苑雪飛，魏治平，安文，田歌川

（1.嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314000；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150020；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；4.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710000）

1 寒地建筑外表皮設(shè)計(jì)適應(yīng)光照環(huán)境的本源

寒冷地區(qū)處于較強(qiáng)的大陸性氣候條件下，冬季漫長(zhǎng)，晝夜溫差大，氣候嚴(yán)酷，低溫、寒風(fēng)、積雪等因素給建筑創(chuàng)作帶來(lái)了諸多制約。傳統(tǒng)寒地建筑能耗有73%～77%是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的，是寒地建筑采暖能耗流失的主要途徑。很多寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)由于冬季太陽(yáng)高度角小、日照時(shí)間短，建筑獲得的太陽(yáng)輻射量較少。而對(duì)處于低溫環(huán)境的建筑來(lái)說(shuō)，冬季采光的獲取非常重要，充足的冬季采光不僅能保證建筑空間的溫度，減少采暖能耗，還能提升空間光環(huán)境的舒適度，營(yíng)造良好的室內(nèi)氛圍。因此，對(duì)于傳統(tǒng)寒地建筑外圍護(hù)體系而言，阻止熱能的消耗和獲得充足的冬季陽(yáng)光是相互矛盾的。數(shù)千年以來(lái)，寒地建筑由于過(guò)于注重建筑保溫，而將日照的獲得放在外界面設(shè)計(jì)的次要地位，建筑外圍護(hù)界面成為隔離人工環(huán)境和自然氣候之間的屏障作用，遮蔽外界環(huán)境的不利因素，使傳統(tǒng)寒地建筑成為“熱水瓶”式的密封裝置[1]。

隨著科技的發(fā)展、新型材料的研發(fā)，很多建筑表皮早已經(jīng)可以與結(jié)構(gòu)體系脫離開(kāi)，通透的幕墻也能夠具有良好的保溫性能，使建筑保溫與獲得光照的矛盾有所化解。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)建模的發(fā)展，人們已經(jīng)開(kāi)始借用算法設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)以及多智能系統(tǒng)來(lái)直接反應(yīng)環(huán)境對(duì)建筑圍護(hù)界面的影響，從環(huán)境邏輯生成形式及生命體的特征吸取靈感，形成了諸多新型建筑外圍護(hù)體系，使其成為包絡(luò)外界面的氣候自適應(yīng)建筑物外殼[2]。因此，寒地建筑設(shè)計(jì)也應(yīng)該探索更多模式，使表皮更加適應(yīng)氣候環(huán)境，對(duì)光照環(huán)境的調(diào)控變得更加智能化和靈活化，減少寒地建筑因保溫需求導(dǎo)致界面過(guò)于封閉。

國(guó)外對(duì)于寒地建筑外表皮如何能夠在保溫的同時(shí)適應(yīng)光照環(huán)境的研究已經(jīng)有一些積累。Wang等[3]提出了建筑表皮應(yīng)最大限度地吸收有利的氣候因素，通過(guò)遮陽(yáng)、太陽(yáng)能、通風(fēng)系統(tǒng)與表皮結(jié)合，提升建筑適應(yīng)環(huán)境的能力。Rossi和Figliola[4]研發(fā)了一種參數(shù)化生成的適應(yīng)性建筑和表皮，使建筑能夠使用不同氣候區(qū)的環(huán)境特征，找到提升室內(nèi)舒適度的解決方案。實(shí)踐方面，國(guó)外近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的很多綠色生態(tài)寒地建筑越來(lái)越注重表皮與日照環(huán)境的呼應(yīng)，已經(jīng)從簡(jiǎn)易模式的光照獲取轉(zhuǎn)化為多維度的調(diào)適和利用，在逐漸清晰和系統(tǒng)的建筑日照環(huán)境參數(shù)應(yīng)用中，衍生出更加優(yōu)化的建筑表皮形式，有效地提高了寒地建筑空間獲得冬季光照和夏季遮陽(yáng)的效率，利用圍護(hù)體系的效能來(lái)營(yíng)造舒適的室光環(huán)境和熱環(huán)境。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中，林紹康[5]的研究表明，辦公建筑表皮可以通過(guò)優(yōu)化窗洞形態(tài)、采光構(gòu)件輔助、頂部天窗補(bǔ)充等方式優(yōu)化自然采光。劉帆[6]闡述了創(chuàng)造室內(nèi)光舒適環(huán)境應(yīng)該采用的動(dòng)態(tài)表皮控制策略。韓昀松[7]研究提到，國(guó)外少數(shù)建筑具有能夠根據(jù)太陽(yáng)高度角與方位角調(diào)節(jié)建筑日照得熱量與室內(nèi)照度的建筑智能化表皮。國(guó)內(nèi)近幾年也嘗試通過(guò)建筑表皮的優(yōu)化，提升寒地建筑對(duì)自然光照環(huán)境的適應(yīng)性，但大多還沒(méi)有進(jìn)入到參數(shù)化動(dòng)態(tài)調(diào)整表皮的階段，設(shè)計(jì)理念和相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步提升。

