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《华中建筑》杂志
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基于节能策略的建筑空间设计思考_杂志文章
基于节能策略的建筑空间设计思考
发布时间:2018-01-24浏览次数:182返回列表

肖毅强

王静

林瀚坤

中图分类号TU-024

文献标识码A

文章编号1003-739X( 2010) 06-0032-04

摘要当代建筑空间设计需要立足节能进行系统性的空间建构。建筑空间设计的气候适应性则是一种朴素的建筑节能策略。当代建筑节能措施中,建筑表层空间和建筑内空间系统可以作为主要关注点。该文通过设计作品提出湿热气候下节能策略的建筑空间设计,尝试针对建筑表皮及中庭空间进行设计探索。

关键词节能策略建筑空间设计思考

现代建筑空间设计在结构和技术的背景下,展现了丰富的发展,空间成为建筑设计中重要的思考内容。建筑空间设计本质上是对人活动行为要求的满足。同时,人的行为需求、社会关系、城市关系、结构技术及可持续使用等方面也赋予了空间设计多元化的要求。当前,基于绿色建筑和节能建筑的发展要求,需要从节能设计角度出发,深入思考建筑空间的设计问题,确立节能减排背景下建筑空间的价值观念和设计策略。

建筑设计操作是空间的布局与关系的组织。空间设计需要主动思考建筑节能问题。在长期建筑传统中,建筑通过空间设计对气候环境做出主动适应,减少建筑外部环境消极影响及有效使用能源。在地域性气候前提下,建筑空间设计应当体现为对建筑传统中适应气候问题的创新性继承。

一方面,当代中国建筑普遍存在建筑“样式”拼贴的现象,也伴随着建筑“空间样式”模仿与抄袭,缺乏立足于地域气候的基本思考。另一方面,建筑空间设计问题被割裂处理,将建筑节能技术问题简单地依赖于建筑设备技术手段解决,导致在整体系统中建筑节能目标出现偏差。

我们在这里尝试讨论建筑空间设计的节能策略,涉及建筑空间的气候适应属性,并就当代建筑的节能策略的空间设计作出分析:再通过一个自己的设计实践,系统整理关于湿热气候地区建筑空间设计的思考。1建筑空间设计的气候适应属性

现代建筑空间与形式常常作为其区别于传统建筑的重要特征来理解。现代建筑空间设计与传统建筑中由于结构技术的局限而相对孤立的封闭空间形成对比,体现为空间的流动性与多元化的属性,并表现为截然不同的空间形式。另一方面,建筑中气候适应的问题并没有改变。地域性气候的恒常属性提醒我们在空间设计上需要继承和理解建筑传统中的经验,并以创新方式发展地域性现代建筑。

G.勃罗德彭特说过, “早期房屋有多方面的启示:建屋的基本理由是改变大自然所给的气候,方便舒适地进行一些人类活动。”…气候与地域的自然差异对人类的建筑影响巨大。在传统建筑中,由于技术条件的限制,建筑的形态与空间对自然条件表现出精明的适应性。工业革命以来随着科学技术的不断发展,现代建筑对各种设备技术的依赖削弱了在建筑空间上的气候适应的主动思考。

当代建筑的许多新发展,来源于对传统建筑空间的气候适应性价值的继承。例如当前流行的“双层幕墙”表皮,是温带地区发展起来的双层玻璃幕墙“空腔式”节能构造,作为一种建筑表皮的设计手段,其全球风行大有当年国际式“玻璃幕墙”流行的势头。探究其气候设计原理,来源于建筑中的玻璃阳光房( Winter Garden),在冬季作为一个功能空间,利用日照下的温室效应进行取暖和活动。西方现代建筑在立面气候适应设计上,从现代建筑早期的可变遮阳表皮到建筑遮阳外廊的运用,逐步发展到作为依附于建筑外表、具有多元化气候适应功能的双层幕墙“空腔”空间。 “空腔”空间可以根据外部气候的变化,进行不同类型的空腔开闭调节,有效管理建筑内环境的光热及通风,实现建筑节能。从“阳光房”的功能性空间,发展成为一个表皮性的技术空间,其应对气候的概念并没有改变。这种新技术的近期出现将双层幕墙的“空腔”空间放大,作为交往功能空间来使用,表现为对“阳光房”基本原理的回归(图1~4)。

