王雪菲,雷振東,陳景衡(通訊作者)/WANG Xuefei, LEI Zhendong, CHEN Jingheng (Corresponding Author)
近年來我國(guó)各地區(qū)許多以高校為主的學(xué)術(shù)團(tuán)體,對(duì)典型傳統(tǒng)地域性建筑的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究。劉加平院士團(tuán)隊(duì)在西藏高寒、新疆干熱、云南多民族等典型地區(qū),對(duì)傳統(tǒng)民居中所蘊(yùn)含的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了科學(xué)化與技術(shù)化研究,提出適宜的地域生態(tài)住宅模式,并進(jìn)行了示范項(xiàng)目的建設(shè)[2]。宋曄皓等人對(duì)夏熱冬冷地區(qū)村鎮(zhèn)農(nóng)宅進(jìn)行研究,提出了基于鄉(xiāng)野調(diào)研的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略庫(kù)和綠色建筑設(shè)計(jì)框架[3]。魯安東等人對(duì)江浙地區(qū)傳統(tǒng)蠶室建筑進(jìn)行了類型化的研究,分析了其建筑形式與環(huán)境調(diào)控原理之間的關(guān)系[4-5]。肖毅強(qiáng)總結(jié)了嶺南地區(qū)傳統(tǒng)聚落中的典型類型空間,提出了“氣候空間”的概念,并對(duì)其形態(tài)尺度進(jìn)行了定量研究[6]。張彤等人以“熱力學(xué)模型”為分析框架,探索了徽州鄉(xiāng)土建筑內(nèi)在的生態(tài)機(jī)制[7]。這些學(xué)者團(tuán)隊(duì)采用了多學(xué)科交叉的研究方法,在規(guī)律和原理層面對(duì)傳統(tǒng)地域性建筑的生態(tài)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了研究,對(duì)本研究有很大啟示。
青海省河湟地區(qū)具有生態(tài)脆弱、資源稀缺、氣候嚴(yán)寒的環(huán)境特征,以及濃厚的宗教氛圍和多民族融合的文化特征,其地方傳統(tǒng)建筑源遠(yuǎn)流長(zhǎng),特色鮮明。然而,隨著城市化的快速發(fā)展,該地區(qū)面臨環(huán)境資源惡化、地域建筑文化消亡的嚴(yán)重問題。在地域文化背景下,如何實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)的目標(biāo)?通過科學(xué)系統(tǒng)的研究,從原理層面理解傳統(tǒng)建筑的環(huán)境作用機(jī)制,重構(gòu)地域建筑生態(tài)知識(shí)體系,對(duì)于現(xiàn)代地域建筑設(shè)計(jì)的研究是十分必要的。
傳統(tǒng)地域性建筑受到環(huán)境氣候、經(jīng)濟(jì)技術(shù)和社會(huì)文化等各方面的影響,各個(gè)因素之間互相制約、平衡,關(guān)系復(fù)雜,難以量化,某些文化上的影響甚至是“反氣候”的[8]。如果單純從技術(shù)層面對(duì)傳統(tǒng)建筑生態(tài)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究,有忽視建筑學(xué)科復(fù)雜性和脫離設(shè)計(jì)研究核心價(jià)值的局限。如何厘清要素間的關(guān)系,明確模式演化的動(dòng)因,將生態(tài)經(jīng)驗(yàn)從多要素的復(fù)雜作用中剝離出來,明確其中的技術(shù)原理,再將其還原到地域文化語境中,并在現(xiàn)代建筑體系下,轉(zhuǎn)換成為建筑師可操作的具體設(shè)計(jì)模式。特別是小體量的傳統(tǒng)建筑的生態(tài)經(jīng)驗(yàn),在大尺度公共建筑中如何轉(zhuǎn)化以及適用性,都是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。
本文以青海省河湟地區(qū)傳統(tǒng)莊廓為研究對(duì)象,解析其“厚重”生態(tài)經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)原理,并將其轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代建筑體系中的設(shè)計(jì)模式,利用空間形態(tài)策略詮釋傳統(tǒng)建筑的生態(tài)內(nèi)核,以解決地域文化傳承和綠色需求發(fā)展之間的矛盾。
