從自然采光談建筑改造中節(jié)能與藝術(shù)的結(jié)合——以某國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建筑改造為例

田海鵬，胡偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221000)

1 既有建筑改造的必要性

西方很多發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)已經(jīng)看到建筑改造的重要性?！?0世紀(jì)80年代至90年代——事實(shí)上，可說(shuō)從60年代起——古舊建筑已成為建筑業(yè)的主要問(wèn)題。最近的一項(xiàng)調(diào)查表明美國(guó)建筑界70%以上的工程與古舊建筑的再利用有關(guān)。［1］”

然而，在國(guó)內(nèi)，由于城市的快速更新與發(fā)展，對(duì)于建筑本身的反復(fù)摧毀與建造，產(chǎn)生的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染已經(jīng)形成了惡性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑平均使用周期不到30年，而美國(guó)約為80年，歐洲建筑的平均使用周期則超過(guò)80年，有些甚至超過(guò)了100年。有關(guān)資料顯示，目前我國(guó)每年老舊建筑拆除率占新建建筑面積的40%左右，中國(guó)每建成1 m2的房屋，約釋放出0.8 t碳。由此可見(jiàn)，必要的改造比大量的新建可減少投資、節(jié)約造價(jià)、縮短工期，有利于環(huán)境的改善，建筑垃圾的減少以及對(duì)于低碳事業(yè)的響應(yīng)。

2 自然采光設(shè)計(jì)的重要性

自然采光，是將室外光線引入建筑內(nèi)部，將其按一定的設(shè)計(jì)手段進(jìn)行分配。而利用自然光，并不僅僅體現(xiàn)在簡(jiǎn)單的照明上，它充分表達(dá)出各種環(huán)境、美學(xué)和人的因素。當(dāng)然，作為被動(dòng)式設(shè)計(jì)中的一種，自然采光在節(jié)能減排上也同樣發(fā)揮了巨大的作用?？梢哉f(shuō)，自然采光是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)的一件重要工具，與當(dāng)今的低碳生活不謀而合。

2.1 自然采光的節(jié)能性

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，自然采光在建筑設(shè)計(jì)中廣泛運(yùn)用。很多的民用建筑，包括對(duì)于建筑體量的控制、采光井的安排以及庭院的布置等都是為了獲取自然光線，創(chuàng)造優(yōu)美的自然環(huán)境。如我國(guó)古代的天井，建筑挑檐下的空間以及四面維合的庭院都是對(duì)于自然光的有效利用。然而隨著電氣時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于封閉型建筑和人工照明的過(guò)度依賴(lài)使得自然采光的需求明顯降低。但是，面對(duì)全球的環(huán)境問(wèn)題，自然資源的逐漸短缺，對(duì)于健康生活的關(guān)注等等，人們?cè)噲D親近自然、降低能耗、減少污染的要求逐漸迫切，建筑的自然采光再一次受到重視。

自然采光屬于建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)。合理的利用自然采光以減少照明用電的同時(shí)也相應(yīng)的增加了建筑的熱吸收，從而在避開(kāi)電耗高峰階段的同時(shí)節(jié)省了大量的電能。資料顯示，“照明用電占整個(gè)商業(yè)建筑能耗的25%～40%，而自然采光可在特定的情況下可以節(jié)省52%的照明用電。［2］”由此可見(jiàn)，合理的利用自然光對(duì)于建筑節(jié)能起到了重要的作用。

2.2 自然采光的藝術(shù)性

與其他建筑現(xiàn)象相比，自然光具有場(chǎng)地的特定性。這種特定性是自然光的流動(dòng)帶給建筑的本身，也是建筑本身的形式對(duì)于光線造成的影響。正如約翰·蒂爾曼·利萊所說(shuō):“自然光跟隨建筑形式而流動(dòng)，建筑形式跟隨自然光而改變。［3］”

