基于能量流通結(jié)構(gòu)類型的建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略研究

■ 陶思旻 TAO Simin 張 琪 ZHANG Qi 陳煥彥 CHEN Huanyan

0 引言

建筑物通過消耗能源來提供電力、照明、供暖或制冷，成為造成氣候變化的主要排放源之一。面對(duì)氣候適應(yīng)下的節(jié)能減排問題，行業(yè)內(nèi)逐漸形成了一種趨勢(shì)，即依賴堆砌各項(xiàng)所謂低碳新技術(shù)來達(dá)到指標(biāo)要求。但這種做法可能會(huì)因技術(shù)設(shè)備生產(chǎn)過程中的資源消耗而造成更大的能源浪費(fèi)，顯然不是綠色節(jié)能的最佳選擇。氣候問題和設(shè)計(jì)問題便在這樣的技術(shù)觀念下產(chǎn)生了割裂，造成建筑地域性特征的缺失。當(dāng)下的建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備改變建筑元素、結(jié)構(gòu)、組成方式和審美標(biāo)準(zhǔn)的能力，正如瑞士建筑師菲利普·拉姆所說，“氣候不再是一種目標(biāo)，而應(yīng)是一種媒介，整合到建筑項(xiàng)目中，融合到建筑本身的語匯中”[1]。

從熱力學(xué)的視角來看，建筑和生命體一樣，是開放非孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)：氣候是系統(tǒng)的環(huán)境，建筑界面是系統(tǒng)的邊界，建筑不斷地與氣候環(huán)境進(jìn)行能量與物質(zhì)交換。因此，氣候是建筑系統(tǒng)外部的重要環(huán)境，氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)除了節(jié)能之外，還要積極尋找并利用氣候中的可再生能源，并與建筑形式相互結(jié)合。自奧戈雅于20 世紀(jì)60 年代提出“設(shè)計(jì)結(jié)合氣候”[2]，到后來建筑師在氣候、熱舒適與能耗三者之間建立了耦合聯(lián)系，再到當(dāng)下伴隨數(shù)字技術(shù)發(fā)展的環(huán)境性能模擬工具，氣候已真正進(jìn)入到建筑設(shè)計(jì)過程中。國內(nèi)現(xiàn)有關(guān)于建筑和氣候關(guān)系的研究多集中于某個(gè)具體的氣候分區(qū)，而較少對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)籌化的類型溯源和系統(tǒng)梳理，更較少觸及以氣候?yàn)辇嫶竽芰縼碓磳?duì)建筑形態(tài)直接影響的研究。隨著當(dāng)代建造技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了更大尺度的建筑類型（如高層建筑、大跨度大進(jìn)深建筑等），其功能和空間需求較之前有了很大變化；且建筑應(yīng)對(duì)氣候的經(jīng)驗(yàn)和建筑系統(tǒng)能量運(yùn)作的方式也豐富了許多。因此，研究建筑的形式和空間組織如何引導(dǎo)能量流動(dòng)以達(dá)到氣候適應(yīng)的目的，具有十分重要的意義。

1 建筑中的能量流通結(jié)構(gòu)

