生态气候的建筑设计策略

生态气候的建筑设计策略

法国哲学家clmondrisquieu说：“炎热国家的人民就像老人一样害羞，寒冷国家的人民就像年轻人一样勇敢。……气候王国是所有王国的第一位。”。这段言论阐明了地理气候是影响地域建筑与人类文明的首要因素。赖特(FrankL·Wright)把建筑看作有生命的有机体,建筑设计是有机体适应环境的动态过程,认为建筑与当地气候、自然条件融为一体,并在与环境的动态关系中体现自己。琼斯(JonesDavidLloyd)也提出“自然创造事物的外观,自然是建筑形式的创造者。建筑从产生,使用到衰亡的过程具有类似于生物的特征,是对自然环境的适应性反应”。而印度著名建筑师柯里亚(CharlesM·Correa)阐述了气候对设计的决定性影响:“……在深层结构层次上,气候条件决定了文化和它的表达方式、习俗、礼仪。在本源的意义上,气候乃是神话之源。在印度和墨西哥文化中,露天空间所具有的超自然特性是其所处热带气候的伴随产物。就像英格玛伯格曼的电影,如果脱离了瑞典挥之不去的黯淡冬季,人们将无从理解”。他很注重建筑如何适应地方气候,如何组织通风和气流以及日照、遮阳等,提出了“设计追随气候”的思想,并且从民间建筑和建造技术中吸取精华,不断创新。1生态气候设计的原理1.1生态气候的设计原理生态气候的建筑设计属于被动式低能耗设计方法,在建筑物建造、运营、使用到消亡的过程中,建立被动式系统优先配合主动利用系统的共同作用,结合气候创造舒适性建筑。其设计目标是最大限度地利用自然环境条件,探索建筑形态生成与自然环境之间的关系,量化建筑形体系数与能源有效利用指标,使建筑设计实现利用气候资源最大化,并与当地经济、社会发展及技术条件相联系,形成独具个性化的现代地域性建筑形象。生态气候的建筑设计理论基于适应地域自然环境的乡土建筑设计原理和方法,并经过当代设计新思维以及生态节能技术的提炼演变而成,遵循生态学和可持续发展理念,通过相应的设计策略,使得建筑室内热环境冬暖夏凉。生态气候建筑设计综合协调了地域生态气候条件与建筑功能、形体与空间等要素,通过规划、设计、环境配置的设计手法,如恰当的建筑形式、构造设计、适宜技术措施等,驾驭自然条件和有利的气候资源,消除不利气候影响,对室内气候向人们期望的热环境方面调整,尽量减少或者不利用空调设备等技术手段,以获得建筑环境的热舒适,创造低能耗且舒适宜人的人居建筑。生态气候的建筑设计原理如图1所示。生态气候建筑的设计原理充分利用地方气候与自然资源,以乡土建筑和自然主义美学观、价值观、伦理观为思想基础,并节能降耗,低碳减排。在建筑设计理论和实践上超越建筑与自然之间的对峙状态,既不拘泥于自然本位论,更不执着于人类中心论,从而真正消解建筑与自然环境的二元对立模式,将建筑与自然的关系彻底还原为整体性和谐,并包含了建筑与社会、文化环境的关系和谐。1.2生态环保的传统--自然环保生态气候的建筑设计体现了自然、节能与环保的设计指导思想,其评价准则就是宜人性的生态节能效益。它不仅仅是一种修补性的折衷设计理念,而且是辨证和智慧的决择,它涵盖了合乎人性和自然环保要求,提高对太阳能等可再生能源的综合利用,减少不可再生资源的耗费,保护生态环境;它采用生态环保的传统技术,侧重对传统技术的改进来达到保护原有生态环境的目标;同时将当代先进生态节能设计思想与地域条件相结合,充分发掘传统地方设计理论的潜力,实现城市与建筑的可持续发展。1.3低能耗技术的运用适宜技术摆脱技术决定论的限制而趋于现代科技乡土化,乡土技术现代化。适宜技术是以因地制宜为特征的技术体系,对生态气候建筑所处地域特点系统分析,选择出最适合的建筑技术类型,它是由特定的环境决定,是实现建筑设计绿色环保和地方化的有效途径,包括节能、遮阳、自然采光与通风构造技术,以及体型设计和应对气候的空间变化等具体的技术手段。