建筑表皮生態(tài)設(shè)計策略研究

摘要：本文以建筑表皮為切入點(diǎn)，著重論述了表皮生態(tài)設(shè)計策略：自然通風(fēng)：自然采光；保溫隔熱；低能耗：集成立面：新技術(shù)應(yīng)用：積極適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?。通過理論和案例相結(jié)合方式，充分展現(xiàn)了當(dāng)代建筑表皮生態(tài)設(shè)計理念及應(yīng)用，以及生態(tài)建筑表皮主要特征和發(fā)展趨勢，以期為建筑同行提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑表皮；生態(tài)設(shè)計；生態(tài)策略

中圖分類號：TU-023

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0422(2009)05-0101-03

1 建筑表皮生態(tài)設(shè)計的必要性

自建筑產(chǎn)生以來。表皮就是建筑設(shè)計中不可避免的基本問題之一。建筑表皮從視覺特征看無疑比建筑的其它組成部分更能引起人們的關(guān)注，是建筑及其設(shè)計者的“名片”。

1.1 建筑表皮概念和內(nèi)涵

建筑表皮(Building Skin)是一個借用來的詞匯，是想將建筑與生物作一個類比，外圍護(hù)是皮，結(jié)構(gòu)是骨，空間是靈魂。現(xiàn)今建筑發(fā)展的過程中，一些建筑師提出建筑的圍護(hù)體系應(yīng)該像動物的皮膚一樣起到保護(hù)、調(diào)解室內(nèi)溫度、排出室內(nèi)污濁空氣，適應(yīng)于外界環(huán)境改變的作用，成為一種可以“呼吸的皮膚”，人們用皮膚的功能來形象地描述了建筑表皮在當(dāng)代社會中功能的發(fā)展。

在建筑表皮中，可以反映出特定時期的氣候特征、地域文化、生活方式、建筑美學(xué)及科學(xué)技術(shù)等。城市中不同建筑表皮的組合，形成了城市風(fēng)貌的建筑特征，蘊(yùn)涵了人類文明的豐厚遺產(chǎn)。

1.2 建筑表皮生態(tài)設(shè)計理念

生態(tài)建筑使得室內(nèi)氣候環(huán)境非常有益于使用者的健康，提高了居住環(huán)境的舒適性。并且可以減少二氧化碳的排放量，改善全球氣候變暖問題。更重要的是按照生態(tài)建筑的全壽命周期來計算，它遠(yuǎn)比普通建筑節(jié)能。這不僅有利于使用者，對于政府同樣如此。隨著全球能源價格上漲和能源短缺，生態(tài)建筑必將成為一種趨勢和必然。

建筑表皮生態(tài)設(shè)計策略密切體現(xiàn)著建筑的生態(tài)整合：保溫、隔熱、遮陽、自然通風(fēng)、自然采光、低能耗等。表皮設(shè)計從功能出發(fā)，表現(xiàn)出表皮形式隨從生態(tài)功能，從生態(tài)節(jié)能，太陽能利用，人的舒適度等功能角度出發(fā)，使建筑表皮設(shè)計因生態(tài)功能而精彩，只有注重生態(tài)理念，建筑表皮才會具有本體意義。

國內(nèi)建筑師對“高技”表皮的研究和探索體現(xiàn)在他們設(shè)計或參與設(shè)計的形制新穎、功能科學(xué)的表皮較為普遍地出現(xiàn)在各式建筑之中，如生態(tài)表皮、凝聚地方人文特色的建筑表皮以及媒體表皮等被普遍應(yīng)用。這其中最具代表性的是北京2008年奧運(yùn)場館的表皮設(shè)計，給人以耳目一新的震撼和啟迪。

2 建筑表皮設(shè)計的生態(tài)策略

建筑通過門、窗、墻、屋頂、地板與外部接觸，使室內(nèi)形成溫暖、舒適的環(huán)境，同時也形成一個室內(nèi)外交流的界面，包含了熱、氣、光的交流，包括：視線聯(lián)系、引進(jìn)自然光、自然通風(fēng)、保溫隔熱、遮陽、適宜的表面溫度、避免眩光，建筑外表皮某種情況下可視為多功能載體。

2.1 自然采光(NaturaI Lighting)