1978 年，美國學(xué)者米勒（James Grier Miller）針對(duì)開放自組織系統(tǒng)提出了“生命系統(tǒng)理論”（LST）。他認(rèn)為，無論系統(tǒng)屬于哪個(gè)層級(jí)，都由多個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)組成并用于能量、物質(zhì)和信息的流通過程。對(duì)于建筑來說，能量流通結(jié)構(gòu)是這些子系統(tǒng)在建筑形態(tài)中的呈現(xiàn)，主要包括捕獲行為和遞轉(zhuǎn)行為。其中，捕獲行為集中于建筑邊界，承擔(dān)了收集能量的能力；遞轉(zhuǎn)行為則深入建筑內(nèi)部，承擔(dān)轉(zhuǎn)載能量的能力。合理的建筑邊界設(shè)計(jì)能夠最大化地獲取氣候中的可用能量；而合理的建筑內(nèi)部組織能夠迅速傳輸和轉(zhuǎn)化這些能量并生成新的能量類型[3]。建筑形式就是這兩者的明確表達(dá)和有效統(tǒng)一。作為能量流通結(jié)構(gòu)起點(diǎn)的捕獲行為位于建筑邊界，不僅是圍合內(nèi)部空間的墻體或屋頂，更是一層過濾外部能量的界面系統(tǒng)。它阻擋了外部環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)部的不利影響，有選擇地捕獲外界氣候中的自然能量，再進(jìn)一步傳遞并轉(zhuǎn)化給內(nèi)部。建筑邊界捕獲了能量，作為能量流通結(jié)構(gòu)內(nèi)核的遞轉(zhuǎn)行為便會(huì)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)、傳遞、轉(zhuǎn)換與再分配。這個(gè)過程與建筑的功能和空間組織有關(guān)，有效的組織能夠減少遞轉(zhuǎn)過程的能量損耗。根據(jù)捕獲行為和遞轉(zhuǎn)行為，可以將建筑中的能量流通結(jié)構(gòu)分為3種類型（圖1），即：能量捕獲結(jié)構(gòu)（energy capture）、能量協(xié)同結(jié)構(gòu)（energy programming）和能量調(diào)控結(jié)構(gòu)（energy regular）。其中，能量捕獲結(jié)構(gòu)承擔(dān)捕獲行為，能量協(xié)同結(jié)構(gòu)承擔(dān)遞轉(zhuǎn)行為，能量調(diào)控結(jié)構(gòu)則同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)[4]。

圖1 能量流通結(jié)構(gòu)的3 種類型

1.1 能量捕獲結(jié)構(gòu)

建筑應(yīng)對(duì)氣候的能量捕獲結(jié)構(gòu)與建筑的界面形態(tài)關(guān)系緊密，如利用界面開口實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的內(nèi)部降溫，合理設(shè)置反射板角度以提升建筑內(nèi)部照度，采用結(jié)合建筑體形的多層界面形態(tài)，合理規(guī)劃界面朝向以達(dá)到良好的日照，采用界面間層設(shè)計(jì)以平衡輻射熱能等。根據(jù)外部氣候資源與內(nèi)部需求的綜合判斷來重塑界面，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)日照、通風(fēng)、溫度和視線的控制，而且能夠調(diào)節(jié)流轉(zhuǎn)于建筑界面內(nèi)外的能量，使內(nèi)部人群獲得適宜的光照、流動(dòng)的空氣和舒適的熱環(huán)境，并相應(yīng)地降低照明、通風(fēng)和供熱制冷能耗。

1.2 能量協(xié)同結(jié)構(gòu)

建筑應(yīng)對(duì)氣候的能量協(xié)同結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是規(guī)劃空間功能和運(yùn)用情況以平衡能量需求，提高能量流通的效率。吸收熱量的空間屬于“熱庫”（heat sink），產(chǎn)生熱量的空間屬于“熱源”（heat source），建筑師可通過組織熱源和熱庫在功能和位置上的關(guān)系，創(chuàng)造出最佳的空間組合，并營造出舒適的室內(nèi)物理環(huán)境。能量協(xié)同設(shè)計(jì)最主要的操作方式是層化空間，即：運(yùn)用并置、錯(cuò)層和圍合等策略，將有相似能量需求的空間進(jìn)行匯集。其中，并置策略指將不同能量需求類型的空間相鄰放置，可分為豎向和水平并置兩種方式，分別代表垂直與水平方向的能量傳遞；錯(cuò)層策略是將不同功能的空間穿插布置于不同標(biāo)高，以此構(gòu)建錯(cuò)落的空間形態(tài)；圍合策略則是以能量源為中心，功能沿四周分布圍合，按空間對(duì)能量的需求的遞減而按層次外退。

