建筑外立面設(shè)計(jì)

【專(zhuān)家解說(shuō)】：建筑本是種遮蔽物，但隨著技術(shù)的發(fā)展，它逐漸異化為時(shí)裝本文擬回歸建筑的本源，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)適應(yīng)氣候變化的建筑立面文章從可呼吸的建筑表皮雙層皮玻璃幕墻仿生學(xué)的啟示THI外墻材料的應(yīng)用以及被動(dòng)式降溫立面3個(gè)方面展開(kāi)討論 關(guān) 鍵 詞：立面，積極適應(yīng)氣候，通風(fēng)，遮陽(yáng)，雙層皮幕墻 造房子的目的本是為了防止良?xì)夂蚣耙矮F蟲(chóng)蛇對(duì)人之生存的利影響隨著文明進(jìn)程的發(fā)展，建筑斷豐富著其文化內(nèi)涵但文化內(nèi)涵的增加應(yīng)該導(dǎo)致其基本屬性的喪失改革開(kāi)放打開(kāi)了中國(guó)建筑師的視野，近20年來(lái)，中國(guó)的建筑設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多元化局面，但在這種繁榮的形式背后，我們較少看出建筑立面地域氣候的必然聯(lián)系，1902年開(kāi)利博士發(fā)明空調(diào)技術(shù)之后，建筑的表皮逐漸異化為時(shí)裝當(dāng)人們抱怨我國(guó)城市的無(wú)特色時(shí)，本應(yīng)回歸建筑的本源去尋求答案；在尋找城市建筑的可持續(xù)發(fā)展操作模式時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)建筑立面設(shè)計(jì)是個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域 可呼吸的建筑表皮雙層皮玻璃幕墻 Mies在紀(jì)20年代設(shè)想的位于柏林friedlich大街的透明玻璃建筑在當(dāng)時(shí)并未實(shí)現(xiàn)（圖1）， 30年后，首先在美國(guó)繼而在界各地卻相繼出現(xiàn)了大量色彩斑斕的玻璃建筑(圖2)，近10年來(lái)，人們又發(fā)現(xiàn)，五光十色的彩色玻璃逐漸淡出，當(dāng)代建筑越來(lái)越透明 有些理論家將當(dāng)今建筑的趨勢(shì)總結(jié)為光薄透的確，到歐洲日本城市游便可發(fā)現(xiàn)，披著各色反射玻璃外衣的光亮派建筑似乎正被那么張揚(yáng)的光薄透建筑取代信息時(shí)代壓縮了界的時(shí)空尺度，很快，中國(guó)從南到北也出現(xiàn)了許多光薄透的建筑 從表面看起來(lái)，這似乎是風(fēng)格的交替，但在風(fēng)格的背后卻有著其適應(yīng)氣候的理念及復(fù)雜的技術(shù)手段離開(kāi)技術(shù)支撐而空談光薄透風(fēng)格無(wú)異于憑空預(yù)測(cè)：今年冬天流行穿背心大街！ 目前在年輕學(xué)生和建筑師中流行句口號(hào)：玩表皮我們的建筑教育培養(yǎng)了太多從眼睛到眼睛的形象設(shè)計(jì)師，他們可以迅速玩出令人眼花繚亂的表皮，在夏日炎熱的廣州，在素有火爐之稱(chēng)的武漢，在首都北京，到處可見(jiàn)光薄透的立面但在這些微妙微俏的光薄透建筑背后，很難看出其立面形式在適應(yīng)氣候的必然性（圖3） Q=KA（Ta－Ti）這個(gè)公式告訴我們：建筑的得熱或失熱量建筑表皮的傳熱系數(shù)建筑物的體形系數(shù)及室內(nèi)外溫差有關(guān)為了節(jié)能，我們知道去設(shè)法降低建筑表皮的傳熱系數(shù)（K），或者減小建筑物的體形系數(shù)（A），按通常的理解，建筑室內(nèi)外溫差似乎是個(gè)定值，因而少有人在這方面做文章然而，建筑并是個(gè)簡(jiǎn)單的熱水瓶，在冬天，除了保溫，它還應(yīng)該充分吸收陽(yáng)光以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式采暖，而在夏季，它又必須有效地防止熱量進(jìn)入雙層皮玻璃幕墻可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整建筑對(duì)冬夏季節(jié)相互矛盾的要求，在節(jié)能的前提實(shí)現(xiàn)光薄透的立面效果（圖4） 在冬季,陽(yáng)光照耀的雙層皮玻璃幕墻可以形成個(gè)溫度緩沖層（Buffer），有效地減少建筑室內(nèi)外溫差，從而降低熱損失，而光薄透的大玻璃立面為建筑充分利用太陽(yáng)能提供了最大的可能 在夏季，昂貴的可調(diào)節(jié)遮陽(yáng)百葉因其置于雙層玻璃之間，從而得到了保護(hù)，既避免了外置百葉的易損及產(chǎn)生環(huán)境噪音等負(fù)面影響，又改善了內(nèi)置百葉遮陽(yáng)的低效流動(dòng)的空氣足以帶走金屬百葉吸收的熱量，從而減少熱量進(jìn)入室內(nèi)的機(jī)率實(shí)驗(yàn)證明，具有良好通風(fēng)和遮陽(yáng)的雙層皮幕墻可以大大降低室內(nèi)空氣溫度及玻璃表面溫度（圖5） 雙層玻璃之間空腔的同組合為建筑立面設(shè)計(jì)提供了極多的可能性生態(tài)化個(gè)性化及高技術(shù)高情感的追求在此巧妙地得到了平衡（圖6，圖7） 二仿生學(xué)的啟示TWD外墻材料的應(yīng)用 動(dòng)物的表皮是種具有動(dòng)態(tài)保護(hù)功能的內(nèi)外分界面，皮膚集感覺(jué)修復(fù)溫度控制等多種功能于體，完美地完成了對(duì)動(dòng)物身體的保護(hù)和對(duì)環(huán)境的積極適應(yīng)建筑的立面是否也可以具有對(duì)環(huán)境的述動(dòng)態(tài)適應(yīng)性？ 