自然光不僅能減少電能消耗，同時作為一種自然資源，具有人工照明無法比擬的重復(fù)利用性。一個良好的設(shè)計和一體化計劃能節(jié)約能源，這不僅是由于它減少了系統(tǒng)內(nèi)電力照明設(shè)備的負(fù)荷，還減少了冷卻設(shè)備的負(fù)擔(dān)，并且降低了系統(tǒng)內(nèi)部衍生的熱量。

建筑的有機(jī)形體和玻璃外墻使得自然光能從建筑頂部、立面穿透進(jìn)來。自然光總是在不斷地變化，使建筑富有特性。光是一種語言，向我們述說建筑師的設(shè)計理念和藝術(shù)追求；是設(shè)計工具和建筑材料，建筑師可以用它編繪理想，展示才華。還有人說：“光是建筑的第四維空間”，建筑三維創(chuàng)作之外的另一個廣闊的天地。

弗雷尤斯地方中等職業(yè)學(xué)?！錆M陽光的建筑。為了最大限度取得良好的朝向和海濱觀景，把學(xué)校一字排開，沿東西向軸線設(shè)置一條長長的室內(nèi)走廊，形成一條帶有吹拔和天窗的“街道”，向陽一側(cè)設(shè)計了一組精美的銀色遮陽板，將夏天的炎熱擋在室外。陽光透過縫隙投下點(diǎn)點(diǎn)光斑，周遍的綠化也考慮得十分細(xì)致，高大的落葉闊喬木在夏季可以起遮陽的作用，同時又不會阻隔冬天溫暖的陽光，且選用的樹種與建筑屋頂?shù)男螤钕嗪魬?yīng)，讓人領(lǐng)略到現(xiàn)代建筑也可以和優(yōu)美的自然環(huán)境相融合。

2.2 自然通風(fēng)(Natural Ventilation)

利用自然風(fēng)壓、空氣溫差、密度差等對建筑室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)的方式。由于空氣溫度的差異導(dǎo)致空氣的密度產(chǎn)生差異，在地球重力的作用下，高溫空氣向上運(yùn)動，低溫空氣向下運(yùn)動。近年來，對建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計已不僅僅停留在高層辦公樓可開啟窗戶上，更運(yùn)用了最前沿的科技與工藝，設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)微。

以福斯特的代表作品法蘭克福商業(yè)銀行總部為例，利用了“煙囪效應(yīng)”的原理，設(shè)計的環(huán)三角平面呈螺旋上升的空中花園，每升高4層，為建筑內(nèi)部每一辦公角落都帶來新鮮的空氣和綠色植物；柏林國會大廈的自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計得更為巧妙，進(jìn)風(fēng)口設(shè)在西門廊的檐部，新鮮空氣進(jìn)來后經(jīng)大廳地板下的風(fēng)道和座位下的風(fēng)口，低速而均勻的散發(fā)到各個角落，然后再從彎頂內(nèi)到錐體的中空部分排出室外。大廈的側(cè)窗均為兩層窗，外層為防壓玻璃，內(nèi)層為隔熱玻璃，兩層之間為遮陽裝置。側(cè)窗的通風(fēng)既能自動調(diào)節(jié)又可人工控制，使建筑的大部分房間都能進(jìn)行自然通風(fēng)與換氣。

2.3 保溫防熱(Thermal Insulation)

建筑通過外表面獲得太陽熱能，也失去內(nèi)部的熱能。外表面是內(nèi)外空間的過度界面，具有阻隔熱量流動的緩沖作用。在冬季建筑希望獲得充足的陽光，而在夏季則需要阻擋直接的太陽輻射。因此表皮要起到節(jié)能和調(diào)節(jié)舒適的作用，也就是保溫與防熱的功能。

防熱的基本原則：減輕太陽的直接輻射與間接輻射，強(qiáng)化自然通風(fēng)。建筑防熱是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)當(dāng)將朝向選擇、外圍護(hù)構(gòu)造與材料、通風(fēng)措施、熱能轉(zhuǎn)化等系統(tǒng)考慮；保溫的基本原則：充分利用太陽能：防止冷風(fēng)的不利影響：選擇合理的建筑體形與平面形式。

在建筑的外立面設(shè)計中，玻璃的運(yùn)用十分普遍。而門窗的絕熱性能最差，約占建筑部件總能耗的40％～50％，是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節(jié)能的主要因素之一。改善外窗的保溫隔熱性能主要依靠提高窗的熱阻，比如采用雙層或多層玻璃、中空玻璃等。但冬季需要考慮的是減少熱量的損失，更多地獲得陽光，而夏季正好相反，需要避免陽光直射。良好的視野需要透明的外墻，而過多的玻璃外墻對于保溫、阻熱不利。尤其針對不同氣候條件，設(shè)計策略往往不同，甚至相反。