1.3 能量調(diào)控結(jié)構(gòu)

隨著仿生學(xué)的發(fā)展和新材料研發(fā)的突飛猛進(jìn)，生態(tài)技術(shù)在形體生成設(shè)計(jì)上的運(yùn)用有了新的發(fā)展；同時(shí)，數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)的同步運(yùn)用，也促進(jìn)了數(shù)據(jù)收集與環(huán)境模擬分析技術(shù)的進(jìn)步。建筑中的能量調(diào)控結(jié)構(gòu)從原來的評(píng)價(jià)性指標(biāo)升級(jí)成為建筑生成的邏輯之一，通過生態(tài)技術(shù)同建筑形態(tài)結(jié)合的設(shè)計(jì)手法，實(shí)現(xiàn)建筑環(huán)境性能的提升。其中具有代表性的建筑形體元素有：與屋面結(jié)合設(shè)計(jì)的光伏板、具有拔風(fēng)功能的“煙囪”、隱藏式雨水收集系統(tǒng)等，它們從設(shè)計(jì)層面出發(fā)，固化能量于建筑形體之中。

2 不同能量調(diào)控結(jié)構(gòu)類型下的建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

基于能量調(diào)控結(jié)構(gòu)的3 種基本類型，本文選取幾個(gè)位于不同氣候區(qū)的代表性案例（表1～3），從界面形態(tài)、空間形態(tài)和技術(shù)形態(tài)三方面進(jìn)行比較分析，以此從能量利用的本質(zhì)來揭示能量和形式之間關(guān)系，厘清建筑通過設(shè)計(jì)來應(yīng)對(duì)氣候的核心機(jī)制。

表1 以能量捕獲機(jī)制為主的4 個(gè)案例

2.1 能量捕獲結(jié)構(gòu)的界面形態(tài)適應(yīng)2.1.1 科隆大樓

科隆大樓是著名紡織公司科隆的研發(fā)辦公樓，位于韓國首爾，在柯本氣候分類中屬于夏熱大陸性氣候（柯本氣候Dwa），設(shè)計(jì)時(shí)需要重視炎熱季節(jié)的通風(fēng)遮陽。該辦公樓采用了不同于傳統(tǒng)的環(huán)境性能驅(qū)動(dòng)垂直遮陽界面：①由纖維增強(qiáng)聚合物制成的“遮陽傘”構(gòu)件相互搭接，懸于幕墻之外，選擇性地捕獲有利的自然光，以平衡遮陽和視線要求；②通向高中庭的內(nèi)界面也是外懸式的結(jié)構(gòu)化連續(xù)表皮，構(gòu)件內(nèi)置人工照明元件；③屋頂所收集的太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，為內(nèi)界面的照明提供能量（圖2）。

圖2 科隆大樓外懸遮陽傘的能量捕獲

表2 以能量協(xié)同機(jī)制為主的4 個(gè)案例

表3 以能量調(diào)控機(jī)制為主的4 個(gè)案例

2.1.2 珊頓云尚

珊頓云尚是位于新加坡的高層建筑，屬熱帶雨林氣候（柯本氣候Af），需要應(yīng)對(duì)全年的高溫高濕。建筑界面覆蓋了可調(diào)控的連續(xù)組合模塊，在立面上形成六角標(biāo)志性圖案：①隱藏在模塊框架內(nèi)部的通風(fēng)槽能夠捕捉周邊氣流；②模塊單元由凸窗、空調(diào)架和陽臺(tái)組合而成，巧妙的板塊角度和遮亮度能夠反射光線、提供遮陽；③播種機(jī)位于立面幕墻背后，創(chuàng)造出一道垂直綠化屏障，進(jìn)一步過濾光線和熱量（圖3）。

