Doris Sung

aSchool of Arch itecture, Unive rsity of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USAbDOSU Studio Architecture, Rolling Hills, CA 90274, USA

Research Architecture—Perspective

重新審視建筑物立面，將其作為基礎(chǔ)設(shè)施

Doris Sunga,b

aSchool of Arch itecture, Unive rsity of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USAbDOSU Studio Architecture, Rolling Hills, CA 90274, USA

a r t i c l e i n f o

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Received 21 February 2016

Revised 1 March 2016

Accepted 9 March 2016

Available online 31 March 2016

建筑物立面基礎(chǔ)設(shè)施

如城市里街道和人行道的堅(jiān)硬表面一樣，城市建筑物的水平或垂直表面也造成了世界范圍內(nèi)大城市氣溫的不斷上升。但是，人們并沒有采取任何改善措施，而是把建筑物立面看作為室內(nèi)人員提供舒適環(huán)境的結(jié)構(gòu)，并忽略其對(duì)室外產(chǎn)生的影響，或是把它當(dāng)做其所有者可識(shí)別美感的象征。本文提出了將建筑物立面作為“戶外行人福利管家”的反思，以及將公共健康作為建筑物立面附加功能的概念，該概念強(qiáng)調(diào)要考慮戶外行人的利益和健康。如果把一個(gè)城市建筑物的全部表面積看做是城市基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，那么它的作用不僅是使室外的空間更加舒適、衛(wèi)生、宜人，還要有助于緩解城市氣溫上升這一更大的問題。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言：不僅僅是一張美麗的臉

動(dòng)物，包括人類的基本生理功能只有一個(gè)目標(biāo)，即維持生命。身體表面可緩和外部環(huán)境以確保內(nèi)部機(jī)能的有效運(yùn)作。從另一方面來說，樹木和植物為地球氣候做出了更多無私的貢獻(xiàn)。植物通過光合作用(吸收二氧化碳并產(chǎn)生氧氣)為其他生物提供各種養(yǎng)料，以維持動(dòng)物界生物的生命。這種無私奉獻(xiàn)的精神為建筑物的建設(shè)帶來了深刻的啟迪。隨著城市建筑物堅(jiān)硬表面的不斷增加，我們應(yīng)該考慮是否能夠改變這些建筑物立面，使其為氣候變化做出積極貢獻(xiàn)。雖然一些設(shè)計(jì)師已經(jīng)對(duì)建筑物立面進(jìn)行了改造，使它們可以收集能源、應(yīng)對(duì)環(huán)境變化、保護(hù)室內(nèi)人員免受極端環(huán)境影響，但是絕大多數(shù)建筑物立面僅僅起到了美觀的作用。這些相同的表面可以被設(shè)計(jì)和改造，并且能夠?yàn)楣怖孀龀鲐暙I(xiàn)。建筑物外立面可以過濾空氣、清潔水源、調(diào)節(jié)氣溫、制造微風(fēng)以及促進(jìn)公眾健康。如果按照這個(gè)思路，建筑物外立面可被更好地歸類為市政工程、私人開發(fā)，甚至是公共藝術(shù)或城市基礎(chǔ)設(shè)施等交叉領(lǐng)域的一部分。

