生態(tài)氣候的建筑設(shè)計策略

生態(tài)氣候的建筑設(shè)計策略

法國哲學(xué)家clmondrisquieu說：“炎熱國家的人民就像老人一樣害羞，寒冷國家的人民就像年輕人一樣勇敢?！瓪夂蛲鯂撬型鯂牡谝晃??！?。這段言論闡明了地理氣候是影響地域建筑與人類文明的首要因素。賴特(FrankL·Wright)把建筑看作有生命的有機體,建筑設(shè)計是有機體適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)過程,認(rèn)為建筑與當(dāng)?shù)貧夂?、自然條件融為一體,并在與環(huán)境的動態(tài)關(guān)系中體現(xiàn)自己。瓊斯(JonesDavidLloyd)也提出“自然創(chuàng)造事物的外觀,自然是建筑形式的創(chuàng)造者。建筑從產(chǎn)生,使用到衰亡的過程具有類似于生物的特征,是對自然環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)”。而印度著名建筑師柯里亞(CharlesM·Correa)闡述了氣候?qū)υO(shè)計的決定性影響:“……在深層結(jié)構(gòu)層次上,氣候條件決定了文化和它的表達(dá)方式、習(xí)俗、禮儀。在本源的意義上,氣候乃是神話之源。在印度和墨西哥文化中,露天空間所具有的超自然特性是其所處熱帶氣候的伴隨產(chǎn)物。就像英格瑪伯格曼的電影,如果脫離了瑞典揮之不去的黯淡冬季,人們將無從理解”。他很注重建筑如何適應(yīng)地方氣候,如何組織通風(fēng)和氣流以及日照、遮陽等,提出了“設(shè)計追隨氣候”的思想,并且從民間建筑和建造技術(shù)中吸取精華,不斷創(chuàng)新。1生態(tài)氣候設(shè)計的原理1.1生態(tài)氣候的設(shè)計原理生態(tài)氣候的建筑設(shè)計屬于被動式低能耗設(shè)計方法,在建筑物建造、運營、使用到消亡的過程中,建立被動式系統(tǒng)優(yōu)先配合主動利用系統(tǒng)的共同作用,結(jié)合氣候創(chuàng)造舒適性建筑。其設(shè)計目標(biāo)是最大限度地利用自然環(huán)境條件,探索建筑形態(tài)生成與自然環(huán)境之間的關(guān)系,量化建筑形體系數(shù)與能源有效利用指標(biāo),使建筑設(shè)計實現(xiàn)利用氣候資源最大化,并與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會發(fā)展及技術(shù)條件相聯(lián)系,形成獨具個性化的現(xiàn)代地域性建筑形象。生態(tài)氣候的建筑設(shè)計理論基于適應(yīng)地域自然環(huán)境的鄉(xiāng)土建筑設(shè)計原理和方法,并經(jīng)過當(dāng)代設(shè)計新思維以及生態(tài)節(jié)能技術(shù)的提煉演變而成,遵循生態(tài)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展理念,通過相應(yīng)的設(shè)計策略,使得建筑室內(nèi)熱環(huán)境冬暖夏涼。生態(tài)氣候建筑設(shè)計綜合協(xié)調(diào)了地域生態(tài)氣候條件與建筑功能、形體與空間等要素,通過規(guī)劃、設(shè)計、環(huán)境配置的設(shè)計手法,如恰當(dāng)?shù)慕ㄖ问?、?gòu)造設(shè)計、適宜技術(shù)措施等,駕馭自然條件和有利的氣候資源,消除不利氣候影響,對室內(nèi)氣候向人們期望的熱環(huán)境方面調(diào)整,盡量減少或者不利用空調(diào)設(shè)備等技術(shù)手段,以獲得建筑環(huán)境的熱舒適,創(chuàng)造低能耗且舒適宜人的人居建筑。