林正豪 宋曄皓 孫菁芬 陳曉娟 解丹 / LIN Zhenghao, SONG Yehao, SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan

氣候應答式的模塊化建筑表皮設計策略
——以清控人居科技示范樓項目為例

林正豪 宋曄皓 孫菁芬 陳曉娟 解丹 / LIN Zhenghao, SONG Yehao, SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan

1 背景

作為貴安新區(qū)生態(tài)文明創(chuàng)新園的啟動建筑，清控人居科技示范樓（Tsinghua Eco-Studio，THE-Studio）既是整合多項可持續(xù)技術的低能耗實驗平臺，也是創(chuàng)新園對外宣傳與輻射影響的基點。表皮作為建筑內(nèi)外環(huán)境的過渡要素（宋曄皓 等，2014）與溝通媒介，在承擔著環(huán)境調(diào)節(jié)與能量交換等物質(zhì)功能的同時，還傳遞著建筑自我表現(xiàn)的視覺信息。因此，在決策層面、創(chuàng)作階段與建造過程中引入表皮設計策略的探討，對項目的研究與實踐均具有重要意義。

通過將“氣候應答式（climate responsive）”創(chuàng)作方法與“模塊化（modularization）”體系相結合的表皮設計策略，建筑形成了以“藤編表皮+雙層呼吸幕墻”為核心的表皮系統(tǒng)，進而重構建筑內(nèi)外環(huán)境之間的密切聯(lián)系，并在有限的建造時間與條件下，實現(xiàn)了可持續(xù)、低能耗、預制裝配的建筑設計目標。

2 應答氣候的表皮系統(tǒng)

2.1 基地氣候條件

貴安新區(qū)地處貴陽與安順兩市之間，屬亞熱帶高原季風濕潤氣候，夏季主要盛行西南偏南風（SSW），室外平均氣溫不高于25℃；冬季則以東北偏東風（ENE）為主導，平均氣溫低于8℃。因此，在表皮設計上應當積極利用涼爽的夏季風，規(guī)避較為寒冷的冬季風。貴安新區(qū)在建筑熱工分區(qū)上屬于溫和地區(qū)，日照時間短，太陽輻射量低。統(tǒng)計表明①，貴陽冬季太陽輻射累積量的時空間平均值僅約為490MJ，接近全國最低值，同時僅為其夏季輻射累積量的38%左右。相較之下，考慮表皮系統(tǒng)的夏季遮陽作用比冬季得熱效益更有意義。

2.2 藤編表皮系統(tǒng)

藤編表皮系統(tǒng)主要由3層結構組合而成：模塊化藤編掛板層、空氣腔層和圍護保溫木墻，從而使表皮系統(tǒng)具備了被動式調(diào)節(jié)的結構基礎，再通過藤編掛板的多種構造復合，實現(xiàn)對氣候環(huán)境的積極應答。在設計階段，主要探討了兩種藤編表皮系統(tǒng)的設計思路。

2.2.1 初始設計思路

藤編掛板模塊由藤編板、金屬框架與彩色亞克力板3層構造由外到內(nèi)組合而成，成為兼具遮陽、通風與色彩等功能的復合表皮系統(tǒng)（圖1）。

圖1 藤編掛板構造示意

圖2 夏季建筑風壓風速分布

圖3 冬季建筑風壓風速分布

圖4 藤編掛板開啟角度變化分布

（1）遮陽功能：藤編板由當?shù)毓そ忱锰贄l手工編織而成，其疏密形式固定，透光率保持在50%左右，可以起到有效的夏季遮陽作用。

（2）通風功能：藤編板與彩色亞克力板前后固定于金屬框上，從而使藤編掛板達到透光而不透風的作用。以東西山墻為例，通過多塊掛板模塊的組合搭嵌，掛板層與圍護木墻之間形成相對密閉的空氣腔，從而具備了熱壓通風與空氣保溫的基礎。當?shù)丶撅L的風壓作用同樣不可忽視，由建筑立面風壓模擬圖②可見，風壓在夏季主要積聚建筑的西、南立面，在冬季主要積聚在東、北立面，而且分級明顯（圖2、3）。在構造上，藤編掛板通過調(diào)節(jié)金屬框與豎向龍骨之間的連接件，形成4種開啟角度（8°、6°、4°、2°）以應對不同的風壓等級（圖4）。

