氣候適應性建筑表皮的設計模式研究

舒欣

建筑表皮是位于自然界與人類居住的室內空間之間的物質界面，用于分離和過濾外部與內部環(huán)境。[1]從歷史的觀點看，在內外環(huán)境間創(chuàng)造一個有效的屏障，主要是為了抵御惡劣的外部環(huán)境和嚴酷的氣候條件。鄉(xiāng)土建筑在地方文化和氣候環(huán)境的熏染下，經過長年試錯，衍生出集資源、氣候和技術于一體的建筑表皮。因此，鄉(xiāng)土建筑表皮可謂氣候適應性建筑表皮的原型，即能夠通過各自獨特的技術和形式有效地應對不同的氣候特征。

20世紀以來，技術發(fā)展、快速城鎮(zhèn)化以及舒適度需求的與日俱增，都對傳統(tǒng)建筑表皮的設計和建造模式帶來巨大沖擊，其具備的氣候適應性功能也開始從本體剝離，轉而求助于建筑設備解決室內氣候調控問題。然而極為耗能的機械設備卻給環(huán)境帶來一系列負面影響，直至1973年能源危機爆發(fā)，建筑學界才開始正視能源危機和環(huán)境問題帶來的巨大挑戰(zhàn)，轉而追求與環(huán)境交互的建筑表皮解決方案，以保證建筑的高能效和環(huán)境友好型輸出。這也給氣候適應性建筑表皮的發(fā)展帶來新的契機，建筑師們一方面向鄉(xiāng)土建筑學習，重新審視其被動式技術手段所承載的氣候適應性功能；另一方面借助先進的主動式建筑表皮組件來協(xié)助維持室內外氣候間的平衡，并以可調控地方式應對內外氣候環(huán)境和人為干預。然而時至今日，無論在國際或地區(qū)層面，氣候適應性建筑表皮和其替代用語既未形成明確的定義，也沒建立起統(tǒng)一立法及設計戰(zhàn)略框架來指導氣候適應性建筑表皮的設計。

一、氣候適應性建筑表皮的理念生成

氣候適應性理念源自于生物學領域，就生物學角度而言，氣候適應性（Climate Adaptation）是指在外界氣候條件變化的情況下，保持自身狀態(tài)在一定范圍內穩(wěn)定的適應特性，具體表現(xiàn)為對溫度、濕度、光、風和水等氣候因子的協(xié)調應對。建筑學研究語境下的“氣候適應性”則并不完全與“Climate Adaptation”相對應，而是與“Climate Response”的含義更為貼近，亦常被譯作“氣候響應”或“氣候應答”。建筑的氣候適應性研究不僅涉及氣候因素對室內物理環(huán)境和舒適度的影響，還包含氣候對建筑結構安全性和材料耐久性的影響，以及為建筑組件和使用者行為提供調節(jié)的可能性等問題。

生物的氣候適應性主要依靠其表皮的調節(jié)能力，一方面，生物體通過表皮保護自己，抵御外界的不良氣候環(huán)境；另一方面，通過表皮與外界氣候環(huán)境進行物質和能量交換，維持自身生態(tài)平衡。反觀建筑系統(tǒng)，與氣候環(huán)境聯(lián)系最為緊密的也是建筑表皮。對外，建筑通過建筑表皮獲取或屏蔽氣候資源；對內，依靠建筑表皮維持相對穩(wěn)定的室內環(huán)境，滿足人體的舒適度需求。對比生物系統(tǒng)和建筑系統(tǒng)，能夠發(fā)現(xiàn)兩者應對氣候相似的態(tài)度和方式。它們都尋求對外部氣候資源的有效利用，以維持內部的穩(wěn)定狀態(tài)。通過建立生物表皮與建筑表皮的氣候適應性機制類比框架（表1），即可提煉出建筑表皮適應氣候的有效手段。

氣候適應性建筑表皮應當利用人為或自動控制等手段，通過表皮的構件運動、功能變化和材料性能改變等方式，保持室內氣候環(huán)境的相對穩(wěn)定狀態(tài)，滿足使用者的需求。理想的氣候適應性建筑表皮應當如同一層可調節(jié)其張開程度的滲透膜，有效地過濾氣候資源，控制室內的通風、熱量、日照和眩光等因素，實現(xiàn)內部環(huán)境的動態(tài)平衡（圖1）。為了高度實現(xiàn)這種氣候適應性，建筑表皮的各種變量，如位置、范圍、覆蓋程度、形狀、可調節(jié)程度以及使用者操作等因素都至關重要，直接影響最終的性能表現(xiàn)。