達(dá)爾文生物進(jìn)化論的核心是適者生存，這里的適是指生物經(jīng)歷億年進(jìn)化而獲得的對(duì)自然的適應(yīng)能力生物可以以多樣化的技術(shù)策略主動(dòng)適應(yīng)其生存的環(huán)境并實(shí)現(xiàn)低能耗和低材耗，良好的適應(yīng)性保證了生物在惡劣的環(huán)境的生存和繁衍對(duì)生物的研究可以發(fā)現(xiàn)許多可資借鑒的西 17紀(jì)，J.A.Boreli提出技術(shù)生物學(xué)的概念（Technical Biology），他從技術(shù)角度研究生物的形態(tài)骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系18紀(jì)，飛行物理學(xué)家Sir G.Gayley在研究形式和功能模擬（Form. analogy）之后，首次提出仿生學(xué)的概念（Biology Technic =Bionic），并提出許多技術(shù)仿生的原則當(dāng)代德國(guó)著名仿生學(xué)家Werner Nachtigall在其著作Pathern of Nature中提出了多種適合功能之造型的仿生學(xué)設(shè)計(jì)原則 仿生學(xué)的研究也曾滲透到建筑學(xué)領(lǐng)域，對(duì)北極熊的研究給建筑技術(shù)科學(xué)提供了啟發(fā)：生存在冰天雪地中的北極熊，因其皮黑毛密中空，極佳地適應(yīng)了零冷的環(huán)境北極有限的陽(yáng)光輻射可以被高效地吸收，而北極熊體內(nèi)的長(zhǎng)波輻射卻無(wú)法逸出，同時(shí)，濃密的體毛有效地阻止了足以散失熱量的微空氣對(duì)流在室外為零20時(shí)，北極熊仍可保持35的體溫依此原理，人們制造出了使熱量只進(jìn)出的透明外保溫材料（THI：transparent heat insulation）（圖8）普通外保溫垟體的設(shè)計(jì)目標(biāo)是單的，即：防止熱量的外逸，其本質(zhì)是堵，而THI垟?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是雙重的，在保溫的同時(shí)還可以高效地吸收太陽(yáng)能，即：只允許能量從外到內(nèi)的單向流動(dòng)德國(guó)建筑師Thomas Herzog 教授設(shè)計(jì)的Windburg青年旅館和慕尼黑普拉赫住宅在南向局部使用了THI作外墻，筆者參觀(guān)時(shí)，室外空氣僅8，而室內(nèi)在無(wú)暖氣的狀態(tài)可達(dá)20，THI的卓越功效可見(jiàn)斑，該建筑僅工效顯著，而具有個(gè)性鮮明的外觀(guān)，堪稱(chēng)藝術(shù)技術(shù)完美結(jié)合的典范（圖9） 被動(dòng)式降溫立面 建筑立面接受太陽(yáng)能的功能自待言，在冬天，只要在朝陽(yáng)面開(kāi)窗，陽(yáng)光便可透入玻璃進(jìn)入室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的被動(dòng)式利用但在炎熱的夏季，太陽(yáng)的輻射產(chǎn)生負(fù)面影響，如何利用太陽(yáng)的熱量進(jìn)行被動(dòng)式降溫，是建筑表皮設(shè)計(jì)中項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題 通風(fēng)是種最簡(jiǎn)便有效的被動(dòng)式建筑降溫方法，它通過(guò)將建筑內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移出去而實(shí)現(xiàn)建筑的降溫通風(fēng)可以加速水蒸氣蒸發(fā)，使人感到?jīng)鏊?