在表皮設計策略上，夏季主要考慮西、南兩面利用風壓推動腔內(nèi)熱氣上排，帶走其中積聚的熱量，從而減少室內(nèi)環(huán)境的輻射得熱，因此在立面風壓越大的地方，其藤編掛板下方開啟的角度則越大；冬季則考慮減少東、北兩面空腔內(nèi)空氣的流動，優(yōu)化空氣間層的保溫效果，因此在風壓越大的地方，藤編掛板開啟的角度反而越小。

（3）色彩功能：豐富的色彩是貴州鄉(xiāng)土景觀與民俗文化的特色，故而在建筑表皮上運用色彩具有重要的表現(xiàn)意義。通過采用包含12種顏色的透光亞克力板，藤編表皮系統(tǒng)形成漸變的彩色環(huán)圈，暗示不同朝向的環(huán)境特征：西、南兩面以暖色為主，東、北兩面則以冷色為主。同時，亞克力板與藤編板將陽光過濾為室內(nèi)斑斕艷麗的光影，建立表皮與室內(nèi)環(huán)境的視覺連接（圖5）。色彩還賦予每塊藤編掛板獨特的個性，使原本均質(zhì)的藤編表皮擁有了活躍的表情與生命的隱喻。

然而由于當?shù)夭噬珌喛肆Σ牧系亩ㄖ萍庸ぶ芷谶^長，同時藤編掛板連接件長度不一，施工難度較高，因此影響了表皮的施工進度與其他材料部品的進場安裝，并對建筑整體的建造計劃造成干擾。綜合考慮后，只能放棄亞克力板與藤編掛板角度的設計，以實現(xiàn)工程整體效益的最大化。

2.2.2 設計思路的調(diào)整

表皮設計的調(diào)整勢在必行，當?shù)刎S富的藤編紋樣成為新的切入點。設計團隊與三穗縣藤編工匠密切合作，開發(fā)出4種疏密不同的編織紋樣（圖6），進而通過表皮模塊的組合變化，使其在兼顧遮陽、通風、保溫等功能的同時，提升表皮系統(tǒng)的結構穩(wěn)定性與材料耐久性。

（1）遮陽優(yōu)先：根據(jù)貴安當?shù)靥栞椛涞奶攸c，表皮應優(yōu)先考慮夏季遮陽的需求，其冬季得熱作用則基本可以忽略。同時，當?shù)靥栞椛湟陨⑸錇橹?，建筑各立面獲得的輻射量較均勻，因此表皮整體上應以較為致密的藤編板為主。

（2）適應季風：合理利用季風是表皮設計的重點，貴安夏季以西南季風為主，可利用其促進表皮空腔內(nèi)熱氣的流動與排出，減少室內(nèi)得熱，故而建筑西、南兩面需采用相對稀疏的藤編板；而冬季以東北季風為主，需通過表皮對冷風進行阻隔與屏蔽以達到保溫的作用，故而建筑東、北兩面需采用相對致密的藤編板（表1）。這是調(diào)節(jié)藤編疏密分布的基本原則。

圖5 藤編表皮色彩設計

（3）降低風荷載：由分析可知，夏冬兩季季風會在作用的立面上積聚風壓，風的流動會加速藤材的老化與損壞，破壞建筑表皮的整體穩(wěn)定性。為消減這種不利影響，各立面根據(jù)風壓的不同分級分別對應不同疏密程度的藤編紋樣。一般而言，風壓越大的地方，對應藤編板的透空率就越高（圖7）。這也是表皮形式控制的次級原則。