在传统建筑中不同地域的气候问题产生不同的气候适应性空间设计。以我国南方湿热地区传统民居建筑为例,同是围院式的进深布局,却表现了与北方典型“四合院”不同的空间尺度特征。由于夏热冬暖,多雨潮湿,岭南传统民居从整体空间布局到单体建筑空间均注重如何防热与通风。建筑群落上呈现紧凑的梳式布局,通过空间组织实现遮阳通风。庭院收窄的空间尺度主要关注“防热”,结合贯通建筑纵向进深的“冷巷”,形成了独特的应对湿热气候的“空间系统”——“庭院”与“冷巷”纵横有序,点面结合,很好地改善了民居的“微气候”环境。

从建筑物理角度,湿热地区通风强调“穿堂风”,即空气对流有利于湿热空气的流动和人体舒适性感受;而实际上,不能单纯从通风要求上进行布局,需同时考虑防热问题。紧凑的群体布局有利于建筑防热,通过群体空间的组织关系,有效导入外环境的气流,并通过建筑群体内部的微环境,综合解决建筑通风和防热问题:在夏季弱风环境下,建筑的门廊、冷巷作为外部气流进入导风口,并在建筑阴影中被冷却下来:而庭院由于相对开阳,空气会被加热,温度差使得门廊和冷巷中的凉空气向庭院流动。当存在外部强气流时,风从冷巷贯入、气流速度相对较大:而庭院空气由于空间相对围闭而静止,空气压力差使得庭院空气向冷巷流动。建筑空间布局在防热的同时,形成空间的阴凉气流和采光环境。在一些晚期发展的建筑类型如西关大屋等建筑中,还出现加了顶盖的庭院处理方式,通过顶棚的竖向侧面开敞或灵活开启天窗。在加强建筑防热效果的同时,组织竖向的气流,实现了狭小环境下的通风效果(图5~7)。

从建筑微气候调节的角度来看,建筑空间作为一个系统起作用,其空间形式反映气候适应性的策略。这些是在建筑传统中不断发展的气候应变空间设计措施,其建筑学的空间价值和气候适应智慧,值得深入挖掘研究。

2当代建筑节能策略中的空间设计

当代建筑实践中,建筑技术及设备为人类行为环境的舒适性提供了丰富的可能。同时,建筑也被动地由庞大的空调、暖气、通风等系统“武装”起来,建筑的环境气候控制所需要的能耗占据了建筑整体能耗的绝大部分。在建筑生态及可持续发展背景下,建筑节能设计展示了广泛的前景。针对建筑空间设计节能,一些学者提出了各种角度的研究观点,关注对气候调节的原理、机制、效能的整体考察。针对建筑空间,从宏观布局到微观构造可以作为一个连续关联的系统来看。如:国内学者李超从生物学、仿生学的角度,引入建筑腔体的概念,描述了不同层面的建筑空间对整体环境、建筑微气候的意义。l21建筑的腔体包括院落、中庭、边庭等空间,直接关联于建筑的自然通风、日光照射、绿化布局、水体蓄能调温、噪声衰减等物质与物理性能:微观层面,腔体由包裹建筑的“双层界面”构成,在夏热冬冷地区,常表现为双层玻璃幕墙的运用。从生物学的角度,腔体内外的物质与物理性能是可以相互渗透与交换的,因此,不同层面的腔体空间其实也是一个连续整体的系统,实现着建筑的气候调节性能。台湾学者林宪德把建筑外表面用外壳一词概括,研究建筑外形与建筑节能的关系,并通过热工计算印证在建筑外表面上,提出“适中的开口、丰富的阴影”最适于泛亚热带的建筑造型。