本文的研究創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在理論方面，針對(duì)傳統(tǒng)寒地建筑表皮過(guò)于注重御寒保暖而忽視了內(nèi)部環(huán)境對(duì)光照環(huán)境的需求，挖掘利用先進(jìn)技術(shù)形成既能保溫也能更加適應(yīng)光照環(huán)境寒地建筑表皮的可能性，引導(dǎo)寒地建筑表皮設(shè)計(jì)理論從注重環(huán)境排斥走向系統(tǒng)生成，發(fā)揮建筑的整體效能；在內(nèi)容方面，通過(guò)多個(gè)國(guó)外先進(jìn)建筑實(shí)踐項(xiàng)目表皮案例的闡述與分析，引導(dǎo)寒地建筑表皮設(shè)計(jì)打破傳統(tǒng)厚重界面的束縛，進(jìn)行積極的探索和創(chuàng)新，從4個(gè)方面提出了適應(yīng)光照環(huán)境的寒地建筑外表皮設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)表皮設(shè)計(jì)提升寒地建筑的內(nèi)部空間品質(zhì)；在方法方面，從建筑實(shí)際案例出發(fā)，立足寒地建筑應(yīng)具有冬季最大限度地獲得陽(yáng)光和夏季利用恰當(dāng)?shù)恼陉?yáng)和通風(fēng)防止夏季過(guò)熱的適應(yīng)性，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合、定性研究與歸納研究相結(jié)合的方法，使提出的設(shè)計(jì)方法更具有適應(yīng)性和系統(tǒng)性。

2 適應(yīng)光照環(huán)境的寒地建筑表皮生態(tài)設(shè)計(jì)方法

立足于當(dāng)下的設(shè)計(jì)手段和建造技術(shù)條件，為了使與外界直接接觸的寒地建筑外圍護(hù)表皮能夠更加生態(tài)智能地為建筑內(nèi)部提供更加舒適的空間環(huán)境，本文將從以下4個(gè)方面展開(kāi)論述適應(yīng)光照環(huán)境的寒地建筑外表皮設(shè)計(jì)方法。

2.1 傳統(tǒng)遮陽(yáng)的優(yōu)化

適應(yīng)光照環(huán)境的寒地建筑外表皮設(shè)計(jì)，最直接的方法就是在外圍護(hù)界面設(shè)置傳統(tǒng)遮陽(yáng)系統(tǒng)。建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)根據(jù)外部自然氣候因素的變化控制外立面透明部分的透明度或陽(yáng)光通過(guò)率，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的采光量，在遮陽(yáng)位置移動(dòng)過(guò)程中調(diào)節(jié)建筑獲得陽(yáng)光的效率[8]。寒地建筑通過(guò)合理優(yōu)化遮陽(yáng)體系，冬季最大地獲得太陽(yáng)光能，夏季則有效控制進(jìn)入室內(nèi)的日照輻射，避免室內(nèi)過(guò)熱；或在一天內(nèi)不同時(shí)段的遮陽(yáng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，使室內(nèi)達(dá)到舒適的光環(huán)境和熱環(huán)境，并使建筑立面表現(xiàn)出豐富的肌理和表情。當(dāng)前寒地建筑外表皮遮陽(yáng)常見(jiàn)的主要形式為外部遮陽(yáng)、間層遮陽(yáng)、內(nèi)部遮陽(yáng)3種。其中外部遮陽(yáng)多用于低層和多層建筑，主要形式包括遮陽(yáng)格柵、遮陽(yáng)卷簾、百葉窗等，以阻擋夏季太陽(yáng)輻射，同時(shí)還能在一定程度上減少風(fēng)雨對(duì)建筑的侵襲。間層遮陽(yáng)體系應(yīng)用于高層建筑居多，這種遮陽(yáng)體系將能夠電動(dòng)或機(jī)械控制的百葉或遮陽(yáng)設(shè)置于幕墻或玻璃窗的雙層玻璃之間，隨時(shí)調(diào)整陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)的采光量，這種遮陽(yáng)方式可以使卷簾或百葉不被風(fēng)雨侵蝕，并減少高層建筑設(shè)置外遮陽(yáng)的掉落風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)部遮陽(yáng)則是設(shè)置在建筑室內(nèi)的遮陽(yáng)窗簾、遮陽(yáng)百葉等，人們直接室內(nèi)手動(dòng)或電動(dòng)控制遮陽(yáng)效果。