通過設計策略的制定與實施，形成了由氣候因子（climatic factor）驅動生成的獨特表皮形式（form），并確定為最終的施工方案。這種應答氣候的表皮設計策略，在決策、設計與建造的各階段中都得以貫徹與執(zhí)行。

2.3 雙層呼吸幕墻

2.3.1 復合構造設計

在設計中，雙層呼吸幕墻環(huán)繞并圍護著建筑首層使用空間，其基本構造原型是由外層玻璃幕墻與內(nèi)層保溫墻體共同形成可換氣的空氣腔層。其中，外層玻璃幕墻采用明框單玻構造，其上下兩端分別設置了手控鋁合金推拉板與可調(diào)節(jié)百葉，分別作為空腔的進、排風口，從而具備了幕墻外循環(huán)通風的條件?？涨粌?nèi)高約3.90m，為通風上行提供足夠的熱壓差驅動力，空腔南北方向的進深為0.45m，東西方向的進深為0.92m，在不通風的前提下，可作為空氣保溫層使用。內(nèi)層保溫墻體則根據(jù)室內(nèi)功能的要求，局部設置內(nèi)開落地窗，并通過中空Low-E雙層玻璃以及對鋁框的斷熱設計，在保證視野通達的同時，兼顧采光、保溫與通風的需求。

2.3.2 被動式氣候調(diào)節(jié)

表1 各向立面藤編表皮透空率

圖6 4種藤編編織紋樣

雙層呼吸幕墻是氣候應答式設計的典型代表，其通過季節(jié)性③的“呼吸式”被動調(diào)節(jié)作用提升建筑性能表現(xiàn)（building performance）（宋

曄皓 等，2014），從而解決建筑能耗與室內(nèi)環(huán)境舒適度的二元矛盾問題。

夏季日間，當空腔內(nèi)溫度較高時，可通過關閉內(nèi)層窗戶，打開外層玻璃幕墻的進、排風口，利用熱壓通風的作用排走空腔內(nèi)的熱氣，降低內(nèi)側圍護結構的表面溫度，從而減少室內(nèi)環(huán)境的得熱量，提高使用舒適度。夏季夜間，空腔受室外空氣冷輻射影響形成負壓，通過關閉外側幕墻的排風口，并打開下方的進氣口與內(nèi)層窗戶，利用空腔與室內(nèi)之間的溫差進行自然通風，從而降低室內(nèi)溫度，并利用墻體、頂棚與樓地板等建筑構件進行夜間蓄冷，從而降低日間空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷與能源消耗。

冬季室外溫度較低，關閉外側幕墻的進、排風口及內(nèi)層門窗，使空腔處于密閉狀態(tài)。一方面可作為空氣緩沖層，提高建筑整體的保溫性能；另一方面則可作為陽光間進行蓄熱（Zheng-Hao Lin，2014），既能提高內(nèi)側圍護墻體的表面溫度，也能經(jīng)由窗戶對室內(nèi)空間進行直接熱輻射，提高室內(nèi)溫度，降低生物質(zhì)鍋爐采暖系統(tǒng)的熱負荷（圖8）。

圖7 藤編表皮疏密分布示意

圖8 雙層呼吸幕墻氣候應答設計（左：夏季日間熱壓通風；中：夏季夜間通風蓄冷；右：冬季日間陽光間蓄熱）

圖9 藤編掛板安裝節(jié)點

圖10 雙層呼吸幕墻安裝節(jié)點

3 模塊化表皮系統(tǒng)