表1 生物表皮與建筑表皮的氣候適應性機制類比框架

圖1：氣候適應性建筑表皮的各種調節(jié)手段

二、氣候適應性建筑表皮的調控系統(tǒng)

過去百年間，為了更好地適應氣候環(huán)境，建筑表皮由一種相對固定的構件體系轉變?yōu)橐幌盗薪M件構成的多層次可調控系統(tǒng)。一方面，每個可調控的組件蘊含著一個明確的物理功能，猶如過濾器一般將復雜多變的外部氣候資源轉化為舒適宜人的室內微氣候；另一方面，這些組件與表皮的外面層建立聯(lián)系，賦予了表皮形式更多的可能性。

1.建筑表皮組件

建筑表皮組件的內容涵蓋廣泛，從被動式的遮陽、采光系統(tǒng)到主動式的太陽能、機械系統(tǒng)都屬于這一范疇，因此有必要根據功能和性能特征對表皮組件進行系統(tǒng)地梳理和分類。對于氣候適應建筑表皮而言，分類應從其工作原理入手，按照與自然氣候要素的對應關系，建筑表皮組件可分為日光組件、通風組件、熱量組件和能源組件。各組件間的良性協(xié)作是提升建筑表皮性能的重要手段。

同時，由于氣候適應性建筑表皮是一個相互關聯(lián)的復雜系統(tǒng)，表皮組件的運用方式并不能采取簡單的拼貼式操作，而應當在考慮整個系統(tǒng)綜合性能的基礎上，對表皮組件進行統(tǒng)籌安排和合理布局。為了減少表皮組件間的“相互影響”（Push Me-Pull You），可將建筑表皮從上至下劃分為三個功能區(qū)間，并根據特定的需求將表皮組件整合于不同的功能區(qū)間內，從而建立起表皮組件間良性的互動關系（圖2）。

2.調控設計原理

適應性意味著有能力對新情況或新局勢作出反應和調整，而基于適應性的調控設計則通常是賦予一種變化的能力，這種變化涉及建筑表皮在一定時間段內，功能或性能的改變，甚至物理性質的變化。根據變化維度的差異，適應性調控可以分為三個層次：靈活性（二維變化）、轉換性（三維變化）和響應性（四維變化）（表2）。每個層次的調控都各具特點，在層次遞進的同時，適應性功能表現(xiàn)也逐級增強。

此外，根據氣候環(huán)境的變化規(guī)律和復雜狀況，宜采取不同的調節(jié)周期以及形式各異的調控方式：靈活性調控通常針對較長的調節(jié)周期，采用手動控制的非機械系統(tǒng)或易于調節(jié)的機械系統(tǒng)；轉換性調控則適用于晝夜調節(jié)的建筑表皮，常使用電動機械控制和自動控制的可變構件；響應性調控作為實時控制模式，需運用智能控制系統(tǒng)，利用傳感器、處理器和執(zhí)行器等設備進行動態(tài)調控，并可對控制模式進行優(yōu)化。

圖2：氣候適應性建筑表皮的四類表皮組件

表2 適應性調控的三個不同層次特征

表3 氣候適應性建筑表皮的調控設計路線

3.調控設計策略

氣候適應性建筑表皮的調控策略應當建立在合理選用建筑表皮組件的基礎上，再選擇適合的調控方式。為了更好地指導具體的建筑實踐，筆者制定了一個調控設計路線，詳細闡述了建筑表皮組件在采暖、制冷、采光、通風和能源等方面應對氣候的調控設計步驟。該路線中的調控設計過程包括對前人經驗的概括和筆者實踐教學的理論總結（表3）。

（1）合理選用被動式建筑表皮組件

在對建筑表皮進行基本優(yōu)化之后，應當首先選用那些節(jié)能環(huán)保的被動式建筑表皮組件，從而進一步改善自然采光、通風、制冷和采暖等效果。室外氣候的季節(jié)變化和晝夜節(jié)律都直接關系到這些組件的有效運作。因此在該階段如何恰如其分地選擇和運用表皮組件十分重要，它是降低能耗的關鍵因素。

