建筑腔体的生态化研究

建筑腔体的生态化研究

由于广义生态技术的普遍性，将生态建筑空间（1）与技术应用于生态建筑空间的结合，与传统建筑的功能、性质和结构有很大不同。本文借助于类型学的方法,对建筑腔体深入地进行研究。一、通过“能量循环”和“形式研究”解决建筑腔体与建筑的两依赖研究者的意图,从相应组织了的现象中抽出特定的秩序,即分类的尺度——原型,是类型学研究的基础。2)从当代建筑类型学的发展历程来看,其所关心的主要是形式问题,在“原型”的研究中剔除了建筑的技术性因素,弱化了环境性的因素。为了弥补这一不足,美国建筑史学家瑞纳·班海姆(ReynerBanham)对建筑类型学做了进一步研究3),但其基点仍然将建筑视为一个封闭的系统。以生态学的观点来理解建筑,不仅要考虑生态系统与建筑系统之间能量及物质的输入与输出关系,还要考虑能量和物质是如何在建筑系统内部运行的,以寻求人、建筑、自然三者的相互平衡。杨经文曾指出“建筑设计是能量和物质管理的一种形式,其中地球的能量和物质资源在使用时被设计者组装成一个临时的形式,使用完毕后消失,那些物质材料或者再循环到建成环境中,或是被大自然所吸收”。4)因此生态的建筑设计,应该是创造一种能量与物质使用的循环模式。对生态建筑类型学的研究而言,“原型”的研究必须充分地反映这一特点。本文拟在生态建筑类型学的框架下,借鉴类型学方法在某一学科中不同重点的研究方法5),尝试在限定的问题域内进行探讨。注重形式研究的传统建筑类型学,不足以阐述生态建筑的实质。即使是R.班海姆的考虑了“能量操作”的原型理论,从生态建筑研究的角度出发来评判,就会发现他在建立原型时没有考虑能量在建筑内外相互流动的因素。而这一点,恰恰是判定生态建筑与否的重要分水岭。因此,当代建筑类型学不可能被直接借用到建筑腔体的类型研究中。腔体原型的确立,应该建立在“能量流”的基础之上。本文结合生态建筑关于“能量循环”的特点,将建筑环境、技术构造以及建筑形式作为整体,归纳出建筑腔体的原型。存在于大自然环境中的建筑,时刻与外界进行着能量的交换。在这种交换过程中,建筑通过相应的空间组织、细部构造,有效地利用或阻挡室外的能量流,以帮助室内空间获得较为理想的舒适环境。外界的能量流,体现为循环在大自然中的各种可再生能源,具体包括太阳带来的光能、热能,以及由此驱动地球大气循环所形成的风能、雨水等几个方面。概括而言,建筑腔体的原型就是充分利用可再生能源所形成的能量流,争取在限定空间内获取微气候舒适环境的一种能量操作模式(图1)。二、环境调控的工作原理在建筑腔体的原型确立之后,对类型的提取需要借助于“能量流”的概念,而非简单地从传统建筑腔体的形式中去探求。从历史中提取相关的类型6),首先是要弄清先民对环境调控的重点,以便有针对性地进行系统的探讨。在古代文明的发达地区,人们更多地将重点放在了缓解夏季炎热的层面上。7)对可再生能源的利用,与现代的生态建筑在本质上是相同的,总的基本思想都是使外界能量流只在有益时进入建筑,两者之间的差异仅体现在不同时代的设备技术水平层面上。具体而言,主要是利用自然通风来防热避暑。自然通风的原理概括有风压通风、热压通风,从实践中可以归纳出以下三种主要的运用方式。相应的建筑腔体类型的提取,也是按建筑对外界能量的控制模式来进行。1.建筑的首要任务如在暖湿地区,气候特点是白天温度高、热辐射强,雨量充沛,这种气候特征要求建筑的首要任务应该是遮阳、通风和防潮。因此建筑通常采用开敞平面,架空底层以利热气通过等手段,同时巨大的陡坡屋顶和深深的出檐使室内十分阴凉(图2),而且有利于排除夏季(雨季)的大量雨水,加强通风散热。2.设置多层的房屋,营造了舒适舒适的微气候环境在干热的地区,影响气候的主要自然因素为强烈的太阳辐射。