應(yīng)對(duì)光熱環(huán)境的建筑立面形態(tài)

■ 楊 辛 Yang Xin

0 引言

隨著綠色、生態(tài)等建筑設(shè)計(jì)理念的深入，許多建筑作品都對(duì)氣候做出積極應(yīng)對(duì)，尤其是光環(huán)境和熱環(huán)境等與使用者息息相關(guān)的方面。眾所周知，室內(nèi)自然光環(huán)境的良好與否直接影響建筑空間使用者的視覺(jué)感受，也影響室內(nèi)人工照明的布置、使用以及能耗。室內(nèi)良好的自然光環(huán)境不僅可以有效降低照明能耗，還能調(diào)節(jié)空間使用者的情緒，從而提高視覺(jué)舒適性和工作效率。熱環(huán)境是溫度、濕度、氣壓以及通風(fēng)狀況等因素的綜合體現(xiàn)，熱環(huán)境對(duì)舒適度具有重大的影響，不僅決定空間使用者身體熱量消耗，也左右工作效率的高低。良好的熱環(huán)境不僅可以降低采暖或致涼的能耗，也能使人體處于合理的熱量得失狀態(tài)，從而獲得較高的熱舒適性。而從建筑被動(dòng)式利用能源看，建筑的得熱與采光具有同步相關(guān)性，因此，在探討建筑的氣候應(yīng)對(duì)時(shí)，應(yīng)充分考慮光、熱環(huán)境的各自主導(dǎo)影響和綜合作用。

1 建筑立面作用

立面是除屋頂之外的外圍護(hù)部分，是建筑藝術(shù)外在的主要呈現(xiàn)者，立面?zhèn)鬟_(dá)建筑設(shè)計(jì)者賦予建筑的表情。同時(shí)，立面處于建筑內(nèi)部空間與外部環(huán)境之間，傳遞建筑應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的信息。建筑與人類(lèi)身體一樣都要面對(duì)變化的多種多樣的光熱環(huán)境，而且當(dāng)面對(duì)惡劣氣候（嚴(yán)寒或酷暑）時(shí)都要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。建筑一般無(wú)法隨季節(jié)完全更換立面，需面臨不利氣候條件下室內(nèi)空間保持舒適度的問(wèn)題。

根據(jù)與建筑主體結(jié)構(gòu)關(guān)系和在立面上占比，建筑立面的形態(tài)設(shè)計(jì)元素可分為開(kāi)口元素、構(gòu)件元素以及表皮元素。根據(jù)所處環(huán)境和面臨的主要光熱狀態(tài)，建筑師通過(guò)開(kāi)口、構(gòu)件、表皮及其組合形成立面，以調(diào)節(jié)室外的光熱對(duì)室內(nèi)空間的影響，來(lái)滿(mǎn)足建筑內(nèi)部空間的使用需求和使用者的舒適度，從而產(chǎn)生了豐富多樣的建筑立面。

2 開(kāi)口形態(tài)

開(kāi)口是指建筑開(kāi)向外部環(huán)境的形態(tài)總稱(chēng)，在立面上主要形式有門(mén)、外窗、陽(yáng)臺(tái)及外廊等。這里的開(kāi)口既指建筑內(nèi)外空間的分界處的可開(kāi)啟部分（如門(mén)、外窗），也指處于內(nèi)外之間的過(guò)渡空間（陽(yáng)臺(tái)、外廊）。開(kāi)口是建筑內(nèi)部空間到外部空間能量進(jìn)出的通道，是光熱因素影響的必經(jīng)之路。根據(jù)在立面上的延伸狀況，開(kāi)口形態(tài)可分為片段式開(kāi)口和連續(xù)式開(kāi)口。立面上的開(kāi)口也可看做建筑的眼，都說(shuō)“眼睛是心靈的窗戶(hù)”，通過(guò)立面開(kāi)口的分析亦可稍窺建筑的“心靈”。

