以空間形態(tài)為核心的公共建筑氣候適應性設計方法研究
綠色建筑的根本目標在于人、自然、建筑和諧關系的重塑。傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑都曾在有限的技術條件下展現(xiàn)出調(diào)節(jié)自然氣候的不懈努力和智慧。1940 年代后，借助空調(diào)為代表的現(xiàn)代建筑設備技術的普及，在建筑內(nèi)部營造獨立于自然的純?nèi)斯夂驖u成主流，其觀念與方法從西方逐步向全球蔓延。1960 年代的能源危機促動了可持續(xù)發(fā)展觀念下的綠色建筑探索。其中，以設備為核心、以能效評級認證為導向的理念及其技術方法成為綠色建筑領域的一種顯學。與此相徑庭，以“形式跟隨氣候” [1] 為主張的研究與實踐也悄然探索著與自然辨證相處的策略與路徑。艾納吉 · 阿巴羅斯 (Inaki Abalos)[2] 總結并拓展了氣候建筑學領域的研究成果，揭示了主動式、被動式與建筑形態(tài)三者在不同時代觀念下的權重關系 ( 圖 1)。建筑因人的生理和行為需求，在室內(nèi)外創(chuàng)造局部的氣候可控場所。建筑是自然氣候的調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能產(chǎn)生必要的建筑用能，也可能不用能。對“能效”的追逐首先應置于用能必要性的前提之下，不用能和少用能才是上策。所謂氣候適應機制，就是指通過利用和調(diào)節(jié)，形成既符合人的舒適需求、又利于形成建筑與自然的良性關系，并實現(xiàn)節(jié)約能源的開放系統(tǒng)。這種開放的氣候調(diào)節(jié)機制首先在于其基本空間形態(tài)所奠定的基礎。綠色公共建筑遵循綠色建筑的一般原則和共性，又因使用者、功能、規(guī)模、尺度的類型多樣，而產(chǎn)生空間及空間組織的復雜性和差異性，導致其實現(xiàn)綠色化的特定策略與方法。
1 氣候的差異性與相對性
自然氣候包括風、光、熱、濕等基本要素。不同的要素有其不同的存在和運動方式，并受地理、地表形態(tài)和人類活動的干預而相互作用。建筑學語境下，氣候的差異性和相對性是氣候認知的兩個重要特征。
1.1 氣候的差異性氣候的差異性體現(xiàn)在空間與時間兩個維度。氣候區(qū)劃為氣候的地域空間差異建立了基本架構，我國的嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)，是一種大尺度的劃分。氣候區(qū)劃提示了地理尺度下氣候與建筑之間的資源與約束關系，以及不同地域建筑的氣候適應性所面臨的主要矛盾。氣候的空間差異還反映在宏觀到微觀的不同尺度層級，并相互影響。地域 -城鎮(zhèn) -地段 -街區(qū) ( 建筑群 )-建筑，構成了地域大氣候向場地氣候逐漸過渡的層級。從城鎮(zhèn)氣候到場地氣候，因人的主動干預而具有鮮明的二度自然氣候特征。氣候的層級性認知對于場地環(huán)境和建筑群尺度的微氣候調(diào)節(jié)乃至城市尺度的氣候影響具有重要的價值。氣候在時間維度的差異主要表現(xiàn)在季節(jié)和晝夜的周期性轉變。季節(jié)及晝夜在不同的地域又有時長的差異性，從而表現(xiàn)出復雜多樣的具體氣候形態(tài)。
1.2 氣候的相對性氣候是一種客觀存在，但人對氣候的感知，乃至與氣候相處的方式卻是有差異的。這種氣候感知差異來自于與地域和民族相關聯(lián)的文化背景和氣候適應能力等方面 1)( 圖 2)。南方人和北方人遭遇同樣的溫度濕度，感知結果大為不同。氣候感知因時、因地、因比較而變化，同樣的溫度標量，在冬季意味著“暖”，在夏季則可能意味著“冷”，這種冷熱感知的相對性同樣發(fā)生于人在不同氣候空間的游走過程中。1950 年代發(fā)端于美國的室內(nèi)氣候精準控制理念，在其后被證明對健康、舒適和能源節(jié)約均無助益 [3]。建筑空間的氣候舒適性區(qū)間指標應充分考慮因人而異的相對性，而更為有效的手段則是對室內(nèi)外不同場所的氣候過渡進行合理的駕馭。氣候是建筑設計的前提，又被設計的結果所影響。在氣候與建筑的相互作用中，人應該發(fā)揮因勢利導的核心能動作用。