3.1 表皮模塊化

表皮模塊化（skin modularization）是本次表皮設計策略的另一重

點。通過引入模塊化的理念，實現(xiàn)設計、生產(chǎn)與建造的三位一體。該部分主要介紹表皮模數(shù)的制定與模塊單元的設計組合。

圖11 藤編掛板構造示意

圖12 藤編模塊工廠預制

圖13 藤編模塊尺寸分類

模數(shù)（module）是建筑設計中選定的標準化尺寸單位。在本設計中，建筑的豎向模數(shù)由其結構跨度（3 020mm）確定與控制，其窗洞開口、藤編表皮與雙層呼吸幕墻的豎向劃分均以1/4木柱跨（755mm）為模數(shù)。制定模數(shù)為表皮系統(tǒng)的設計細分、分包預制以及整合裝配提供了尺寸基礎與協(xié)調(diào)準則。此次藤編掛板與雙層呼吸幕墻雖分別由不

同地區(qū)的廠家獨立預制，但其進場后可直接共用一套以755mm為模數(shù)的豎向鋼龍骨（圖9、10），并準確對位后方預留的窗洞，實現(xiàn)裝配的高效與精確，為多部品的整合創(chuàng)造了條件。

圖14 藤編表皮編號系統(tǒng)

模塊單元（modular component）是模塊化系統(tǒng)的基礎，其本身結構獨立且功能完整，因此在系統(tǒng)全生命周期中可以隨時進行替換、維修、升級、回收甚至再利用。以藤編掛板的實施方案為例，鍍鋅鐵框是其支撐結構，手工藤編板賦予其功能與形式，金屬角碼則是對接外系統(tǒng)（幕墻龍骨）的接口（圖11）。因此，使用中損壞的掛板可以隨時進行維修與替換；升級掛板模塊還能使系統(tǒng)的性能得到整體提升，例如可在現(xiàn)有掛板上加裝彩色亞克力板，使其擁有前文提到的色

彩屬性與文化內(nèi)涵；甚至可以將所有藤編掛板拆除，進行表皮的異地重建等。由此可見，模塊化的設計策略使表皮系統(tǒng)的生命周期與應用潛力都得以提升。

圖15 藤編表皮編號系統(tǒng)2

圖16 藤編安裝施工

通過將模塊單元進行功能參數(shù)化的設計，并以一定的邏輯重新組織，可以有效提升系統(tǒng)應對復雜環(huán)境的能力。例如前文的藤編單元，通過對編織紋樣的參數(shù)化處理與組合，其構成的表皮系統(tǒng)便可在一定程度上應對復雜多變的環(huán)境條件，實現(xiàn)氣候應答式設計。

3.2 預制裝配

預制裝配（prefabrication）是建筑工業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化的直觀體現(xiàn)，也是建筑模塊化設計策略的內(nèi)在要求。預制裝配的作用主要體現(xiàn)在工廠預制與現(xiàn)場施工的高效配合。

從工廠的角度而言，模塊預制可以在資源層面實現(xiàn)對材料、能源、設備、交通與人力的有效整合與利用，從而達到控制質(zhì)量、壓縮時間、節(jié)約成本、減少資源浪費等多重目標。同時，工廠預制還可以避免現(xiàn)場生產(chǎn)過程中天氣或施工條件帶來的不利影響，并避免與其他作業(yè)之間的交叉與干擾。以藤編表皮為例，從提供設計圖紙到產(chǎn)品進場，共計686塊藤編掛板（總面積450m2，異形模塊占5.5%）的預制與編號只用了18天時間，而且達到了預期的工藝水平與質(zhì)量水準（圖12、13）。

從現(xiàn)場的角度出發(fā)，預制模塊是一種“準成品”構件，進場后只需按圖紙進行定位裝配與接口處理即可快速完成施工任務。一方面可以實現(xiàn)精確的安裝與檢修，確保工程質(zhì)量；另一方面則可以降低現(xiàn)場施工帶來的人力（建造、管理等）與物力（運輸、備料、后勤、基礎設施等）成本，同時避免過度破壞現(xiàn)場環(huán)境，實現(xiàn)工程整體效益的最大化。本案中藤編模塊進場后只需對豎向龍骨進行簡單的彈線定位就可以開始裝配，將掛板上預埋的連接件與幕墻龍骨進行釘接，并按照編號系統(tǒng)（圖14、15）搭接嵌合藤板，即可組合成完整的表皮系統(tǒng)，全程僅僅用了5天時間，為后續(xù)作業(yè)的開展提供了便利（圖16）。

