建筑外立面设计

【专家解说】：建筑本是种遮蔽物，但随着技术的发展，它逐渐异化为时装本文拟回归建筑的本源，倡导设计适应气候变化的建筑立面文章从可呼吸的建筑表皮双层皮玻璃幕墙仿生学的启示THI外墙材料的应用以及被动式降温立面3个方面展开讨论 关 键 词：立面，积极适应气候，通风，遮阳，双层皮幕墙 造房子的目的本是为了防止良气候及野兽虫蛇对人之生存的利影响随着文明进程的发展，建筑断丰富着其文化内涵但文化内涵的增加应该导致其基本属性的丧失改革开放打开了中国建筑师的视野，近20年来，中国的建筑设计呈现多元化局面，但在这种繁荣的形式背后，我们较少看出建筑立面地域气候的必然联系，1902年开利博士发明空调技术之后，建筑的表皮逐渐异化为时装当人们抱怨我国城市的无特色时，本应回归建筑的本源去寻求答案；在寻找城市建筑的可持续发展操作模式时，我们发现建筑立面设计是个极具发展潜力的领域 可呼吸的建筑表皮双层皮玻璃幕墙 Mies在纪20年代设想的位于柏林friedlich大街的透明玻璃建筑在当时并未实现（图1）， 30年后，首先在美国继而在界各地却相继出现了大量色彩斑斓的玻璃建筑(图2)，近10年来，人们又发现，五光十色的彩色玻璃逐渐淡出，当代建筑越来越透明 有些理论家将当今建筑的趋势总结为光薄透的确，到欧洲日本城市游便可发现，披着各色反射玻璃外衣的光亮派建筑似乎正被那么张扬的光薄透建筑取代信息时代压缩了界的时空尺度，很快，中国从南到北也出现了许多光薄透的建筑 从表面看起来，这似乎是风格的交替，但在风格的背后却有着其适应气候的理念及复杂的技术手段离开技术支撑而空谈光薄透风格无异于凭空预测：今年冬天流行穿背心大街！ 目前在年轻学生和建筑师中流行句口号：玩表皮我们的建筑教育培养了太多从眼睛到眼睛的形象设计师，他们可以迅速玩出令人眼花缭乱的表皮，在夏日炎热的广州，在素有火炉之称的武汉，在首都北京，到处可见光薄透的立面但在这些微妙微俏的光薄透建筑背后，很难看出其立面形式在适应气候的必然性（图3） Q=KA（Ta－Ti）这个公式告诉我们：建筑的得热或失热量建筑表皮的传热系数建筑物的体形系数及室内外温差有关为了节能，我们知道去设法降低建筑表皮的传热系数（K），或者减小建筑物的体形系数（A），按通常的理解，建筑室内外温差似乎是个定值，因而少有人在这方面做文章然而，建筑并是个简单的热水瓶，在冬天，除了保温，它还应该充分吸收阳光以实现被动式采暖，而在夏季，它又必须有效地防止热量进入双层皮玻璃幕墙可以动态地调整建筑对冬夏季节相互矛盾的要求，在节能的前提实现光薄透的立面效果（图4） 在冬季,阳光照耀的双层皮玻璃幕墙可以形成个温度缓冲层（Buffer），有效地减少建筑室内外温差，从而降低热损失，而光薄透的大玻璃立面为建筑充分利用太阳能提供了最大的可能 在夏季，昂贵的可调节遮阳百叶因其置于双层玻璃之间，从而得到了保护，既避免了外置百叶的易损及产生环境噪音等负面影响，又改善了内置百叶遮阳的低效流动的空气足以带走金属百叶吸收的热量，从而减少热量进入室内的机率实验证明，具有良好通风和遮阳的双层皮幕墙可以大大降低室内空气温度及玻璃表面温度（图5） 双层玻璃之间空腔的同组合为建筑立面设计提供了极多的可能性生态化个性化及高技术高情感的追求在此巧妙地得到了平衡（图6，图7） 二仿生学的启示TWD外墙材料的应用 动物的表皮是种具有动态保护功能的内外分界面，皮肤集感觉修复温度控制等多种功能于体，完美地完成了对动物身体的保护和对环境的积极适应建筑的立面是否也可以具有对环境的述动态适应性？ 达尔文生物进化论的核心是适者生存，这里的适是指生物经历亿年进化而获得的对自然的适应能力生物可以以多样化的技术策略主动适应其生存的环境并实现低能耗和低材耗，良好的适应性保证了生物在恶劣的环境的生存和繁衍对生物的研究可以发现许多可资借鉴的西 17纪，J.A.Boreli提出技术生物学的概念（Technical Biology），他从技术角度研究生物的形态骨骼关节运动的关系18纪，飞行物理学家Sir G.Gayley在研究形式和功能模拟（Form. analogy）之后，首次提出仿生学的概念（Biology Technic =Bionic），并提出许多技术仿生的原则当代德国著名仿生学家Werner Nachtigall在其著作Pathern of Nature中提出了多种适合功能之造型的仿生学设计原则 