2 空間形態(tài)設計是公共建筑實現(xiàn)氣候適應的核心環(huán)節(jié)
人對空間環(huán)境的客觀需要是營造活動的原始動因。人對建筑空間的舒適性要求與純自然氣候有著不同程度的差異。建筑形態(tài)是建筑空間和物質(zhì)要素的組織化結果，從基本格局上建立了空間環(huán)境與自然氣候的性能調(diào)節(jié)關系，被動式措施則進一步增強了這種調(diào)節(jié)效果。在必要的情況下，主動式技術措施用于彌補前兩種手段的不足�，F(xiàn)代以來，公共建筑設計中前兩種措施逐漸被忽視，轉而走向更多依賴主動式設備調(diào)節(jié)。過度著眼于設備技術的“能效”追逐，卻掩蓋了建筑整體高能耗的事實，這正是導致建筑能耗大幅攀升的重要緣由 [4]。不同氣候區(qū)劃意味著不同的適應性內(nèi)涵與策略。不同的空間場所及其組合形態(tài)形成了自然氣候與建筑室內(nèi)外空間的連續(xù)、過渡或阻隔，由此構成了氣候環(huán)境與建筑空間環(huán)境的基本關系。在這種關系的建構中，以空間組織為核心的整體形態(tài)設計和被動式氣候調(diào)節(jié)手段必須被重新確立，并得到優(yōu)化和發(fā)展�？梢哉f，綠色建筑設計新方法的核心內(nèi)涵之一就在于通過基本的形態(tài)設計進行氣候調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)建筑空間環(huán)境的舒適性和低能耗雙重目標。這種新方法的根本內(nèi)涵在于通過空間與氣候的關系重構，強化“自然做功”在氣候管理中的效率，將建筑用能的“源頭減量”作為優(yōu)先原則，而非僅僅依賴甚至過度依賴以設備為主體的能效“末端控制” [5]。
3 基于微氣候調(diào)節(jié)的場地總體形態(tài)
公共建筑與地域氣候的適應性機制首先體現(xiàn)在其場地及周邊環(huán)境的層面，這種機制取決于地形地貌、場地及周邊既有建筑、擬建建筑與地區(qū)氣候和地段微氣候之間的相互聯(lián)系與作用。公共建筑在該層級的設計以建筑 ( 群 ) 對所處地段及場地微氣候的適應與優(yōu)化為基本原則和目標。通過利用、引導、調(diào)節(jié)、規(guī)避等設計策略對風光熱濕等氣候要素進行有意識的引導或排斥、增強或弱化，從而避免負面微氣候的產(chǎn)生，進而實現(xiàn)氣候區(qū)劃背景下的微氣候優(yōu)化。基于上述原則，可以從建筑選址、建筑總體形態(tài)布局、地形利用與地貌重塑等方面，形成場地總體形態(tài)的氣候適應性設計架構。
3.1 建筑場地的氣候?qū)W分析城鎮(zhèn)建設改變了氣候下墊面的既有形態(tài)，熱力分布、風環(huán)境、日照環(huán)境在城鎮(zhèn)的不同地段呈現(xiàn)出不均勻分布。在山地湖塘等復雜環(huán)境下，地形的平面和高程變化都會產(chǎn)生日照、溫度、風環(huán)境等微氣候差異。公共建筑因其不同的功能類型對地段氣候要素具有不同程度的要求。因此，基于地段微氣候差異的區(qū)位分析對公共建筑的選址具有前提性意義，這為建筑選址的趨利避害奠定基礎。在不具備選址可能性的情況下，對場地所在地段的氣候區(qū)位分析也會對場地的布局產(chǎn)生影響，因而成為場地規(guī)劃布局的重要環(huán)節(jié) ( 圖 3)。
