夏热冬冷地区建筑表皮气候适应性设计初探

夏热冬冷地区建筑表皮气候适应性设计初探
郑洁
1．建筑表皮气候适应性设计的意义
“适应”是生命科学中的一个带有普遍性的概念，英文“Adaptation”一词来源于拉丁文“Adaptatus”，原意是调整、改变、特指对气候的适应。气候适应性在本文界定为对气候适应的特性和能力。
适应气候的建筑设计方法可以从多种角度出发：从规划层面考虑建筑的位置、朝向等；从建筑单体层面考虑建筑的形体、平面、立面以及剖面等。本文着重从建筑表皮的角度谈谈夏热冬冷地区适应气候的建筑设计手法。
众所周知，作为“第三层皮肤”的建筑从产生之初就是为了庇护各种气候下的人类，研究适应气候的建筑表皮设计显得意义重大。建筑表皮的处理对能源节约有重大影响，中国建筑标准偏低，建筑构件的传热系数较其他国家偏大，因而能耗是相同气候条件下发达国家的3倍。
各国建筑构件的K值比较（K为传热系数单位：W/㎡•k）
中国（北京）德国（WS95）美国丹麦
外墙 0.55－0.9 0.5 0.32－0.45 0.3－0.35
窗户 4－4.7 1.5 2.04 2.9
屋面 0.6－0.8 0.22 0.19 0.2

2．建筑表皮认识的演化
关于建筑表皮的定义众说纷纭，比如：“建筑表皮是指人们通过触觉、视觉直接感受到的建筑表层，包括外部和内部”；又如“建筑表皮是建筑内外空间转换的介质，承担建筑外部维护界面的物质系统”。这些定义仅从建筑表皮的实用功能和美学性质的角度来阐述，仍停留在视建筑表皮为普遍意义上立面的层面上。
然而，“建筑表皮”概念随着仿生学研究渗透到建筑领域有了新的突破：适应性是生物对自然环境的积极共生策略，良好的适应性保证了生物在恶劣的环境下的生存。由此提出建筑表皮如同生物的皮肤一样，可以自由调节地呼吸空气、散热、吸热。从生态学的角度来理解，建筑表皮被视为一个由数层结构构成，能对外界气候条件变化作出相应反应的动态系统。

3．夏热冬冷地区“以不变应万变的建筑表皮”现状
中国幅员辽阔，南北气候差异较大。地处我国中部的长江流域及周围广大地区属夏热冬
冷地区，该地区气候欠佳。夏季，这个地区七月份气温比同纬度其他地区一般高出2℃左右，冬季，这个地区一月份气温比同纬度其他地区一般要低8—10℃。
在夏热冬冷地区，为了维持舒适的室内环境，建筑必须大量使用制冷采暖设备，目前国内“以不变应万变”的建筑表皮设计最终以消耗能源为代价。被动的建筑表皮不能适应变化的气候环境，也就不能达到人体对建筑室内环境的舒适性要求，人们只好以牺牲能源为代价来解决这个矛盾。因此，针对夏热冬冷地区的气候特点，我们需要探寻“以变应变”的建筑表皮设计策略。

4．“以变应变”的建筑表皮——多层表皮系统设计及案例介绍
多层表皮系统即是针对气候变化的“以变应变”设计。和单层表皮设计相比，多层表皮系统设计的本质在于将单层表皮的功能加以扩展，利用分离技术使建筑表皮各项功能最优化。
多层表皮可分为几大功能系统：保温隔热、通风、采光、遮阳、隔音及其他功能系统。其中保温隔热系统是最基本的功能系统，将其他功能系统从保温隔热系统中分离出来，目的是使各项功能达到最优。从形式上表现为单层表皮被分离成为多层构件系统的组合。