仿生学的研究也曾渗透到建筑学领域，对北极熊的研究给建筑技术科学提供了启发：生存在冰天雪地中的北极熊，因其皮黑毛密中空，极佳地适应了零冷的环境北极有限的阳光辐射可以被高效地吸收，而北极熊体内的长波辐射却无法逸出，同时，浓密的体毛有效地阻止了足以散失热量的微空气对流在室外为零20时，北极熊仍可保持35的体温依此原理，人们制造出了使热量只进出的透明外保温材料（THI：transparent heat insulation）（图8）普通外保温垟体的设计目标是单的，即：防止热量的外逸，其本质是堵，而THI垟的设计目标是双重的，在保温的同时还可以高效地吸收太阳能，即：只允许能量从外到内的单向流动德国建筑师Thomas Herzog 教授设计的Windburg青年旅馆和慕尼黑普拉赫住宅在南向局部使用了THI作外墙，笔者参观时，室外空气仅8，而室内在无暖气的状态可达20，THI的卓越功效可见斑，该建筑仅工效显著，而具有个性鲜明的外观，堪称艺术技术完美结合的典范（图9） 被动式降温立面 建筑立面接受太阳能的功能自待言，在冬天，只要在朝阳面开窗，阳光便可透入玻璃进入室内，从而实现太阳能的被动式利用但在炎热的夏季，太阳的辐射产生负面影响，如何利用太阳的热量进行被动式降温，是建筑表皮设计中项具有挑战性的课题 通风是种最简便有效的被动式建筑降温方法，它通过将建筑内部热量转移出去而实现建筑的降温通风可以加速水蒸气蒸发，使人感到凉爽，增加建筑的舒适度，在同样温度的情况，通风良好的房间可以提供更佳的舒适感界各地的传统民居发展了形式各异的通风方式优秀的通风设计能在自然风的基础利用和加大风压或热压，促进室内气流流动，从而将热空气排出建筑这些实例中常用原理是烟囱效应和文里效应由于热空气比冷空气密度小，向升腾产生气压差，从而促进气流产生自而的流动，这就是烟囱效应而文里效应的原理则是当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动 烟囱效应拔风的产生条件较容易实现，而文里效应抽风则要求当地有足够稳定的主导风但这两种手法具体在设计中如何取舍则需要根据当地气候条件来判断，如果条件适合，两者可以结合使用应用烟囱效应拔风的优秀范例有很多，传统的如蒙古包的天窗拔风（图10）应用烟囱效应的现代建筑包括德国国会大厦英国新国会大厦英国demontfort大学Queens Building（图11）等而德国著名建筑师赫尔佐格设计的汉诺威2000年博会26号馆则是充分应用文里效应制造自然通风的典范（图12）述建筑在应用生态策略以节约能源提供舒适性的同时还创造了极富表现力的建筑立面 玻璃中庭的防阳光设计 中庭是人们设计公共建筑时常用的手法，在寒冷地区的冬天，玻璃中庭可以有效地利用太阳能，但在炎热地区的夏日则极易导致室内过热并最终增加空调的能耗在这种情况，烟囱效应根本无济于事德国某会展中心奥地利林茨会议中心均采用抛物线型横剖面和玻璃屋顶，前者虽然使用了诸如屋面喷淋天窗拔风（拔风效果非常明显）设置水池等生态策略，但终因强烈的阳光辐射而导致室内过热，得已还是安装了空调机组，（图13）而后者因为使用了足以将直射阳光反射出去的日光格栅系统（Daylight grid system）,在充分利用自然采光的同时并未导致室内过热（图14，图15） 立面遮阳是种行之有效的建筑被动式降温方法，在热带传统建筑中多有采用，纪中叶，现代建筑的遮阳曾在界范围推广但随着空调技术的进步及制冷设备的普及，建筑设计得以摆脱地区气候的限制，建筑创作越来越自由，建筑越来越时装化，遮阳已被许多建筑师忽略在次对中国夏热地区某特大城市100名建筑师进行的关于建筑防热措施的问卷调查中，居然只有23％的建筑师提及遮阳 除了传统的混凝土材料以外，高效的木金属玻璃遮阳设施也得到了开发外置百叶可以有效地阻止强烈阳光的辐射；新型遮阳设施的材料及形状使得遮阳构件可以根据每日太阳高度角的变化完成反射或投射（图16）；新型变截面固定百叶可以针对同季节的阳光实现同程度的遮阳透光，但又遮挡视线（图17）；具有多种调节功能的外挂式遮阳构件具有阻挡南侧强烈的阳光将北侧的均匀漫射光反射入室以及导风入室的功能（图18）；同方式的外遮阳为建筑的立面增添了无尽的变化可能（图19，20） 从述分析可以看出，当换个视点审视建筑立面设计时，我们可以发现极其宽广的研究空间，正确地运用生态设计策略，可以创造出既具有生态效益又具有鲜明个性的建筑而这正是生态建筑生态工程的根本区别所在