基于建筑氣候空間的可持續(xù)建筑設計方法

肖毅強

基于建筑學立場的可持續(xù)建筑設計，需要從系統(tǒng)性的角度進行討論，尤其是基于人的行為的適用性與舒適性。筆者團隊總結了一個有利于梳理問題邏輯的討論模型（圖1）。從工程學視角來看，建筑是滿足人使用需求的資源管理系統(tǒng)。資源管理在當代語境下包括了物質(zhì)、能源和信息三大要素。建筑工程系統(tǒng)包括了建筑空間系統(tǒng)、建筑結構系統(tǒng)和建筑環(huán)境控制系統(tǒng)（特指建筑物理環(huán)境）。將資源管理三要素結合到相應系統(tǒng)，便形成相應的技術策略。例如：對于空間系統(tǒng)，是集約、協(xié)同、共享?？臻g集約滿足現(xiàn)代社會便利、高效的需求；空間協(xié)同指對外與周邊環(huán)境、群體關系，對內(nèi)為與結構、設備的良性整合；空間共享則對應信息流支持下空間資源的高效使用，涉及分享、交流、互利等模式問題。同樣，建筑結構系統(tǒng)對應物料節(jié)約、產(chǎn)業(yè)化建造與循環(huán)使用；環(huán)境控制系統(tǒng)對應氣候適應、能源模式與性能優(yōu)化。概括而言，可持續(xù)建筑設計需要在三大系統(tǒng)、九個要素的組合體系中進行綜合優(yōu)化，其中，基于人的行為與舒適的空間系統(tǒng)營造是建筑學科的核心問題。

1 作為資源管理的建筑系統(tǒng)

在非空調(diào)時代的地域傳統(tǒng)建筑可以歸類為當今的“低能耗建筑”，其空間營造具有較好氣候適應性，提供了較為舒適的日常生活空間。結合當代建筑“氣候設計”概念，筆者提出“建筑氣候空間”概念[1]。氣候空間特指具氣候適應性價值的建筑空間，具有遮陽擋雨、防熱緩沖、引導通風、改善采光等作用。嶺南傳統(tǒng)建筑從傳統(tǒng)村落到近代城鎮(zhèn)建筑，皆留下了寶貴的氣候空間經(jīng)驗，包括冷巷、院子、天井、涼棚、騎樓、外廊、陽臺等。氣候空間往往與外部氣候直接相關，并通過空間系統(tǒng)發(fā)揮作用。通過對傳統(tǒng)建筑氣候空間關系的提煉，可以總結出傳統(tǒng)村落的“街巷+內(nèi)院”、竹筒屋的“通廊+天井”，及近代建筑的“外廊（騎樓）+梯井”等多種氣候空間系統(tǒng)（圖2）。氣候空間的使用改善了建筑微氣候，而在現(xiàn)代建筑中可以起到減少空調(diào)的使用空間、使用時長及降低空調(diào)能耗等綜合作用[2]。通過氣候空間系統(tǒng)的構建，結合全年氣候變化及使用工況，功能空間和人工建筑環(huán)境調(diào)節(jié)的關系得到重構，從而實現(xiàn)建筑低碳節(jié)能運行并滿足舒適、健康的挑戰(zhàn)。

2 嶺南傳統(tǒng)建筑中的氣候空間系統(tǒng)示例

我們將科學研究與項目設計結合起來，對傳統(tǒng)建筑的氣候空間進行分析研究。通過實測和模擬手段，掌握其空間系統(tǒng)的規(guī)律性原理，再將原理在當代建筑設計中加以應用，在一系列的項目中運用了“建筑氣候空間”的方法，并通過檢驗證明具有良好的效果。

在筆者作為主要指導教師的華南理工大學隊參加3 次國際太陽能十項全能競賽中，皆采取了“向傳統(tǒng)學習”的方式和“氣候空間”的設計策略，運用傳統(tǒng)建筑營造智慧，實現(xiàn)了比賽房屋的優(yōu)異性能，取得了優(yōu)秀的成績。國際太陽能十項全能競賽（Solar Decathlon）最初由美國能源部發(fā)起并主辦，以全球高校為參賽單位的太陽能建筑綠色技術競賽，比賽為建成房屋比賽，現(xiàn)全球擁有7 個賽區(qū)。比賽房屋需在能源效率、工程與建造、能源管理、房屋舒適度、房屋功能、可持續(xù)性、創(chuàng)新性、宣傳、建筑設計等10 個方面進行主觀或客觀評分，并決出單項和總成績名次。華南理工大學隊在2013 年和2018 年的中國賽（SDC）中分別獲得總成績亞軍和冠軍，延期至2021 年舉行的中東賽（SDME2020）獲得總成績冠軍，皆為中國賽隊最好成績（圖3）。

3 3個太陽能十項全能比賽房屋的外觀與室內(nèi)

SDC2013 參賽房屋“凹宅”[3]，其設計方案從空間入手，通過對中原及山西地區(qū)合院式住宅的分析，確定建筑布局。建筑采用三面功能空間圍合“院子”的布局，是對傳統(tǒng)圍院住宅空間關系的轉譯。中間院子的界面可變化，以應對夏天和冬天不同的氣候條件。院子上部的天窗為可開啟形式，利用熱壓引導氣流；院子的前后界面采用折疊門扇，可開可合。夏天時，門扇打開，庭院注水，外部氣流經(jīng)庭園降溫增濕，改善室內(nèi)舒適性。冬天時，門扇封閉起來，庭院的水排掉，院子便成為一個陽光房。院子根據(jù)四時氣候呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，表達了建筑與自然互動的中國營造智慧（圖4）。

4 凹宅院子在夏天和冬天的工況

SDC2018 參賽房屋“長屋”，借鑒熱帶與亞熱帶地區(qū)的高密度城鎮(zhèn)住宅，從廣州近代典型城市住宅“竹筒屋”中找到靈感。房屋采用內(nèi)凹入口、前后貫通的室內(nèi)通廊，串聯(lián)起3 個不同大小的采光通風天井，形成氣候空間系統(tǒng)。無論是夏天還是冬天，房屋良好的被動性能都可以大大減少建筑的能耗（圖5）。

5 借鑒“竹筒屋”的空間系統(tǒng)

SDM2020 參賽房屋“X-House”，借鑒中東當?shù)貍鹘y(tǒng)住宅外觀封閉、向內(nèi)院開放的形制，以及當?shù)孛窬永蔑L壓和熱壓組織自然通風的捕風塔。建筑采用圍繞中庭的建筑功能布局，將中庭兩側及頂部界面設計成可以開合的模式，以便應對功能上和氣候空間界面的靈活性；采光中庭上部加了一個十字斜交的夾層導風系統(tǒng)，學習傳統(tǒng)捕風塔經(jīng)驗，可以順應不同方向來風進行通風組織。利用夾層空間的飄板形成大尺度的懸挑，將導入熱風進行降溫。飄板不僅可以進一步遮擋強烈陽光，還可以增加屋面光伏板面積。建筑中隱含的十字結構，也成為了X-House 命名的由來（圖6）。

6 X形導風板的不同工況

建筑學走到今天，需要我們回望歷史，基于傳統(tǒng)營造智慧的建筑氣候空間，可以在當代建筑學中得到創(chuàng)新發(fā)展，極大地提高可持續(xù)建筑的減碳、節(jié)能潛力。□