而涉及光線對(duì)于建筑的作用，我們不得不想到路易斯·康。他認(rèn)為:“只有有自然光的空間才是真正的建筑空間，［4］”建筑與自然光是密不可分的整體。成功的自然光設(shè)計(jì)是如何將光線合理的引入室內(nèi)，無(wú)論是側(cè)面還是頂部。這種藝術(shù)性在使用者身上則體現(xiàn)在空間給人的各種感受。如哪種光照適合安靜的交流、大聲的討論、一個(gè)人的學(xué)習(xí)、集體的聚會(huì)等等，光線與之可能產(chǎn)生的陰影對(duì)于人們情緒的影響在任何時(shí)候都是不可忽視的，“在很大程度上，人們見(jiàn)面的方式會(huì)受到環(huán)境的支持或者阻礙。［5］”

雖然很多的建筑物都將自然光引入到室內(nèi)，但是實(shí)際上并沒(méi)有幾座建筑這樣做的目的是出自照明。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)在自然光透過(guò)窗戶(hù)射入室內(nèi)的同時(shí)，人工照明并沒(méi)有因此而減少或是調(diào)暗。這里不僅是人們節(jié)能意識(shí)的缺失，建筑物的大進(jìn)深、不合適的窗戶(hù)面積，對(duì)于光線控制手段的缺乏以及沒(méi)有合理的計(jì)算有效光線等原因直接影響了建筑的使用。

由此可見(jiàn)，看似簡(jiǎn)單的引入光線，卻需要精心的規(guī)劃，綜合各種因素。好的自然光能夠使人的心情變得愉快，從而提高工作效率，也只有滿足了人們的生理和心理需要，自然光才能將節(jié)能與藝術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起。

3 某國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室改造設(shè)計(jì)中的探索與實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，位于徐州解放南路礦大文昌校區(qū)，占地1 900 m2，建筑面積4 021 m2，框架結(jié)構(gòu)，共兩層。原建筑所面臨的主要問(wèn)題是:①平面布局不合理，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)室的功能需求;②無(wú)自然采光通風(fēng)，原建筑全天依靠人工照明和機(jī)械通風(fēng)，耗能巨大;③墻體外飾剝落滲水，也無(wú)外保溫措施，不利節(jié)能降耗;④主入口水平與立體交通并行，人流交叉嚴(yán)重。通過(guò)一系列的改造措施，彌補(bǔ)了舊建筑的種種缺陷，滿足了現(xiàn)在使用者的科研教學(xué)需求。這里筆者主要針對(duì)其中的自然采光設(shè)計(jì)，研究建筑改造中如何把握節(jié)能與藝術(shù)相結(jié)合的策略和方法。

3.2 原有建筑自然采光分析

原有建筑為34 m×64 m×12 m的建筑體塊，由于內(nèi)部沒(méi)有采光井，僅靠四周的側(cè)窗采光。因此，內(nèi)部走廊陰暗憋睹，幾乎沒(méi)有自然光線射入。經(jīng)Ecotect軟件模擬測(cè)試，二層空間改造前平均日光照度為802.8 Lux，采光系數(shù)平均值為16.06%，最低處照度為20.58 Lux，采光系數(shù)為0.41%。按照我國(guó)2001年發(fā)布的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，校園建筑室內(nèi)天然光臨界照度值為100 Lux，最小自然采光系數(shù)為2%。由此可見(jiàn)，原有建筑在光線分布上存在很大的問(wèn)題。

3.3 改造中的自然采光設(shè)計(jì)

好的自然采光設(shè)計(jì)要合理利用場(chǎng)地信息，全面考慮光線、熱舒適度、私密性、噪聲、視覺(jué)、使用功能等等，也就是綜合考慮環(huán)境、建筑與人三者之間的關(guān)系。

針對(duì)原建筑存在的問(wèn)題，在改造中進(jìn)行了大量的模擬與推敲，理論與實(shí)踐的結(jié)合。筆者針對(duì)本例分析認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面總結(jié)思路和方法。