3.2 適應并調(diào)節(jié)氣候的建筑總體形態(tài)布局經(jīng)歷長期演化積淀的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑曾展現(xiàn)出適應并調(diào)節(jié)地方氣候的豐富經(jīng)驗。寒冷地區(qū)建筑群因日照需要而采取較大間距，并以錯動的形態(tài)降低強風的穿越 ;建筑單體嚴格約束體型系數(shù)，以盡量少的外包裹面避免熱損失。在炎熱的南方地區(qū)，建筑群傾向選擇高密度集聚的形態(tài)，并輔之以冷巷和庭院，從而通過陰影和風廊，創(chuàng)造出更多的涼爽場所 ;建筑個體傾向于選擇舒展的形體和通透的空間，以利于通風散熱。在夏熱冬冷地區(qū)則是上述兩種形態(tài)類型的取舍與平衡，并著力于針對冬夏兩季反轉的應變之策 ( 圖 4)。公共建筑的場地規(guī)劃布局正可以借助傳統(tǒng)經(jīng)驗的傳承和再創(chuàng)造，通過非耗能的方式實現(xiàn)對地段微氣候的利用、調(diào)節(jié)和優(yōu)化。其中，置身于既有環(huán)境中的場地空間組合形態(tài)的把握是為首要。形體組合一方面參與場地微氣候的調(diào)節(jié)，同時也為建筑內(nèi)部空間的氣候性能化設計創(chuàng)造條件。方位朝向的選擇、基本建筑形體的決策、間距密度的配置等措施使場地的氣候適應性進一步得以落實，并可通過性能模擬和運算生成展開場地微氣候的評估與優(yōu)化 ( 圖 5)。
3.3 基于生物氣候機理的地形利用與地貌重塑場地微氣候隨地形地貌的變化而產(chǎn)生不同程度的變化。冷空氣沉積于谷底 ;主導風跟隨山谷的走向 ;自然風在開闊地增強，而在樹木陣列后減弱 ;水體有助于調(diào)節(jié)氣候變化幅度，并可吸熱增濕 ;覆土可助益內(nèi)部空間冬暖夏涼。這些基本的生物氣候認知一方面提示在公共建筑設計中，利用地形地貌進行場地總體布局的基本依循，另一方面也揭示了結合建筑布局，展開地形地貌重塑的微氣候優(yōu)化潛力。庭院納蔭、臨水設榭、覆土造穴、樹陣阻風等都是場地布局中在地面上下部展開地貌重塑的不同手法，可在與不同地域氣候條件和建筑功能的聯(lián)系中善加選擇和創(chuàng)造 ( 圖 6)。
4 基于氣候和能量管理的空間分類與形態(tài)組織
公共建筑空間形態(tài)的組織不僅是對功能和行為的一種組織布局，也是對內(nèi)部空間各區(qū)域氣候性能及其實現(xiàn)方式所進行的全局性安排，是對不同空間能耗狀態(tài)及等級的前置性預設。因此，在駕馭功能關系的同時，要根據(jù)其與室外氣候要素聯(lián)系的程度和方式展開布局，其基本原則在于空間氣候性能的整體優(yōu)先和能耗的整體控制。
4.1 氣候與能量管理語境下的空間分類基于“氣候 -空間 -能耗”的關聯(lián)方式和程度，可以從空間對氣候的要素選擇差異和程度差異、空間性能與能耗的等級差異、空間的開放度等方面對建筑空間進行類型劃分。這種新的類型分析與認知是探尋氣候適應性空間形態(tài)組織的重要基礎。
4.2 基于整體氣候性能的空間形態(tài)組織整體優(yōu)先、利用優(yōu)先、有效控制和差異處置是氣候適應型空間形態(tài)組織的基本原則。即從適宜的氣候性能與能耗控制的平衡關系出發(fā)，通過建筑空間的系統(tǒng)化組織，最大程度地實現(xiàn)對自然氣候的整體利用，有效控制自然氣候的不利影響，進而實現(xiàn)建筑總體低能耗目標。據(jù)此可探尋其空間形態(tài)組織的基本策略與方法 ：
