劉 艷， 彭 蕾， 劉斯榮

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430000)

公共建筑表皮生態(tài)性初探
----以實(shí)測(cè)太原南站結(jié)果分析為例

劉 艷1， 彭 蕾2， 劉斯榮1

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430000)

在“綠色、生態(tài)、環(huán)保、節(jié)能”的思想引導(dǎo)下，著重強(qiáng)調(diào)了公共建筑表皮生態(tài)性的必要性，剖析了建筑表皮生態(tài)化的設(shè)計(jì)思路和策略。以太原南站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和站房設(shè)計(jì)為例，從自然通風(fēng)、建筑材料、自然采光等方面進(jìn)行了整理和分析，驗(yàn)證了生態(tài)建筑表皮的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用性，為生態(tài)建筑表皮的發(fā)展提供了一些新的視野和思路。

生態(tài)性； 公共建筑； 表皮材料； 保溫節(jié)能

公共建筑以其大空間、大體量、人流量高等特點(diǎn)成為城市的地標(biāo)性建筑。隨著全球環(huán)境的不斷惡化，公共建筑的高耗能問(wèn)題也暴露在人們眼中，針對(duì)公共建筑的生態(tài)性設(shè)計(jì)需求日益增大。20世紀(jì)初，建筑表皮在演變過(guò)程中漸漸地與結(jié)構(gòu)脫離，框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用讓建筑表皮的形式更加多樣化、豐富化、語(yǔ)言化。近幾年來(lái)，綠色建筑風(fēng)的興起逐漸引起了學(xué)者對(duì)建筑表皮生態(tài)性研究的廣泛關(guān)注，建筑表皮在歷經(jīng)了承重結(jié)構(gòu)、表皮裝飾等作用后走向了視覺(jué)豐富、功能環(huán)保的生態(tài)之路。

1 建筑表皮生態(tài)設(shè)計(jì)的演進(jìn)與思路

20世紀(jì)初，生態(tài)建筑師們將太空艙生態(tài)設(shè)計(jì)的有關(guān)元素運(yùn)用到建筑上，使建筑能夠越來(lái)越封閉且自給自足。他們希望將所有的生物和非生物因素整合在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，建造出一個(gè)無(wú)須外部資源供給就可為居民提供日常所需的系統(tǒng)。20世紀(jì)80、90年代，生態(tài)建筑師楊經(jīng)文提出了仿生學(xué)設(shè)計(jì)生態(tài)建筑，從分析環(huán)境、生態(tài)、氣候出發(fā)，模擬大自然的過(guò)程，創(chuàng)造出新的環(huán)境友好型設(shè)計(jì)的新型節(jié)能建筑。1996年,Thomas Herzog將審美規(guī)律、環(huán)境語(yǔ)言、生態(tài)技術(shù)融入到建筑設(shè)計(jì)中，使表皮設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不同的氣候，充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)能技術(shù)降低對(duì)環(huán)境的污染和不可再生能源的使用[1]。眾多生態(tài)建筑師的設(shè)計(jì)和研究整合了一套較為完整的生態(tài)建筑表皮的設(shè)計(jì)思路，建筑表皮設(shè)計(jì)需要遵循以下幾點(diǎn)：1)保持并可調(diào)解室內(nèi)溫度。加強(qiáng)外墻夏季的通風(fēng)透氣和冬季的保溫隔熱處理。2)排出室內(nèi)污濁空氣。像“會(huì)呼吸的皮膚”一樣，保護(hù)內(nèi)在空間的潔凈。3)適應(yīng)于不同的外界環(huán)境，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，根據(jù)季節(jié)、氣候的不同進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，保證人類(lèi)的最佳生活狀態(tài)。4)將審美藝術(shù)與科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，在設(shè)計(jì)中充分利用自然能源并結(jié)合相應(yīng)的節(jié)能手段和審美原理打造綠色、生態(tài)、美觀(guān)的垂直循環(huán)系統(tǒng)和垂直景觀(guān)。不斷豐富的設(shè)計(jì)思路使建筑表皮走向可持續(xù)發(fā)展的道路，并進(jìn)一步提升了建筑的自給自足性和可持續(xù)性[2]。