2.1 片段式開(kāi)口

片段式開(kāi)口，顧名思義，是在立面上呈片式、呈段式的開(kāi)口類(lèi)型，常見(jiàn)的片段式開(kāi)口有內(nèi)凹門(mén)窗洞、凹陽(yáng)臺(tái)等。在具體的建筑設(shè)計(jì)中，片段式開(kāi)口具有較大的自由度，千變?nèi)f化。根據(jù)建筑內(nèi)部不同功能空間，在立面上產(chǎn)生變化的開(kāi)口，大小不一，深淺各異。反過(guò)來(lái)，通過(guò)片段式開(kāi)口的變化，也可以推測(cè)內(nèi)部空間的轉(zhuǎn)換。由于室外光線(xiàn)通過(guò)開(kāi)口到達(dá)室內(nèi)，因此，通過(guò)片斷式開(kāi)口的設(shè)計(jì)，可為室內(nèi)營(yíng)造不同氛圍，符合使用要求。如現(xiàn)代主義建筑大師柯布在朗香教堂的立面采用了外小內(nèi)大棱臺(tái)式開(kāi)口方式，使進(jìn)入室內(nèi)的光線(xiàn)產(chǎn)生擴(kuò)射的效果，制造了某種神圣效果，升華了教堂的氣氛。

斯洛文尼亞的Pilon 住宅，位于廢舊的采石場(chǎng)旁邊（圖1），面臨保留遺產(chǎn)文化和形成地區(qū)新標(biāo)志的問(wèn)題。建筑師根據(jù)基地現(xiàn)狀，將140套公寓分成兩幢建筑。立面上陽(yáng)臺(tái)內(nèi)凹開(kāi)口，陽(yáng)臺(tái)兩邊的墻面和欄桿都涂成明亮的黃色，陽(yáng)臺(tái)緊鄰儲(chǔ)藏室，外墻面為黑色鋼絲網(wǎng)水泥板，這樣在水平上形成虛實(shí)相間的變化，相鄰層之間，陽(yáng)臺(tái)和儲(chǔ)藏室的位置相互錯(cuò)落布置，表現(xiàn)出動(dòng)感。立面上，黑色與黃色相間，虛開(kāi)口與實(shí)墻體相錯(cuò)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的視覺(jué)效果，達(dá)到了新標(biāo)志的要求。

圖1 Pilon 住宅的凹陽(yáng)臺(tái)

日本東京的Sugamo Shinkin 銀行，底層為自動(dòng)存取款機(jī)、出納柜臺(tái)、院子和一個(gè)開(kāi)放空間，二層包括貸款功能區(qū)、接待室、辦公室和院子，而三層主要為工作人員的空間。建筑師以樹(shù)為母題，出現(xiàn)于立面上，意在營(yíng)造清新的空間，為顧客提供自然、愜意的感覺(jué)。同時(shí)，結(jié)合內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)出主立面上大小的內(nèi)凹窗洞開(kāi)口，并賦予14種不同的顏色，處于內(nèi)部空間的顧客通過(guò)開(kāi)口能感受到五彩繽紛的光線(xiàn)反射（圖2）。處于底層的公共空間受到內(nèi)凹開(kāi)口的遮蔽，避免了陽(yáng)光的直射，內(nèi)部光線(xiàn)比較柔和，使座椅14種顏色得到真實(shí)表現(xiàn)（圖3）。

圖2 Sugamo Shinkin 銀行西立面

圖3 Sugamo Shinkin 銀行室內(nèi)

2.2 連續(xù)式開(kāi)口

連續(xù)開(kāi)口是指在立面的尺度上占據(jù)大部分或者全部的開(kāi)口形式，通常表現(xiàn)形式為開(kāi)敞外廊。連續(xù)開(kāi)口往往在立面上形成水平為主的構(gòu)圖，形態(tài)比較舒展。在室內(nèi)空間和外部環(huán)境之間形成緩沖空間，往往成為人們?nèi)粘；顒?dòng)的重要場(chǎng)所。開(kāi)口的連續(xù)性也決定了其連續(xù)的遮陽(yáng)性能，效果較好。

圖4 Living Foz

葡萄牙的Foz住宅樓，靠近波爾圖的海濱區(qū)，7層，共40套公寓。折線(xiàn)形的外廊開(kāi)口為每戶(hù)創(chuàng)造了不同的半室外空間，具有豐富光影對(duì)比效果，隨著太陽(yáng)直射角和方位角的變化呈現(xiàn)不同的光影景象（圖4）。白色的陽(yáng)臺(tái)板黑色的圍護(hù)墻體形成強(qiáng)烈的對(duì)比。更重要的是，寬闊的折線(xiàn)形陽(yáng)臺(tái)控制了直射太陽(yáng)光對(duì)室內(nèi)的熱輻射，減少了能耗和電氣的使用（圖5）。

墨爾本的某高層建筑，在朝海立面上采用陽(yáng)臺(tái)和陽(yáng)臺(tái)板外挑的做法，形成連續(xù)開(kāi)口，遮蔽陽(yáng)光的直射。同時(shí)，在高層中使用連續(xù)開(kāi)口可以形成一定的構(gòu)圖序列，有利于減少高層的尺度，減少高體量給人的壓迫感（圖6）。