1) 使普通性能空間置于氣候優(yōu)先位置。根據(jù)氣候性能要求的程度差異，嚴格約束高性能空間的規(guī)模，建構普通性能空間、低性能空間、高性能空間之間的適宜性配置與組織關系。普通性能空間通常占據(jù)各類公共建筑使用空間的最大比例，其空間應布置在利于氣候適應性設計的部位。對自然通風和自然光要求較高的空間常置于建筑的外圍。對性能要求較低的空間則時常置于朝向或部位不佳的位置 ( 圖 8)。 2) 充分拓展融入自然的低能耗空間潛力。根據(jù)建筑空間與室外氣候關系的分類，開拓融入型、過渡型等具有零能耗和低能耗特征的空間潛力，大力強化選擇型空間的氣候適應性設計，嚴格約束與自然氣候相排斥的高能耗空間，形成與不同能耗等級相對應的空間組織架構。融入型空間可以承載許多行為活動而無需耗能 ;過渡型空間可以作為室內(nèi)外氣候交換和過渡的有效媒介 ;排斥型空間通常以封閉形態(tài)而占據(jù)建筑的內(nèi)部縱深(圖9)。 3) 優(yōu)先利用自然采光與通風。建筑內(nèi)部空間形態(tài)的確立應根據(jù)空間與自然采光的關系和建筑內(nèi)部風廊的整體軌跡進行綜合駕馭。自然光和自然風的獲取與控制極大程度地牽引著建筑空間形態(tài)組織的整體格局 ( 圖 10)。
5 單一空間的氣候針對性設計
單一空間是建筑空間組織的基本單元，也是建筑能量管理的基本單元。公共建筑的氣候適應性最終要在單一空間的層面得到落實。這里重點討論建筑使用空間中與室外氣候聯(lián)系密切的普通性能空間。作為公共建筑中占比最大的空間類型，普通性能空間的氣候適應性設計對于推進公共建筑性能提升和降低能耗具有關鍵性意義。
5.1 “量 -形 -性 -質(zhì) -時”統(tǒng)籌設計單一空間的氣候適應性設計可以從量、形、質(zhì)、性、時 5 個方面進行把握。“量” 是指空間的規(guī)模尺度，通常表述為平面面積、三維尺寸和容積等可度量指標，空間尺度與其所承載的人群活動和設施規(guī)模相對應。 “形”是指空間的幾何特征及其內(nèi)部次一級的空間構形。“性”即空間所支持的功能屬性，并與使用者行為和心理密切關聯(lián)。“質(zhì)” 不僅是指視覺觸覺等品質(zhì)，還應包含兩種彼此關聯(lián)的綠色品質(zhì) ：即舒適度相關的空間性能品質(zhì)，及能耗品質(zhì)。“時”是指空間及其所承載活動的時態(tài)特征。建筑生命周期內(nèi)，不同空間的使用頻率不同，并隨時間而發(fā)生周期性或隨機性變化。這 5 個方面中，與氣候適應性直接關聯(lián)的是空間的“質(zhì)”，也是綠色建筑的一個關鍵點。在滿足功能屬性的前提下，量的配置與形的設計都是為了“質(zhì)” 的實現(xiàn)�？臻g容量控制對能量管理具有基礎性意義 ;形的設計則是體現(xiàn)氣候適宜性的核心策略。“時”作為綠色思維的一個必要維度，提示了空間量、形、性的動態(tài)性和質(zhì)的相對性。量、形、性、時，彼此影響互動，且無一不與“質(zhì)”的確立密切相關。
5.2 集成化、多功能空間利用公共建筑普遍具有功能要素多樣且因時而變的特點，空間的應變能力成為綠色設計的重要內(nèi)涵之一，其基本策略有兩條 ：其一，通過結構、設備與建筑的集成化設計，為公共建筑空間的靈活劃分和動態(tài)調(diào)整奠定基礎。體育場館的賽后利用、會展類建筑的后期利用已經(jīng)提供了大量的經(jīng)驗與教訓。集成化設計同時也為結構、設備與使用空間的相互疊合利用開拓了新的潛力。其二，項目策劃和設計過程中，應提倡并充分發(fā)揮多功能空間的價值。多功能空間的實質(zhì)就是通過空間的功能集成和分時利用，壓縮用能空間的總量。因此需要研究不同功能屬性與空間的量、形、質(zhì)、時之間的相互適應關系，探尋多功能空間的氣候動態(tài)調(diào)節(jié)的技術方法 ( 圖 14)。
6 性能導向的外圍護結構與空間分隔
建筑外圍護結構和室內(nèi)分隔是實現(xiàn)空間圍合必要的物質(zhì)手段，也是綠色建筑氣候適應性設計的必要環(huán)節(jié)。公共建筑功能類型多樣，并被賦予更多的人文期待。隨著綠色美學觀的普及，其外圍護結構和室內(nèi)分隔應大力倡導與空間形態(tài)設計相向而行的性能化導向。