因此,这些地区的房屋一般为多层,贯通几层的窄而高的天井,起着像烟囱一样的拔风作用(图3),自然地形成室内空气的流动,营造出舒适凉爽的微气候环境。3.类型的提取过程埃及农村中使用的捕风塔,是一套蒸发冷却系统,它的基本原理如同一座功能正好相反的烟囱(图4)。进入风井与内壁接触而冷却的空气,在风压的作用下自然下沉。风井内的陶质水罐由于水的蒸发和冷气流的作用而降温,同时使进入房间的空气湿度提高。水罐中的水在滴至水池上空的多孔炭层时还可进一步蒸发从而使之进一步冷却。类型即一类事物的普遍形式,其普遍性来自类特征,类特征使类型具有普遍意义。对于上述所选取的类型,还需要进行几何简化。因为没有这一步的还原简化,那么所选择的只能是某一特殊的类型学原型。这就要求原型具备普遍的抽象性,否则会使类型的选择失去意义。由于腔体建筑的原型考虑的是能量流的循环模式,那么在类型的提取过程中就不再局限于“风能”这一种能量形式,而应将所选择的类型的风能抽象为“能量流”。这样就得出了建筑腔体的类型。类型1:能量流的贯穿该类型的提取源于利用风压通风的原理。其特征是指利用外界能量流,在建筑空间的水平方向上所形成的穿越、贯通,来达到节能策略的目的(图5)。类型2:能量流的拔取与类型一的贯穿模式不同之处在于,前者是基于自然通风的效应抽象而来,“拔取”则是基于热压通风的效应。即对能量流的利用并非水平方向,而是竖向的内外交流(图6)。类型3:能量流的引导外界的能量流是弥漫于整个自然环境中的。为了提高使用的效率,就需要通过引导的方式来增加能量流的强度(图7)。类型可以表现为一种概念或者一种图式,但它们并非是可复制的模型,而是一种内在结构,可以在建筑中呈现出来和被辨认出来。因此,类型并不意味着对事物形象的抄袭或完美的模仿,而是意味着某一因素的观念,这种观念本身即是形成模式的法则。三、次间组合组合生态建筑提倡的是“适宜”的技术观,技术的选择可以是高技术、中间技术、低技术三个技术层次间的组合。在确定了类与类之间本源上的联系之后,也就可以这样来理解建筑腔体类型的转换核心:能量的循环与交流作为类型之间的本源联系,并不割裂以技术层次为分类的方法。本文所归纳的三种腔体类型,经过变异、并列、叠加与糅合的转换之后,就会产生复杂多变的腔体形态。1.余热利用与自我净化腔体类型的变异指的是建筑空间在生态策略的选择上,以一种类型为主,可以清晰地加以认知。众所周知,概念化的类型不可能一成不变地运用在实体的建筑之中,还需要结合具体的建筑功能、空间造型、环境文脉而呈现出最贴切的表现形式。对建筑腔体的应用而言,这种类型在形式上的变化多样性,就是腔体类型的变异。明纳尔特教学楼1)是荷兰乌德勒支大学乌绍夫校区扩建的一部分,其生态设计理念是充分利用雨水作为媒介,在室内外循环进行能量的交换(图8)。泻槽中收集的大量雨水,经过白天的“内循环”吸收室内余热可升温2℃;吸收热量升温的水,晚上则又被泵送到屋顶泻槽中,向寒冷的夜空自然地散发着吸收的热量,等冷却之后再排放到水池中,形成降温的“外循环”。在荷兰,空调费用通常占建筑总运行费用预算的1/3,而明纳尔特大楼带有水池的大厅,藉由对天然雨水的循环利用,从而大大降低了这项费用。其腔体类型应用变异图式见图9。变异的基础源于腔体类型1(能量流的贯穿),能量流的利用、还原为外界天然雨水的循环,以此作为室内外能量交换的媒介。座落在华盛顿市中心的一幢律师事务所办公楼,布局紧凑,在两侧的办公空间中有一个通高13层的中庭,长宽约为4×32m,深度约为55m。由于中庭狭长、深凹,在白天都需要人工照明(图10)。为有效地解决这一问题,建筑师卡蓬特·诺瑞斯在改造中采用了生态的设计策略:屋顶的日光反射装置,聚集并改变阳光照射的方向,垂直导入圆锥玻璃纤维管。