如门、外窗），也指处于内外之间的过渡空间（阳台、外廊）。开口是建筑内部空间到外部空间能量进出的通道，是光热因素影响的必经之路。根据在立面上的延伸状况，开口形态可分为片段式开口和连续式开口。立面上的开口也可看做建筑的眼，都说“眼睛是心灵的窗户”，通过立面开口的分析亦可稍窥建筑的“心灵”。

2.1 片段式开口

片段式开口，顾名思义，是在立面上呈片式、呈段式的开口类型，常见的片段式开口有内凹门窗洞、凹阳台等。在具体的建筑设计中，片段式开口具有较大的自由度，千变万化。根据建筑内部不同功能空间，在立面上产生变化的开口，大小不一，深浅各异。反过来，通过片段式开口的变化，也可以推测内部空间的转换。由于室外光线通过开口到达室内，因此，通过片断式开口的设计，可为室内营造不同氛围，符合使用要求。如现代主义建筑大师柯布在朗香教堂的立面采用了外小内大棱台式开口方式，使进入室内的光线产生扩射的效果，制造了某种神圣效果，升华了教堂的气氛。

斯洛文尼亚的Pilon 住宅，位于废旧的采石场旁边（图1），面临保留遗产文化和形成地区新标志的问题。建筑师根据基地现状，将140套公寓分成两幢建筑。立面上阳台内凹开口，阳台两边的墙面和栏杆都涂成明亮的黄色，阳台紧邻储藏室，外墙面为黑色钢丝网水泥板，这样在水平上形成虚实相间的变化，相邻层之间，阳台和储藏室的位置相互错落布置，表现出动感。立面上，黑色与黄色相间，虚开口与实墙体相错，产生了强烈的视觉效果，达到了新标志的要求。

图1 Pilon 住宅的凹阳台

日本东京的Sugamo Shinkin 银行，底层为自动存取款机、出纳柜台、院子和一个开放空间，二层包括贷款功能区、接待室、办公室和院子，而三层主要为工作人员的空间。建筑师以树为母题，出现于立面上，意在营造清新的空间，为顾客提供自然、惬意的感觉。同时，结合内部空间，设计出主立面上大小的内凹窗洞开口，并赋予14种不同的颜色，处于内部空间的顾客通过开口能感受到五彩缤纷的光线反射（图2）。处于底层的公共空间受到内凹开口的遮蔽，避免了阳光的直射，内部光线比较柔和，使座椅14种颜色得到真实表现（图3）。

图2 Sugamo Shinkin 银行西立面

图3 Sugamo Shinkin 银行室内

2.2 连续式开口

连续开口是指在立面的尺度上占据大部分或者全部的开口形式，通常表现形式为开敞外廊。连续开口往往在立面上形成水平为主的构图，形态比较舒展。在室内空间和外部环境之间形成缓冲空间，往往成为人们日常活动的重要场所。开口的连续性也决定了其连续的遮阳性能，效果较好。

图4 Living Foz

葡萄牙的Foz住宅楼，靠近波尔图的海滨区，7层，共40套公寓。折线形的外廊开口为每户创造了不同的半室外空间，具有丰富光影对比效果，随着太阳直射角和方位角的变化呈现不同的光影景象（图4）。白色的阳台板黑色的围护墙体形成强烈的对比。更重要的是，宽阔的折线形阳台控制了直射太阳光对室内的热辐射，减少了能耗和电气的使用（图5）。

墨尔本的某高层建筑，在朝海立面上采用阳台和阳台板外挑的做法，形成连续开口，遮蔽阳光的直射。同时，在高层中使用连续开口可以形成一定的构图序列，有利于减少高层的尺度，减少高体量给人的压迫感（图6）。

图5 开敞的阳台

图6 墨尔本某高层

3 构件形态

构件是附着于建筑主体结构上的构筑物，通常也是建筑的组成部分。立面构件通过一定的构造措施与建筑主体结构连接，并与主体部分一起形成建筑立面的构图全貌。一般来说，立面构件不影响建筑主体结构的安全和稳定，也不影响室内空间的功能性质。有效的构件的意义能在立面上得到充分表达，对外部光热环境对建筑的作用施加影响，优化光热因素，以符合设计意图和使用需求。根据构件作用方向的不同，立面构件可分为水平构件、垂直构件和综合构件。而实际上，一个建筑往往会采取多种构件以及不同构件的组合，以满足不同朝向不同功能空间的光热环境优化需求。