2 建筑表皮生態(tài)設(shè)計(jì)的策略

隨著建筑技術(shù)的不斷推進(jìn)，表皮在建筑中逐漸呈現(xiàn)出一種技術(shù)化、多層化、概念化的表現(xiàn)形式，設(shè)計(jì)師的思想和理念通過(guò)對(duì)材料、功能、環(huán)境、審美、技術(shù)的不同來(lái)展現(xiàn)。建筑表皮的展現(xiàn)形式也就更加豐富，根據(jù)設(shè)計(jì)師思想和理念的不同可以將建筑表皮分為“雙層或多層”表皮、可呼吸表皮、采光性同遮光性相結(jié)合表皮、生態(tài)種植表皮、仿生表皮、太陽(yáng)能建筑表皮、編織表皮、媒體化表皮等建筑方式。

2.1 建筑表皮的通透性設(shè)計(jì)

2.1.1 公共建筑表皮與自然通風(fēng) 在公共建筑高耗能的情況下，建筑表皮的通風(fēng)系統(tǒng)為了節(jié)省能源盡量采用自然通風(fēng)，小空間的自然通風(fēng)比起大空間來(lái)說(shuō)更容易實(shí)現(xiàn)，大空間單純依靠自然通風(fēng)很難達(dá)到良好室內(nèi)通風(fēng)效果。目前，大部分公共建筑采用空調(diào)送風(fēng)和自然通風(fēng)相結(jié)合的雙重模式。

湖北工業(yè)大學(xué)綠色建筑研究中心分別于2014年8月和2015年1月對(duì)太原南站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。針對(duì)太原市空氣濕度小、降雨量少、晝夜溫差大等氣候特點(diǎn)和建筑周?chē)沫h(huán)境情況，考慮夏秋時(shí)期通過(guò)自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)環(huán)境空氣置換，減少機(jī)械使用率，達(dá)到最佳的建筑節(jié)能效果，在整體設(shè)計(jì)中依然將大空間的自然通風(fēng)技術(shù)作為主要的生態(tài)技術(shù)手段。太原南站表皮設(shè)計(jì)在門(mén)窗的形式、面積、開(kāi)啟方式、相對(duì)位置、材料上進(jìn)行了綜合考慮和分析。在建筑東西向設(shè)置了入口門(mén)廳，南北向設(shè)置了下旋式窗和百葉窗，在候車(chē)大廳上空設(shè)置了“風(fēng)帽”，利用室內(nèi)外空氣的溫度差異，和夏秋季室外主導(dǎo)風(fēng)向的特點(diǎn)，將新鮮空氣從西向和北向開(kāi)啟的門(mén)窗和風(fēng)帽送入室內(nèi)(圖1)，利用風(fēng)壓和熱壓，加強(qiáng)室內(nèi)空氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效果(圖2)。

圖 1 太原南站水平面1.2 m處分環(huán)境分析

圖 2 太原南站橫向截面中間風(fēng)帽處風(fēng)環(huán)境分析

結(jié)合CFD軟件的模擬分析，在主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲飨蛳?，建筑北面和西面為迎風(fēng)面，室外空氣能順利從建筑北側(cè)至南側(cè)流過(guò)，風(fēng)速基本在1.5～2.5 m/s之間，北側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)局部風(fēng)速達(dá)到2.7 m/s。中間風(fēng)帽的拔風(fēng)效果明顯，風(fēng)帽開(kāi)啟處風(fēng)速可達(dá)0.6 m/s，有助于提高室內(nèi)整體空間的風(fēng)速。建筑的整體風(fēng)環(huán)境效果較好，內(nèi)部存在較強(qiáng)風(fēng)壓和熱壓通風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)公共建筑自然通風(fēng)起到一定幫助作用。