圖3 珊頓云尚組合模塊的能量捕獲

2.1.3 劍橋公共圖書館

這座公共圖書館位于美國波士頓，屬夏熱大陸性氣候（柯本氣候Dfa），外部氣候多變。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要減少環(huán)境波動(dòng)對(duì)內(nèi)部的影響。該建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為雙層界面，類似一道緩沖“熱毯”（thermal blanket）：其外層玻璃幕墻帶遮陽面板和通風(fēng)裝置；內(nèi)層有可開啟窗扇；中間是空氣間層，能夠防止熱損失、眩光和過量熱增益。夏季開啟外層底部通風(fēng)裝置，關(guān)閉內(nèi)層窗扇，再調(diào)整界面頂端遮陽面板的角度，引導(dǎo)太陽輻射加熱界面空腔上部空氣，以促進(jìn)雙層界面內(nèi)的熱壓通風(fēng)，帶走積蓄的熱量；冬季封閉內(nèi)層窗扇和外層通風(fēng)裝置，同樣調(diào)整遮陽面板角度引入陽光，加熱界面空腔；春秋季開啟內(nèi)層窗扇底部外層通風(fēng)裝置，促進(jìn)自然通風(fēng)（圖4）。

圖4 劍橋公共圖書館雙層空間界面的能量捕獲

2.1.4 社會(huì)城邦太陽塔

西班牙瓦倫西亞屬于地中海氣候（柯本氣候Csa），社會(huì)城邦太陽塔是當(dāng)?shù)匾蛔邔颖Ｕ闲宰》俊＝ㄖ饨缑娌捎眯虏牧祥_啟窗扇以加強(qiáng)雙向?qū)α魍L(fēng)，帶出室內(nèi)的熱量和濕氣；透光部分采用高反射率玻璃以減少熱輻射對(duì)室內(nèi)影響；平面形態(tài)則采用陣列算法得到反射率高的外部曲線輪，并輔以新型發(fā)射材料來減少熱交換。建筑通過平面輪廓所圍合出來的露臺(tái)空間、陽臺(tái)空間等半室外地帶，緩沖室內(nèi)外的熱交換（圖5）。

圖5 社會(huì)城邦太陽塔曲面熱反射的能量捕獲

2.1.5 小結(jié)

在上述4 個(gè)案例中，科隆大樓和珊頓云尚代表了結(jié)構(gòu)化的能量捕獲界面，將部分空間同界面結(jié)合在一起發(fā)揮捕獲氣流、光照、熱量等能量流的作用；劍橋公共圖書館代表雙層空間型界面，為內(nèi)部提供了一個(gè)氣候緩沖層，是室內(nèi)外的熱存儲(chǔ)中介；社會(huì)城邦太陽塔代表生態(tài)高性能材料結(jié)合外層緩沖空間的界面類型。其建筑界面擔(dān)負(fù)了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的熱交換調(diào)控功能，部分復(fù)雜界面還具備有熱能存儲(chǔ)功能，這些功能均與界面的材料熱阻、表面積、粗糙程度以及界面的反射、入射、折射角度有關(guān)。

2.2 能量協(xié)同結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)適應(yīng)

2.2.1 東門辦公樓

東門辦公樓座落于津巴布韋的哈拉雷，屬海洋亞熱帶高原氣候（柯本氣候Cwb）。這座大型辦公建筑以蓄熱體和自然通風(fēng)為被動(dòng)調(diào)控原則，在仿生學(xué)上參考了螞蟻的巢穴構(gòu)造，將建筑功能以垂直緯度布置，利用“煙囪效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)能量的垂直流動(dòng)：①兩座辦公樓沿著長邊平行布局，中庭頂部以玻璃覆蓋，提供充足采光；②辦公樓中央寬闊的走道中，有4 個(gè)剖面為V 形的通高豎井，豎井高高地伸出屋頂，使建筑底層和窗戶下方格柵流入的冷空氣通過頂部加熱不斷從豎井上升，形成天然的“拔風(fēng)筒”（圖6）。