被导入的太阳光在光管内穿行并扩散,从上往下直至底层大厅漫射出如同从云隙间洒落的迷人的阳光(图11)。随着太阳的运行和季节的更替,从光导管中散落的光线同时也在诠释着时间和季节的变化。晚上,屋顶的探照灯通过日光反射装置进入光导管,给贯通上下的中庭注入了一种漂浮的色彩斑斓的光。该中庭所应用的腔体类型,源于腔体类型3(能量流的引导)。其类型的变异图式见图12。在此能量流变异为太阳的光能。阳光经聚集并改变方向,导入垂直的玻璃纤维管,并扩散到整个中庭。2.自然通风系统设计当然,腔体建筑在生态策略上,更多的是会根据特定的环境条件以及具体的空间形式,选择多种类型。如果在这种共同运用的方式中,仍然可以清楚地分辨出所采纳类型的原初形态,就将之称为腔体类型的并列。体育建筑如何采用生态策略还是一个比较新的课题,悉尼的澳大利亚体育场率先在实践中做到了,其生态策略主要是高效率的自然通风,建筑耗能是常规设计的68%。自然通风系统建造在每个看台单元内,用计算机自动控制空气流入口和出口的开闭闸,来提高通风的效率(图13)。机械通风只在地下空间、空调只在宴会厅使用。其类型的转换,是将腔体“类型1(能量流的贯穿)”与“类型2(能量流的拔取)”相互并列。利用竖向的交通空间作为拔风的“管道”,新风从看台下导入,为室内的功能空间创造了适宜的通风微气候环境。图14为腔体类型的并列图式。3.德国新议会设施空间的生态技术策略腔体类型选择运用的依据,在于针对具体的建筑来确定。为了更好地达成腔体的生态意义,在类型转换的过程中,往往需要对多种腔体类型进行叠加处理。即以一种类型为主,另外的类型穿插于其中,以便形成更有效的生态空间。德国新议会大厦的生态技术策略已有多文介绍,在此不再赘述。值得关注的是穹顶下造型奇特的锥体,在节能策略中所扮演的重要角色(图15)。悬挂在穹顶下的倒锥形结构体吸入室内的热废气,并通过热量转换器将其中的热量吸收,然后从拱顶顶点处的开口排放出去(图16)。从腔体类型的角度来看,该建筑的生态策略并不复杂。类型的转换,是将腔体“类型2(能量流的拔取)”与“类型3(能量流的引导)”叠加起来。主议会厅借助于锥体形成拔风的烟囱效应,而出风口则采用了管道来加强这一效应。应用腔体类型的叠加图式见图17。4.英国新议会空间为了最优化地利用外界环境的各种能量流,在腔体建筑的实践中,经常会出现综合运用的情况。类型的糅合与上述三种转换模式的不同之处在于,它并不是类型的简单并列或叠加,而是多个类型有机融合在一起,形成一个系统。各种类型分别承担子系统的作用,来共同完成腔体的生态策略。在位于伦敦市中心的英国新议会大厦(图18)改建工作中,重点是探讨如何提高能源的利用效率以及对可再生资源的利用。大厦内取消了传统的空调设备,采用自然通风来降温。自然通风系统的重要组成部分是14个结构精巧的风塔:生成正压的捕风孔,将新风吸入室内;利用进风口的涡流形成的负压排风口,将废气抽到室外。空气被风塔的拔风效应加压,通过散气系统均匀地分配到各个房间(图19)。由于设计者在科学分析的基础上,将尽可能多的功能整合在尽可能简单的建筑外围护结构之中,单纯就生态策略来看,难以将其划分归类。但运用腔体类型分析的方法,我们可以很容易、透彻地对此进行剖析。该大厦其实是将两种腔体“类型1(能量流的贯穿)”和“类型3(能量流的引导)”融合在一起,依靠机械设备将室外的新鲜空气吸入,通过管道的“引导”,“贯穿”在室内,完成能量的交换后,再经由风塔排出。其应用腔体类型的糅合图式,从图20可以清晰地看到。建筑室内空间生态策略的理论与实践意义分类意识和行为是人类理智活动的根本特性。对生态建筑的研究而言,只有从传统