2.背景：建筑物立面的演變

全球氣候變暖的主要原因是人類產(chǎn)生的溫室氣體的增加。對(duì)有限化石燃料的開采和使用導(dǎo)致了對(duì)可再生能源新來源和零能耗生活的廣泛需求。當(dāng)前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，美國(guó)的能源消耗問題已經(jīng)十分嚴(yán)峻：建筑物約消耗了所有可用能源的47.6 %①Source ?2013 2030, Inc./Architecture2030.Data Source: US Energy Information Administration (2012).Available from: http://architecture2030.org/ buildings_problem_why/.(如圖1)，明顯超過工業(yè)和交通所消耗的能源量。從大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目到普通房屋，制暖或制冷設(shè)備消耗了大量的能源；現(xiàn)實(shí)情況表明，商務(wù)辦公樓的最大支出在于能源的使用。世界上許多大城市的“熱島效應(yīng)”使能源問題更加嚴(yán)峻。城市的人行道、街道和建筑物堅(jiān)硬表面在夜晚釋放出白天吸收的熱量，使夜晚的氣溫一直居高不下。城市氣溫的上升導(dǎo)致居民打開空調(diào)降溫，而空調(diào)的使用又會(huì)向大氣排放更多熱量，結(jié)果形成城市氣溫一直上升的惡性循環(huán)。因此，應(yīng)該盡量減少加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的使用，降低建筑物的能源消耗。除此之外，城市步行區(qū)的氣溫變得讓人難以忍受，也應(yīng)被考慮在“能量方程”中。

20世紀(jì)以前，房屋的構(gòu)造都是厚墻和小窗，可使室內(nèi)和室外被很好地分隔。人們的自然傾向被密集承重墻帶來的好處所取代，這是因?yàn)槌兄貕Ρ旧砭褪橇己玫奶烊唤^緣體。此外，通過小窗只有很少的熱量損失，所以室內(nèi)冬暖夏涼。然而，到了20世紀(jì)30年代，隨著平板玻璃和鋼材的引入，建筑師們開始設(shè)計(jì)外墻全部布滿玻璃落地窗的房子，引進(jìn)了“形式跟隨功能”的理念，即建筑物的各組成部分和空間功能可通過建筑物立面如實(shí)呈現(xiàn)，以尋求設(shè)計(jì)的真實(shí)與透明。雖然玻璃的使用在視覺、感受和美學(xué)上確有好處，但也帶來了不少的副作用：建筑物立面對(duì)太陽光熱量不斷吸收，因缺乏絕緣結(jié)構(gòu)造成室內(nèi)溫度的不穩(wěn)定以及對(duì)人工制暖和制冷系統(tǒng)依賴性不斷增強(qiáng)。隨著結(jié)構(gòu)鋼材的演變和電梯技術(shù)的進(jìn)步，商用建筑物的高度被不斷刷新?？照{(diào)系統(tǒng)的制造變得越來越復(fù)雜，消耗的能源以及向室外排出的熱量也在不斷增加。為達(dá)到超舒適標(biāo)準(zhǔn)，建筑物外殼被設(shè)計(jì)有密封和絕緣的內(nèi)部空腔。出于對(duì)安全和空調(diào)使用的考慮，新建商用建筑物的窗戶都無法被打開，使得這些建筑物在斷電時(shí)不能被用于辦公，揭露了我們對(duì)高耗能空調(diào)系統(tǒng)和膠囊狀建筑物外殼的無盡依賴。

圖1.由于建筑物約消耗了全部可用能源的47.6 %，所以建筑物能耗的降低將節(jié)省大量能源。（圖片提供：DOSU建筑公司）

當(dāng)前，建筑物立面應(yīng)被重新審視。建筑師們必須將建筑物立面概念化為室內(nèi)與室外空間的重要協(xié)調(diào)界面。首先，出于零耗能人類居住目的，建筑物立面要有潛在應(yīng)答系統(tǒng)；其次，建筑物立面要負(fù)責(zé)改善鄰近的室外環(huán)境。建筑物外立面具有降溫、隔音、降低反光度、改善空氣質(zhì)量以及風(fēng)力驅(qū)動(dòng)雨水的功能，從而使戶外區(qū)域更加舒適和實(shí)用。此外，由于環(huán)境每時(shí)每刻都在改變，需要設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)、靈敏和智能的建筑物立面。