如丹麥哥本哈根的Fhi辦公樓的外圍護(hù)界面采用磚墻、鋁質(zhì)百葉窗及大玻璃窗組成，3種材質(zhì)都采用同一種規(guī)格，通過(guò)百葉窗的橫向滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)光照進(jìn)入室內(nèi)的量。冬季百葉窗與墻面重合，玻璃窗暴露出來(lái)吸收更多的陽(yáng)光；夏季百葉窗與玻璃窗重合，建筑立面表現(xiàn)出墻面與百葉2種元素，阻止陽(yáng)光過(guò)多進(jìn)入室內(nèi)。在不同的季節(jié)變化中，百葉窗可以根據(jù)氣候環(huán)境調(diào)節(jié)至不同的位置，從而賦予建筑立面豐富的光影效果[見(jiàn)圖1（a）]。又如倫佐·皮亞諾設(shè)計(jì)的紐約時(shí)報(bào)大廈，建筑立面由全玻璃幕墻圍合，幕墻外部為一層陶瓷棒幕簾格柵，并在室內(nèi)設(shè)置了機(jī)械化幕墻，多層次的表皮可以對(duì)光照條件產(chǎn)生靈活的調(diào)節(jié)，使建筑對(duì)采光有著初步調(diào)節(jié)能力[見(jiàn)圖1（b）]。

圖1 調(diào)節(jié)光照面積的遮陽(yáng)應(yīng)用

2.2 太陽(yáng)軌跡的跟蹤

為了更加智能地適應(yīng)氣候環(huán)境的變化，人們將傳統(tǒng)遮陽(yáng)體系升級(jí)后形成了跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的遮陽(yáng)體系，并應(yīng)用于寒地建筑表皮設(shè)計(jì)中。遮陽(yáng)體系具有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的百葉和電動(dòng)控制裝置，隨時(shí)跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，并調(diào)節(jié)遮陽(yáng)角度，為建筑內(nèi)部提供更加舒適的遮陽(yáng)空間。這種表皮遮陽(yáng)體系需要對(duì)太陽(yáng)軌跡與建筑之間的關(guān)系加以把握，太陽(yáng)軌跡圖能夠表明建筑所處的緯度地區(qū)一年中各時(shí)辰的方位角和高度角，通過(guò)分析太陽(yáng)方位角、高度角與建筑的關(guān)系，判斷建筑在一年中不同季節(jié)及一天中不同時(shí)段能夠獲得天然光照的入射角度。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)軌跡圖的分析，找到建筑所處地區(qū)的4個(gè)重要的太陽(yáng)高度角臨界點(diǎn)，確定外遮陽(yáng)合適的遮陽(yáng)角度，從而最大限度地獲取冬季溫暖的陽(yáng)光，遮擋夏季陽(yáng)光[1]。