我们在这里将问题归结为两点:建筑表层空间与建筑内空间系统,分别涉及与环境直接接触的表面界面,以及确定建筑内部微气候环境控制的建筑内室间系统。提出内空间系统概念,在于不是将空间根据其所处位置定义,而是作为内部微气候环境系统来定义。

2.1建筑表层空间

前文提到的“双层表皮”玻璃幕墙系统已经成为当代建筑节能设计的典型案例,其关乎建筑表皮与建筑内外环境的互动关系。建筑“表皮”作为建筑自身微气候环境与外界环境相接的“界面”,可以理解成一个具有“过渡空间”性质的“技术空间”。 “双层表皮”作为是一个微观化的空间,具有自身的建筑物理性能,可以灵活地进行气候调节,具有在建筑外界面纵向“复合”叠加技术措施的特点。

双层空腔表皮的概念,作为建筑外表皮技术空间概念,可以更进一步演绎产生建筑使用空间的设计。英国福斯特事务所有许多立足于生态概念的建筑作品,并特别关注在建筑表层空间上进行演绎。例如伦敦瑞士保险中心等建筑,将表层“空腔”局部放大,作为建筑外向公共空间,并可实现适应不同季节要求的环境管理。皮亚诺事务所的作品也同样专注于表皮空间的研究和发展,通过空腔层的气候模式管理实现建筑节能。在吉巴奥文化中心中,吸取了当地民居的组织通风手段,结合可控表皮空腔的技术手段,使得建筑可根据气候条件实现室内环境舒适度的维持。还有美国加州自然科学院,将表皮空腔向内延伸,通过多层套嵌的空腔式空间组织不同展厅的气候条件,从而实现建筑中的气候管理和建筑节能。2.2建筑内空间系统

前面提及的设计多在温带地区,而亚热带地区的探索同样具有借鉴意义。夏热冬暖气候下对通风与防热的要求使建筑内部空间组织变得很重要。如著名生态建筑师杨经文在马来西亚的建筑作品,抓住当地日晒炎热、海洋性气候风力强大的地区气候特征,综合分析太阳轨迹和主导风向,并与中庭空间、边庭空间、屋顶花园、遮阳百叶等的位置与尺寸设计相结合,特别是通风中庭和驾空层的运用,系统性地研究与解决地域气候问题。印度建筑师柯里亚继承当地民居的建筑传统,也学习了柯布等早期现代主义建筑对当地气候的敏感回应,同时结合印度并不发达的经济条件,发展庭院空间,及多种简易遮阳、通风的方式,涵盖规划、建筑空间、构造做法等多个层面。

显然,在大部分情况下,我们很难清晰区分以上两种类型的空间设计策略。建筑空间可以作为一个系统性概念,同时运用表层空间与内空间系统的设计,综合解决气候适应性问题。

值得一提,20世纪50年代开始发展起来的岭南现代建筑,在应对南方湿热型地域气候上做出了积极的尝试,也可从建筑表层空间和内建筑系统角度进行理解。岭南现代建筑的早期倡导者夏昌世先生,在其理论研究与实践中,理解到建筑外表面(包括墙面、屋顶等)及建筑庭院空间对岭南气候适应的重要性。外部遮阳与屋顶通风隔热,是岭南建筑的重要组成部分。其作品在建筑主体空间外缘形成了一个附加的防热遮阳空间,同时改善室内通风与采光均匀度。在建筑内部空间组织上,借鉴岭南庭院布局改善建筑微气候。其后,莫伯治、余峻南先生继承了传统建筑庭院布局特点,把尺度不同的庭院带到建筑组织布局上。白云宾馆、矿泉别墅、白云山庄、东方宾馆等系列作品中,建筑内部通过中庭、边庭、花园等相互渗透,营造建筑空间通畅,产生出丰富的阴影区。带动室内外空气流动。

3湿热气候下建筑空间节能设计探索

由于建筑空间设计的气候适应性,只有立足特定的气候条件,具体分析问题与要求,才能作出适宜的空间设计措施。我们在这里立足于湿热气候下的建筑空间进行探索,一方面是对岭南传统建筑中空间设计智慧的继承:另一方面,也是对岭南现代建筑传统的思考。