6.1 外圍護結構作為氣候調(diào)節(jié)的裝置外圍護結構以被動式措施對室外氣候要素進行選擇性導入，使建筑內(nèi)部成為性能可調(diào)節(jié)的開放系統(tǒng)。與倡導隔離的“氣密性建筑” 2) 相反，氣候驅(qū)動的外圍護結構應成為捕獲自然能量、調(diào)控內(nèi)部氣候性能的有效裝置，而不是一種封閉的外殼，或僅僅作為造型手段。在不同的外部氣候條件下，納陽或納涼、采光與遮陽、保溫與散熱、隔聲與通風往往使設計陷入矛盾與沖突之中。氣候調(diào)節(jié)的不同取向要求設計須根據(jù)地域的差異抓住主要矛盾，做出恰當?shù)臋嘀嘏袛�。另一方面，應對不同取向的性能化設計，使外圍護結構的用材和構造趨于復雜，并時常遭遇安全、耐久、防火等問題與沖突。具有多功能集成和靈活應變能力的外圍護結構的集成化設計和產(chǎn)品研發(fā)勢在必行。與建筑施工效率和建造的經(jīng)濟成本相聯(lián)系，這一現(xiàn)實需求同時也開辟了集成化、智能化、裝配式、互動式外墻體系的新領域 ( 圖 15)。
6.2 室內(nèi)分隔作為內(nèi)部性能優(yōu)化的介質(zhì)公共建筑內(nèi)部空間的分隔類型多樣，其不僅是劃分內(nèi)部空間領域，強化場所品質(zhì)的重要元素，也是優(yōu)化室內(nèi)空間氣候性能的重要介質(zhì)。室內(nèi)隔墻的阻隔功能通常用于必要的防火分區(qū)，界定不同的功能分區(qū)，并可作為不同能量管理單元的分隔。但在使用功能可以彼此交互或兼容的狀態(tài)下，封閉的隔墻并不可取，而應依據(jù)分隔所針對的具體對象選擇適宜的材料和構造手法，收到既分又導的雙重功效。例如，鏤空隔斷可以相對劃分不同領域，而不會阻斷通風和采光 ;半透明玻璃可以阻斷視線干擾，又可傳導光線 ;內(nèi)部陳設與建筑的一體化設計更可能發(fā)揮提升內(nèi)部空間性能的優(yōu)化作用。公共建筑的室內(nèi)分隔設計不應簡單地理解為裝修設計，而是要作為氣候適應性設計和能量管理的有機組成。在把握其分區(qū)和阻隔功能的同時，充分發(fā)掘其導風導光的可能潛力 ( 圖 16)。
7 結語
氣候適應型綠色公共建筑設計新方法從氣候與建筑的相互影響機制入手，探索以空間形態(tài)為核心，以要素集成和過程協(xié)同為特征的科學方法。其首先強調(diào)的是通過對自然氣候的利用和調(diào)節(jié)，充分挖掘少用能甚至不用能的場所潛力 ;其二，在方法策略上，將空間形態(tài)設計置于綠色設計的上位，繼而發(fā)揮被動式構造的積極作用，其次才是作為補充的設備體系 ;其三，在物質(zhì)要素上，強調(diào)以空間復合利用和性能優(yōu)化為指向的建筑、結構、設備諸要素的集成化設計 ;其四，在過程管理上，強調(diào)氣候評估、形態(tài)駕馭、性能評估、技術集成、施工建造、使用運維等諸環(huán)節(jié)的全程控制與協(xié)同 ;其五，要大力推進直接服務于設計實踐的性能評估工具的研發(fā)創(chuàng)新，大力推進基于計算機技術的性能模擬與形態(tài)生成工具的有機鏈接與融合，大力推進服務于多要素集成、多工種配合、遠距離協(xié)作、全程化管理的協(xié)同平臺的研發(fā)創(chuàng)新。值得關注的是，綠色建筑的推進必須見人見物。“人”是首要的決定性因素。人的影響力首先在于綠色價值觀的建立和綠色生活方式的養(yǎng)成，這將在根本上鑄成新一代綠色建筑美學，進而影響到標準編制、設計創(chuàng)作和技術路徑的選擇與創(chuàng)新。
參考文獻
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《以空間形態(tài)為核心的公共建筑氣候適應性設計方法研究》來源：《建筑學報》，作者：韓冬青; 顧震弘; 吳國棟