（2）優(yōu)先選擇低能耗建筑表皮組件

在上一步驟的基礎上，為了更大程度上滿足室內舒適度的需求，還應選用適用的低能耗建筑表皮組件。其特點主要表現(xiàn)為以太陽能系統(tǒng)為代表的可再生能源的有效利用。在該階段中，可再生能源的生成、分配和運輸全過程的優(yōu)化和整合是實現(xiàn)建筑表皮最佳性能的關鍵因素。

（3）高效運用主動式建筑表皮組件

當低能耗建筑表皮組件不足以滿足需求時就需要求助于傳統(tǒng)的主動式建筑表皮組件。但由于主動式表皮組件需要消耗大量的能量，且相互間易造成一定的矛盾和沖突，因此該步驟的重中之重在于理清各個組件系統(tǒng)的原理和特征，確保各組件系統(tǒng)的協(xié)調工作、高效運行。

（4）整合決策調控方式

在上述設計策略的基礎上，最后的步驟是選擇合適的調控方式，它取決于氣候條件、經濟成本和業(yè)主需求等諸多因素。人工調控的非機械或機械系統(tǒng)具有簡便易行、操控靈活、經濟環(huán)保等優(yōu)勢，但更適用于氣候條件穩(wěn)定、變化節(jié)律較長的地區(qū)；智能調控系統(tǒng)具有動態(tài)性、交互性和響應性等特點，它利用先進的環(huán)境感應設備和復雜的控制算法將建筑表皮組件與建筑管理系統(tǒng)聯(lián)系起來，統(tǒng)籌安排，協(xié)同決策，能夠實時應對氣候環(huán)境的復雜變化。與此同時，智能調控系統(tǒng)應當建立在對室外氣候條件和室內舒適度需求的充分理解基礎上，其中各類技術的成熟運用度、使用者和智能系統(tǒng)間的交互狀況等因素都會影響實際的調控效果。

圖3：迪克森水基金會服務大樓——利用氣候條件和場地信息模擬分析進行建筑表皮設計

三、氣候適應性建筑表皮的設計模式

通過對氣候適應性建筑表皮的理念和調控系統(tǒng)的梳理，能夠發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)意義上的建筑表皮相比，氣候適應性建筑表皮蘊含更為豐富的內涵，其設計過程也涉及氣候、能源、技術等多方面因素的綜合考量。首先，地域氣候、建筑微環(huán)境和使用者的感知體驗等因素被提到重要位置，這一切都依賴于技術手段的有力支撐，因此整合權衡技術系統(tǒng)與建筑表皮設計之間的關系成為該設計模式的首要訴求；此外，為了提升氣候適應性建筑表皮的可持續(xù)性能，設計模式不僅應在宏觀上控制和協(xié)調各類設計因素，還應將建筑表皮的性能目標拆分為多個子目標，合理排布于各個設計階段中，通過對子目標的評估最終實現(xiàn)高品質的建筑表皮成果。

鑒于設計過程的復雜性，本文將設計模式界定為四個主要執(zhí)行階段，分別為信息分析階段、概念設計階段、方案優(yōu)化階段和整合決策階段。各階段都具備各自獨特的設計工具、設計內容和技術特征，并形成獨立的設計循環(huán)。建筑師應當關注每個循環(huán)設計流程間的重合部分，也就是本階段之前的設計成果，它直接決定了該階段的設計重點和設計難度。

1.信息分析階段(Information Analysis Stage）

作為設計的初始階段，建筑師應當首先進行資料信息的收集、整理和分析工作，主要包括室外氣候條件、場地狀況、周邊環(huán)境、室內氣候環(huán)境、自然資源以及經濟支出等因素。經過信息的收集與整理，建立簡明的建筑表皮設計原則：氣候資源利用（自然光、太陽輻射、風、降水）、室內環(huán)境營造（熱舒適、光環(huán)境、空氣質量、聲學條件），以及被動式技術運用等，并在全面的信息分析基礎上，制定整個項目的詳細定位及可運用于設計各個階段的可持續(xù)性能目標。