埃及建筑师哈桑·法塞(HassanFathy)鼓励人们以传统的方式运用低技术与当地材料的结合设计乡村住宅。建筑形式的最终决定是对地方材料及适宜技术的体现,并继承了当地文化,突出技术与人文和生态的结合。技术不仅仅服务于使用技术的人,而且有利于更广义层次的自然万物的和谐发展。适宜技术不盲目崇拜技术,同时技术也没有沦为建筑的附庸,它不单注重完善建筑功能、造型和环境美化,而且从深层次上对技术非人性进行遏制,以协调人、建筑、自然与技术的和谐共生。1.4作为制度构思的原因建筑根植于地方气候条件与自然环境,进而在长期的实践中形成特定地域建筑特征与认同感。“通过感情上或形式上加以模仿的手法把古老或当代最流行式样加以拼凑,是不能得到真正的地区性建筑特征的。但是,如果建筑师把完全不同的室内外关系作为设计构思的核心因素加以应用,那么,只要抓住气候条件影响建筑设计而造成的基本区别,就可以获得表现手法上的多样性”。因此,生态气候建筑设计彰显地域自然地理和气候特征。2生态气候设计的策略2.1生态气候建筑地域生态气候与建筑所处的微观地形有关,涉及山体形势、海拔高度及地形地貌。生态气候建筑群体布局优选日照时间相对最长的南坡,其次是东南、西南坡,东坡、西坡通常只有半天日照,相对较短,气候条件相对较差,可以因地制宜布置建筑;北坡日照时间最短,夏热冬冷,气候条件最差,一般不宜布置居住建筑(图2)。生态气候建筑的群体布局应使建筑平行于南向山坡等高线,东西向山坡的建筑垂直等高线南北向布局,形成结合地形和局域气候的自然气候型建筑形态(图2、图3)。南坡建筑沿山势呈阶梯状,北高南低,夏季避免阳光直射,减少辐射热,冬季则获得更多的日照,日照间距也比平地减少(图4),冬暖夏凉,节地与节能最大化(图4a)。东西两侧山地的建筑亦呈台阶状形态南北向布置,建筑垂直山体等高线(图4b)。随山丘的整体格局易于满足日照需要,夏季形成良好的通风,冬季可阻挡寒冷北风,并且可使建筑获得更好的山地空间形态,延续山地天际线,由此展现独特的自然地形与气候交融的群体空间特征。2.2地面地形的特征生态气候的建筑设计强调建筑的自然属性,以不造成对自然的损害为前提。但是现代规划的特点是规划、景观与自然分离,以破坏自然环境为代价,以对自然地形、覆土、河流、气候、绿地的藐视为前提。事实上,任何建筑得以存在的重要基础是此地所具有的独特的人文、地貌及环境”。阐释了建筑与自然地理的和谐共生关系。竖向设计时尊重原始地形地貌,形成结合特定地形轮廓线的建筑形态。场地的坡向为南向将有利于建筑冬季太阳日照和辐射得热以及夏季遮阳、通风,还可以提高建筑用地的容积率(图4)。因此,利用南向坡地进行台地式布局,节地降耗;而北坡则相反,建筑间距比平地增大,宜布置日照要求低的次要建筑。2.3建筑形态与建筑长度在中国辽阔的夏热冬冷地区,建筑设计需要考虑冬季防风和夏季自然通风。夏季自然通风要求空间设计尽可能减少对风的阻挡,建筑面对夏季主导风向应该是开敞的,以便引导气流进入;而冬季风通常与夏季风是相反的,需要阻止寒冷的北风,因此,建筑空间形态应当北密南疏,北高南低,建筑北向相对封闭,以阻挡冷气流入,南向开敞利于冬季纳阳,夏季通风,并利用建筑的错层、天窗、升高北向房间的高度等与地形坡度保持一致,使处于北向的房间和大进深房间的深处获得日照(图5),同时,为引导和加速夏季城市通风,建筑朝向与夏季盛行风方向的角度宜控制在0°~60°,并结合朝向与地形等高线,尽量与正南向夹角保持在30°范围内(图6)。从有利于单体建筑通风的角度看,建筑长边最好与夏季盛行风方向垂直;但从群体通风的角度审视,迎风面建筑的长边若与夏季盛行风方向垂直,将影响后排建筑的夏季通风。