圖5 開(kāi)敞的陽(yáng)臺(tái)

圖6 墨爾本某高層

3 構(gòu)件形態(tài)

構(gòu)件是附著于建筑主體結(jié)構(gòu)上的構(gòu)筑物，通常也是建筑的組成部分。立面構(gòu)件通過(guò)一定的構(gòu)造措施與建筑主體結(jié)構(gòu)連接，并與主體部分一起形成建筑立面的構(gòu)圖全貌。一般來(lái)說(shuō)，立面構(gòu)件不影響建筑主體結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，也不影響室內(nèi)空間的功能性質(zhì)。有效的構(gòu)件的意義能在立面上得到充分表達(dá)，對(duì)外部光熱環(huán)境對(duì)建筑的作用施加影響，優(yōu)化光熱因素，以符合設(shè)計(jì)意圖和使用需求。根據(jù)構(gòu)件作用方向的不同，立面構(gòu)件可分為水平構(gòu)件、垂直構(gòu)件和綜合構(gòu)件。而實(shí)際上，一個(gè)建筑往往會(huì)采取多種構(gòu)件以及不同構(gòu)件的組合，以滿(mǎn)足不同朝向不同功能空間的光熱環(huán)境優(yōu)化需求。

圖7 巴西的熱帶住宅（北立面）

3.1 水平構(gòu)件

水平構(gòu)件是指在水平方向展開(kāi)的構(gòu)件，常見(jiàn)如水平百葉、水平擋板等。水平構(gòu)件往往被用作朝陽(yáng)面（北半球的南面和南半球的北面）的遮陽(yáng)，效果比較顯著，尤其是太陽(yáng)高度角較大的時(shí)間段內(nèi)。在太陽(yáng)高度角常年較大的區(qū)域（如熱帶），水平構(gòu)件遮陽(yáng)的適用范圍就比較大。

巴西塞拉阿州的熱帶住宅，處于南緯3°10’ 42.51”，常年溫度22～33℃，是個(gè)度假屋（圖7）。應(yīng)業(yè)主的要求，建筑師共設(shè)計(jì)了3個(gè)臥室以及一些服務(wù)功能空間。在這些空間外圈，圍繞寬闊的外廊，以減少太陽(yáng)對(duì)于墻體的熱輻射。木質(zhì)水平構(gòu)件圍在外廊之外，猶如裙擺，進(jìn)一步為外廊空間遮擋直射陽(yáng)光，同時(shí)，木構(gòu)件之間存在空隙，可以滲透南面的涼風(fēng)，以減少甚至避免空調(diào)的使用。這些木質(zhì)構(gòu)件的一部分又成為廊道欄桿的欄板，圍合和遮陽(yáng)作用兼而有之（圖8）。

新西蘭奧克蘭的Waitaker市民中心，包括市民部分、管理層部分以及聯(lián)接體。市民部分的會(huì)議室弧形墻面外設(shè)置了鋁質(zhì)水平遮陽(yáng)構(gòu)件，構(gòu)件架于垂直豎梃之上，可以控制角度。水平構(gòu)件有效地遮擋了過(guò)多的陽(yáng)光輻射，減少空調(diào)能耗（圖9）。足夠量的較柔和光線(xiàn)通過(guò)鋁板的反射、玻璃的折射進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)靠外墻部分具有較好均勻光照，使室內(nèi)避免了眩光。在白天開(kāi)會(huì)的時(shí)候，只需要打開(kāi)少量的燈光，即可滿(mǎn)足使用要求，減少了人工照明需求。室外的水平構(gòu)件還可以根據(jù)室外的光熱情況調(diào)節(jié)角度，使得會(huì)議室內(nèi)的光熱狀況處于較舒適的范圍（圖10）。

圖8 構(gòu)件對(duì)外廊空間的遮陽(yáng)

圖9 Waitaker市民中心會(huì)議室水平構(gòu)件

圖10 白天開(kāi)會(huì)時(shí)的光線(xiàn)

3.2 垂直構(gòu)件

垂直構(gòu)件就是在垂直方向展開(kāi)的構(gòu)件，一般用于東西立面的遮陽(yáng)。垂直構(gòu)件廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)高度角較小的地區(qū)和方位。重復(fù)使用的垂直構(gòu)件容易在立面上形成一定的肌理和變化。垂直構(gòu)件還經(jīng)常成為水平構(gòu)件的支撐結(jié)構(gòu)，也會(huì)和水平構(gòu)件一起出現(xiàn)在朝陽(yáng)面。