生態(tài)氣候的建筑設(shè)計原理如圖1所示。生態(tài)氣候建筑的設(shè)計原理充分利用地方氣候與自然資源,以鄉(xiāng)土建筑和自然主義美學(xué)觀、價值觀、倫理觀為思想基礎(chǔ),并節(jié)能降耗,低碳減排。在建筑設(shè)計理論和實踐上超越建筑與自然之間的對峙狀態(tài),既不拘泥于自然本位論,更不執(zhí)著于人類中心論,從而真正消解建筑與自然環(huán)境的二元對立模式,將建筑與自然的關(guān)系徹底還原為整體性和諧,并包含了建筑與社會、文化環(huán)境的關(guān)系和諧。1.2生態(tài)環(huán)保的傳統(tǒng)--自然環(huán)保生態(tài)氣候的建筑設(shè)計體現(xiàn)了自然、節(jié)能與環(huán)保的設(shè)計指導(dǎo)思想,其評價準(zhǔn)則就是宜人性的生態(tài)節(jié)能效益。它不僅僅是一種修補性的折衷設(shè)計理念,而且是辨證和智慧的決擇,它涵蓋了合乎人性和自然環(huán)保要求,提高對太陽能等可再生能源的綜合利用,減少不可再生資源的耗費,保護(hù)生態(tài)環(huán)境;它采用生態(tài)環(huán)保的傳統(tǒng)技術(shù),側(cè)重對傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)來達(dá)到保護(hù)原有生態(tài)環(huán)境的目標(biāo);同時將當(dāng)代先進(jìn)生態(tài)節(jié)能設(shè)計思想與地域條件相結(jié)合,充分發(fā)掘傳統(tǒng)地方設(shè)計理論的潛力,實現(xiàn)城市與建筑的可持續(xù)發(fā)展。1.3低能耗技術(shù)的運用適宜技術(shù)擺脫技術(shù)決定論的限制而趨于現(xiàn)代科技鄉(xiāng)土化,鄉(xiāng)土技術(shù)現(xiàn)代化。適宜技術(shù)是以因地制宜為特征的技術(shù)體系,對生態(tài)氣候建筑所處地域特點系統(tǒng)分析,選擇出最適合的建筑技術(shù)類型,它是由特定的環(huán)境決定,是實現(xiàn)建筑設(shè)計綠色環(huán)保和地方化的有效途徑,包括節(jié)能、遮陽、自然采光與通風(fēng)構(gòu)造技術(shù),以及體型設(shè)計和應(yīng)對氣候的空間變化等具體的技術(shù)手段。埃及建筑師哈?！しㄈ?HassanFathy)鼓勵人們以傳統(tǒng)的方式運用低技術(shù)與當(dāng)?shù)夭牧系慕Y(jié)合設(shè)計鄉(xiāng)村住宅。建筑形式的最終決定是對地方材料及適宜技術(shù)的體現(xiàn),并繼承了當(dāng)?shù)匚幕?突出技術(shù)與人文和生態(tài)的結(jié)合。技術(shù)不僅僅服務(wù)于使用技術(shù)的人,而且有利于更廣義層次的自然萬物的和諧發(fā)展。適宜技術(shù)不盲目崇拜技術(shù),同時技術(shù)也沒有淪為建筑的附庸,它不單注重完善建筑功能、造型和環(huán)境美化,而且從深層次上對技術(shù)非人性進(jìn)行遏制,以協(xié)調(diào)人、建筑、自然與技術(shù)的和諧共生。1.4作為制度構(gòu)思的原因建筑根植于地方氣候條件與自然環(huán)境,進(jìn)而在長期的實踐中形成特定地域建筑特征與認(rèn)同感?！巴ㄟ^感情上或形式上加以模仿的手法把古老或當(dāng)代最流行式樣加以拼湊,是不能得到真正的地區(qū)性建筑特征的。