，增加建筑的舒適度，在同樣溫度的情況，通風(fēng)良好的房間可以提供更佳的舒適感界各地的傳統(tǒng)民居發(fā)展了形式各異的通風(fēng)方式優(yōu)秀的通風(fēng)設(shè)計(jì)能在自然風(fēng)的基礎(chǔ)利用和加大風(fēng)壓或熱壓，促進(jìn)室內(nèi)氣流流動(dòng)，從而將熱空氣排出建筑這些實(shí)例中常用原理是煙囪效應(yīng)和文里效應(yīng)由于熱空氣比冷空氣密度小，向升騰產(chǎn)生氣壓差，從而促進(jìn)氣流產(chǎn)生自而的流動(dòng)，這就是煙囪效應(yīng)而文里效應(yīng)的原理則是當(dāng)風(fēng)吹過(guò)阻擋物時(shí)，在阻擋物的背風(fēng)面方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng) 煙囪效應(yīng)拔風(fēng)的產(chǎn)生條件較容易實(shí)現(xiàn)，而文里效應(yīng)抽風(fēng)則要求當(dāng)?shù)赜凶銐蚍€(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)但這兩種手法具體在設(shè)計(jì)中如何取舍則需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件來(lái)判斷，如果條件適合，兩者可以結(jié)合使用應(yīng)用煙囪效應(yīng)拔風(fēng)的優(yōu)秀范例有很多，傳統(tǒng)的如蒙古包的天窗拔風(fēng)（圖10）應(yīng)用煙囪效應(yīng)的現(xiàn)代建筑包括德國(guó)國(guó)會(huì)大廈英國(guó)新國(guó)會(huì)大廈英國(guó)demontfort大學(xué)Queens Building（圖11）等而德國(guó)著名建筑師赫爾佐格設(shè)計(jì)的漢諾威2000年博會(huì)26號(hào)館則是充分應(yīng)用文里效應(yīng)制造自然通風(fēng)的典范（圖12）述建筑在應(yīng)用生態(tài)策略以節(jié)約能源提供舒適性的同時(shí)還創(chuàng)造了極富表現(xiàn)力的建筑立面 玻璃中庭的防陽(yáng)光設(shè)計(jì) 中庭是人們?cè)O(shè)計(jì)公共建筑時(shí)常用的手法，在寒冷地區(qū)的冬天，玻璃中庭可以有效地利用太陽(yáng)能，但在炎熱地區(qū)的夏日則極易導(dǎo)致室內(nèi)過(guò)熱并最終增加空調(diào)的能耗在這種情況，煙囪效應(yīng)根本無(wú)濟(jì)于事德國(guó)某會(huì)展中心奧地利林茨會(huì)議中心均采用拋物線(xiàn)型橫剖面和玻璃屋頂，前者雖然使用了諸如屋面噴淋天窗拔風(fēng)（拔風(fēng)效果非常明顯）設(shè)置水池等生態(tài)策略，但終因強(qiáng)烈的陽(yáng)光輻射而導(dǎo)致室內(nèi)過(guò)熱，得已還是安裝了空調(diào)機(jī)組，（圖13）而后者因?yàn)槭褂昧俗阋詫⒅鄙潢?yáng)光反射出去的日光格柵系統(tǒng)（Daylight grid system）,在充分利用自然采光的同時(shí)并未導(dǎo)致室內(nèi)過(guò)熱（圖14，圖15） 立面遮陽(yáng)是種行之有效的建筑被動(dòng)式降溫方法，在熱帶傳統(tǒng)建筑中多有采用，紀(jì)中葉，現(xiàn)代建筑的遮陽(yáng)曾在界范圍推廣但隨著空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步及制冷設(shè)備的普及，建筑設(shè)計(jì)得以擺脫地區(qū)氣候的限制，建筑創(chuàng)作越來(lái)越自由，建筑越來(lái)越時(shí)裝化，遮陽(yáng)已被許多建筑師忽略在次對(duì)中國(guó)夏熱地區(qū)某特大城市100名建筑師進(jìn)行的關(guān)于建筑防熱措施的問(wèn)卷調(diào)查中，居然只有23％的建筑師提及遮陽(yáng) 除了傳統(tǒng)的混凝土材料以外，高效的木金屬玻璃遮陽(yáng)設(shè)施也得到了開(kāi)發(fā)外置百葉可以有效地阻止強(qiáng)烈陽(yáng)光的輻射；新型遮陽(yáng)設(shè)施的材料及形狀使得遮陽(yáng)構(gòu)件可以根據(jù)每日太陽(yáng)高度角的變化完成反射或投射（圖16）；新型變截面固定百葉可以針對(duì)同季節(jié)的陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)同程度的遮陽(yáng)透光，但又遮擋視線(xiàn)（圖17）；具有多種調(diào)節(jié)功能的外掛式遮陽(yáng)構(gòu)件具有阻擋南側(cè)強(qiáng)烈的陽(yáng)光將北側(cè)的均勻漫射光反射入室以及導(dǎo)風(fēng)入室的功能（圖18）；同方式的外遮陽(yáng)為建筑的立面增添了無(wú)盡的變化可能（圖19，20） 從述分析可以看出，當(dāng)換個(gè)視點(diǎn)審視建筑立面設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)極其寬廣的研究空間，正確地運(yùn)用生態(tài)設(shè)計(jì)策略，可以創(chuàng)造出既具有生態(tài)效益又具有鮮明個(gè)性的建筑而這正是生態(tài)建筑生態(tài)工程的根本區(qū)別所在