大空間建筑綠色設(shè)計(jì)的腔體導(dǎo)控技術(shù)

張帆

張伶伶

李強(qiáng)

一、問題驅(qū)動

在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的支撐下，大空間的建造已經(jīng)不再是特權(quán)建筑的專屬。隨著城市化水平的不斷提高，人們對大空間所承載的特殊社會需求與日俱增，以體育設(shè)施、會展建筑、觀演建筑和大型交通建筑等為代表的大空間公共建筑成為日常性的場所。不同于一般尺度的建筑，大空間公共建筑具有尺度巨大、結(jié)構(gòu)特殊、界面開放、運(yùn)行復(fù)雜等特征，能源和物質(zhì)消耗在建筑能耗總量中占有相當(dāng)大的比重。大空間建筑的尺度不僅僅受結(jié)構(gòu)技術(shù)的制約，與環(huán)境物質(zhì)能量交換的效率也決定了其適應(yīng)環(huán)境的能力。當(dāng)建筑的尺度增長到臨界值時(shí)，原有的建筑調(diào)節(jié)機(jī)制就已經(jīng)不能滿足其對環(huán)境的應(yīng)變的需要了。針對大空間建筑的綠色設(shè)計(jì)，需要發(fā)展出一套獨(dú)特的適應(yīng)性導(dǎo)控策略和技術(shù)，以面對其在可持續(xù)發(fā)展上面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

二、腔體導(dǎo)控

建筑腔體的概念源于生物形態(tài)學(xué)的研究。經(jīng)過漫長歲月進(jìn)化形成的生物形態(tài)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，為了提高物質(zhì)和能量獲取效率而發(fā)展出許多精巧的結(jié)構(gòu)，“腔體”結(jié)構(gòu)就是進(jìn)化樹頂端的高等動物共有的形態(tài)。作為生物主體中內(nèi)置的若干與外界連通的微空間，腔體是組成各種復(fù)雜器官的基本模式。通過不同類型的腔體形態(tài)，生物體得以過濾環(huán)境的不利因素，高效汲取環(huán)境中有利的物質(zhì)能量。如果生物體可以發(fā)展出特殊的形態(tài)來增強(qiáng)生物體內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)能力，那么對于大空間建筑來說，借用生物中既有的形態(tài)導(dǎo)控機(jī)制，同樣可以避免以高能耗為代價(jià)的建造和運(yùn)營。

建筑中的腔體和生物界中的腔體概念具有同構(gòu)性。建筑作為給人類提供遮蔽空間的構(gòu)筑物，其本質(zhì)屬性之一便是營造相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，以抵抗變化無常的外部自然條件。但是隨著建筑空間尺度需求的不斷加大，這種抵抗就不可避免地付出高昂的環(huán)境代價(jià)。建筑腔體是建筑主體空間下與外部連通的微結(jié)構(gòu)，由于其特殊的形態(tài)，一方面可以塑造自身的小環(huán)境，另一方面能夠成為大空間與外部空間之間的中介，避免了大空間和環(huán)境直接的耗散性接觸。

不同于仿生學(xué)對于生物形態(tài)的機(jī)能性模仿，腔體概念在建筑中不僅僅是簡單的功能主義詮釋，而是一種擴(kuò)展化的建筑概念。建筑作為一種空間性藝術(shù)，其腔體的職能不完全等同于生物腔體。除了功能性的效能最優(yōu)化，建筑還具有行為引導(dǎo)、空間營造乃至文化表達(dá)等多元屬性。這說明大空間建筑中的腔體不僅是作為氣候調(diào)節(jié)器的單目標(biāo)器官，而是生態(tài)、場所和空間導(dǎo)控的多目標(biāo)復(fù)雜性存在。

在大空間建筑中，面對不同的綠色設(shè)計(jì)問題，需要不同類型的腔體進(jìn)行針對性的導(dǎo)控?！督ㄖ惑w的類型學(xué)研究》一文曾將建筑腔體按氣流的組織方式劃分為能量流的貫穿、能量流的拔取和能量流的引導(dǎo)三種類型，并在這三種類型的基礎(chǔ)上提出了類型的變異、并列、疊加和雜糅的轉(zhuǎn)換模式[1]，這種劃分是基于以通風(fēng)為主導(dǎo)的腔體應(yīng)用場景。本文根據(jù)腔體在大空間建筑中的導(dǎo)控方式，將其分為緩沖導(dǎo)控的表皮腔、植入導(dǎo)控的內(nèi)置腔和協(xié)同導(dǎo)控的共生腔（圖1 ～圖3），并以我們近年來的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐為案例，探討腔體導(dǎo)控技術(shù)作為被動式的綠色設(shè)計(jì)方法，如何同時(shí)成為空間的發(fā)生器和自然的接入器。