運(yùn)用設(shè)計手段是最基本的，也是設(shè)計師最需考慮的辦法：與立面整體結(jié)合考慮的遮陽處理，包括挑沿、遮陽膜、百葉等。Helmut.Jahn/W.Sobek/M.Schuler設(shè)計的德國法蘭克福MAX大廈，采用雙層幕墻與不銹鋼百葉系統(tǒng)，可以阻擋62％的太陽輻射，透光率達(dá)75％，能夠減少50％的能量損失。并且可以在60層頂部安全地開啟窗扇，對光、風(fēng)、雨、聲等起到調(diào)節(jié)作用。

Thomas Herzog+Partner設(shè)計的德國博覽會公司辦公大樓，通過開發(fā)雙層立面系統(tǒng)，解決了自然通風(fēng)、采光、空調(diào)節(jié)能和結(jié)構(gòu)對使用空間的影響問題。設(shè)計手法包括：外立面玻璃幕墻對高層高速氣流的屏蔽；內(nèi)側(cè)推拉窗與百葉組合，形成冷熱氣流的緩沖，并能夠吸收新鮮空氣；結(jié)構(gòu)柱設(shè)在緩；中層內(nèi)，各種配套設(shè)施集中在豎向管線中，使得室內(nèi)空間利用效率增大。

2.4 低能耗和提高能源效率

建筑采暖、制冷耗能巨大，不可再生能源不僅儲量有限，而且在使用過程中會產(chǎn)生大量有害氣體，導(dǎo)致空氣污染、土壤酸化、溫室效應(yīng)。因此，實(shí)現(xiàn)建筑低能耗的措施許多設(shè)計作品中均有表現(xiàn)：①法蘭克福商業(yè)銀行總部的建筑監(jiān)控系統(tǒng)可操縱內(nèi)層立面墻板及幕墻窗的開啟，通過傳感器使未使用空間的系統(tǒng)關(guān)閉，控制花園立面板墻、溫度變化幅度和通風(fēng)。②柏林議會大廈利用植物油此類的再生能源，并將兩個地下湖作為冷熱交換器儲存能量，使夏天的熱能儲存在深層以便冬天使用，把冬天的冷量儲存在淺層便于夏天使用，形成了可循環(huán)的生態(tài)平衡。③倫敦市政廳的節(jié)能設(shè)計最為巧妙：由于靠近泰晤士河，地下水位較高，整座建筑的制冷系統(tǒng)便采用地下冷水系統(tǒng)，通過積水池收集地下滲水供建筑使用，而不需要附加的冷源熱源。利用這些措施通算下來平方米耗能僅占普通辦公樓的1/4。

能源利用的核心是提高能源效率。建筑物的能源輸入主要靠市政公用系統(tǒng)提供。這需要大量的設(shè)備投入，預(yù)留管線接口，建設(shè)配套用房。人類的能源使用是單向的，純消費(fèi)型的。應(yīng)當(dāng)從能源的供應(yīng)而不是需求這方面，來考慮全球的能源使用問題，通過更好的設(shè)計來改善建筑的能源消費(fèi)性能。

建筑對再生能源的利用可以通過幾個渠道，一是太陽能和風(fēng)能：另一部分是地?zé)崮堋Ｌ柲苁峭ㄟ^建筑表皮作為介質(zhì)。

在高層建筑中“智能”光電幕墻集發(fā)電、隔音、隔熱裝飾功能為一體，采用光電池、光電板技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)換為人們利用的電能，無廢氣，無噪音，不污染環(huán)境。光電幕墻的光電效應(yīng)是利用太陽能使被照射的電解液或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電壓。1平方米的單晶硅太陽能光電池模板每年可發(fā)電100千瓦，可省油25升或節(jié)煤30公斤，同時少排放57公斤二氧化碳、71克二氧化硫等，環(huán)保效果顯著。

2.5 集成立面(Cintegrated Facade)

集成立面設(shè)計是將立面中具有的各種功能元素互相分離再重新組合，而不同于傳統(tǒng)建筑中外表皮的復(fù)合功能(窗具有采光與通風(fēng)功能)。