如天津中新生態(tài)城濱海小外中學(xué)部建筑外表皮就采用了可調(diào)節(jié)的遮陽(yáng)系統(tǒng)[9]（見(jiàn)圖2），建筑在冬季和夏季根據(jù)太陽(yáng)軌跡的變化，獲取合適的建筑內(nèi)部采光。在冬季，太陽(yáng)高度角較低，遮陽(yáng)板位置為向上傾斜，陽(yáng)光能夠大面積進(jìn)入室內(nèi)，使建筑室內(nèi)更加溫暖；而在夏季，遮陽(yáng)板位置向下略?xún)A斜，大幅度減少進(jìn)入室內(nèi)的陽(yáng)光，使室內(nèi)空間更加涼爽。國(guó)外的很多寒地建筑也采用了在幕墻外設(shè)置可以跟蹤太陽(yáng)軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)百葉裝置，可以靈活調(diào)節(jié)不同季節(jié)和天氣的室內(nèi)得熱量，使建筑具有更好的氣候適應(yīng)度。

圖2 天津中新生態(tài)城濱海小外中學(xué)部的追蹤太陽(yáng)軌跡遮陽(yáng)

2.3 反射光線的利用

建筑內(nèi)部空間獲得日照的方式除了通過(guò)建筑表皮開(kāi)窗的直接獲取，還可以通過(guò)光線反射，將自然光引入室內(nèi)需要光線的區(qū)域，提升室內(nèi)環(huán)境的光照舒適度和溫度。反光板可以均勻地反射日光，增加遠(yuǎn)離窗戶(hù)的空間照度，減少眩光。常用的反光策略主要有2種：第1種是在建筑表皮外部或表皮間層設(shè)置金屬遮陽(yáng)板和反光板，將陽(yáng)光反射進(jìn)入室內(nèi)，利用反射的太陽(yáng)光進(jìn)行晝光照明；第2種可以利用屋頂?shù)拈_(kāi)窗，把陽(yáng)光反射到反光板、天花板或墻體上，利用均勻的二次反射光來(lái)獲得室內(nèi)均勻照明[10]。

第1種模式在很多建筑中已經(jīng)都有所應(yīng)用，而且遮陽(yáng)板的形式也很多樣，特別是層間板也可以通過(guò)造型的變化形成有效的光線反射體系。當(dāng)夏季太陽(yáng)高度角較高時(shí)，陽(yáng)光不直接照入室內(nèi)，由反光板反射后再通過(guò)頂棚反射進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)獲得柔和的補(bǔ)光；當(dāng)冬季太陽(yáng)高度角較低時(shí)，陽(yáng)光照射到反射板上直接通過(guò)一次反射進(jìn)入室內(nèi)，給冬季的室內(nèi)增添熱能。同時(shí)，室內(nèi)遮陽(yáng)還能夠?qū)κ覂?nèi)采光量進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，使人們可以獲得更加舒適的光照條件[11]（見(jiàn)圖3）。在特別寒冷的地區(qū)，利用格柵反光不僅可以反射太陽(yáng)光，還可以用作反射環(huán)境光，為室內(nèi)補(bǔ)光。如挪威的斯瓦爾巴特群島行政辦公大樓[12]（見(jiàn)圖4），建筑所處的區(qū)域環(huán)境常年積雪，并且每年都要度過(guò)幾個(gè)月的極夜。建筑玻璃窗外設(shè)置了整面的木質(zhì)百葉，主要作用就是在冬季的極夜季節(jié)反射冰雪的光亮，為建筑室內(nèi)提供光亮，減少極夜帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間幽暗。遮陽(yáng)體系與反射光線綜合利用，形成靈活的光照反饋體系，并結(jié)合遮陽(yáng)板的控制反射進(jìn)入室內(nèi)的光線量。

圖3 反射光線與其它措施綜合利用

圖4 斯瓦爾巴特群島行政辦公大樓

第2種模式則是更多地通過(guò)屋頂天窗為室內(nèi)大進(jìn)深房間補(bǔ)光。如美國(guó)科羅拉多溫莎的警察局[13]（見(jiàn)圖5），建筑形體采用具有動(dòng)感的斜坡屋頂組成，傾斜的屋頂與立面之間設(shè)置了天窗，使陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)后形成反射，為室內(nèi)補(bǔ)充光照。這種模式可以更多地應(yīng)用在寒地建筑中，使建筑的室內(nèi)更加溫暖舒適。