莊廓是青海河湟地區(qū)特有的傳統(tǒng)民居類型,其整體形態(tài)規(guī)整,中間設(shè)置院落,四面由房間或院墻圍合而成。最外側(cè)為生土夯筑而成的高大院墻,除入戶大門外沒有任何開口,外觀封閉厚重。房間全部朝向院落,內(nèi)墻多由精致的木雕門窗組成,木質(zhì)梁枋層次豐富,與質(zhì)樸封閉的外觀相比,顯得精巧通透。整體呈現(xiàn)外封內(nèi)敞、外拙內(nèi)秀的形態(tài)特征(圖1)。
1 河湟地區(qū)傳統(tǒng)莊廓聚落和建筑(攝影:王雪菲)
河湟地區(qū)氣候嚴(yán)寒、輻射強(qiáng)烈、多風(fēng)沙,資源匱乏,為應(yīng)對(duì)外部條件,形成相對(duì)舒適的居住環(huán)境,傳統(tǒng)莊廓發(fā)展出了多種生態(tài)經(jīng)驗(yàn)策略。其中,作為分隔莊廓內(nèi)部環(huán)境和外部氣候的界面,厚重院墻起到了尤為重要的環(huán)境調(diào)節(jié)作用。同時(shí),院墻是莊廓外部形態(tài)中占據(jù)面積最多的要素,它使建筑與所處的黃土高原地理環(huán)境渾然一體,構(gòu)成了人們對(duì)于該地區(qū)人居環(huán)境的整體意象。
傳統(tǒng)莊廓的整體形態(tài)外封內(nèi)敞,內(nèi)部院落低矮開敞,利于爭(zhēng)取更多太陽(yáng)輻射,而外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚重封閉,有效隔離外部嚴(yán)寒氣候,減緩內(nèi)部熱量的流失(圖2)。外部院墻形態(tài)上有明顯收分,由上至下厚度約為400~1000mm,千戶院等建筑的外墻隨高度的增加則厚度更大。院墻采用生土夯筑而成,表面涂抹草泥,生土經(jīng)過夯筑之后,密度可達(dá)1800~2000kg/m3,質(zhì)量很大,熱阻值和比熱容遠(yuǎn)高于普通磚墻[9]。白天吸收太陽(yáng)輻射儲(chǔ)存在墻體中,夜晚釋放熱量,可減小室內(nèi)溫度波動(dòng),減緩溫度變化,有效應(yīng)對(duì)河湟地區(qū)晝夜溫差大的特點(diǎn)。此外,莊廓在建造時(shí)首先夯筑外部院墻,后期再根據(jù)功能需要不斷建造房間,建造房間時(shí)會(huì)在院墻內(nèi)側(cè)再砌筑一道土坯內(nèi)墻,因此,外墻是由夯土院墻和土坯內(nèi)墻組成的雙層墻結(jié)構(gòu),雙墻之間的空氣間層可對(duì)外部嚴(yán)寒氣候進(jìn)行緩沖,起到進(jìn)一步的保溫防寒作用。
2)放眼全球,重點(diǎn)選擇。在??松梨诠镜钠叽笥蜌鈶?zhàn)略區(qū)中,北美、南美、大洋洲是核心戰(zhàn)略區(qū),其次是歐洲和非洲,而亞洲及中東并不具有重要位置。中東以資源豐富且優(yōu)質(zhì)著稱,??松梨诓]有太多涉足,僅進(jìn)入卡塔爾、阿聯(lián)酋、伊拉克等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家,也不占據(jù)主導(dǎo)地位。亞洲也是諸多國(guó)際石油公司早期進(jìn)入并視為核心的戰(zhàn)略區(qū),埃克森美孚除了在哈薩克斯坦與雪佛龍、殼牌等大石油公司聯(lián)合作業(yè)參股田齊茲、卡沙甘等少數(shù)幾個(gè)大項(xiàng)目外,只進(jìn)入印尼、馬來西亞等少數(shù)國(guó)家,存在感不強(qiáng)。??松梨诜浅?春枚砹_斯北極地區(qū),但隨著美國(guó)對(duì)俄羅斯實(shí)施能源制裁,埃克森美孚不得不撤出了其在俄羅斯北極龐大的勘探項(xiàng)目。
傳統(tǒng)莊廓的厚重外墻是在當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)資源、氣候環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、社會(huì)文化等多方面因素互相作用、影響下形成的。處于黃土高原與青藏高原的過渡地帶,河湟地區(qū)地表深厚的黃土層為當(dāng)?shù)氐臓I(yíng)建活動(dòng)提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ),生土土料經(jīng)過水分控制和強(qiáng)力夯擊,顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié),使夯筑體的力學(xué)性能和耐久性大幅改善,作為建筑材料取材方便、成本低廉。但由于夯土墻體的抗壓強(qiáng)度大,抗拉、抗剪強(qiáng)度較差,需要較大的截面尺寸以增加側(cè)推力,因此傳統(tǒng)莊廓的院墻十分厚重,洞口極少,以避免受力不均。這種厚度和質(zhì)量上的增加,同時(shí)也提高了夯土墻的熱工性能,有效應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)貒?yán)寒和溫差大的氣候特點(diǎn)。多方面因素的復(fù)合作用下,逐漸穩(wěn)定,最終形成了該地區(qū)的“厚重”建筑類型。