图7 巴西的热带住宅（北立面）

3.1 水平构件

水平构件是指在水平方向展开的构件，常见如水平百叶、水平挡板等。水平构件往往被用作朝阳面（北半球的南面和南半球的北面）的遮阳，效果比较显著，尤其是太阳高度角较大的时间段内。在太阳高度角常年较大的区域（如热带），水平构件遮阳的适用范围就比较大。

巴西塞拉阿州的热带住宅，处于南纬3°10’ 42.51”，常年温度22～33℃，是个度假屋（图7）。应业主的要求，建筑师共设计了3个卧室以及一些服务功能空间。在这些空间外圈，围绕宽阔的外廊，以减少太阳对于墙体的热辐射。木质水平构件围在外廊之外，犹如裙摆，进一步为外廊空间遮挡直射阳光，同时，木构件之间存在空隙，可以渗透南面的凉风，以减少甚至避免空调的使用。这些木质构件的一部分又成为廊道栏杆的栏板，围合和遮阳作用兼而有之（图8）。

新西兰奥克兰的Waitaker市民中心，包括市民部分、管理层部分以及联接体。市民部分的会议室弧形墙面外设置了铝质水平遮阳构件，构件架于垂直竖梃之上，可以控制角度。水平构件有效地遮挡了过多的阳光辐射，减少空调能耗（图9）。足够量的较柔和光线通过铝板的反射、玻璃的折射进入室内，使室内靠外墙部分具有较好均匀光照，使室内避免了眩光。在白天开会的时候，只需要打开少量的灯光，即可满足使用要求，减少了人工照明需求。室外的水平构件还可以根据室外的光热情况调节角度，使得会议室内的光热状况处于较舒适的范围（图10）。

图8 构件对外廊空间的遮阳

图9 Waitaker市民中心会议室水平构件

图10 白天开会时的光线

3.2 垂直构件

垂直构件就是在垂直方向展开的构件，一般用于东西立面的遮阳。垂直构件广泛地应用于太阳高度角较小的地区和方位。重复使用的垂直构件容易在立面上形成一定的肌理和变化。垂直构件还经常成为水平构件的支撑结构，也会和水平构件一起出现在朝阳面。

广州大学城华南理工大学院系办公实验楼群，在东西立面上设置许多垂直构件，来应对广州地区（夏热冬暖地区）强烈的太阳辐射。在南立面设置红色涂料和白色涂料相间的垂直挡板，缩小了开口的尺寸（相当于增加了开口的进深），在垂直构件之上还设置了水平百叶，从而获得较好的遮阳效果。在东西立面则以单色垂直挡板为主，避免喧宾夺主（图11）。

图11 立面垂直构件

西班牙马德里维拉纽瓦255套住宅区，由6幢平面为L形的住宅楼组成，共有255公寓。不同朝向开口比例不同，但窗洞有两种规格：1.80m×1.80 m用于大房间（如起居室、大卧室）和0.90m×1.80m用在小卧室。在所有的窗洞外35cm处都有1块或2块纯色穿孔挡板。这些挡板由窗外的金属架支撑，挡板可以滑动，具有几种鲜亮的颜色，在银白金属墙面的映衬下格外夺目。穿孔板由于直接挡在窗玻璃之前，因此对光热的调节作用比较明显（图12）。日常生活中，人们根据遮阳、遮光的需求来移动挡板，全开、半开或关闭，会使建筑立面呈现丰富的变化，活跃立面，避免建筑立面的单一化。

3.3 综合构件

综合构件是指同时具备水平方向和垂直方向伸展的构件形式，也可以看成水平构件和垂直构件的组合，经常与立面开口结合设置。如澳大利亚维多利亚的Barwon健康教学培训与研究中心和美国科罗拉多国家再生能源实验室，都是在窗洞口设置了综合构件，起到外遮阳的作用（图13、14）。综合构件同时具备水平构件和垂直构件的优点，具有较广的使用方位和朝向。