德國建筑工業(yè)養(yǎng)老基金會辦公樓，通過對與基地相關(guān)的規(guī)劃法規(guī)進(jìn)行全面深入的分析，建筑師采用了一種通過群房連接四棟獨(dú)立辦公樓的綜合體式的布局方式，容納了該開發(fā)項(xiàng)目所要求的巨大的空間體量。12m的進(jìn)深，以1.5m為基本模數(shù)單位的立面處理使建筑物內(nèi)部可以形成單獨(dú)的、團(tuán)體的、聯(lián)合的和開放式的布局辦公空間。

集成立面的概念實(shí)際上是把上述外表皮的多種功能進(jìn)行綜合優(yōu)化處理，使得建筑的外立面成為如同生物的皮膚一樣，具有與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換功能的生態(tài)型“器官”。

2.6 建筑表皮的“呼吸作用”(Buflding SkinRespiration)

建筑在某些情況下會采用全封閉的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，抵御強(qiáng)風(fēng)襲擾這樣的惡劣氣候，但是這樣會造成室內(nèi)空氣的滯留，引起各種疾病?！昂粑健彪p層幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生?！昂粑健彪p層幕墻是在傳統(tǒng)幕墻外增加一層玻璃幕墻，通過適時調(diào)節(jié)幕墻設(shè)備開關(guān)使雙層幕墻中間進(jìn)入或溢出空氣，比傳統(tǒng)幕墻節(jié)能可達(dá)30％以上，采用不打膠工藝，沒有硅酮膠的二次污染。

建筑“表皮呼吸”采用人為控制下的水平對流方式。Helmut Jahn/W.Sobek/M.Schuler設(shè)計的英國倫敦BISHOPSGATE大廈，在架空地板下設(shè)置風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)裝置，通過表面帷幕的開口端引入新風(fēng)，使得新鮮空氣自地板開孔處向上輸送。這樣外部的不穩(wěn)定氣流不會影響到內(nèi)部空間，同時也保證了新鮮空氣的補(bǔ)充。

2.7 積極適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?Active Adapta-tion to The Local Climate)

使建筑積極適應(yīng)氣候，減少對當(dāng)?shù)啬茉吹囊蕾囈彩潜夭豢缮俚脑O(shè)計環(huán)節(jié)。在法國電力公司辦公樓的設(shè)計中，為了適應(yīng)當(dāng)?shù)販嘏瘹夂颍ㄖ?nèi)部使用外露混凝土，有助于在夏季日問吸收大量熱量，晚上東西立面上窗戶會自動打開，讓空氣進(jìn)入使混凝土樓板冷卻。英國威爾士國家植物園，溫室是一個鑲嵌在自然風(fēng)景中的橢圓形育頂，伸縮式的遮陽棚防止夏日暴曬，北面實(shí)墻抵御冬季嚴(yán)寒，并盡可能使用當(dāng)?shù)夭牧?，具有最少結(jié)構(gòu)以減少維護(hù)費(fèi)用的同時能吸收最多的光線。

3 結(jié)語

建筑的表皮是構(gòu)成建筑的重要組成部分之一。它對內(nèi)圍合成建筑的空間，同時又是城市環(huán)境空間的界面載體。建筑表皮不斷適應(yīng)生產(chǎn)生活活動的需要發(fā)生著功能與樣式的變革，逐漸由厚變薄，由封閉走向通透，其功能也從簡單的防護(hù)功能轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募嘀毓δ苡谝簧?，像媒體表皮、生態(tài)表皮等。

建筑表皮生態(tài)設(shè)計，其中各種生態(tài)策略并非孤立的手法，而是綜合運(yùn)用于建筑設(shè)計中，運(yùn)用新的設(shè)計手法和建筑材料、簡單高效的維護(hù)結(jié)構(gòu)和暖通系統(tǒng)，從另一個側(cè)面創(chuàng)造全新的建筑形態(tài)。使生態(tài)建筑逐步向著更合理、有機(jī)的方向發(fā)展，營造出建筑特有的詩意與人文色彩。

本文從表皮生態(tài)設(shè)計策略出發(fā)，對建筑的生態(tài)整合做了歸納總結(jié)，期望將可持續(xù)發(fā)展的理念融入到設(shè)計中，從生態(tài)的角度把美學(xué)、技術(shù)融入到建筑中。

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