在傳統(tǒng)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,物質(zhì)實(shí)體承擔(dān)了結(jié)構(gòu)、圍護(hù)、保溫和裝飾的多重作用,也被賦予了建構(gòu)、生態(tài)和文化等多重意義,有著很強(qiáng)的復(fù)合性,是一種提高資源利用效率的營(yíng)建策略,蘊(yùn)含著傳統(tǒng)社會(huì)樸素的生態(tài)觀。然而隨著新型材料的開發(fā)和建造技術(shù)的提升,在現(xiàn)代建筑體系中,尤其是在大型公共建筑復(fù)雜且高質(zhì)量的建設(shè)需求下,混凝土材料、框架結(jié)構(gòu)、保溫系統(tǒng)以及飾面材料被廣泛采用,現(xiàn)代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各方面作用被層層分解,傳統(tǒng)的厚重圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合性也被消解。保溫系統(tǒng)的全面包覆使建筑環(huán)境與外部氣候割裂,環(huán)境調(diào)控的目標(biāo)被從建筑設(shè)計(jì)的范疇中剝離。此外,僅依靠外飾面層對(duì)地域性進(jìn)行回應(yīng),建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系很難從外部得到感知,忽略了外在形式背后的動(dòng)因[10],這樣的“厚重”難免成為停留于外在形象層面的簡(jiǎn)單模仿。
在河湟民俗文化博物館的方案設(shè)計(jì)中,作為地區(qū)標(biāo)志性文化類公共建筑,項(xiàng)目需要構(gòu)建典型河湟地域建筑的風(fēng)格,表達(dá)河湟地域文化。同時(shí)也需要遵循生態(tài)設(shè)計(jì)原則,達(dá)到國(guó)家對(duì)于新建公共建筑應(yīng)按照綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)的要求,面對(duì)目前普遍出現(xiàn)的綠色技術(shù)指標(biāo)化和設(shè)備堆砌化的困境。因此,如何解決地域文化傳承和綠色技術(shù)發(fā)展之間的矛盾,是設(shè)計(jì)中需要深入思考的問題。為了響應(yīng)地方氣候環(huán)境,從結(jié)構(gòu)層面建立建筑與地域場(chǎng)所的關(guān)聯(lián),設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)受到傳統(tǒng)莊廓的啟發(fā),嘗試將其“厚重”生態(tài)經(jīng)驗(yàn)在原理層面進(jìn)行轉(zhuǎn)化;以期在大型公共建筑的前期設(shè)計(jì)中,利用空間形態(tài)策略提升建筑的生態(tài)績(jī)效,使傳統(tǒng)建筑的生態(tài)原則成為地域形式表達(dá)的內(nèi)在邏輯,并將其轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的具體模式(圖3)。
2 傳統(tǒng)莊廓厚重圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑中的生態(tài)作用(繪制:王雪菲)
傳統(tǒng)厚重圍護(hù)界面的構(gòu)造是基于材料的物質(zhì)性產(chǎn)生的,形態(tài)上的厚度賦予其空間上的縱深,使其從一個(gè)二維的界面變成三維的實(shí)體,延長(zhǎng)了室內(nèi)外熱量交換的路徑,輻射得熱被儲(chǔ)存、緩釋,從而使其獲得力學(xué)和熱工性能的提升?,F(xiàn)代建造體系中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)已無需利用厚重質(zhì)量來獲得性能的改善,但通過從實(shí)體物質(zhì)到腔體空間的轉(zhuǎn)化,依然可以對(duì)建筑主體環(huán)境起到緩沖作用,達(dá)到提升環(huán)境性能的目標(biāo),同時(shí)整合功能和形態(tài)需求(圖4),以此延續(xù)傳統(tǒng)莊廓厚重外墻多重作用復(fù)合的特性,達(dá)到內(nèi)在邏輯和外在形式的統(tǒng)一,是一種多目標(biāo)復(fù)合的設(shè)計(jì)決策。