對(duì)建筑物立面的設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單地仿照起保護(hù)作用的動(dòng)物皮膚，而是要利用現(xiàn)代技術(shù)超越這個(gè)概念，設(shè)計(jì)出多功能的建筑物立面。在該設(shè)計(jì)中，建筑物實(shí)際上沒有“外立面”，并且外立面可以起到與內(nèi)立面完全不同的作用(如形式不跟隨功能)。由于建筑物立面的表面積有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于道路和人行道的面積，建筑物立面的建設(shè)對(duì)城市發(fā)展來說既可以是破壞者也可以是拯救者。換句話說，盡管建筑物立面的作用在過去城市“熱島效應(yīng)”的形成中不容無視，但其用途可被改變，從而在未來解決這些問題。鑒于現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)以及人們對(duì)城市環(huán)境更加濃厚的興趣，建筑物外立面可以過濾空氣、改善空氣循環(huán)和清潔水資源——至多，促進(jìn)整個(gè)社會(huì)的公共利益；至少，使得室外步行空間更加健康、舒適并且明顯有益。由于建筑物外立面對(duì)城市環(huán)境的較大影響，除了保護(hù)室內(nèi)人群，它還有責(zé)任扮演更積極、更重要的角色。

3.建筑物內(nèi)外立面功能不同

自從80多年前Ludwig Mies van der Rohe采用玻璃幕墻后，建筑物立面并沒有得到很大的創(chuàng)新和改造。現(xiàn)在，革新技術(shù)、降低能耗和通過改變建筑物外立面控制氣候變化以促進(jìn)公眾福利、公共衛(wèi)生和行人舒適度的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。建筑物的內(nèi)外兩個(gè)立面需要分別承擔(dān)其對(duì)內(nèi)、外空間的責(zé)任。一旦這個(gè)概念成為現(xiàn)實(shí)，建筑界將發(fā)生一場(chǎng)巨大的變革，并且這種變革的速度將會(huì)像移動(dòng)電話被普及后數(shù)量爆炸性增長(zhǎng)的速度一樣。在移動(dòng)電話出現(xiàn)之前，電話技術(shù)的發(fā)展幾乎停滯了100年。數(shù)字傳輸技術(shù)的進(jìn)步使移動(dòng)設(shè)備的使用率在很短時(shí)間內(nèi)急劇上升，從而導(dǎo)致了智能設(shè)備、定位系統(tǒng)和手機(jī)軟件的快速發(fā)展?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)很難想起沒有移動(dòng)電話的生活是什么樣子。同樣，對(duì)于建筑物外殼來說，也可能發(fā)生類似的爆炸性增長(zhǎng)。

建筑物外殼和立面的設(shè)計(jì)是目前歐洲的關(guān)注熱點(diǎn)之一。智能低耗能系統(tǒng)的使用也將不可避免地影響這些設(shè)計(jì)。負(fù)責(zé)馬尼托巴水電總部大樓項(xiàng)目的工程師Thomas Auer對(duì)建筑物外殼的設(shè)計(jì)有濃厚的興趣和豐富的經(jīng)驗(yàn)。他相信，除了自通風(fēng)功能外，建筑物立面還可以扮演除濕機(jī)的角色，把水分從空氣中除掉，甚至還可以把收集的水用作多種用途。一些簡(jiǎn)單的材料組合，比如二氧化硅涂層，可以提高某些材料的功能，對(duì)綜合智能立面系統(tǒng)產(chǎn)生局部作用①Thomas Auer’s lecture in the USC School of Architecture Workshop: Top Fuel 2012: Funnels, 2013 Mar 19—26.①Information obtained from http://alcoa.com/aap/north_america/pdf/ecoclean/EcoClean_Newsletter1.pdf.② Woody T.Alcoa’s self-cleaning, smog-eating buildings.Tech, Forbes.2011 May 9.。同樣，由美國(guó)鋁業(yè)制造商生產(chǎn)的一種叫做“生態(tài)清潔”的產(chǎn)品可以被用于除霧。他們將鋁制板面用二氧化鈦涂層包裹，這種親水性表面可以使水從建筑物表面流下，自動(dòng)清潔建筑物表面的塵埃物質(zhì)和各種霧氣。此外，二氧化鈦、陽光、水和氧氣與建筑物表面氮氧化物的相互作用可以釋放自由基，使氮氧化物 轉(zhuǎn)變成硝酸鹽①。該制造商的董事長(zhǎng)Craig Belnap說：“如果將‘生態(tài)清潔’產(chǎn)品應(yīng)用于一小部分北美和歐洲國(guó)家的建筑物表面，其效果相當(dāng)于種植幾百萬棵樹?！雹贑ourtney Humphries, “Citation: Breathe Brick,” 2015 R+D Awards, Architect Magazine, 2015 Aug 7.如此，局部地區(qū)，甚至全球的空氣質(zhì)量都會(huì)改善。