但是,如果建筑師把完全不同的室內(nèi)外關(guān)系作為設(shè)計構(gòu)思的核心因素加以應(yīng)用,那么,只要抓住氣候條件影響建筑設(shè)計而造成的基本區(qū)別,就可以獲得表現(xiàn)手法上的多樣性”。因此,生態(tài)氣候建筑設(shè)計彰顯地域自然地理和氣候特征。2生態(tài)氣候設(shè)計的策略2.1生態(tài)氣候建筑地域生態(tài)氣候與建筑所處的微觀地形有關(guān),涉及山體形勢、海拔高度及地形地貌。生態(tài)氣候建筑群體布局優(yōu)選日照時間相對最長的南坡,其次是東南、西南坡,東坡、西坡通常只有半天日照,相對較短,氣候條件相對較差,可以因地制宜布置建筑;北坡日照時間最短,夏熱冬冷,氣候條件最差,一般不宜布置居住建筑(圖2)。生態(tài)氣候建筑的群體布局應(yīng)使建筑平行于南向山坡等高線,東西向山坡的建筑垂直等高線南北向布局,形成結(jié)合地形和局域氣候的自然氣候型建筑形態(tài)(圖2、圖3)。南坡建筑沿山勢呈階梯狀,北高南低,夏季避免陽光直射,減少輻射熱,冬季則獲得更多的日照,日照間距也比平地減少(圖4),冬暖夏涼,節(jié)地與節(jié)能最大化(圖4a)。東西兩側(cè)山地的建筑亦呈臺階狀形態(tài)南北向布置,建筑垂直山體等高線(圖4b)。隨山丘的整體格局易于滿足日照需要,夏季形成良好的通風(fēng),冬季可阻擋寒冷北風(fēng),并且可使建筑獲得更好的山地空間形態(tài),延續(xù)山地天際線,由此展現(xiàn)獨特的自然地形與氣候交融的群體空間特征。2.2地面地形的特征生態(tài)氣候的建筑設(shè)計強調(diào)建筑的自然屬性,以不造成對自然的損害為前提。但是現(xiàn)代規(guī)劃的特點是規(guī)劃、景觀與自然分離,以破壞自然環(huán)境為代價,以對自然地形、覆土、河流、氣候、綠地的藐視為前提。事實上,任何建筑得以存在的重要基礎(chǔ)是此地所具有的獨特的人文、地貌及環(huán)境”。闡釋了建筑與自然地理的和諧共生關(guān)系。豎向設(shè)計時尊重原始地形地貌,形成結(jié)合特定地形輪廓線的建筑形態(tài)。場地的坡向為南向?qū)⒂欣诮ㄖ咎柸照蘸洼椛涞脽嵋约跋募菊陉枴⑼L(fēng),還可以提高建筑用地的容積率(圖4)。因此,利用南向坡地進(jìn)行臺地式布局,節(jié)地降耗;而北坡則相反,建筑間距比平地增大,宜布置日照要求低的次要建筑。2.3建筑形態(tài)與建筑長度在中國遼闊的夏熱冬冷地區(qū),建筑設(shè)計需要考慮冬季防風(fēng)和夏季自然通風(fēng)。夏季自然通風(fēng)要求空間設(shè)計盡可能減少對風(fēng)的阻擋,建筑面對夏季主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)該是開敞的,以便引導(dǎo)氣流進(jìn)入;而冬季風(fēng)通常與夏季風(fēng)是相反的,需要阻止寒冷的北風(fēng),因此,建筑空間形態(tài)應(yīng)當(dāng)北密南疏,北高南低,建筑北向相對封閉,以阻擋冷氣流入,南向開敞利于冬季納陽,夏季通風(fēng),并利用建筑的錯層、天窗、升高北向房間的高度等與地形坡度保持一致,使處于北向的房間和大進(jìn)深房間的深處獲得日照(圖5),同時,為引導(dǎo)和加速夏季城市通風(fēng),建筑朝向與夏季盛行風(fēng)方向的角度宜控制在0°~60°,并結(jié)合朝向與地形等高線,盡量與正南向夾角保持在30°范圍內(nèi)(圖6)。