湿热气候下面对防热及通风要求,从建筑空间角度,我们可以将问题从两个方面来理解:防热问题涉及建筑的表层空间,而通风问题涉及建筑的内空间系统组织。在广州南沙发展电力大厦办公楼建筑中,我们通过在外表层进行遮阳表皮设计以及建筑中通风中庭与侧向庭院的设计,有效实现建筑的遮阳隔热及办公环境良好的通风采光要求,整合落实建筑节能设计理念(图9~11)。

在建筑表层空间上,借鉴温带地区发展起来的双层幕墙的“复合表皮”设计概念——即在有限的建筑表面面积中,以在立面纵向叠合的方式,充分利用空间集合解决视线、采光、遮阳、导光、换气甚至于能量吸收等功能。通过使用水平向遮阳板和垂直向遮阳板相结合,形成了一个外表“空腔”,通过空间上的布置,不仅解决了遮阳问题,还为应对高温多风多雨的气候提供了综合性的外表皮构造方案。在遮阳板的设计中,结合视线及景观需要,采用“L”形穿孔铝板结合水平遮阳形成复合形遮阳表皮,并利用“L”形板的方向设置应对不同朝向的遮阳处理。在建筑南立面和西立面上的L板的角部指向西南角,东立面时“L”板角部指向东南角,可以最有效地遮挡直射阳光,又可以使“L”板的垂直立面的一翼有效地放射阳光,营造良好的采光条件。“L”形板不仅实现了简洁干净的抗风结构,同时还实现在正南向时较少强风对立面的直接吹袭,和东西立面时的导风功能。预制的穿孔铝板中,铝板的厚度与孔径的关系产生了微构造的遮阳功能。在不同时段的不同的阳光角度下,穿孔遮阳板可以分别起到“遮挡阳光”和“导入光线”的作用。遮阳板还有效地阻挡高层建筑中的强风,使得建筑窗扇可以开启,以取得良好的自然通风条件(图12—14)。

建筑内空间系统设计,借鉴传统建筑中的庭院布局,将庭院布置立体化处理。在建筑上部办公区设置了一个贯通6层的采光中庭,中庭空间采用自然通风采光而不设空调。中庭空间的通风组织,需要合理地设置中庭进风口和顶部出风口。建筑迎向东南向主导风方向设置侧庭院作为主要进风口,利用中庭竖向风压及中庭上部侧向打开的玻璃光棚形成的与下部温度差,组织中庭竖向通风。建筑还在南向、西向设置了侧向庭院,既增加中庭空间与建筑周边的通透性与景观联系,也可灵活地导入不同方向的气流(图15~16)。

中庭与各向侧庭院构成了一个空间系统,为办公区提供舒适的采光环境及公共空间景观,并灵活组织建筑内部通风环境。中庭四周通道走廊采用人工开启的落地玻璃,与中庭空间形成气流交换,节约了空调使用面积。中庭空间设置了联系楼层的楼梯,方便办公部门间的联系,并节约对电梯的使用,为建筑内空间系统的合理设置提供了有力的设计实践证明,可以从照明、空调、交通模式等多方面地节约能耗。空间设计以节能策略为主导,提供舒适办公环境的同时,探索了创新的空间形式。

结语

本文提出建筑空间设计的气候适应性具有贯穿传统建筑与现代建筑的重要内在价值,是建筑节能应当重视的重要内容。建筑节能设计可以体现为空间设计手段上,在建筑的表层空间及建筑内空间系统中得以体现。这里强调将空间系统性建立在对地域气候条件的积极应对上,辩证地思考建筑功能空间和技术空间的关系。建筑空间设计作为节能设计的核心手段,需要建筑师给予高度重视。通过建筑空间的主动设计,整合运用建筑设计与建筑技术手段,在实现建筑空间设计的人文价值同时,实现建筑设计的节能减排与生态环保目标。

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