3.3.1 自然光的合理引入

在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的采光設(shè)計(jì)中，主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)集中在巨大的樓板面積、相應(yīng)較大的樓板厚度以及兩層的結(jié)構(gòu)形式上。尤其是底層的空間，由于周?chē)际欠忾]的盒子，中心部分極其昏暗，因此，通過(guò)創(chuàng)造出一個(gè)明亮寬敞的中庭將整個(gè)建筑內(nèi)部串聯(lián)起來(lái)。將原有的“口”字形周邊采光方式，變成“井”字形采光，打造出一個(gè)親近自然的中庭空間。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試，自然采光量明顯提升，室內(nèi)平均日光照度值提高為1 248.09 Lux，采光系數(shù)平均值為22.48%。二層空間投下的光線創(chuàng)造出視覺(jué)上的趣味性、戲劇性，而周?chē)牟ＡЦ魯嘁矠楣饩€的射入埋下伏筆。大面積自然光的射入使得走廊內(nèi)部和周邊室內(nèi)空間無(wú)需使用人工照明也能很好的滿足使用要求，從而大大降低了室內(nèi)照明的耗電量(圖1)。

3.3.2 自然光決定空間的使用功能

空間的使用功能來(lái)自于對(duì)生理、心理、文化和精神的考慮。不同的功能形成了不同的使用空間，不同的使用空間具有不同的使用要求，于是，光線在這里就像是一條線索，將不同的空間串聯(lián)起來(lái)。

在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的改造過(guò)程中，中庭的引入使空間重新排序，依照從中心到四周光線逐漸的減弱，相應(yīng)的空間也逐漸完成由公共——半公共——半私密——私密的轉(zhuǎn)換。隨著私密性的加強(qiáng)與之相對(duì)應(yīng)的使用空間則可以劃分為交通空間——交談空間——討論空間——工作空間(圖2)。因此，在空間的組織上，圍繞天井設(shè)計(jì)了公共走廊，人們可以依靠著中庭四周的欄桿享受自然光或者進(jìn)行交談。走廊的四周是會(huì)議室和報(bào)告廳，落地安全玻璃的使用將自然光最大化的引入，保證了在開(kāi)會(huì)討論或者做報(bào)告時(shí)不利用人工照明也能滿足使用要求。公共空間的光線影響了人們的情緒，并促進(jìn)了使用者在特定環(huán)境下更容易投入注意力的行為。在會(huì)議室和報(bào)告廳之后，私密性進(jìn)一步加強(qiáng)，于是，實(shí)體墻，實(shí)木門(mén)則打造了獨(dú)立、安靜的辦公空間，使用者在封閉的空間內(nèi)部不再受外界的打擾，更好的投身于自身的工作之中。

圖1 改造后的中庭效果

圖2 加入中庭根據(jù)光線強(qiáng)弱進(jìn)行空間的劃分

通過(guò)分析我們可以看到，自然光的引入與建筑和周?chē)h(huán)境形成了一個(gè)特定的場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)與使用者之間產(chǎn)生聯(lián)系，不同用途的空間也就相應(yīng)的產(chǎn)生。從某種角度來(lái)看，自然光和使用空間具有唯一性。因此，如果沒(méi)有合理的分析，全面的把握，將光線、建筑、人有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，即使將光線引入建筑內(nèi)部，也不能很好的發(fā)揮其作用。

3.3.3 將藝術(shù)融入自然光

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，自然光是一條通向重新考慮被動(dòng)式設(shè)計(jì)的生態(tài)和美學(xué)潛力的道路?？上У氖牵鞍ǘ栊?、缺乏興趣、對(duì)被動(dòng)式設(shè)計(jì)的有效性缺乏理解，甚至這些年來(lái)對(duì)自然光美學(xué)的蔑視［6］”，使我們?cè)诿鎸?duì)自然光時(shí)，更多的是出于對(duì)功能的單一考慮，而忽略了自然光的藝術(shù)性。