三、表皮腔——緩沖式導(dǎo)控

當(dāng)處于建筑表皮的位置時(shí)，腔體成為建筑調(diào)節(jié)內(nèi)外能量交換的皮膚。通過對其調(diào)節(jié)機(jī)制的設(shè)計(jì)，維持日照、通風(fēng)和溫度控制等要素之間的平衡，過濾不利的環(huán)境要素，成為內(nèi)外環(huán)境間的調(diào)節(jié)緩沖。表皮腔需要根據(jù)外部氣候條件因地制宜地研發(fā)適應(yīng)性的技術(shù)設(shè)計(jì)，將綠色設(shè)計(jì)和建筑本體的需求有機(jī)結(jié)合，成為一座呼吸式的可滲透性建筑[2]。在達(dá)到綠色性能的同時(shí)，呈現(xiàn)出表皮特殊的建構(gòu)表現(xiàn)力，實(shí)現(xiàn)建筑師可主導(dǎo)完成的低技化腔體設(shè)計(jì)。

在大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)的圖書信息中心設(shè)計(jì)中，考慮其所處的北方海濱環(huán)境，對于風(fēng)沙的抵御成為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無法回避的問題。為了在表皮密閉的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自然的通風(fēng)，我們在設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)部干墻和外部U 型玻璃組合的腔體設(shè)計(jì)構(gòu)造，外部U 型玻璃在阻擋風(fēng)沙侵襲的同時(shí)，保證內(nèi)部干墻的開窗可以獲得新鮮的空氣（圖4）。雙層幕墻上下均設(shè)置有可控制開合的百葉，夏季時(shí)百葉開啟，幕墻空腔成為拔風(fēng)的豎井，從底部帶來室外水面上的清涼空氣，從頂部帶走腔體內(nèi)的熱空氣；冬季時(shí)百葉關(guān)閉，空腔將輻射熱儲存起來成為小型的陽光暖房，被陽光加熱的空氣成為自然的保溫層（圖5）。另外，U 型玻璃半透明的質(zhì)感可以有效地過濾陽光直射，為室內(nèi)帶來柔和的光線效果，特別適合圖書館內(nèi)的閱讀需要，也使得室內(nèi)的空間效果更加簡潔純粹（圖6）。

圖1：表皮腔

圖2：內(nèi)置腔

圖3：共生腔

圖4：干墻+U玻表皮腔

圖5：表皮腔緩沖作用分析

在遼東灣創(chuàng)業(yè)中心的設(shè)計(jì)中，南向純凈的大斜面玻璃幕墻不希望被不同狀態(tài)的開啟扇破壞，而且斜面開啟本身的操作難度也較高（圖7）。同時(shí)，由于斜面面積較大，在降雨期間會形成從高處快速沖刷而下的雨水，在底部形成瞬時(shí)的大量匯水。各種設(shè)計(jì)條件的制約要求我們開發(fā)一種新的通風(fēng)方式，在保證立面效果的前提下實(shí)現(xiàn)自然換氣和雨水收集。我們在每層斜面處設(shè)計(jì)了一個(gè)三角形斷面的腔體空間，由外層的單層玻璃和內(nèi)層的雙層中空玻璃構(gòu)成，腔體空間作為南向觀景的陽臺，是室內(nèi)外的空間過渡。在每層的頂部設(shè)置一個(gè)獨(dú)特的調(diào)節(jié)導(dǎo)控裝置，通過高度和角度的精巧設(shè)計(jì)，該裝置可以在各層對雨水進(jìn)行截留與回收，同時(shí)玻璃百葉引導(dǎo)自然的空氣進(jìn)入空腔，表皮腔的通風(fēng)導(dǎo)控與內(nèi)部大空間形成聯(lián)動關(guān)系，結(jié)合內(nèi)部中庭為各層空間帶來流動的風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)對雨水和通風(fēng)的雙重導(dǎo)控，形成具有生態(tài)緩沖功能的建筑腔體形態(tài)（圖8、圖9）。

