基于生态效能的建筑形态设计研究

陈玉飞 王琴

摘 要：当今时代，人类的发展对自然和社会造成的影响越来越大。建筑作为传统的能耗大户，其对地球生态和人类生存环境的影响也日益加深。我国的建筑领域能源消耗占国民经济比例日益增大，资源浪费严重。出于改善环境的考虑，建筑形态应可持续发展的需求，随之产生相应变化。从更具生态价值的建筑物绿色效能出发，重新审视建筑物的存在形式，开辟一条生态建筑设计的新途径，意义重大，这其中建筑形态对生态效能的投射不可或缺。

关键词：生态效能;建筑形态;生态建筑设计

本文所提及的生态效能，不仅包括建筑物寿命全周期范围的内外部环境，还包括区域环境内可再生的自然资源生态能量的重新整合。通过对太阳能、风能、植物能以及水资源的利用，改善碳储存和吸收，降低能耗，并通过建筑形态及其环境行为对区域生态条件的影响，也即微气候环境的营造，减弱城市热岛效应，净化大气，达到区域环境（住区）内能量需求的良性转换和传递。

在建筑的不同层面“形态设计”中，本文将“效能型建筑形态”作为异于其他建筑形态体系的本质特征，并通过这种形态对环境生态的特殊（绿色）需求做出有效回应，实现对不利环境的主动控制。

基于生态效能的建筑形态设计是在观念不断创新的时代，以生态学为理论基础，以后现代哲学为思潮根源，以现代化建造技术为支撑，试图通过绿色多元的直观形态和丰富的空间体验来模拟和还原现实世界绿色的建筑形态体系，是建筑形态基于“绿色生态”的重新再造，“效能型建筑形态”以非线性思维为本质特征，以数字化技术为物质基础，以向我们展现眼前世界的生态性为设计目的，它是外在设计形态与内在的复杂生态（逻辑）关联的综合体。建筑形态流变的混沌与正在全面渗透的环境生态导向，是当代建筑实践对事物整体关联、动态进化机制的映射，“生态性”的实质是这一机制引导下的设计观念转变。

1833年，巴黎植物园温室成为第一个以玻璃和铁等新材料、新技术、新功能为代表的标志性建筑，满足了那个时代工业建筑对大空间和采光的要求，对后世的建筑构造方式带来巨大影响。1851年，在工业革命的催化作用下，以铁和玻璃为建筑骨架和表皮的水晶宫，开创了20世纪现代建筑形态与结构的先河。柯布西耶为巴黎大学设计的巴黎瑞士学生宿舍被认为是二次世界大战后流行起来的玻璃幕墙的先声。

实践证明，玻璃建筑在热、光、通风方面的物理性能够最大程度影响其内部的建筑物理环境水平。因此，本文通过对常州大学教学和科研用温室建筑形态的再设计，用大自然的力量改善建筑室内的温度、湿度，提高室内舒适度，营造满足室内使用者舒适要求的建筑物理环境，同时最大限度利用外部环境资源，减少能耗，改善气候不利条件，实现建筑对区域环境的生态反哺。

此项研究的目的不是对建筑形态新趋势的归纳性总结，而是将研究对象置于动态的、开放的研究体系中，通过对这具有普遍意义的玻璃建筑的生态化“形态”再造，针对有利于生态效能的建筑形态创作方法、设计流程展开研究与实践，具体探讨建筑形态内外环境的互动关系，旨在构建一个对其能客观、综合解读的研讨平台，以期带动更大范围内的住区环境生态反哺研究。这其中科学技术的制约对建筑形态的改变固然重要，但意识形态和设计理念的改变也不容忽视，虽然这种改变常常落后于新材料、新技术、新功能所带来的变化。而基于生态效能的建筑形态再造更多来自于上层建筑和意识形态的改变。国内的玻璃温室没有将其建筑形态与生态技术有利结合，没有真正用好生态效能这个“永动机”。尽管建筑形态是本文讨论的重点，但是在建筑设计过程中，形态和建筑整体乃至外部环境都是密不可分的。因此，在研究基于环境效能的建筑形态创作理论和方法的同时，关注点并不局限于形态表面，而是通过对建筑形态系统化的设计，形成对建筑环境、地域文化、独特功能等需求的系统性有效回应，形成更加理性客观的建筑生态关联。