圖6 東門辦公樓豎向并置空間的能量協(xié)同

2.2.2 托倫特制藥研究室

托倫特制藥研究室位于印度艾哈邁達(dá)巴德，屬低緯度草原和沙漠氣候（柯本氣候Bsh）。該建筑根植于當(dāng)?shù)貥O端的高溫環(huán)境，以南亞次大陸傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑的“捕風(fēng)塔”為原型，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的“被動(dòng)式取風(fēng)蒸發(fā)冷卻”（PDEC）系統(tǒng)，并在水平方向上將建筑功能依次展開以實(shí)現(xiàn)風(fēng)的流動(dòng)，從而帶動(dòng)環(huán)境溫度改良：建筑群以5 棟3 層的實(shí)驗(yàn)室建筑環(huán)繞中央大廳布置，高過建筑屋面的“捕風(fēng)塔”設(shè)置在建筑外側(cè)并自動(dòng)捕捉建筑頂部的氣流，氣流在塔頂部與冷卻水形成熱交換后流入建筑的中庭內(nèi)，再分散到各層周邊的房間內(nèi)，最終由排風(fēng)管排出室外（圖7）。

圖7 托倫特制藥研究室水平并置空間的能量協(xié)同

2.2.3 巴塞羅那自治大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心

西班牙的巴塞羅那屬地中海氣候（柯本氣候Csa），夏季炎熱干旱，冬季溫和多雨。該建筑是巴塞羅那自治大學(xué)的環(huán)境科學(xué)研究中心，建筑內(nèi)部豐富的空間和錯(cuò)落有致立面開口提供了良好的能量優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：建筑主要材料為蓄熱良好的混凝土，外表皮采用生物性能表皮，內(nèi)部使用功能采用木質(zhì)材質(zhì)形成若干“盒子空間”；同時(shí)，將熱源等散布在建筑各層，并在建筑內(nèi)設(shè)置4 個(gè)風(fēng)車狀的內(nèi)庭院，以解決采光和通風(fēng)需求。建筑各房間產(chǎn)生的熱量在夏季通過上述一系列復(fù)雜的綜合節(jié)能系統(tǒng)收集儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)了能量的分季節(jié)使用和循環(huán)輸出（圖8）。

圖8 巴塞羅那自治大學(xué)的環(huán)境科學(xué)研究中心錯(cuò)層操作空間的能量協(xié)同

2.2.4 柏林自由大學(xué)哲學(xué)系圖書館

德國柏林屬溫帶大陸性濕潤氣候（柯本氣候Cfb）。柏林自由大學(xué)哲學(xué)系圖書館是一個(gè)球形的集中體量，主體功能以一個(gè)雙層管鋼框架穹頂結(jié)構(gòu)圍合：穹頂?shù)耐鈱訕?gòu)造層次依次為含通氣口的遮光玻璃、絕熱性能高的鍍膜金屬板和可調(diào)節(jié)金屬百葉；穹頂?shù)膬?nèi)層是由可濾光、透光的半透明玻纖做成內(nèi)膜，將透射進(jìn)入穹頂內(nèi)層的陽光發(fā)散，給圖書館室內(nèi)以柔和光線。在春秋季等溫和季節(jié)，建筑表皮通風(fēng)口開啟自然通風(fēng)模式，使建筑底部的新鮮空氣通過核心筒加熱和分散；在冬夏季等耗能季節(jié)，建筑表皮百葉關(guān)閉，可通過核心筒內(nèi)的大型空氣管道來實(shí)現(xiàn)空氣的加熱或冷卻，并給各房間輸送新風(fēng)（圖9）。

圖9 柏林自由大學(xué)哲學(xué)系圖書館圍合操作空間的能量協(xié)同

2.2.5 小結(jié)