四、內(nèi)置腔——植入式導(dǎo)控

當(dāng)大空間建筑達(dá)到一定的進(jìn)深尺度時(shí)，建筑的核心空間因?yàn)檫h(yuǎn)離外部環(huán)境而成為能量交換的死角。內(nèi)置腔通過植入大空間的內(nèi)部，將光、風(fēng)、水等自然元素引導(dǎo)進(jìn)建筑核心內(nèi)部，在不影響建筑整體形態(tài)的前提下增大建筑與自然的接觸面。內(nèi)置腔的存在使得建筑從封閉的實(shí)體成為開放的多孔結(jié)構(gòu)，提高對外部物質(zhì)和能量的吸收效率，通過腔體的布局和數(shù)量動態(tài)地實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的導(dǎo)控。

植入大空間內(nèi)部的腔體按照尺度和屋頂開閉狀態(tài)的不同，分為天井、光井、風(fēng)井、中庭等多種類型。在不同的氣候環(huán)境下，對于腔體類型進(jìn)行因地制宜的選擇是非常重要的，腔體在某種模式下的拓?fù)渥冃我脖ＷC了對于環(huán)境的適應(yīng)性。比如在寒地的區(qū)域環(huán)境下，大型中庭式的腔體雖然可以在夏季實(shí)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)，但是在一年中更多的時(shí)節(jié)可能導(dǎo)致更大的能源耗散。相比較之下，小尺度天井和風(fēng)井是更加適宜的選擇。

在大連理工大學(xué)遼東灣校區(qū)的圖書信息中心設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)北方采暖季寒冷的氣候，組群建筑均采用體型系數(shù)較小的細(xì)胞狀形體，中心部位進(jìn)深較大。結(jié)合空間和內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的需要，我們在大進(jìn)深的建筑體量中設(shè)置了內(nèi)院和中庭，以增加空氣整體流通的渠道和自然采光的界面（圖10）。內(nèi)院和中庭的存在使得原本完全封閉的多層盒體成為多孔狀空間模式，但是一旦腔體設(shè)置過多或者過大，能源的耗散量將大于獲取量，反而造成浪費(fèi)。我們使用Fluent 氣流模擬軟件對不同的腔體方案進(jìn)行了氣流模擬比對，可以看出設(shè)置小尺度中庭和通高邊庭對室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境有顯著的改善（表1）。 以氣流的分析模擬為基礎(chǔ)，不斷拓?fù)湫哉{(diào)整腔體的形態(tài)和尺度[3]，最終通過氣流模擬比對形成了“窄邊庭”“小中庭”和“微內(nèi)院”的形態(tài)，在適應(yīng)寒地氣候的同時(shí)獲得和自然充分接觸的機(jī)會。

寒地公共建筑典型的空間格局是中間走廊、兩側(cè)房間，以降低熱量散失，但這種模式卻不可避免地犧牲了公共空間的環(huán)境舒適性。在教學(xué)樓的設(shè)計(jì)中，為改善封閉內(nèi)走廊的光環(huán)境與風(fēng)環(huán)境，利用腔體的原理在教學(xué)樓的走廊內(nèi)多處設(shè)置通高的垂直光井和微型內(nèi)院，一方面給光線不佳的走廊帶來自然的采光，節(jié)省了人工照明，同時(shí)光井的煙囪效應(yīng)可以在需要時(shí)加強(qiáng)室內(nèi)的自然換氣和通風(fēng)（圖11、圖12）。這種“針灸式”的局部介入方式，體現(xiàn)了腔體根據(jù)需要靈活布局的優(yōu)勢。

圖6：柔和的室內(nèi)光線

圖7：遼東灣創(chuàng)業(yè)中心

圖8：雨水收集和自然通風(fēng)

圖9：表皮腔通風(fēng)導(dǎo)控與內(nèi)部大空間的聯(lián)動關(guān)系

圖10：窄中庭和微內(nèi)院

五、共生腔——協(xié)同式導(dǎo)控

圖書信息中心腔體尺寸的通風(fēng)模擬比對 表1

在技術(shù)性主導(dǎo)的綠色設(shè)計(jì)語境下，無論是主動式的智能控制還是被動式的生態(tài)引導(dǎo)，對于腔體導(dǎo)控作用的研究僅局限在可量化的技術(shù)層面。然而對于綠色設(shè)計(jì)來說，空間的開放性和場所的體驗(yàn)性同樣是實(shí)現(xiàn)節(jié)地和舒適度的重要途徑。從建筑本體的層面看，腔體的導(dǎo)控不但是對抗大空間建筑體感舒適度的策略，同樣也是對抗其僵化空間模式的途徑。通過腔體的形態(tài)操作，空間的塑造和綠色性能之間的關(guān)聯(lián)性得以被重新定義，形成社會層面、精神層面、生態(tài)層面共生的協(xié)同式導(dǎo)控。本節(jié)以“十三五”課題“北方地區(qū)高大空間公共建筑綠色設(shè)計(jì)新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”的示范工程云智大數(shù)據(jù)中心為例，探討共生腔的多目標(biāo)統(tǒng)籌作用機(jī)制。

