摘 要：本文以建筑材料為切入點(diǎn)，著重闡述了建筑材料在建筑表皮中的生態(tài)運(yùn)用策略。建筑材料的使用貫穿了建筑建造、維護(hù)以及改造等整個(gè)生命周期。材料會(huì)對(duì)建筑的外觀、性能和建造成本造成影響。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展科研人員對(duì)材料的特性有了新的了解。材料有了全生命周期評(píng)價(jià)（LCA），當(dāng)材料選擇時(shí)可以考慮在建造過(guò)程中的可持續(xù)問(wèn)題。通過(guò)材料在建筑表皮中的分層組成方式的分析模擬，設(shè)備的控制以及空腔等系統(tǒng)和材料自身物理性能，來(lái)完成應(yīng)對(duì)氣候和建筑微氣候的適應(yīng)及其變化。

關(guān)鍵詞：建筑材料；建筑表皮；生態(tài)運(yùn)用；“層”設(shè)計(jì)

Abstract:This article to the point of building materials， focused on the ecological strategy of building material in the skin. Construction materials use·d throughout the building of the construction， maintenance and transformation throughout the life cycle. Material impact on the appearance， performance and construction of the building cost. After several decades of development researchers new understanding of the properties of the materials. Materials have a life-cycle assessment (LCA)， when the material can be taken into account in the construction of sustainability issues in the process. By material in the skin of a hierarchical composition analysis of simulation， device control， and systems such as cavities and the physical properties of the material itself， to complete the adaptation to climate and building micro-climate and its changes.

Keywords:building material；building skin；ecological use；architectural detail

中圖分類(lèi)號(hào)：TU56

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422（2012）07-0059-03

1 前言

今天我們對(duì)建筑的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了新的高度，將建筑系統(tǒng)視為地球生態(tài)系統(tǒng)中各種不同能量和物質(zhì)材料的臨時(shí)組織形式。從材料的觀點(diǎn)來(lái)審視建筑表皮，需要從表皮的以往的初始含義中加以整理，發(fā)掘出表皮的生態(tài)意義，將材料物質(zhì)組成結(jié)合起來(lái)。從材料的性能與生態(tài)性出發(fā)探索不同材料以及相同材料部件之間的關(guān)聯(lián)方式與搭接邏輯與生態(tài)環(huán)境相結(jié)合從而產(chǎn)生一定的生態(tài)效益，從而讓基于材料的表皮生態(tài)設(shè)計(jì)獲得新的意義。

2 建筑材料的生態(tài)選擇

材料是建筑學(xué)的一個(gè)基本問(wèn)題，一方面他是建筑學(xué)科自身建設(shè)的重要課題，另一方面，它對(duì)于具體的建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐有著首要的和根本性的影響。材料的使用與其對(duì)環(huán)境的影響之間的因果關(guān)系較為復(fù)雜，因而不易為人們察覺(jué)和理解。建筑材料的采集、加工、運(yùn)輸、使用以及處理等過(guò)程都會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的危害。我們通常把材料從生產(chǎn)到廢棄的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)稱(chēng)為全生命周期評(píng)價(jià)。

首先，建筑師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該減小對(duì)材料的需求，不做多的建造，適當(dāng)縮小建造的規(guī)模，設(shè)計(jì)能有效利用建筑材料的建筑和設(shè)計(jì)更耐久且所需維護(hù)較少的建筑。其次，建筑師應(yīng)該盡量使用現(xiàn)有的材料，重復(fù)利用現(xiàn)有的建筑構(gòu)件以及循環(huán)后的建材，設(shè)計(jì)適應(yīng)未來(lái)的建筑，使建材具有重復(fù)利用和再循環(huán)的能力，提高適應(yīng)性和接受性能延長(zhǎng)建筑的使用壽命。設(shè)計(jì)耐久和可接受性的建筑能延長(zhǎng)建筑部件的使用壽命以及再循環(huán)或者可生物降解的材料。

建筑師還應(yīng)該考慮材料的選擇、結(jié)合以及彼此之間適當(dāng)?shù)穆?lián)系，這三方面決定了整體的生態(tài)效果。對(duì)于每一個(gè)建筑組件來(lái)說(shuō)，他們各自的使用期限可以通過(guò)材料的耐久性以及構(gòu)成某種構(gòu)造的連接處中計(jì)算出來(lái)。