4 表皮形态

表皮是位于建筑自身围护结构之外的大面积构筑物。表皮不是真皮，一般不能独立成为建筑的围护结构，对建筑的围护结构起辅助作用。建筑表皮与建筑内部空间并不像开口和构件那么紧密的对应关系，它自身具有一定独立性。在一定程度上，表皮可以摆脱建筑内部空间的关系来形成符合设计审美的形态。随着建造技术的进步和材料运用的多元化，越来越多的建筑披上了新奇的表皮，获得了有冲击力的视觉效果和较高的关注度。根据表皮自身组成元素的空间形态，表皮可分为平面表皮和立体表皮。

图12 窗口穿孔滑动挡板

图13 Barwon健康教学培训与研究中心

图14 国家再生能源实验室

图15 莱茵河瀑布游客中心

4.1 平面表皮

平面表皮是在建筑围护结构外通过一定构造措施固定的一层表皮，通常厚度较薄（相比建筑立面尺寸），呈平面形态。这类表皮大多通过穿孔、镂空等方式形成一定图案意义的表皮开口，使得光热经过表皮的过滤再接触里面的围护结构。很显然，这样的表皮可以削弱过强的太阳辐射和过高的自然光照度。

瑞士的莱茵河瀑布游客中心的外表皮由锈蚀钢板组成。2层之上的外立面则采用了穿孔钢结构，以不对称的、变形的、近十字的图案为原型，通过变化大小、转换方向，使落在室内光斑呈现落叶或花朵的意象。2层的室内空间通过穿孔的表皮获得了充足的自然采光，并且均匀度较好（15、16）。

伦敦市政厅酒店是个豪华酒店，坐落于老贝斯诺格林市政厅，在伦敦蓬勃发展的东端中心地带，项目包括对二级保护建筑的修复与更新。建筑师用由激光切割出孔洞的铝板对建筑进行了二次围护，在原有的建筑维护结构外增加了一层表皮，在立面没有出现门窗，使得建筑在视觉上与周边的建筑立面迥异。由于镂空铝板的围护，自然光可以进入背后的房间，同时又能在内外空间保证很好的隐私，这点对于豪华酒店十分重要（图17、18）。

图16 室内光影

4.2 立体表皮

立体表皮是指表皮本身有一定三维空间形态，内部构件形成一定规律的组合，能产生一定的立体光影效果。通过立体表皮，建筑可以呈现具有很强立体感的立面肌理，大大增强视觉表现力。同时，立体表皮由于采用不同材料和组合形态，对建筑室内空间具有不同程度的遮蔽作用，可以调节光热因素的影响。

法国“折纸”办公楼立面表皮采用斜线构架，构架上安装采用复合面板，双层玻璃上覆以大理石薄膜。对称的玻璃板形成“打开的书籍”的视觉效果，大理石纹络在阳光的照射下得到充分的表现。同时，大理石薄膜呈半透明，可以过滤阳光，柔化光线。玻璃板夹角并不相同，立面中间部位的玻璃片夹角较小，显得更加立体，而立面两端的玻璃片夹角较大，因而显得平缓，整个立面就形成了一定的动感变化（图19～21）。

图17 伦敦市政厅酒店

图18 室内光影

图19 立面整体

图20 大理石纹路

图21 动感变化

5 结语

建筑立面是建筑艺术的展示部分，在应对气候中也承担重要的角色。建筑立面通过开口、构件、表皮等设计元素，对所在区域的特定气候下的光热环境做出应对。片断式开口和连续性开口对立面作用范围不同：片断式开口影响范围有限，但在立面上位置较为自由，光热应对的针对性较强；而连续性开口则容易形成连续构图，大气舒展，重复的连续性开口容易形成韵律，可以形成连续的光热缓冲区，为使用者提供适宜的活动空间。水平构件、垂直构件和综合构件在立面上适用性存在差异。水平构件对朝阳面以及太阳高度角较大的时间段和区域具有显著作用，垂直构件对于东西立面以及太阳高度角较小的时间段和区域较为有效，综合构件则兼具以上两者构件特点。由于方向不同、自身材料性能（如透光性）的差异，立面构件对于光热影响也会存在较大差别。表皮由大面积的构件组成，覆盖建筑立面的全部或大部分，能产生新奇的视觉效果，对建筑内部光热环境具有全局性影响。随着技术的进步和建造自由度的提高，表皮不仅能塑造建筑表情，还能提高建筑的生态适应性，从而不断改善空间光热舒适度。