在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的改造中，通過(guò)中庭引入了光線，借鑒中國(guó)古代天井的設(shè)計(jì)手法，在一層空間融入了一個(gè)室內(nèi)庭院。均勻的鋪上深色的砂石，架設(shè)防腐木棧道，在角落植入翠竹軟化環(huán)境使整個(gè)內(nèi)庭顯得清新而穩(wěn)重，干凈而典雅。既符合了公共空間的使用要求，又淡淡的融入一絲中國(guó)傳統(tǒng)文化的氣息。為了增加整個(gè)中庭的戲劇性和偶然性，在中庭不大的面積中大膽的融入了鋼構(gòu)樓梯，將四周的墻壁刷白，以更好的記錄陽(yáng)光在建筑中留下的表情(圖3)。

總之，一切都是圍繞光線在布置空間，選擇不同的物體，材料，然后讓它們?cè)谕粋€(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)生聯(lián)系，引起使用者共鳴的聯(lián)系就是建筑的藝術(shù)表現(xiàn)。這就像亞歷山德拉·蒂恩在《路易斯·康的建筑哲學(xué)中》所論述的那樣:“……光線所具有的賦予建筑生命的能力依賴(lài)于其自身的生命力、易變性［7］?！睆墓饩€的時(shí)間性出發(fā)，筆者認(rèn)為雖然有很多自然光的設(shè)計(jì)手法可以借鑒和利用，但是似乎在表現(xiàn)力方面頂光是不可或缺的。我們從前面分析的很多案例中可以隱約的感受到，無(wú)論是門(mén)廊，內(nèi)庭、天窗，頂光成為了一種關(guān)乎美學(xué)、經(jīng)驗(yàn)以及節(jié)能因素全面統(tǒng)籌的設(shè)計(jì)手段。

圖3 具有傳統(tǒng)文化氣息的中庭空間

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)目前正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整和城市化快速發(fā)展階段，既有建筑的改造與利用是解決我國(guó)目前在能源與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題上的一種合理有效的方法。而被動(dòng)式的自然采光設(shè)計(jì)將會(huì)是一項(xiàng)重要的節(jié)能手段。它是在適應(yīng)自然環(huán)境的同時(shí)利用自然環(huán)境，其本質(zhì)還是對(duì)于建筑自身的思考，因此對(duì)建筑師提出了較高的要求。值得欣慰的是，很多的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)告訴我們自然光具有無(wú)窮的魅力，如何更好的發(fā)揮其作用和表現(xiàn)力，是我們需要用心體會(huì)和研究的關(guān)鍵所在。

本文僅是針對(duì)在節(jié)能和藝術(shù)兩者結(jié)合上進(jìn)行了研究和分析，希望能夠?yàn)橥苿?dòng)節(jié)能減排的工作盡一點(diǎn)微薄之力。而對(duì)于建筑師自身需要知道，自然光的強(qiáng)大遠(yuǎn)不止這些，如生理與心理的健康、生活質(zhì)量、采暖和制冷以及如何設(shè)計(jì)窗口等都有很多值得我們細(xì)細(xì)琢磨的地方。希望我們不斷的從自然光中汲取靈感和智慧，更好的推動(dòng)其使用與發(fā)展，這也是為我們的低碳事業(yè)的早日實(shí)現(xiàn)做出自己的一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

［1］肯尼思·鮑威爾．舊建筑改建和重建［M］．于馨，楊智敏，司洋，譯．大連理工大學(xué)出版社，2001:10

［2］于慧利，王東升．建筑節(jié)能［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008:115

［3］John Tillman Lyle．Regenerative Design for Sustainable Development［M］．New York:John Willey＆Sons，1994:43

［4］［美］戴維·B·布朗寧，戴維·G·德龍，路易斯·I·康．在建筑的王國(guó)中［M］．馬琴，譯．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:205

［5］Christopher Day．Places of the Soul［M］．Northamptonshire，England:Thorsons Publishing Group，1990:56

［6］［美］瑪麗·古佐夫斯基．可持續(xù)建筑的自然光運(yùn)用［M］．汪芳，李天驕，謝亮蓉，譯．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:74

［7］Alexandra Tyng．Beginnings:Louis I．Kahn's Philosophy of Architecture［M］．New York:John Willey＆Sons，1984:130－131