廣州大學(xué)城華南理工大學(xué)院系辦公實(shí)驗(yàn)樓群，在東西立面上設(shè)置許多垂直構(gòu)件，來(lái)應(yīng)對(duì)廣州地區(qū)（夏熱冬暖地區(qū)）強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射。在南立面設(shè)置紅色涂料和白色涂料相間的垂直擋板，縮小了開(kāi)口的尺寸（相當(dāng)于增加了開(kāi)口的進(jìn)深），在垂直構(gòu)件之上還設(shè)置了水平百葉，從而獲得較好的遮陽(yáng)效果。在東西立面則以單色垂直擋板為主，避免喧賓奪主（圖11）。

圖11 立面垂直構(gòu)件

西班牙馬德里維拉紐瓦255套住宅區(qū)，由6幢平面為L(zhǎng)形的住宅樓組成，共有255公寓。不同朝向開(kāi)口比例不同，但窗洞有兩種規(guī)格：1.80m×1.80 m用于大房間（如起居室、大臥室）和0.90m×1.80m用在小臥室。在所有的窗洞外35cm處都有1塊或2塊純色穿孔擋板。這些擋板由窗外的金屬架支撐，擋板可以滑動(dòng)，具有幾種鮮亮的顏色，在銀白金屬墻面的映襯下格外奪目。穿孔板由于直接擋在窗玻璃之前，因此對(duì)光熱的調(diào)節(jié)作用比較明顯（圖12）。日常生活中，人們根據(jù)遮陽(yáng)、遮光的需求來(lái)移動(dòng)擋板，全開(kāi)、半開(kāi)或關(guān)閉，會(huì)使建筑立面呈現(xiàn)豐富的變化，活躍立面，避免建筑立面的單一化。

3.3 綜合構(gòu)件

綜合構(gòu)件是指同時(shí)具備水平方向和垂直方向伸展的構(gòu)件形式，也可以看成水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件的組合，經(jīng)常與立面開(kāi)口結(jié)合設(shè)置。如澳大利亞維多利亞的Barwon健康教學(xué)培訓(xùn)與研究中心和美國(guó)科羅拉多國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室，都是在窗洞口設(shè)置了綜合構(gòu)件，起到外遮陽(yáng)的作用（圖13、14）。綜合構(gòu)件同時(shí)具備水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，具有較廣的使用方位和朝向。

4 表皮形態(tài)

表皮是位于建筑自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)之外的大面積構(gòu)筑物。表皮不是真皮，一般不能獨(dú)立成為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)起輔助作用。建筑表皮與建筑內(nèi)部空間并不像開(kāi)口和構(gòu)件那么緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它自身具有一定獨(dú)立性。在一定程度上，表皮可以擺脫建筑內(nèi)部空間的關(guān)系來(lái)形成符合設(shè)計(jì)審美的形態(tài)。隨著建造技術(shù)的進(jìn)步和材料運(yùn)用的多元化，越來(lái)越多的建筑披上了新奇的表皮，獲得了有沖擊力的視覺(jué)效果和較高的關(guān)注度。根據(jù)表皮自身組成元素的空間形態(tài)，表皮可分為平面表皮和立體表皮。

圖12 窗口穿孔滑動(dòng)擋板

圖13 Barwon健康教學(xué)培訓(xùn)與研究中心

圖14 國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室

圖15 萊茵河瀑布游客中心

4.1 平面表皮

平面表皮是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外通過(guò)一定構(gòu)造措施固定的一層表皮，通常厚度較?。ㄏ啾冉ㄖ⒚娉叽纾?，呈平面形態(tài)。這類(lèi)表皮大多通過(guò)穿孔、鏤空等方式形成一定圖案意義的表皮開(kāi)口，使得光熱經(jīng)過(guò)表皮的過(guò)濾再接觸里面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。很顯然，這樣的表皮可以削弱過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)輻射和過(guò)高的自然光照度。

瑞士的萊茵河瀑布游客中心的外表皮由銹蝕鋼板組成。2層之上的外立面則采用了穿孔鋼結(jié)構(gòu)，以不對(duì)稱(chēng)的、變形的、近十字的圖案為原型，通過(guò)變化大小、轉(zhuǎn)換方向，使落在室內(nèi)光斑呈現(xiàn)落葉或花朵的意象。2層的室內(nèi)空間通過(guò)穿孔的表皮獲得了充足的自然采光，并且均勻度較好（15、16）。