2.1.2 公共建筑表皮與自然采光 為達(dá)到低運(yùn)行費(fèi)用下的高效能公共建筑，自然采光是生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)師必須考慮形體、立面、造型、功能、材料等多重設(shè)計(jì)因素，并保證采光的功能性和藝術(shù)性。公共建筑的采光形式主要有三種：頂面采光、側(cè)面采光和頂、側(cè)面共同采光。頂部采光解決了室內(nèi)遠(yuǎn)窗點(diǎn)照度低的缺陷，具有照度均勻、不易產(chǎn)生眩光等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量；側(cè)面采光難以解決大進(jìn)深空間室內(nèi)光需求，并易產(chǎn)生直射眩光和反射眩光，所以在側(cè)面采光幅度大時(shí)，需要輔助使用遮陽(yáng)處理[3]。

太原南站建筑面積60 188 m2，體量巨大，單純的側(cè)面采光無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)空間的采光需求，因此，整個(gè)建筑采用了兩種形式的采光模式，頂面采光采用了比玻璃更加輕便耐用的半透明聚碳酸脂材料，借鑒了山西傳統(tǒng)民居“亮瓦”的形式，設(shè)置了X形狀采光天窗(圖3)，不但滿(mǎn)足了大進(jìn)深室內(nèi)白天采光需求，更達(dá)到了保溫隔熱屋頂熱工需求。在減少室內(nèi)照明能耗的同時(shí)給室內(nèi)候車(chē)人員創(chuàng)造了更加舒適的環(huán)境。側(cè)面采光采用石材與玻璃相結(jié)合的形式(圖4)，大大減小了玻璃的透光性，將點(diǎn)狀光線(xiàn)與面狀光線(xiàn)相結(jié)合，滿(mǎn)足室內(nèi)照度的同時(shí)考慮合理的自然光遮擋，減少不合理的大面積片光和“溫室效應(yīng)”。

圖 3 頂面X狀透光形式

圖 4 側(cè)面石材與玻璃相結(jié)合透光形式

2.2 材料在建筑表皮上的演繹

2.2.1 材料生態(tài)化的建筑表皮 建筑材料是人類(lèi)從事建設(shè)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響到人類(lèi)生活空間的舒適性和安全性，隨著生活水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)達(dá)，人們對(duì)建筑材料的要求也越來(lái)越高，近年來(lái)，可持續(xù)發(fā)展觀(guān)念深入人心，對(duì)建筑材料的選擇已不只是純粹的表達(dá)自身的設(shè)計(jì)意圖，更多的考慮到建筑本身的功能需求和環(huán)保節(jié)能的特性。面對(duì)當(dāng)今日益衰落的生存環(huán)境，如何通過(guò)建筑表皮材料實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全的目標(biāo)已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。在遵循材料最本質(zhì)的物理屬性、化學(xué)屬性和視覺(jué)屬性的基礎(chǔ)上，不斷豐富材料的生態(tài)屬性才能滿(mǎn)足人們對(duì)生態(tài)建筑的追求，生態(tài)屬性是評(píng)價(jià)材料選擇與運(yùn)用的重要指標(biāo)。

在太原南站的整體設(shè)計(jì)和施工中，始終堅(jiān)持了“低碳、生態(tài)、科技”等建設(shè)理念，在建筑表皮材料的選擇、使用、設(shè)計(jì)和施工工藝上依舊表現(xiàn)出打造生態(tài)環(huán)保精品建筑的決心和意念。太原南站表皮材料不但使用了大量的低碳環(huán)保材料，如屋面的淺色鋁鎂錳金屬面板，有效削弱了太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)溫度的影響(圖5)，其外立面設(shè)計(jì)更采用了新穎的玻璃和石材組合的幕墻形式，該幕墻由雙層石材和玻璃墻組合而成，靠室內(nèi)側(cè)幕墻采用6 mm單片鋼化玻璃，靠室外側(cè)幕墻采用6+12A+6鋼化LOW-E中空玻璃，石材則采用25 mm厚磨面花崗巖(圖6)；雙重材料的搭配和組合不但最大限度地減小了玻璃反射帶來(lái)的不良影響，還大大提高了室內(nèi)舒適度 ，600 mm的空氣間層， 在保證優(yōu)秀隔音性能的同時(shí)保障了室內(nèi)溫度的持久性，使建筑在冬季運(yùn)行時(shí)節(jié)省了一定的取暖輸出，減小了對(duì)不可再生能源的消耗和破壞。