生態(tài)學(xué)的重要觀點(diǎn)是物質(zhì)循環(huán)模式，在地球資源有限的情況下，通過(guò)材料回收利用、再生設(shè)計(jì)創(chuàng)造再循環(huán)的過(guò)程。在地理因素影響下的建筑地域特征以及材料的特性，可以有生態(tài)的選擇方式。在選擇材料時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)把注意力集中到輻射量少的建筑產(chǎn)品、材料以及化學(xué)制品上。（圖1）

3 基于材料的建筑表皮生態(tài)意義

建筑表皮的原初意義在于它適應(yīng)氣候的節(jié)能。然而在注重可持續(xù)發(fā)展的今天，對(duì)此還需要置于生態(tài)視野下來(lái)加以審視。作為建筑子系統(tǒng)的表皮，必須全面考量表皮在材料、構(gòu)造及控制等方面所出現(xiàn)的諸多新問(wèn)題。

3.1建筑表皮的類(lèi)型與界定

建筑表皮包含的內(nèi)容很多，在生態(tài)學(xué)的范圍內(nèi)，表皮被賦予了除了遮擋風(fēng)寒驅(qū)逐避暑之外更多的內(nèi)容，新時(shí)代的表皮應(yīng)該有：采光、通風(fēng)、防濕、保溫、防風(fēng)、防眩光、防視線(xiàn)干擾，提供視線(xiàn)聯(lián)系、安全、保安、防火、獲取能源等。本文主要研究基于材料的表皮生態(tài)化策略，因此著重關(guān)注材料在表皮中對(duì)節(jié)能和改善室內(nèi)環(huán)境舒適度中所產(chǎn)生的影響。

建筑表皮如何利用材料，了解其材料的技術(shù)特性，做到減少能耗，是建筑師在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注重的問(wèn)題。建筑表皮對(duì)氣候的適應(yīng)性從而產(chǎn)生可變化的部分在所采用的材質(zhì)的關(guān)注點(diǎn)是什么，以及這些材料是怎么組織起來(lái)的去適應(yīng)氣候的變化。

3.2材料的種類(lèi)與特性與可循環(huán)使用的建造材料

世界是由材料、能源以及信息構(gòu)成的。建筑工業(yè)利用能源把原材料轉(zhuǎn)變成人們的居所和經(jīng)過(guò)加工的建筑材料。從原材料到經(jīng)過(guò)加工的材料再到廢棄的產(chǎn)品，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中的每個(gè)階段都是需要能源的。

石材從地上發(fā)掘與開(kāi)采，磚從泥土中模砌出來(lái)。這些材料都有屬于場(chǎng)地的重量感與體積感。混凝土有很強(qiáng)的可塑性，被模鑄成型來(lái)創(chuàng)造生動(dòng)的形式，通過(guò)預(yù)應(yīng)力，可以橫跨很長(zhǎng)的距離。木材最重要的材料特性在于可再生性，良好的生命周期評(píng)估，各向異性，吸水性，較低的傳熱性以及良好的蓄熱能力，輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，可以方便進(jìn)行加工。金屬擁有高密度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬可以被鑄造成型，有光澤和磁性。玻璃吸收輻射，質(zhì)堅(jiān)，耐磨，高抗壓，善于抵抗化學(xué)物質(zhì)的侵襲。

從生態(tài)學(xué)的角度來(lái)理解建筑系統(tǒng)的生命周期，其實(shí)就是環(huán)境物質(zhì)和能量等一系列的轉(zhuǎn)換。廣義上的建筑生命周期，不光是從建成到最終完成使用的階段，還包括下一個(gè)周期開(kāi)始準(zhǔn)備的階段。為達(dá)到保護(hù)基地環(huán)境，避免生態(tài)系統(tǒng)退化的這一目的，應(yīng)盡量在不破壞自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，首先提倡使用當(dāng)?shù)氐奶烊辉牧希⒅貜U棄物的循環(huán)再利用，真正回到設(shè)計(jì)的本源。（圖2）

3.3結(jié)合綠化的復(fù)合表皮與可普及的適宜技術(shù)

生態(tài)學(xué)的表皮設(shè)計(jì)，不應(yīng)局限于建筑本體一個(gè)方面，而更應(yīng)該借鑒相關(guān)學(xué)科(如植物學(xué))的研究成果。對(duì)表皮而言，綠化遮陽(yáng)不同于構(gòu)件遮陽(yáng)之處在于它的能量流向。建筑遮陽(yáng)構(gòu)件在吸收太陽(yáng)溫度以后會(huì)明顯升高，其中一部分熱量會(huì)通過(guò)各種方向向室內(nèi)傳遞，綠化植物的遮陽(yáng)法，通過(guò)植物的光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物能，植物本身溫度沒(méi)有升高多少，這是一些普通構(gòu)件所無(wú)法相比的。