迪克森水基金會服務大樓作為德克薩斯第一座自循環(huán)建筑，通過整體的、非工業(yè)化的項目定位創(chuàng)造了一個完全符合當地氣候環(huán)境的可持續(xù)建筑。通過對氣候條件和場地信息的分析模擬，設置了一個相對靈活的建筑結構和表皮形式，能夠在夏季捕捉涼風，同時阻擋冬季的寒風。較深的懸臂結構和現(xiàn)存的槲樹為人們創(chuàng)造了一個具有中心集聚效應的遮陰空間，可開啟的木門能夠最大程度地實現(xiàn)自然通風，屋頂為展館內部提供了自然采光的同時也將室內熱空氣排出。項目選用對環(huán)境影響極小的天然材料，積極尋求與當地氣候和周圍環(huán)境的互動對話，是一座與自然相互聯(lián)系的展館（圖3）。

2.概念生成階段(Concept Generation Stage）

在充分獲取各類信息資源之后，該階段開始著手于初始概念方案的形成，從建筑表皮的朝向和整體形態(tài)上入手，優(yōu)化建筑的體形系數和采光狀況，合理控制建筑表皮的外延面積；在考量各類建筑表皮技術特征的基礎上，選擇與項目設計要求契合度最高的建筑表皮類型；根據自然采光和自然通風的有效組織方式，設計合適的窗洞口比例、面積、形狀和位置；合理運用材料策略，積極地就地取材并利用可回收材料，同時通過復合材料或材料的復合構造方式提升建筑表皮性能。

由于當地氣候條件和場地的局限，如退縮規(guī)定、高度限制等，曼谷農作物辦公室通過調整整體形態(tài)，將每個樓層稍微錯開，以創(chuàng)造出相互疊加的懸臂和露臺。這些懸垂的屋檐提供了充足的遮陰地，豐富了空間使用的多樣性，同時堆疊式平臺也使室外景觀滲透到建筑的多個功能區(qū)域中。建筑表皮也采取符合泰國熱帶氣候的復合表皮策略，在玻璃幕墻外窗設置垂直板條作為遮陽構件，每個板條進行了校準，足以從各個方向減少紫外線的照射，通過過濾強光和太陽輻射，降低對空調的依賴性（圖4）。建筑通過各種有效的表皮設計策略建立起建筑的微氣候，有助于中和可能出現(xiàn)的不平衡氣候現(xiàn)象。

圖4：曼谷農作物辦公室——利用相互疊加的形態(tài)調整和表皮遮陽構件校準形成的方案

圖5：清控人居科技示范樓——利用藤編表皮單元和通風組件優(yōu)化結合而成的模塊化雙層表皮系統(tǒng)

3.方案優(yōu)化階段(Scheme Optimization Stage）

在概念設計成果的基礎上，此時應當根據建筑的氣候適應性目標，對整個設計項目進行深入的細節(jié)設計和優(yōu)化。首先應將建筑表皮組件融入建筑表皮的設計之中，當綜合運用多種表皮組件時，應考量各組件間的相互關系，綜合選擇合理的調控方式，力求協(xié)同效益的最大化；此外，應當詳細模擬分析自然環(huán)境中的光、熱、風等具體氣候信息，系統(tǒng)地調整建筑表皮的細節(jié)特征，優(yōu)化可操作性，以實現(xiàn)對不同氣候條件的有效調控，節(jié)約能耗，綜合提升建筑表皮性能。

位于貴安新區(qū)的清控人居科技示范樓是立足于中國西南溫和氣候區(qū)的可持續(xù)試驗平臺，以檢驗各項設計策略和技術手段在當地氣候、文化和經濟條件下的可行性。結合當地的氣候特征，建筑外表皮選用回應氣候的雙層表皮，首層是帶通風口的簡易玻璃幕墻，二層為疏密變化的藤編表皮組件。藤編表皮組件的細節(jié)設計是以建筑表面太陽輻射和風壓分布的模擬結果為參照，安排四種疏密的藤編單元分布于表皮上，配合節(jié)點構造設計，保證外觀和耐久性。示范樓同時采用地道風代替常規(guī)空調，通風組件置于雙層表皮空腔和地址設備夾層，室內為內裝一體化的出風口（圖5）。模塊化的雙層表皮系統(tǒng)的優(yōu)化設計整合了當地藤編工藝與工業(yè)預制技術從而實現(xiàn)快速裝配，不僅使建筑高度體現(xiàn)貴州當地的風土特色，更在一定程度上刺激并帶動了當地的傳統(tǒng)工藝經濟的發(fā)展。