從有利于單體建筑通風(fēng)的角度看,建筑長邊最好與夏季盛行風(fēng)方向垂直;但從群體通風(fēng)的角度審視,迎風(fēng)面建筑的長邊若與夏季盛行風(fēng)方向垂直,將影響后排建筑的夏季通風(fēng)。因此,在自然通風(fēng)策略上,建筑形態(tài)設(shè)計時南部空間需要保持一定的開敞性,建筑長度不宜太長,留有風(fēng)口以形成穿堂風(fēng);從冬季防風(fēng)策略而言,北向要盡量封閉,阻擋冬季北向寒風(fēng),所以,北側(cè)布置最高和最長的建筑,南側(cè)則布置低矮和體量小的建筑,采用前后錯列、斜列、前短后長、前疏后密、喇叭口等導(dǎo)風(fēng)技術(shù)措施,以組織夏季自然通風(fēng)和冬季防風(fēng)(圖5,圖6)。2.4自然風(fēng)吹反應(yīng)2.4.1空氣溫升與自然通風(fēng)系統(tǒng)庭院是中國傳統(tǒng)建筑的精華所在,處于建筑不同部位的院落使得其周圍房間都能獲得自然采光和通風(fēng)。庭院空氣在受到日照而升溫,根據(jù)熱壓原理,熱空氣形成垂直向上氣流,庭院下部變成負(fù)壓區(qū),促使庭院四周的房間空氣涌入庭院,形成自然通風(fēng)系統(tǒng),由此帶動整棟建筑的自然通風(fēng)(圖7)。庭院中還可以布置盆景、綠化和水面,加上利用水汽蒸發(fā)致冷,所產(chǎn)生的降溫及熱壓力差會更有利于夏季納涼與加速空氣流通。2.4.2建筑內(nèi)排熱壓的通風(fēng)效能生態(tài)氣候建筑借助熱壓原理拔風(fēng),通風(fēng)節(jié)能策略包括平面設(shè)計、合理組織水平穿堂風(fēng),以及在室內(nèi)設(shè)立通風(fēng)豎井或庭院。豎井上部設(shè)排風(fēng)口可將污濁的熱空氣從室內(nèi)排出,而室外新鮮的冷空氣則從建筑底部吸入。熱壓通風(fēng)效能與進(jìn)、出風(fēng)口的高差和室內(nèi)外的溫差有關(guān),室內(nèi)外溫差和進(jìn)、出風(fēng)口的高差越大,則熱壓作用越明顯。建筑設(shè)計可利用建筑內(nèi)部貫穿多層的豎向空腔:樓梯間、中庭、拔風(fēng)井等滿足進(jìn)、排風(fēng)口的高差要求,并在頂部設(shè)置可以控制的開口,夏季開啟時將建筑各層的熱空氣排出達(dá)到自然通風(fēng),而冬季關(guān)閉時熱空氣層可以達(dá)到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的目的。2.5適應(yīng)氣候的熱緩沖空間2.5.1開敞空間設(shè)計當(dāng)季節(jié)冷暖變化和晝夜間的溫度波動時,生態(tài)氣候建筑空間可調(diào)節(jié)環(huán)境微氣候,要求建筑空間隨季節(jié)的變換而擴張或收縮,就像人體的血管隨室外環(huán)境溫度變化而伸縮、舒張一樣。在寒冷的冬季,生態(tài)氣候空間可變化到最小范圍,演變?yōu)殛柟忾g、頂光中庭和保溫、納陽的南向小間或小庭院。隨著氣溫逐漸變暖,城市與建筑空間也逐漸開敞,夏季時可以根據(jù)自然采光與通風(fēng)的需要局部打開,直至完全開放,且能夠和所有的室外空間相滲透融通,由冬季的緊湊封閉向夏季的舒展開敞轉(zhuǎn)化?？吕飦啚榻鉀Q干熱氣候下的遮陽和通風(fēng)問題,提出了“開敞空間”的設(shè)計策略?！伴_敞空間”實質(zhì)就是可調(diào)節(jié)空間,并由此演繹出兩種剖面形式:“冬季剖面”和“夏季剖面”,并運用于印度帕雷克(Parekh)住宅中(圖8)?！岸酒拭妗庇糜诙景滋旎蛘呦募就砩?