復(fù)合綠化表皮上的栽種植物，四季的榮枯與建筑對(duì)光熱的的不同需求吻合，這些充滿(mǎn)生態(tài)的自然特性，都為建筑表皮提供了以最少能耗實(shí)現(xiàn)最佳熱舒適性成為可能。建筑表皮的氣候適應(yīng)性，還反映在地光熱輻射通過(guò)的調(diào)控能力上。適宜技術(shù)的理念對(duì)表皮的設(shè)計(jì)同樣具有指導(dǎo)意義，使建筑表皮更具備營(yíng)建的現(xiàn)實(shí)可行性。由于適宜技術(shù)是從經(jīng)濟(jì)技術(shù)選擇的合理性角度出發(fā)，可以由良好的普及性。（圖3）

4 基于建筑材料的表皮生態(tài)“層”設(shè)計(jì)

4.1渾厚自然的表皮材料單層設(shè)計(jì)

單片單層材料設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)單的一種，它是沒(méi)有層間的單層界面，主要考慮了材料的四個(gè)方面，材料的“蓄熱體表面的吸收率”，材料的“外部表面的顏色”，材料的“太陽(yáng)福熱反射率”和材料的“外表皮厚度外保溫效果”。

單層材料表皮多以夯土建筑，木建筑以及清水混凝土建筑為代表。木材是最受歡迎的建筑材料，它完全自然的，可循環(huán)的，可無(wú)限補(bǔ)給的，如果開(kāi)采合理，不會(huì)破壞環(huán)境的生態(tài)平衡。

4.1.1加拿大新斯科舍省的郵遞員住宅

建筑的外表皮厚度應(yīng)該足夠厚以滿(mǎn)足保溫隔熱的需要。例如加拿大新斯科舍省的用輕質(zhì)木框架，雪松木瓦覆蓋的郵遞員住宅，它使用了傳統(tǒng)的材料和建造手法，該建筑表皮上在寒冷時(shí)成為一個(gè)隔離的體塊，木質(zhì)量格柵墻體屬于一種屏障，墻體組成材料的本身朝著室外增加了氣孔，使進(jìn)入墻體的任何水分都可以轉(zhuǎn)移到了室外，安全的蒸發(fā)掉。與混凝土相似，夯土依靠二氧化硅、氧化鋁、石灰載體產(chǎn)品如硅酸鹽水泥來(lái)硬化，夯土墻多辦是相對(duì)厚的墻體形式，夯土墻可以提供良好的隔熱，墻體的厚度和較高的熱惰性可以確保住宅冬暖夏涼。（圖4）

4.1.2澳大利亞維多利亞州布雷巴林住宅

在澳大利亞維多利亞州布雷巴林住宅就是以整塊的夯土墻作為建筑的表皮，整塊夯土結(jié)構(gòu)的熱惰性能將日氣溫曲線(xiàn)變化成大約原周期的一般，這樣可以利用墻壁在白天獲得熱量在夜晚為室內(nèi)空間供熱。室內(nèi)的混凝土樓板和夯土墻進(jìn)一步緩和冬夏的溫度和儲(chǔ)存直接輻射能。夯土墻的結(jié)構(gòu)的嵌入式能量要明顯少于混凝土，制造夯土的能源相對(duì)于混凝土要較少，材料多產(chǎn)自當(dāng)?shù)?，運(yùn)輸材料的能源大大的減少。

對(duì)于室內(nèi)熱量的儲(chǔ)存，表皮材料的蓄熱體表面的吸熱細(xì)數(shù)應(yīng)較高來(lái)吸收熱輻射，非蓄熱體的材料表面則具有反射性。在位于加利福尼亞州的拉霍亞住宅，深紅色的菱形瓦覆蓋整個(gè)主要樓層，從表面吸收直接的熱量，而且白色的非蓄熱墻體及頂棚把光線(xiàn)反射到其它表面上去，以達(dá)到室內(nèi)熱舒適的要求。（圖5）

4.2體現(xiàn)“層間”的表皮材料雙層設(shè)計(jì)

雙層表皮設(shè)計(jì)在形式上比單層而言增加了一層界面，使得建筑的圍護(hù)系統(tǒng)從原來(lái)的單層界面到現(xiàn)在“帶空氣的空間”的復(fù)合界面的變化。從作用原理上來(lái)看，冬季內(nèi)外層的墻體均處于關(guān)閉狀態(tài)，雙層間可以形成封閉的空氣層，利用空氣層的熱阻加上材料本身的熱阻，阻緩了熱量的流失，對(duì)冬季室外寒冷的天氣起到了緩沖的作用。在夏季，雙層墻體層間的遮陽(yáng)構(gòu)造和材料本身的熱反射能夠?qū)⑻?yáng)輻射阻擋，通過(guò)外層墻體的開(kāi)口循環(huán)通風(fēng)，將如空氣從層間帶走，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)小環(huán)境和室外氣候的緩沖作用。