4.整合決策階段(Decision Integration Stage）

此階段是形成完整設計方案的最后階段,通過對項目總體定位和氣候適應性目標的重新審視，建筑師需要運用自己的綜合素養(yǎng)對設計成果進行最終的整合和決策。具體內容涉及建筑表皮設計策略的整合、建筑表皮細部的完善，以及建筑表皮形式的美學表達等方面的考量。通過調整建筑形體、優(yōu)化表皮構件尺寸以提升節(jié)能效率，統(tǒng)籌安排整個建筑表皮系統(tǒng)的運轉和調節(jié)方式，利用計算機模擬工具優(yōu)化建筑表皮的綜合性能等措施共同實現(xiàn)建筑表皮的可持續(xù)目標。

龍湖超低能耗建筑主題館作為一個獲得被動房認證的超低能耗示范建筑，考慮到保溫和供暖能耗的限制，合理地調整建筑形體，將建筑北側壓低到景觀土坡中，而南側則利用全玻璃幕墻在冬季獲取最大的太陽輻射，夏季則利用聯(lián)動百葉防熱；中庭底部的天窗白天引入陽光，夜間通風散熱，成為晝夜平衡的調蓄口；新風組件系統(tǒng)借助室內空間形態(tài)，在低處送新風，利用熱壓原理，有效組織室內風環(huán)境（圖6）。該建筑通過各種技術手段的綜合應用將被動房的要求轉換為整合思維下的可持續(xù)建筑的設計表達，并讓建筑北側借助景觀消隱于場地，南側則借幕墻的鏡面反光消隱于自然。

四、結語

本研究在提出氣候適應性建筑表皮理念的基礎上，剖析了其組件系統(tǒng)和調控設計策略，初步建立了氣候適應性建筑表皮的設計模式。但研究對氣候適應性建筑表皮的深入思考仍然存在不足之處。隨著社會進步和科技發(fā)展，氣候適應性建筑表皮的相關內容也將逐漸豐富起來，并衍生出新的內涵和要求——考慮如何減小霧霾的影響。與此同時，形成的設計模式也僅為階段性成果，未來新觀念、新工具和新方法的不斷涌現(xiàn)也將賦予該研究更多的可能性，從而提煉出更為系統(tǒng)的研究成果。

圖6：龍湖超低能耗建筑主題館——利用局部覆土、聯(lián)動百葉和新風組件等技術手段與空間整合而成，實現(xiàn)被動房節(jié)能目標

注釋

[1 ]建筑表皮的內涵豐富，從廣義上講，凡是圍合限定空間的建筑構件、系統(tǒng)或構筑物均可劃入建筑表皮的范疇。本文中的建筑表皮是指除屋頂和架空底板之外，承擔建筑外部圍護界面的豎向物質系統(tǒng)，即與氣候環(huán)境交互最為顯著的建筑立面。文中將其稱為“建筑表皮”而非“建筑立面”，目的在于凸顯其如同生物皮膚一般，呼吸、排泄、交流、調節(jié)、隔絕環(huán)境以及保護自身等適應外界氣候環(huán)境的特點。

圖片來源

圖1：作者根據《Building to Suit the Climate》一書中的插圖改繪。

圖2：作者自繪。

圖3：https://www.archdaily.cn/cn/870982/de-ke-sasi-zhu-zhai- dixon-water-foundation-josey-pavilionlake-flato-architects.

圖4：https://www.archdaily.cn/cn/896327/man-gunong-zuo-wu-ban-gong-shi-stu-d-o-architect.

圖5：https://www.archdaily.cn/cn/799063/qing-kongren-ju-ke-ji-shi-fan-lou-su-po-jian-zhu-gong-zuo-shi.

圖6：https://www.archdaily.cn/cn/891025/long-huchao-di-neng-hao-jian-zhu-zhu-ti-guan-su-po-jian-zhu.