4 結語

作為表皮設計策略的兩端，氣候應答式設計與模塊化體系相輔相成：氣候環(huán)境對建筑的影響為表皮模塊的設計與組合提供了依據(jù)與邏輯；反之，表皮系統(tǒng)的模塊化細分與模塊單元的功能實現(xiàn)又為應答氣候復雜系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎與技術支撐。

通過上述兩者的二元結合，表皮系統(tǒng)綜合解決了建筑在遮陽、通風、采光、保溫、節(jié)能等方面的問題，并使快速建造的需求得以實現(xiàn)，呼應了建筑層面上低碳節(jié)能的可持續(xù)設計目標，使表皮子系統(tǒng)與建筑總系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)。

注釋

① 統(tǒng)計數(shù)值詳見：楊軍，顧駿強，施能.我國總太陽輻射特征、趨勢變化和分區(qū)[C]//中國氣象學會.中國氣象學會2006年年會“氣候變化及其機理和模擬”分會場論文集，2006。

② 取貴陽、安順兩地平均風速進行風環(huán)境模擬，夏季風速3.2m/s，風向SSW；冬季風速2.65m/s，風向ENE。來流風速按照城市梯度風考慮，梯度系數(shù)按照II類地表（樹木和低層建筑為主）考慮取0.15。此模擬由馬杰博士提供，成果見圖2、3。

③ 根據(jù)貴安當?shù)貧夂蛱卣?，主要集中討論夏冬兩季的氣候應答式設計，過渡季氣候溫和舒適，故不作贅述。

[1] 宋曄皓，王嘉亮，露西亞·卡爾達斯，等.節(jié)能與舒適 表皮材料的建筑性能表現(xiàn)及其設計應用[J].時代建筑，2014（03）.

[2] Zheng-Hao Lin, Yi-Qiang Xiao, Zu-Lue Cao, Han-Yang Zhang, Shi-Qi Qian.E-Concave: Passive Design Of Solar Detached House[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014(04).

林正豪，清華大學建筑學院，清華大學生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室

宋曄皓，清華大學建筑學院教授，清華大學生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室

孫菁芬，清控人居建設（集團）有限公司

陳曉娟，清控人居建設（集團）有限公司

解丹，清控人居建設（集團）有限公司

2015-06-04

CLIMATE RESPONSIVE MODULAR BUILDING SKIN DESIGN STRATEGY：A CASE STUDY OF THE-STUDIO

本文以貴安新區(qū)清控人居科技示范樓項目為例，一方面將氣候應答式設計方法實踐于以藤編表皮與雙層呼吸幕墻為核心的表皮系統(tǒng)，綜合解決建筑遮陽、通風、采光、保溫、節(jié)能等問題；另一方面結合模塊化體系，通過表皮的預制裝配迎合快速建造的需求，整合形成貫穿于決策、設計與建造全過程的表皮設計策略，進而實現(xiàn)可持續(xù)、低能耗的建筑設計總目標。

This paper is a case study on the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an New Area, China, which applies the Climate Responsive Design into the building skin system centering on the rattan weaving skin and the double-skin aspiratory curtain wall, thus succeeding in dealing with the multiple challenges of sun-shading, ventilation, lighting, insulation, and energy conservation. In addition, the combination of the Climate Responsive Design and the Modular System forms a building skin design strategy which runs throughout the whole process of decision, design and construction, which meets the requirement of rapid construction by prefabricating building skin, and further achieve the f nal target of sustainability and low energy consumption.

建筑表皮 氣候適應性 模塊化 設計策略

Building Skin, Climate Responsive, Modularization, Design Strategy

本文由國家自然科學基金重點課題項目（51138004）支持。