4．1保温隔热系统构件
保温隔热系统构件是表皮的基本构件系统，其性能主要决定于材料。各种材料不同的物理性能决定了材料的组合位序。一般来说，保温隔热系统构件及其外部的构件材料必须具有抗腐蚀、抗氧化等性能，位于其内部的构件材料则更多注重其形态及质感。此外，还应达到热工、隔声、防潮等要求，当保温隔热系统由几层材料组成，应将导热系数小的放在低温一侧，防止内部凝结。
赫佐格和德默隆设计的多米尼斯酿酒厂，位于美国加利福尼亚州。地处拿巴谷地的气候温差极大，为了尽量减少空调设备的使用，该建筑设计了双层表皮。内层构件系统为磨砂玻璃，担负采光功能。外层构件系统担负着保温隔热及遮阳的多重功能。具体做法为在网格状的金属网内装上当地的玄武岩，根据不同需要，石块排布有疏有密。由石块和金属网形成的一道保温隔热表皮，利用材料本身的特殊性能达到控制室内温度变化幅度的目的。
4．2通风系统构件
建筑的自然通风受到建筑的组合、体形、开窗的位置和方式等因素的影响，通风系统构件与开启的大小和位置有关，而且开启的同时要尽量减少能源的损耗，保证保温隔热系统功能的正常发挥。
伦佐•皮亚诺在努美阿芝贝欧文化中心设计中，充分利用新碦里多尼亚的气候特征，在建筑内部安装了一套十分有效的被动通风系统。其原理是采用双层皮结构，使空气可以自由地在内部的弓形表面与外部的垂直表面之间流通。而建筑表皮上的开口则是用于吸纳海风，或者用于引导建筑所需的对流。气流由百叶进行调节，当有微风吹来时，百页就会开启让气流通过，当风速很大时，它们又会按照由下而上的顺序关闭。
4．3采光系统构件
采光系统构件担负着与外界视觉交流的功能，需要开启或者采用透明、半透明的材料。这里列举一些国外对采光系统应满足的要求：表面根据照明需要选择适当涂料；进深较大的房间需要设置反射装置，利用反射光线弥补室内照度不足；高反射涂料表层采用微型栅格系统；棱镜系统；光线漫射表面；玻璃百页系统；HDS。
美国密执安州底特律市的IBM大楼室外采用不锈钢反射板，室内采用涂有油漆的铝箔，反射板为弧形，曲率半径及窗子的倾斜度经过反复试验和计算机计算，使反射光不会集中在某一点上，光线既明亮又柔和，不刺激眼睛。当室外昏暗而室内照度不够时，装在室内反射板上部的灯就会自动亮起来。
4．4遮阳系统构件
遮阳系统构件有固定和活动两种类型。固定的系统不能随季节、太阳位置的改变而改变，适应性较差。活动的系统则可以由使用者根据具体情况来控制，因而能更好地利用阳光。最主要的形式是百页，由木、金属板等制成，距离外墙一定距离，以免将热气流引入室内。调节页片角度来对应太阳不同的高度角和室内不同的要求。
Schulitz及其合作者设计了德国布朗斯维克微电子应用研究所。建筑表皮被设计成活动遮阳层。建筑主体挑出金属支架，上面支撑涂成黄色的水平构件。遮阳百页悬挂在黄色构件下，不仅页片角度可以调节，百叶本身也可以自由收放。遮阳表皮层后面为透明玻璃采光层。他们共同体现着建筑师运用材料与构造技术来控制环境气候的设计思想。

5．结语
对于夏热冬冷地区特殊的气候环境，多层表皮系统作为建筑气候适应性设计策略有着极大潜力。由传统的单层表皮向多层表皮的转变是人类面临能源危机情况下作出的一种新的反映和探索。优秀建筑师用他们独特的设计构思、丰富的想象赋予建筑表皮以生命力，使建筑表皮演化成为一个适应环境的系统。

参考资料：
1．应珺，钟华颖，韩冬青.建筑表皮的分离与整合.新建筑，2003，（05）：49
2．王鑫.略谈建筑气候设计.华中建筑，2004,（04）：45
3．中国科学院自然科学史研究所，中国古代建筑技术史，科学出版社，1990