1.空間共享

圖11：內(nèi)置腔的自然采光和開啟換氣

云智大數(shù)據(jù)中心位于鄭州市西面，基地所在的環(huán)境丘陵起伏，以原生的自然生態(tài)為主導(dǎo)。該區(qū)域計(jì)劃在近期開發(fā)成為智能化和生態(tài)化為概念的山居小鎮(zhèn)，大數(shù)據(jù)中心是其規(guī)劃格局中重要的節(jié)點(diǎn)，位于小鎮(zhèn)核心虛軸的北端。在眾多小尺度集群的山居住區(qū)之間，大數(shù)據(jù)中心被塑造為一個(gè)極簡主義的金屬方體，以其突出的尺度形成公共性的同時(shí)，表面材料的反射性又使其消融于自然環(huán)境（圖13）。

在極簡體量的前提下，我們將一層用水平向的腔體挖空，使其貫穿南北。從區(qū)域的視角看，這個(gè)架空的腔體空間成為面向公眾共享的“城市客廳”，通過集約的用地模式達(dá)到聚人納氣的效應(yīng)。在豎向空間上，我們在左右兩側(cè)分別切出垂直的長條腔體，與水平腔體形成空間的連通。通過豎向的長腔，將底層架空處聚集的人群引導(dǎo)至通向二層入口的樓梯，形成開放的入口形象。腔體的介入模糊了建筑內(nèi)外的界限，創(chuàng)造出流動的空間體驗(yàn)（圖14）。

圖12：內(nèi)置腔的針灸式介入

圖13：云智大數(shù)據(jù)中心

圖14：腔體營造的共享空間

圖15：架空層的“金屬森林”

圖16：穿過架空層的水面

圖17：通往二層的玻璃樓梯

2.場所營造

場所是主體與環(huán)境的精神特質(zhì)共同形成的有意義的整體，通過場所精神性的營造，主體與外界相聯(lián)系，從而尋找到歸屬感[4]。異質(zhì)性的腔體對均質(zhì)大空間的介入，在人本尺度和建筑的大尺度之間建立了緩沖，使人的存在與建筑場所關(guān)聯(lián)在一起。

在大數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中，架空的水平腔體采用的既不是大尺度的大跨結(jié)構(gòu)，也不是以均質(zhì)抽象的柱網(wǎng)支撐，而是以簇狀的自由片柱形成一片金屬的“柱狀森林”。當(dāng)人置身于腔體中時(shí)，在陽光中投下的斑駁柱影之間，體驗(yàn)到的是穿梭于樹叢的自由漫步之感，再現(xiàn)了場地周邊自然環(huán)境的意象（圖15）。我們設(shè)計(jì)了一片鏡面的水池，以南北向穿過片柱的“森林”，水面上的若干棧橋引導(dǎo)人們從室外步入架空的腔體空間，進(jìn)一步強(qiáng)化了自然的體驗(yàn)（圖16）。架空層的片柱之間藏有交互式的水幕，通過感應(yīng)器對人所在位置的判定，控制落下的水幕避開人群。人的活動和周邊環(huán)境產(chǎn)生豐富的互動，對場所的體驗(yàn)由抽象的認(rèn)知轉(zhuǎn)化為具有情境性的認(rèn)同。

四部通向二層的玻璃樓梯置于垂直腔體的空間，豎向的空間比例限定出崇高的空間感，給上樓梯的漫步體驗(yàn)創(chuàng)造出某種儀式性。光線從頂部的“一線天”滲入，在腔體內(nèi)部的玻璃之間發(fā)射，隨著時(shí)間的流逝形成變幻的空間氛圍（圖17）。由于腔體的存在和導(dǎo)控，建筑和環(huán)境之間營造出具有詩性的空間，從而場所成為和主體不可分割的整體。

3.生態(tài)引導(dǎo)