一些工程師設(shè)計(jì)的建筑物，如本文作者和英國(guó)奧雅納工程顧問公司的工程師Russell Fortmeyer合作的城市海膽工程，或本文作者和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Simon Schleicher及Julian Leinhard合作的TW/RL工程(如圖2~5)，利用低技術(shù)策略，在過濾空氣的同時(shí)，具有遮陽和改善建筑物周圍空氣循環(huán)的功能。在這兩個(gè)案例中，熱雙金屬太陽收集器的太陽煙囪中熱氣上升并被釋放，使底部的冷空氣進(jìn)入。兩個(gè)案例中的任何一個(gè)都沒有使用人造能源。這些研究中的設(shè)計(jì)方案有助于建筑物立面的發(fā)展，在這些設(shè)計(jì)方案中，建筑物立面可以改善特定類型的空氣流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以吸收污染物顆粒(如圖6)。關(guān)于這方面的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。比如，由Carmen Trudell、San Luis Obispo以及加州理工大學(xué)學(xué)生完成的呼吸磚工程②Courtney Humphries, “Citation: Breathe Brick,” 2015 R+D Awards, Architect Magazine, 2015 Aug 7.。他們從真空吸塵器的漩渦系統(tǒng)中得到啟發(fā)，在外墻腔內(nèi)利用迷你旋風(fēng)器清除空氣塵埃(如圖7、圖8)。雖然這個(gè)系統(tǒng)的功能是過濾建筑物外部空氣以供室內(nèi)使用，但這種技術(shù)也可以被用于過濾建筑物外部空氣以供室外使用。

圖2.為彌補(bǔ)以色列霍隆市區(qū)遮蔭樹木的移除，建立了城市海膽工程，以降低周圍行人區(qū)域的溫度。(圖片提供：DOSU建筑公司)

圖3.自動(dòng)收集太陽能和熱量，由太陽能煙囪和風(fēng)扇系統(tǒng)產(chǎn)生微風(fēng)?？諝饬鲃?dòng)時(shí)還能過濾掉有害物質(zhì)。(圖片提供：DOSU建筑公司)

圖4.在美國(guó)芝加哥市，類似的小規(guī)模建筑可以在炎熱的夏天提供遮陰和產(chǎn)生微風(fēng)。(圖片提供：DOSU建筑公司)

圖5.太陽能收集系統(tǒng)和太陽能煙囪系統(tǒng)的組合可使空氣流動(dòng)。使用者可以調(diào)整傘狀建筑物到所需角度進(jìn)行遮陽。(圖片提供：DOSU建筑公司)

圖6.作為單一元件，前面的兩個(gè)項(xiàng)目在城市降溫和過濾空氣懸浮物中的效果不明顯。但是，當(dāng)其結(jié)果被應(yīng)用到大面積范圍，如建筑物立面的時(shí)候，效果會(huì)非常明顯。(圖片提供：DOSU建筑公司)

在這種主動(dòng)和被動(dòng)共存的思維方式指導(dǎo)下，通常只為室內(nèi)人員提供舒適的建筑物在控制城市景觀的外部環(huán)境中也發(fā)揮了重要、積極和無私的作用。這種思維方式的真正影響將貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)和建筑界。以后，建筑物立面的外觀和功能都將有很大改變，并且這種轉(zhuǎn)變也將不可避免地影響我們?cè)O(shè)計(jì)、建造和使用室內(nèi)外空間的方式。

4.城市地區(qū)建筑物立面的新型典范

圖7.呼吸磚過濾外部空氣以供內(nèi)部使用。(圖片來自：http://www.architectmagazine.com/awards/r-d-awards/citation-breathe-brick_o.)