冬季白天主要靠上午來自東面的陽光來加熱空氣,屋頂設(shè)有半遮陽的涼亭適合夏季晚上戶外活動;“夏季剖面”位于建筑中部,介于“冬季剖面”和服務(wù)區(qū)之間,它盡量減少了外部服務(wù)區(qū)的面積,并利用煙囪原理拔風(fēng)(圖8),通過冬季建筑空間的收縮和納陽措施,以及夏季建筑空間的開敞和通風(fēng)手段應(yīng)對氣候變化。2.5.2過渡帶門廊空間熱緩沖空間是生態(tài)氣候建筑一種重要的節(jié)能設(shè)計措施。對建筑空間進(jìn)行熱環(huán)境分區(qū),利用對熱環(huán)境不敏感的門廊、走道或附屬空間作為建筑與室外環(huán)境的過渡,以減弱不利室外氣候?qū)χ饕褂每臻g的影響。大廳是室內(nèi)與外界溝通的媒介空間,在大廳前設(shè)置可開啟的門廊,并在門廊外圍設(shè)置大面積門窗,就建立起了熱緩沖空間。冬季將門廊的門窗緊閉,使其成為室內(nèi)大廳的前置空間,就形成了一個熱過渡緩沖空間。夏季打開門廊的門窗,它又變成介于室外與室內(nèi)空間的通風(fēng)緩沖空間。圖9所示的建筑中庭、空中花園或邊庭就屬于熱緩沖空間。3節(jié)能設(shè)計方法3.1靈活對建筑保溫與保溫的處理和應(yīng)對措施影響生態(tài)氣候建筑熱工性能的一個重要因素是體型系數(shù)。對于同樣體積的建筑,體型系數(shù)越大,其外表面積越大,散熱面積也就越大。因此,寒冷地區(qū)建筑的體型系數(shù)越小越有利于保溫,同樣也越有利于夏季隔熱。夏熱冬冷地區(qū)建筑既要考慮冬季保溫,又要照顧夏季隔熱,因此,無論從空間布局與造型處理,還是構(gòu)造與材料的運用上,都需要采取靈活多變的應(yīng)對措施。冬季保溫與夏季隔熱的構(gòu)造原理是相通的,對建筑體型的選擇盡量追求同樣容積下體表面積最小的建筑形態(tài),并盡量簡潔緊湊,圓柱形與方形是最節(jié)能降耗的建筑體型。3.2建筑屋頂綠化綠化與水體都具有凈化空氣,蒸發(fā)吸熱降溫,引發(fā)空氣對流,調(diào)節(jié)建筑空間局部小氣候之功效。加強地面綠化、屋頂綠化、墻面垂直綠化與陽臺綠化的整體性,減少硬質(zhì)鋪地,增加綠化種植面,選擇高大落葉喬木遮擋夏日陽光,遮蔭通風(fēng),冬季納陽擋風(fēng),營造節(jié)能建筑設(shè)計的微氣候條件。此外,建筑屋頂采用蓄水或覆土種植綠化,使其具有良好的保溫隔熱效果,降低城市熱島效應(yīng)。西墻的通風(fēng)綠化表皮,可以設(shè)置雙層通風(fēng)綠化構(gòu)造,突破簡單的在墻面種植爬山虎一類的攀緣植物的構(gòu)造,墻體自身散熱減弱,同時利用植物的春夏葉茂、秋冬落葉,有效地解決建筑外表皮夏季隔熱和冬季得熱,從生態(tài)角度給綠化注入了深層的含義。3.3建筑節(jié)能構(gòu)造節(jié)能設(shè)計受傳統(tǒng)地方技術(shù)的啟發(fā),合理利用可再生自然資源,不依賴耗能設(shè)備,而在建筑形式、空間布局的細(xì)部構(gòu)造上采取措施,以改善建筑熱環(huán)境,實現(xiàn)微氣候建構(gòu)。建筑節(jié)能構(gòu)造方法包括:1)采用現(xiàn)代技術(shù)理念以及高效保溫材料進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計,提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能;2)充分利用太陽能取暖、太陽能熱水泵及光伏發(fā)電等綠色可再生能源,生態(tài)環(huán)保;3)利用地表下淺層土壤或者地下水地?zé)徇M(jìn)行夏季通風(fēng)和冬季采暖,無污染可循環(huán);4)建筑表面綠化或在中部引入綠化開敞空間,減輕建筑的熱島效應(yīng)的設(shè)計等措施,如圖10所示。4建筑空間與形態(tài)設(shè)計