上述4 個(gè)案例中，包括太陽能煙囪、被動(dòng)蒸發(fā)冷卻捕風(fēng)塔、多天井通風(fēng)采光系統(tǒng)、雙層穹頂與核心筒通風(fēng)管道等形態(tài)都是能量流動(dòng)調(diào)度的基本形態(tài)。這些結(jié)構(gòu)雖然有著多樣的外在表現(xiàn)，但其內(nèi)部構(gòu)造仍然體現(xiàn)了能量流動(dòng)調(diào)度的邏輯，并具有氣候適應(yīng)型設(shè)計(jì)的地域智慧：東門辦公樓通過密集排列的拔風(fēng)筒“煙囪效應(yīng)”，來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)；托倫特制藥研究室以高塔群組布置形成被動(dòng)捕風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，達(dá)到室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的效果；巴塞羅那自治大學(xué)的環(huán)境科學(xué)研究中心以實(shí)驗(yàn)室和休息空間的穿插，構(gòu)成了能量流動(dòng)的平衡；柏林自由大學(xué)哲學(xué)系圖書館以雙層穹頂包裹的集中體量，體現(xiàn)寒冷地區(qū)常見的集聚形態(tài)，其豎向的內(nèi)部核心筒加上水平向底部通風(fēng)層聯(lián)合形成建筑空腔，實(shí)現(xiàn)了空氣熱交換及新風(fēng)供給。

2.3 能量調(diào)控結(jié)構(gòu)的技術(shù)形態(tài)適應(yīng)

2.3.1 索拉利斯

建筑位于新加坡One-north 科技園內(nèi)，擁有超過8 000 m2的景觀綠化。①雙塔之間形成了巨大中庭，通過軟件模擬太陽入射角確定立面遮陽百葉的具體位置和角度，以減少立面的熱交換；②環(huán)繞建筑立面一圈且總長達(dá)1.5 km 的螺旋形立面廊道結(jié)合豐富的垂直綠化設(shè)計(jì)，形成了立體的立面遮陽體系，也為建筑提供了一道生態(tài)屏障；③廊道向上延伸至屋頂?shù)幕▓@，向下延伸到底部成為“地下生態(tài)引擎”，將風(fēng)、光、水、綠延伸到建筑下方車庫層內(nèi)，不僅改善了車庫生態(tài)環(huán)境，也承擔(dān)了雨水回收系統(tǒng)的作用（圖10）。

圖10 索拉利斯“垂直綠廊”的能量調(diào)控

2.3.2 麗德塔市場(chǎng)

麗德塔市場(chǎng)位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴，屬海洋亞熱帶高原氣候（柯本氣候Cwb），太陽輻射較強(qiáng)烈。傳統(tǒng)大型購物中心常見玻璃外墻和封閉形態(tài)，而麗德塔市場(chǎng)顛覆了這種模式，創(chuàng)造出一個(gè)氣候友好的多層當(dāng)代集市。其建筑表皮原型來源于埃塞俄比亞傳統(tǒng)紡織品圖案，立面有經(jīng)過計(jì)算的大小不一的開口，用于控制采光通風(fēng)，遮擋了某些時(shí)刻的強(qiáng)烈輻射。屋頂?shù)膱A形光電生態(tài)傘既豐富了屋面景觀，又提供了遮陽；同時(shí)，在生態(tài)傘中設(shè)計(jì)隱藏式雨水收集系統(tǒng)，雨水經(jīng)管道至地下室集水池儲(chǔ)存，過濾后可再應(yīng)用于廁所等處。（圖11）。

圖11 麗德塔市場(chǎng)“生態(tài)之傘”的能量調(diào)控

2.3.3 韋德科學(xué)中心

韋德科學(xué)中心位于美國費(fèi)城，屬亞熱帶濕潤氣候（柯本氣候Cfa），需要同時(shí)考慮夏季防熱、冬季防寒及雨水的收集利用。這座科學(xué)中心擁有諸多實(shí)驗(yàn)室，屬于能源密集型建筑，它綜合考慮了自然采光、能量系統(tǒng)和雨水管理的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)：①建筑外立面包裹著通風(fēng)雨幕面板，將建筑內(nèi)部和表皮隔離開來，使空氣能夠在兩者間的狹小空間內(nèi)不斷循環(huán)，起到間層緩沖作用，減少熱傳遞；②雨水花園和屋頂花園采用循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少雨水徑流；③智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)雨水收集和使用，提供每年、每月甚至每小時(shí)的監(jiān)視器記錄（圖12）。