圖 5 頂面淺色鋁鎂錳

圖 6 組合幕墻構(gòu)造圖金屬面板

2.2.2 生態(tài)化表皮的保溫隔熱分析 冬季太原實(shí)測(cè)項(xiàng)目于2015年1月6號(hào)至1月8號(hào)實(shí)行，經(jīng)測(cè)試分析，日最低氣溫出現(xiàn)在早上6∶00左右，達(dá)-12.8℃，最高氣溫在下午15∶00左右，達(dá)1℃，屬于典型的寒冷地區(qū)氣候。太陽(yáng)輻射最大值達(dá)600 W/m2以上，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，在上午8∶00點(diǎn)至下午16∶00這6 h 內(nèi)相對(duì)數(shù)值較高，200～ 400 W/m2。實(shí)測(cè)期間全天室內(nèi)送風(fēng)溫度為39℃，本文分析1月7日溫度變化數(shù)據(jù)表明了該組合幕墻具有良好的保溫穩(wěn)定性(圖7、圖8)。

圖 7 測(cè)試點(diǎn)示意

圖 8 測(cè)試點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)圖

根據(jù)圖8的測(cè)試數(shù)據(jù)變化可得知，西門(mén)廳中最靠近室內(nèi)的點(diǎn)1全天溫度在12℃～16℃徘徊，點(diǎn)2一天當(dāng)中最高溫度15℃，最低溫11℃。位于門(mén)斗內(nèi)的點(diǎn)3溫度明顯低于室內(nèi)兩點(diǎn)，最高不到13℃，最低溫7.5℃。而位于室外的點(diǎn)4，上午10∶15時(shí)是測(cè)試時(shí)間內(nèi)的最低溫，約-0.2℃，下午16∶00時(shí)出現(xiàn)當(dāng)天峰值7℃。四個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值從室內(nèi)到室外的溫度依次遞減，儀器位置越靠近室內(nèi)，測(cè)得溫度就越高，這說(shuō)明太原南站表皮材料和幕墻組合形式具有非常好的保溫穩(wěn)定性，對(duì)于冬季維持室內(nèi)溫度，減輕空調(diào)制熱負(fù)荷有積極作用。

3 小結(jié)

建筑表皮是構(gòu)成建筑的重要組成部分，本文從公共建筑表皮的通透性和保溫隔熱性為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展和分析，著重強(qiáng)調(diào)了建筑表皮的生態(tài)性發(fā)展，整理和分析了各種生態(tài)策略在建筑設(shè)計(jì)中的綜合運(yùn)用，結(jié)合太原南站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)論證了新的設(shè)計(jì)手法和建筑材料在保溫隔熱、節(jié)能減排道路上作出的貢獻(xiàn)，具生態(tài)意義，綜合說(shuō)明了研究和發(fā)展建筑表皮的生態(tài)性是現(xiàn)代建筑可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1] 杜曉輝.可感知的皮膚——舊金山Prada建筑表皮技術(shù)解讀[J]. 華中建筑，2007，25(2)：73-75.

[2] 李鋼,李保峰,龔斌.建筑表皮的生態(tài)意義[J]. 新建筑，2008(2)：14-19.

[3] 陶云橋.將自然光引入建筑設(shè)計(jì)中[J].建設(shè)科技,2006(4)：56-57.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

On the Surface Ecology of Public Buildings -Based on the Measured Results of Taiyuan South Station

LIU Yan, PENG Lei, LIU Sirong

(1SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2TheSecondConstructionCo.LtdofChinaConstructionThirdEngineeringBureau,Wuhan430070,China)

In the ideological guidance of “green, ecosystem, environmental protection and energy saving”, this paper focuses on the necessity of the surface ecology of public building, and discusses the design and strategies of the ecology of architectural surface. Taking the measured data and station design of Taiyuan south station as an example, we collect and analyze the natural ventilation, building materials, natural lighting, verify the advantages and practicality, and propose some new vision and ideas for the development of ecologic architectural surface.

ecology; public building; surface materials; energy saving and insulation

1003-4684(2016)03-0117-04

J59

A

2015-11-03

劉 艷(1991-)， 女，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ坝^(guān)生態(tài)設(shè)計(jì)