圖5 科羅拉多溫莎的警察局

2.4 光照參數(shù)的生成

隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)更多地應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，建筑師們將建筑所處的光環(huán)境參數(shù)應(yīng)用于建筑表皮生成的方法也在不斷探索實(shí)踐中，使建筑逐漸具有類(lèi)似生命體征的皮膚特質(zhì)，通過(guò)自我調(diào)節(jié)進(jìn)入建筑內(nèi)部的光線量，自適應(yīng)光照氣候環(huán)境，為人們提供更加舒適的生活居住環(huán)境。參數(shù)化設(shè)計(jì)的建筑表皮由于造價(jià)的原因和施工的難度，目前只應(yīng)用于少數(shù)公共建筑上，但這種設(shè)計(jì)理念和方法將會(huì)越來(lái)越普遍，為人們提供更加智能舒適的建筑內(nèi)部空間。

如美國(guó)洛杉磯艾默生學(xué)院[14]（見(jiàn)圖6），建筑為門(mén)洞形狀，門(mén)洞內(nèi)部界面采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)的表皮，不僅成為整個(gè)建筑的亮點(diǎn)，還使建筑細(xì)部表現(xiàn)出波光粼粼的態(tài)勢(shì)。表皮可以根據(jù)建筑外部光照角度的變化調(diào)整每個(gè)百葉片的角度，從而有效調(diào)整建筑室內(nèi)獲得的光照，平衡室內(nèi)溫度，使建筑更加人性化和自適應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)控，參數(shù)化表皮界面還能夠在調(diào)整遮陽(yáng)效率的同時(shí)，調(diào)整從建筑內(nèi)部觀看外部景色的角度，將光照參數(shù)和自然環(huán)境的其他因素結(jié)合起來(lái)，共同生成建筑表皮，與建筑所處的自然環(huán)境相呼應(yīng)[15]。德國(guó)漢堡哈芬新城的水邊雙塔高層[16]（見(jiàn)圖7），建筑的外部表皮界面參數(shù)化設(shè)計(jì)將氣候光環(huán)境參數(shù)和觀景角度疊加起來(lái)，形成表皮系統(tǒng)，使建筑在提升室內(nèi)采光和溫度舒適性的同時(shí)，也為人們提供良好的景觀視覺(jué)通透性。通過(guò)分析一年四季的日照情況參數(shù)和觀景角度，將表皮窗的折面結(jié)合遮陽(yáng)形式劃分為3種。在高度較低的樓層外，窗的折面較小，方便人們?cè)谑覂?nèi)平視室外景觀；隨著樓層增加，窗玻璃的觀景界面傾角較大，方便人們俯視室外景觀。與此同時(shí)，外表皮遮擋的漸變過(guò)程也體現(xiàn)在建筑的不同向陽(yáng)方向上，獲得日照較大的區(qū)域，則采用遮陽(yáng)面積較大的窗戶(hù)形式，并且由于夏季太陽(yáng)高度角較大，陽(yáng)光通過(guò)在折面窗的頂部形成反射，降低室內(nèi)溫度，在冬季太陽(yáng)高度角較小，陽(yáng)光能夠射入室內(nèi)，使室內(nèi)獲得更多的熱量；而獲得直接日照較小的北側(cè)則采用遮陽(yáng)面積較小的窗戶(hù)形式。

圖6 洛杉磯艾默生學(xué)院

圖7 漢堡哈芬新城的水邊高層

3 結(jié)語(yǔ)

寒地建筑并非只能通過(guò)犧牲光照環(huán)境才能滿足保溫的要求，隨著技術(shù)的發(fā)展，寒地建筑在抵御低溫環(huán)境的同時(shí)，更應(yīng)該提升對(duì)自然光照環(huán)境的適應(yīng)性。我國(guó)的寒地建筑應(yīng)將光照環(huán)境規(guī)律應(yīng)用在建筑外界面的生成上，逐漸從環(huán)境排斥模式轉(zhuǎn)化為環(huán)境生成模式，在生態(tài)設(shè)計(jì)理念下使建筑外界面形成一個(gè)復(fù)合的節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)，從而發(fā)揮建筑的整體效能，將設(shè)計(jì)質(zhì)量提升到一個(gè)新的高度。