圖12 韋德科學(xué)中心“雨水花園”的能量調(diào)控

2.3.4 法國太陽能研究所

該建筑為法國太陽能研究所總部，位于法國中東部的尚貝里，屬溫帶海洋性氣候（柯本氣候Cfb）。它的特殊之處在于實(shí)驗(yàn)室平日有較高熱負(fù)荷，因此，可采用智能控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)熱模擬來調(diào)整不同時(shí)段、不同季節(jié)的策略：①在30°角傾斜的巨型羽翼屋頂上安裝熱傳體感器和光伏，利用屋頂?shù)膬A角和方位分布，提供建筑運(yùn)行所需的40%以上能量；② 面向海灣的立面凸窗遮陽可減少建筑制冷制熱的負(fù)荷；③中庭頂部自動(dòng)控制開合的天窗優(yōu)化了自然光分布（圖13）。

圖13 法國太陽能研究所“太陽之翼”的能量調(diào)控

2.3.5 小結(jié)

上述4 個(gè)案例中，建筑通過技術(shù)元素提高能量調(diào)控效率。索拉利斯將能量調(diào)控技術(shù)結(jié)合界面形態(tài)，利用環(huán)繞建筑外部的垂直綠廊串聯(lián)立面遮陽、屋頂花園和地下集水單元；麗德塔市場(chǎng)將能量調(diào)控技術(shù)結(jié)合構(gòu)造形態(tài)，采用兩排光電遮陽傘形成特殊屋頂形式；韋德科學(xué)中心將能量調(diào)控技術(shù)結(jié)合景觀形態(tài)，將屋頂和周邊花園與雨水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合起來，采用智能監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)控各系統(tǒng)作用，提高效率；法國太陽能研究所將能量調(diào)控技術(shù)結(jié)合屋面形態(tài)，羽翼狀的屋頂聯(lián)合智能熱傳感器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)熱模擬以實(shí)時(shí)追蹤空間和設(shè)備的使用情況。各種技術(shù)元素同建筑本體緊密結(jié)合，分布在建筑各要素中，成為了建筑這個(gè)開放大系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)。

3 結(jié)語

作為熱力學(xué)系統(tǒng)的建筑依賴于氣候環(huán)境生存。在熱力學(xué)的視角下，物質(zhì)意義上由風(fēng)、光、雨、熱構(gòu)成的氣候可看作是不同形式的能量來源，支撐著建筑系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。建筑需要借助合理的流通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來獲得能量、存儲(chǔ)能量和轉(zhuǎn)化能量。氣候和建筑之間的協(xié)同關(guān)系，是通過材料、構(gòu)造、空間等方面來反饋系統(tǒng)能量流動(dòng)組織的表現(xiàn)。這種系統(tǒng)轉(zhuǎn)換使得建筑從空間與結(jié)構(gòu)的建構(gòu)轉(zhuǎn)向了熱環(huán)境的建造——建筑由建構(gòu)思維轉(zhuǎn)向氣候思維，再轉(zhuǎn)向能量思維。建筑構(gòu)件（技術(shù)元素）和建筑整體形成了子母系統(tǒng)的關(guān)系，因而無論是在分析還是設(shè)計(jì)過程中，建筑師都必須以整體思維加以考量。本文以熱力學(xué)的系統(tǒng)思維分析氣候、能量和建筑之間的內(nèi)在關(guān)系，從新的角度提供一種更為綜合客觀研究方式，思考建筑作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，其空間、結(jié)構(gòu)和組織等的原型潛力和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化[5]，探究建筑本體如何通過能量流動(dòng)來化解人與氣候之間的必然矛盾，以期為相關(guān)人員提供參考。