该玻璃温室原设计为连续横向跨度60米、纵向跨度16米、顶高7米并配有外拉幕遮阳系统、风机湿帘降温系统、空调系统、屋顶喷淋系统。这是国内玻璃温室的标准做法，虽然也采用了一些智能设计，但还是存在较大问题。首先是立面单层玻璃幕墙在夏季没有遮阳系统，室内温度过高，风机湿帘降温系统作用有限，空调降温能耗较大，而在建筑外立面幕墙上如果设置外遮阳帘虽然在夏季可以达到一定的降温效果，但采光会受到较大影响，同时遮阳帘的自动调节等控制系统成本较高。此外，从人文、历史、审美等文化层面的因素考虑，这样的设计效果明显不能达到建筑的生态美学要求。冬季，白天由于阳光照射，温度还可以达到舒适要求，夜晚由于玻璃的物理特性室内温度下降较快，无法满足使用要求。基于此，我们首先从因地制宜的设计需要出发，重视江南地区的气候特征，同时考虑玻璃、金属型材吸热快散热也快的物理属性，结合温室使用需求、使用方式等特定条件，重新设计了室外玻璃顶棚的沉降出水系统。通过室外池塘锅盔型底部过滤泵将蓄水泵上屋顶沉降槽，淀出泥沙杂质后均匀溢出，在建筑表皮形成带有坡度角的流淌水幕，配合原有的遮阳系统，在夏季能够起到更好的降温效果，沉降槽内沉积物可以作为肥料使用。其次，根据当地气候特点优化建筑体型系数，在有利于接受太阳光的南立面外再加设单层带有一定倾斜度的无框幕墙，这样能够增大建筑的延展面积，以最大面积、最佳角度、最多时间更有效地收集太阳光能。当然，这其中我们还要通过可升降金属遮阳帘，解决大面积玻璃墙体阳光直射造成的光污染问题。同时，基于被动式技术优先的原则，在内外幕墙距地80公分的水平纵线上平均设置多个通风窗并将两窗之间做密封连接，形成通过两层幕墙间空腔的通风管道。夏天打开这一纵向封闭的内外通风窗，将经过水塘的室外凉风引入室内，利用7米的室内上行高度与顶棚天窗形成热烟囱效应，室外冷空气从通风窗进入室内促使室内热空气向上从天窗出气口排出，带走了室内的热量。双层幕墙上下两端各自设计风机进风和排风装置，外层幕墙的上下通风口在夏季均开启，而内层幕墙的上通风口闭合，使得来自水塘方向的冷空气还能在下通风口进入经上通风口排出做被动式吸入排出空气循环，这一过程可持续地给腔体降温，就好似给温室套上一件“隔热服”。两层幕墙地面距离为1.5米，幕墙间空腔高度为4.6米，正是这种双层幕墙形成的腔体“呼吸”功能消化掉了阳光照射幕墙对室内造成的升温。此外，我们让顶棚水系经过带有一定坡度角的外立面幕墙回流到温室前的池塘中，这样外层幕墙玻璃表面就会形成一层薄薄的水幕系统，在夏季，通过水幕流淌蒸发吸热的方式降低玻璃的温度。蒸发的水汽还会调整建筑物所在区域的湿度和温度，改善区域小环境的微气候。同时，流淌的水幕会吸附空气中的灰尘，洗刷幕墙表皮保持幕墙外观的清洁。由于外层幕墙在距地80公分处改斜坡为退层垂直结构，水幕流淌到此处会形成跌水景观，跌落的水流形成曝气曝氧现象，并通过水塘边的多层砂石和水生植物根茎的过滤系统达到水质的循环净化。玻璃表皮的水幕经过阳光紫外线的照射也会对水质有很好的杀菌作用。池塘水系依靠这种生态循环可以保持自洁。

冬季，水幕系统停止工作，外层幕墙的上下通风口均闭合，内层幕墙反之，玻璃腔体经太阳辐射产生温室效应，这一过程可持续给腔体增温。内层幕墙上下通风口通过被动式给排风将双层幕墙间的热空气循环到温室内，夜晚关闭内外幕墙所有通风口，减少白天蓄积热量的内外流动。同时，为了增加夜晚室内的温度，我们首先利用金属遮阳帘在白天吸收太陽光能，夜晚再将热能慢慢释放出来，其次在温室北面幕墙做距地1.8米实体蓄热墙，也是在白天吸收太阳光热，夜晚释放增温，同时实体墙可以有效降低冬季西北风对温室的侵害。此外，在温室西北方向堆土为山种植防风林带也阻挡了西北风，起到一定的生态防风作用。

春秋两季，通过幕墙内外通风道的开启面积，调节双层幕墙上下端进气排气装置的开启量以获得需要的通风效果和气压差，在温室内形成自然通风，加之在进出风口和通风窗设置防虫网和过滤装置，既可防蚊虫、降灰尘，又能更新室内空气，这其中可调节的最大通风量是决定温度的关键。这种复合式幕墙腔体构造结合水幕降温设计将会大大降低空调能耗。

近年来在建筑设计中，将环境性能优化作为设计出发点及主导价值观，逐步得到学界的认可。本文通过对温室建筑的复合表皮形态以及这种表皮可变性结构，在不同季节根据室内气候环境的使用要求随时进行开启、闭合等动态调节的研究，探索不同建筑形态主动适应外界气候变化的途径，推动更大范围建筑环境中自然资源蕴含的能量优势和不利条件的筛选和剥离，固化和优化自然环境中的有利因素，通过建筑形式对自然环境的影响，达到微气候环境的改善和补偿，以期从生态效能反哺视角帮助设计师摆脱绿色建筑设计的瓶颈和生态效能利用之困，最终实现更加宜居和可持续的“生态反哺”的住区模式。

参考文献：

[1]吴焕加.中外现代建筑解读[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]庄惟敏，祁斌，林波荣.环境生态导向的建筑复合表皮设计策略[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

作者单位：

陈玉飞，上海应用技术大学艺术与设计学院、上海国际设计创新研究院。

王琴，常州大学艺术学院。