從生態(tài)節(jié)能的維度考量，腔體的存在可以給大數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部空間帶來通風(fēng)和采光。在夏季炎熱的天氣里，水平腔體引導(dǎo)南北穿堂風(fēng)通過，帶著水面清涼的空氣，為共享的“城市客廳”提供舒適的體感。在腔體的植入模式上，我們在同樣截面積的前提下比對了中心集中型、兩側(cè)長條型和多點(diǎn)分散型三種布局方法，通過Fluent氣流模擬軟件進(jìn)行風(fēng)速分析，可以看出與方案一和方案二相比，多點(diǎn)分散型的室內(nèi)通風(fēng)明顯得以改善，且通風(fēng)的均好性更佳（表2）。同時(shí)，垂直植入的腔體與架空的水平腔連通，成為四通八達(dá)的腔體系統(tǒng)。通過分布均勻的小天井的拔風(fēng)效應(yīng)使氣流進(jìn)入二層、三層室內(nèi)空間，可以把水平腔中的新鮮空氣導(dǎo)入各層，形成貫穿全建筑的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)（圖18）。為了控制風(fēng)流的方向，在6 個(gè)小腔體頂部增加了導(dǎo)風(fēng)百葉，將自然風(fēng)導(dǎo)入兼作消防排煙的開啟扇中。而在長向的腔體中，為保證空間體驗(yàn)的簡潔效果取消了窗戶開啟，在各層的地板處設(shè)置條形的幕墻通風(fēng)器，與小腔體間形成對流。

除了通風(fēng)的功能，垂直的生態(tài)腔體還給各層帶來了自然采光。由于內(nèi)部空間以展覽為主，垂直腔體式的采光也避免了直射的眩光，給大空間內(nèi)部帶來柔和的輔助光線（圖19）。整個(gè)架空水平腔的地面都設(shè)計(jì)為雙層表面，雨水從垂直腔體中落下，通過地面鋪裝的縫隙滲入下層地面，形成對雨水的回收再利用（圖20）。

六、結(jié)語

圖18：腔體的通風(fēng)分析

圖19：腔體的采光分析

圖20：腔體的雨水收集分析

大空間公共建筑在建筑規(guī)模、空間特征、功能特性、技術(shù)制約及建造工藝的特殊性，決定了簡單套用綠色標(biāo)準(zhǔn)并不能完全真實(shí)地反映其綠色性能，特別是方案后期通過附加的綠色技術(shù)來優(yōu)化方案，往往和建筑設(shè)計(jì)的意圖相悖。本文所闡述的三種腔體設(shè)置方式都是從建筑師視角出發(fā)的綠色策略，在方案設(shè)計(jì)的初期即可介入并影響建筑的空間設(shè)計(jì)。“表皮腔”緩沖了外部不利條件對室內(nèi)環(huán)境的沖擊，并通過過濾作用獲得自然的物質(zhì)能量。對于表皮腔進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以獲得建筑立面獨(dú)特的表現(xiàn)性；“內(nèi)置腔”將大自然的新鮮空氣和陽光引入大空間建筑的封閉核心，以最小的代價(jià)獲得生態(tài)效益。通過軟件模擬比對，可以分析出腔體尺寸的相對優(yōu)解，并結(jié)合空間設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行耦合判斷；如果說“表皮腔”和“內(nèi)置腔”是兩種銜接自然與建筑的高效模式，那么“共生腔”則超越了作為自然接入器的性能化作用，讓腔體本身成為人可以體驗(yàn)的空間，形成“腔體—建筑”整合一體化。腔體在建筑的體系中不應(yīng)簡單被視為純功能性的附加器官，而應(yīng)該成為形式系統(tǒng)的組成部分和空間體驗(yàn)的重要內(nèi)容。腔體導(dǎo)控的不僅是綠色的能源利用，更是一種綠色的社會生活方式，以開放共享的空間建構(gòu)集約化的“公共性”。

大數(shù)據(jù)中心腔體布局的通風(fēng)模擬比對 表2

注釋

[1] 李鋼，項(xiàng)秉仁. 建筑腔體的類型學(xué)研究[J]. 建筑學(xué)報(bào)，2006（11）：18-21.

[2] 舒欣.氣候適應(yīng)性建筑表皮的設(shè)計(jì)模式研究[J].建筑師，2018（06）：112-117.

[3] 謝曉歡，賈倍思.建筑性能模擬軟件在綠色建筑設(shè)計(jì)不同階段的應(yīng)用效果比較[J].建筑師，2018（01）：124-130.

[4] 諾伯舒茲. 場所精神：邁向建筑現(xiàn)象學(xué)[M]. 施植明譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

圖片來源

圖4、圖6、圖7、圖10：由天作建筑研究院提供其余均為作者自繪。