圖8.外墻腔內(nèi)類似真空的迷你旋風(fēng)器可以除 掉空氣的塵埃。(圖片來自：http://www.architectmagazine.com/awards/r-d-awards/citationbreathe-brick_o)

歷史上，建筑物的首要和管理語義信息已經(jīng)被建筑物外殼或立面外表面的處理指明，并且在墻體重要功能的顯露以及價(jià)值觀和權(quán)利主張的輸送層次之間交替。早期的時(shí)候，人類居住在洞穴里，沒有外在立面的保護(hù)。后來他們學(xué)會(huì)用石頭和其他建筑材料堆砌成墻，使其能夠在開放空間生活卻不受侵犯。這種早期的石頭墻只是起到承重作用。后來人類學(xué)會(huì)使用水泥、木材和其他材料建造光滑的墻壁，并且在上面雕刻和作畫，充分發(fā)揮想象力。墻面上二維或三維的裝飾展示了建筑物結(jié)構(gòu)的使用、歷史和重要性(如圖9)。建筑物制熱、制冷和排水系統(tǒng)的出現(xiàn)也是建筑史發(fā)展的一個(gè)體現(xiàn)。綜合煙囪系統(tǒng)(如圖10)和窗戶底部的暖氣就是典型例子。在20世紀(jì)，人們對(duì)通透性建筑物立面的興趣有所增加，體現(xiàn)在特殊結(jié)構(gòu)建筑外殼(如圖11)或通透可視玻璃面(如圖12)的建造上。之后，這種外殼被大量使用燈光、電力、廣告牌、文字信息的非物質(zhì)化建筑物外殼(如圖13)代替，但是這種對(duì)燈光、電力、廣告牌、文字信息的浪費(fèi)不可持續(xù)且極度不負(fù)責(zé)任。所以當(dāng)前很明顯的問題是：建筑物外殼接下來將怎樣發(fā)展？

圖9.吳哥窟的立面雕刻是對(duì)其文化的敘述，與墻壁的表述特征以及結(jié)構(gòu)無關(guān)。(圖片來自：維基百科)

圖10.14世紀(jì)中期英格蘭威爾士的機(jī)械元素，比如煙囪加熱系統(tǒng)，和其他功能元素開始影響建筑物立面的美學(xué)。(圖片來自：http:// gotterdammerung.org/photo/travel/england/wells/071121-155330%20 Wells%20Cathedral%20Towers%20over%20Vicar’s%20Close.html)

圖11.1977年由Renzo Piano和Richard Rogers建設(shè)的蓬比杜中心。所有的建筑物結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)都暴露在外面，成為建筑物立面美學(xué)的組成部分。(圖片提供：DOSU建筑公司)

在建筑物立面設(shè)計(jì)的當(dāng)前趨勢(shì)中，可自動(dòng)感應(yīng)環(huán)境的立面系統(tǒng)已被日益普及。1978年，Jean Nouvel在阿拉伯世界博物館(如圖14、圖15)首次提出這一概念，但這個(gè)想法與當(dāng)時(shí)的文化存在沖突，所以并沒有被采用。自那時(shí)起，時(shí)代已經(jīng)改變，出現(xiàn)了更新的“智能化”材料和組件。建筑物立面可以自動(dòng)遮陽、調(diào)節(jié)溫度以及使建筑物內(nèi)部通風(fēng)。在某些情況下，這些過程甚至不需要被控制和消耗能量就能完成①Doris Sung’s work on thermo-bimetallic architecture components has produced window systems, structural walls, and even self-assembly systems.①Fortmeyer R.When good climates go bad.AR Technology, Australian Design Review, p.54.。然而，假設(shè)這種建筑方式成立，接下來要考慮的問題是建筑物對(duì)其外部環(huán)境甚至是整個(gè)城市的貢獻(xiàn)。許多人口稠密條件下的氣候在一年中的某個(gè)時(shí)段并不適合戶外居住(如：靠近赤道或兩極地區(qū))，并且室外空氣、水和生活方式的質(zhì)量都與健康問題有關(guān)。