“層間”的加入使建筑表皮成為建筑系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)加上材料本身的屬性以控制對(duì)外環(huán)境的能量輸入，一方面阻隔氣候的不利因素，另一方面吸收氣候的有利因素（如太陽(yáng)能、自然通風(fēng)）來(lái)改善建筑系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境。

雙層外皮材料的選擇應(yīng)當(dāng)能反射太陽(yáng)得熱并避免熱量傳入內(nèi)層。夏季太陽(yáng)照到建筑外表面時(shí)，部分輻射被外表皮反射，部分輻射被外表材料吸收。雙層表皮是一個(gè)減少降溫負(fù)荷的策略。外部第二層皮的材料可為內(nèi)部的材料層提供遮陽(yáng)，空腔中通風(fēng)帶走一部分傳入的熱量。雙層皮空腔在減少太陽(yáng)輻射方面與外層的吸收效率，空腔的反射率以及空腔通風(fēng)有關(guān)。利用材料的表面性質(zhì)來(lái)選擇內(nèi)外層表皮的材料。（圖6）

4.2.1美國(guó)駐伊拉克大使館

巴格達(dá)的美國(guó)駐伊拉克大使館使用了雙層屋面，該屋面頂部由預(yù)制的折疊式混凝土薄板構(gòu)成，內(nèi)側(cè)的頂棚是平整的石膏板，懸掛于折疊混凝土板底部，這樣就形成了0.9m深的三角形空腔?？涨粌啥碎_(kāi)口，能排出熱空氣。該建筑外表皮刷成白色，從而使其有較低的吸收系數(shù)和較高的反射率。雙層皮空腔的整個(gè)周邊為連續(xù)的通風(fēng)口，使空腔內(nèi)的通風(fēng)效果俱佳，該系統(tǒng)效率能達(dá)到最優(yōu)化。（圖7）

4.2.2奧地利林茨設(shè)計(jì)中心

赫爾佐格在奧地利林茨設(shè)計(jì)中心采用了類(lèi)似的系統(tǒng)，拱形展廳的外表皮是雙層玻璃板，期間平行設(shè)置了具有光偏轉(zhuǎn)和高反射率的鋁膜塑料遮陽(yáng)構(gòu)件。雙層拋物面反射體形成了用于第三次反射的交叉格柵，格柵板的幾何形狀可用來(lái)收集北向的擴(kuò)散光并同時(shí)阻擋所有的直射光。遮陽(yáng)的選擇包括水平向百葉、卷簾百葉、室內(nèi)織物窗簾。根據(jù)顏色、面層、角度和飾面的不同，裝置的遮陽(yáng)系數(shù)（SC）和太陽(yáng)輻射得熱細(xì)數(shù)（SHGC）將有很大變化。每排玻璃板都安裝了不同截面形狀的百葉。位于玻璃層之間的空腔則用來(lái)通風(fēng)，以便在夏季除去玻璃間層的多余熱量?！皩娱g”的太陽(yáng)輻射熱能通過(guò)煙囪效應(yīng)散發(fā)出去。（圖8）

5 結(jié)論

作為影響建筑能耗的重要因素之一，建筑材料和建筑表皮都是建筑構(gòu)成的重要組成部分。它對(duì)內(nèi)圍合成建筑的空間，同時(shí)又是城市環(huán)境空間的界面載體。本文從材料的類(lèi)型，材料的地域生態(tài)選擇與表皮在構(gòu)造中的生態(tài)效應(yīng)分析，現(xiàn)在建筑不僅僅關(guān)心建筑是如何建造更加關(guān)注建筑如何產(chǎn)生更好的環(huán)境效益，材料表皮的生態(tài)設(shè)計(jì)，其中各種生態(tài)策略并非孤立的手法，而是將他們整合運(yùn)用，從生態(tài)的角度把材料和技術(shù)融入到建筑中。生態(tài)技術(shù)運(yùn)用基于信息，而不是基于形式。讓我們知道我們應(yīng)當(dāng)關(guān)注不是建筑表皮和材料看起來(lái)是什么樣的，而是要知道了解它是怎么運(yùn)作的及其給人們帶來(lái)了怎樣的環(huán)境效益。

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