在腔體空間中,導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種傳熱方式同時(shí)存在,由于靜止的空氣介質(zhì)導(dǎo)熱性小,封閉的空氣間層可以起到良好的保溫、隔熱作用(圖5)。但不同于普通材料層,空氣間層的熱阻并不與其厚度成正比,主要受到兩個(gè)界面上的空氣邊界層厚度和界面之間的輻射換熱強(qiáng)度的影響[11]。在我國(guó)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范中,給出了不同特定工況下,厚度在13~90mm的封閉空氣間層熱阻取值[12],適用于構(gòu)造層面的腔體。但對(duì)于能夠整合一定功能和形態(tài)需求的、空間層面的,以及體量較大的腔體,對(duì)于其環(huán)境性能影響的研究目前還比較少。
為了明確空間層面的腔體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響,本文分別采用了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)方法,對(duì)簡(jiǎn)化房間模型進(jìn)行計(jì)算。采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法時(shí),將腔體視作外墻部分結(jié)構(gòu),空氣間層熱阻的計(jì)算結(jié)果受形態(tài)影響較?。磺腋淖兤錈嶙?,房間內(nèi)平均溫度幾乎不變,這主要是由于外墻的傳熱系數(shù)較小,增加熱阻對(duì)房間熱環(huán)境影響不大。采用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算,將腔體作為單獨(dú)熱區(qū)時(shí),四周有腔體的房間室內(nèi)平均溫度波動(dòng)較小,年總熱、冷負(fù)荷減少10%左右,說明腔體作為緩沖空間,有效抵御了室外氣候的影響(圖6);增加空腔寬度,房間內(nèi)平均溫度變化較小,但由于房間傳入空腔的熱量增多,房間熱負(fù)荷隨之稍有增加(圖7),說明腔體寬度較小,保持較為狹長(zhǎng)的形態(tài)時(shí),有利于單位空間提升環(huán)境性能的效率。
3 河湟民俗文化博物館方案設(shè)計(jì)效果圖(圖片來源:西北荒漠區(qū)綠色建筑模式與技術(shù)體系課題組)
4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和特性
5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)體與腔體空間的熱過程
6 四周有腔體房間的溫度場(chǎng)
7 腔體寬度對(duì)熱負(fù)荷的影響
8 不同需求下的腔體空間類型
9 河湟民俗文化博物館方案設(shè)計(jì)中的腔體類型
以河湟民俗文化博物館方案設(shè)計(jì)為例,通過厚重外墻到腔體空間的轉(zhuǎn)譯,團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)前期探索了不同功能需求和形態(tài)需求下的腔體空間類型(圖8、9),以期建筑在形成良好環(huán)境性能的同時(shí),與當(dāng)?shù)貧v史文脈產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的關(guān)聯(lián)。
4.3.1 功能需求下的腔體類型
根據(jù)不同功能對(duì)環(huán)境性能要求的等級(jí)差異,公共建筑空間可分為低性能空間、普通性能空間和高性能空間[13]。對(duì)于河湟地區(qū)嚴(yán)寒氣候,低性能空間適宜分布于建筑周邊,作為普通或高性能空間與室外氣候的過渡,使空間布局響應(yīng)熱量的傳遞邏輯。例如,設(shè)備、儲(chǔ)藏、交通等輔助功能,可與形態(tài)狹長(zhǎng)的腔體空間相結(jié)合,解放主體使用空間的同時(shí),使其形態(tài)完整而具有更多使用功能上的可能性,提高空間使用效率。
(1)設(shè)備功能
在博物館建筑中,展廳作為核心功能,占使用空間的比例很大,并且作為對(duì)室內(nèi)物理環(huán)境有較高要求的高性能空間,需要通風(fēng)、空調(diào)等大量設(shè)備系統(tǒng)的支撐。在本案例設(shè)計(jì)中,中心展廳是整體空間序列的高潮,采用了集中向心的形態(tài)。為保證展廳內(nèi)部空間的純粹和完整,將設(shè)備系統(tǒng)在建筑空間層面進(jìn)行組織,與房間四周的腔體空間進(jìn)行整合,避免附加后期裝修遮蔽管線,使建筑結(jié)構(gòu)在空間內(nèi)部得到更為真實(shí)的表現(xiàn)。