倫敦市政廳酒店是個(gè)豪華酒店，坐落于老貝斯諾格林市政廳，在倫敦蓬勃發(fā)展的東端中心地帶，項(xiàng)目包括對(duì)二級(jí)保護(hù)建筑的修復(fù)與更新。建筑師用由激光切割出孔洞的鋁板對(duì)建筑進(jìn)行了二次圍護(hù)，在原有的建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)外增加了一層表皮，在立面沒(méi)有出現(xiàn)門(mén)窗，使得建筑在視覺(jué)上與周邊的建筑立面迥異。由于鏤空鋁板的圍護(hù)，自然光可以進(jìn)入背后的房間，同時(shí)又能在內(nèi)外空間保證很好的隱私，這點(diǎn)對(duì)于豪華酒店十分重要（圖17、18）。

圖16 室內(nèi)光影

4.2 立體表皮

立體表皮是指表皮本身有一定三維空間形態(tài)，內(nèi)部構(gòu)件形成一定規(guī)律的組合，能產(chǎn)生一定的立體光影效果。通過(guò)立體表皮，建筑可以呈現(xiàn)具有很強(qiáng)立體感的立面肌理，大大增強(qiáng)視覺(jué)表現(xiàn)力。同時(shí)，立體表皮由于采用不同材料和組合形態(tài)，對(duì)建筑室內(nèi)空間具有不同程度的遮蔽作用，可以調(diào)節(jié)光熱因素的影響。

法國(guó)“折紙”辦公樓立面表皮采用斜線(xiàn)構(gòu)架，構(gòu)架上安裝采用復(fù)合面板，雙層玻璃上覆以大理石薄膜。對(duì)稱(chēng)的玻璃板形成“打開(kāi)的書(shū)籍”的視覺(jué)效果，大理石紋絡(luò)在陽(yáng)光的照射下得到充分的表現(xiàn)。同時(shí)，大理石薄膜呈半透明，可以過(guò)濾陽(yáng)光，柔化光線(xiàn)。玻璃板夾角并不相同，立面中間部位的玻璃片夾角較小，顯得更加立體，而立面兩端的玻璃片夾角較大，因而顯得平緩，整個(gè)立面就形成了一定的動(dòng)感變化（圖19～21）。

圖17 倫敦市政廳酒店

圖18 室內(nèi)光影

圖19 立面整體

圖20 大理石紋路

圖21 動(dòng)感變化

5 結(jié)語(yǔ)

建筑立面是建筑藝術(shù)的展示部分，在應(yīng)對(duì)氣候中也承擔(dān)重要的角色。建筑立面通過(guò)開(kāi)口、構(gòu)件、表皮等設(shè)計(jì)元素，對(duì)所在區(qū)域的特定氣候下的光熱環(huán)境做出應(yīng)對(duì)。片斷式開(kāi)口和連續(xù)性開(kāi)口對(duì)立面作用范圍不同：片斷式開(kāi)口影響范圍有限，但在立面上位置較為自由，光熱應(yīng)對(duì)的針對(duì)性較強(qiáng)；而連續(xù)性開(kāi)口則容易形成連續(xù)構(gòu)圖，大氣舒展，重復(fù)的連續(xù)性開(kāi)口容易形成韻律，可以形成連續(xù)的光熱緩沖區(qū)，為使用者提供適宜的活動(dòng)空間。水平構(gòu)件、垂直構(gòu)件和綜合構(gòu)件在立面上適用性存在差異。水平構(gòu)件對(duì)朝陽(yáng)面以及太陽(yáng)高度角較大的時(shí)間段和區(qū)域具有顯著作用，垂直構(gòu)件對(duì)于東西立面以及太陽(yáng)高度角較小的時(shí)間段和區(qū)域較為有效，綜合構(gòu)件則兼具以上兩者構(gòu)件特點(diǎn)。由于方向不同、自身材料性能（如透光性）的差異，立面構(gòu)件對(duì)于光熱影響也會(huì)存在較大差別。表皮由大面積的構(gòu)件組成，覆蓋建筑立面的全部或大部分，能產(chǎn)生新奇的視覺(jué)效果，對(duì)建筑內(nèi)部光熱環(huán)境具有全局性影響。隨著技術(shù)的進(jìn)步和建造自由度的提高，表皮不僅能塑造建筑表情，還能提高建筑的生態(tài)適應(yīng)性，從而不斷改善空間光熱舒適度。