圖12.1951年由Ludwig Mies van der Rohe設(shè)計(jì)的范斯沃斯住宅?，F(xiàn)代元素的典范，充分展示了“形式跟隨功能”這個(gè)理念。(圖片來自：http://grshop.com/blog/tag/barcelona-chair/page/2/.)

圖13.世界各地許多城市中心的建筑物上安裝有多媒體電子屏，展示各種廣告、標(biāo)語和信息。這些類型的立面需要大量的能量并在白天散發(fā)出多余的熱量，可將這部分能量?jī)?chǔ)存起來用于冷卻城市。(圖片來自：http://lssmedia.com/news/a-preview-of-cherry-blossoms-in-timessquare/.)

圖14.位于巴黎的阿拉伯世界博物館的建筑物立面可以跟隨陽光移動(dòng)。(圖片提供：DOSU建筑公司)

圖15.由于感應(yīng)器過于脆弱，一些自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)不再使用。(圖片提供：DOSU建筑公司)

人們?cè)跍p少能源使用和制造技術(shù)創(chuàng)新以及減緩經(jīng)濟(jì)衰退方面的興趣勾起了發(fā)展建筑物立面的新興趣。為了推進(jìn)建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑師們必須對(duì)“建筑物外墻剖面”(包括建筑物外殼的內(nèi)、外兩個(gè)面)的概念產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)。建筑物外殼的改變勢(shì)必會(huì)影響整棟建筑物的設(shè)計(jì)，也會(huì)影響建筑物平面的組織方式，然而建筑物的內(nèi)部會(huì)影響墻壁外部的街道使用。這種改變同時(shí)也會(huì)改變建筑物立面的“符號(hào)價(jià)值”，質(zhì)疑“形式跟隨功能”的建筑觀點(diǎn)。建筑物立面的中間墻體部分是否是兩個(gè)不同的墻(一個(gè)用于外部一個(gè)用于內(nèi)部)?其存在將會(huì)是一種趨勢(shì)還是一種阻礙？“形式跟隨功能”的建筑觀點(diǎn)是否適用于外墻的內(nèi)外兩個(gè)部分？在未來還繼續(xù)適用嗎？我們是在挑戰(zhàn)Mies van der Rohe的格言“少即是多”，并用“多即是好”來替換它嗎？

賦予建筑物立面的外表面美學(xué)新功能是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。然而，它復(fù)雜并不意味著不能實(shí)現(xiàn)，只是需要在以后的時(shí)間里對(duì)其認(rèn)真考慮。經(jīng)濟(jì)將會(huì)是最大的挑戰(zhàn)。也許這種改變的發(fā)生需要政府的參與，但很容易想象，“盡管學(xué)術(shù)上已經(jīng)為實(shí)際操作提供了建筑模型，我們發(fā)現(xiàn)一些監(jiān)管和審批機(jī)構(gòu)愿意接受任何官方的原因①。”盡管存在這些阻礙，把建筑物立面當(dāng)作一種新型基礎(chǔ)設(shè)施去建設(shè)，已經(jīng)是新方向上邁出的一步。

E-mail address: doris@dosu-arch.com

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 63—68

Doris Sung.A New Look at Building Facades as Infrastructure.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.008

公共行人舒適度

建筑物立面與公眾健康