在本案例設(shè)計(jì)中,展廳周圍布置了雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu),形成腔體空間,并將空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)管道和雨水管道集中置于腔體內(nèi),預(yù)留了檢修空間。其中兩個(gè)集中展廳的體量較大,層高分別為14m和20m,為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并且避免腔體內(nèi)空氣因垂直方向溫差過大引起過多對(duì)流換熱,將其在豎向上分別劃分為兩層和三層。展廳內(nèi)墻設(shè)置可開啟側(cè)高窗,外墻對(duì)應(yīng)處設(shè)置百葉,使展廳內(nèi)部能夠自然排煙,減少消防設(shè)備管道,在設(shè)計(jì)前期達(dá)到設(shè)備減量的目的(圖10)。
10 河湟地區(qū)“厚重”生態(tài)模式的設(shè)計(jì)應(yīng)用
11 交通功能的腔體空間
(2)交通功能
交通空間因有明確的方向性,多呈現(xiàn)線性形態(tài),與樓梯、坡道或走廊結(jié)合時(shí),形成兩側(cè)封閉、垂直高聳的空間形態(tài),因富有表現(xiàn)力而經(jīng)常在博物館、展覽館等公共建筑中出現(xiàn)。作為使用者短暫停留的場(chǎng)所,交通空間對(duì)環(huán)境性能的要求等級(jí)較低,特別是僅用作疏散功能的樓梯間對(duì)于能耗的要求幾乎為零,利用交通空間作為腔體對(duì)室外環(huán)境進(jìn)行緩沖,可有效減少主要使用空間的熱損失。本案例中內(nèi)院的微氣候相對(duì)穩(wěn)定,面對(duì)內(nèi)院設(shè)置坡道的腔體空間采用了雙層玻璃幕墻構(gòu)造,緩沖外部氣候的同時(shí)充分利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)充得熱(圖11)。
4.3.2 形態(tài)需求下的腔體類型
在文化類建筑的設(shè)計(jì)中,通過形態(tài)表達(dá)對(duì)地方歷史文化進(jìn)行回應(yīng)是不可回避的需求。根據(jù)傳統(tǒng)莊廓的外部形態(tài)特點(diǎn),例如,收分和深洞口形成不同形態(tài)的空腔類型,結(jié)合不同功能需求和環(huán)境性能需求,達(dá)到形態(tài)表達(dá)(expression)和環(huán)境性能(performance)的復(fù)合目標(biāo)[10],以及外在形態(tài)表達(dá)和內(nèi)在空間邏輯的統(tǒng)一(圖12)。
(1)收分形態(tài)
為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,傳統(tǒng)莊廓的夯土院墻采用了上窄下寬的收分形式,也使整體形態(tài)顯得更加敦厚。在該博物館設(shè)計(jì)中,為了回應(yīng)地域性的表達(dá),在單層展廳和辦公區(qū)域等外部采用了收分形態(tài)的腔體空間,其中內(nèi)墻材料為加氣混凝土砌塊,外墻采用了預(yù)制混凝土墻板,保證傾斜外墻的施工效果。部分腔體作為集中設(shè)備管線的空間或是直接作為土建風(fēng)道。
(2)深窗洞形態(tài)
因?yàn)楹煌翂Φ目辜魪?qiáng)度較差,傳統(tǒng)莊廓的外墻上很少開洞口且開洞面積較小,狹小的洞口由于墻體厚度顯得更加深入。本案例設(shè)計(jì)中,在功能或形態(tài)上需要開洞口的部位,結(jié)合腔體空間形成了深洞口,增加了建筑立面的層次。部分窗洞采用了耐候鋼板材質(zhì)的窗套,強(qiáng)調(diào)洞口的縱深感,暗示墻體的厚度。窗間墻部分的腔體結(jié)合設(shè)備功能,保證展廳空間的完整性。
本文提取了河湟地區(qū)傳統(tǒng)莊廓“厚重”建筑類型,對(duì)其內(nèi)在的生態(tài)原理和復(fù)合性進(jìn)行了解析,利用腔體對(duì)嚴(yán)寒氣候的緩沖作用,完成從實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)到腔體空間的轉(zhuǎn)譯。在此基礎(chǔ)上,以河湟民俗文化博物館方案設(shè)計(jì)為例,研究在文化類公共建筑中不同功能需求、不同形態(tài)需求下的復(fù)合腔體類型。后續(xù)將對(duì)辦公、學(xué)校、酒店和商業(yè)等更多功能類型的公共建筑進(jìn)行探索,形成一系列的腔體模式圖解,探尋更多空間類型演變的可能,實(shí)現(xiàn)環(huán)境性能、形式以及功能需求的整合,延續(xù)地域傳統(tǒng)建筑的生態(tài)內(nèi)核,達(dá)到建筑文化傳承和綠色發(fā)展為一體的復(fù)合目標(biāo),為我國(guó)西北地區(qū)的綠色建筑設(shè)計(jì)提供新的研究思路?!?/p>
12 收分形態(tài)和深洞口形態(tài)的腔體空間(4-12繪制:王雪菲)