因此,在自然通风策略上,建筑形态设计时南部空间需要保持一定的开敞性,建筑长度不宜太长,留有风口以形成穿堂风;从冬季防风策略而言,北向要尽量封闭,阻挡冬季北向寒风,所以,北侧布置最高和最长的建筑,南侧则布置低矮和体量小的建筑,采用前后错列、斜列、前短后长、前疏后密、喇叭口等导风技术措施,以组织夏季自然通风和冬季防风(图5,图6)。2.4自然风吹反应2.4.1空气温升与自然通风系统庭院是中国传统建筑的精华所在,处于建筑不同部位的院落使得其周围房间都能获得自然采光和通风。庭院空气在受到日照而升温,根据热压原理,热空气形成垂直向上气流,庭院下部变成负压区,促使庭院四周的房间空气涌入庭院,形成自然通风系统,由此带动整栋建筑的自然通风(图7)。庭院中还可以布置盆景、绿化和水面,加上利用水汽蒸发致冷,所产生的降温及热压力差会更有利于夏季纳凉与加速空气流通。2.4.2建筑内排热压的通风效能生态气候建筑借助热压原理拔风,通风节能策略包括平面设计、合理组织水平穿堂风,以及在室内设立通风竖井或庭院。竖井上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部吸入。热压通风效能与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。建筑设计可利用建筑内部贯穿多层的竖向空腔:楼梯间、中庭、拔风井等满足进、排风口的高差要求,并在顶部设置可以控制的开口,夏季开启时将建筑各层的热空气排出达到自然通风,而冬季关闭时热空气层可以达到建筑围护结构保温的目的。2.5适应气候的热缓冲空间2.5.1开敞空间设计当季节冷暖变化和昼夜间的温度波动时,生态气候建筑空间可调节环境微气候,要求建筑空间随季节的变换而扩张或收缩,就像人体的血管随室外环境温度变化而伸缩、舒张一样。在寒冷的冬季,生态气候空间可变化到最小范围,演变为阳光间、顶光中庭和保温、纳阳的南向小间或小庭院。随着气温逐渐变暖,城市与建筑空间也逐渐开敞,夏季时可以根据自然采光与通风的需要局部打开,直至完全开放,且能够和所有的室外空间相渗透融通,由冬季的紧凑封闭向夏季的舒展开敞转化。柯里亚为解决干热气候下的遮阳和通风问题,提出了“开敞空间”的设计策略。“开敞空间”实质就是可调节空间,并由此演绎出两种剖面形式:“冬季剖面”和“夏季剖面”,并运用于印度帕雷克(Parekh)住宅中(图8)。“冬季剖面”用于冬季白天或者夏季晚上,冬季白天主要靠上午来自东面的阳光来加热空气,屋顶设有半遮阳的凉亭适合夏季晚上户外活动;“夏季剖面”位于建筑中部,介于“冬季剖面”和服务区之间,它尽量减少了外部服务区的面积,并利用烟囱原理拔风(图8),通过冬季建筑空间的收缩和纳阳措施,以及夏季建筑空间的开敞和通风手段应对气候变化。2.5.2过渡带门廊空间热缓冲空间是生态气候建筑一种重要的节能设计措施。对建筑空间进行热环境分区,利用对热环境不敏感的门廊、走道或附属空间作为建筑与室外环境的过渡,以减弱不利室外气候对主要使用空间的影响。大厅是室内与外界沟通的媒介空间,在大厅前设置可开启的门廊,并在门廊外围设置大面积门窗,就建立起了热缓冲空间。冬季将门廊的门窗紧闭,使其成为室内大厅的前置空间,就形成了一个热过渡缓冲空间。夏季打开门廊的门窗,它又变成介于室外与室内空间的通风缓冲空间。图9所示的建筑中庭、空中花园或边庭就属于热缓冲空间。3节能设计方法3.1灵活对建筑保温与保温的处理和应对措施影响生态气候建筑热工性能的一个重要因素是体型系数。对于同样体积的建筑,体型系数越大,其外表面积越大,散热面积也就越大。因此,寒冷地区建筑的体型系数越小越有利于保温,同样也越有利于夏季隔热。夏热冬冷地区建筑既要考虑冬季保温,又要照顾夏季隔热,因此,无论从空间布局与造型处理,还是构造与材料的运用上,都需要采取灵活多变的应对措施。冬季保温与夏季隔热的构造原理是相通的,对建筑体型的选择尽量追求同样容积下体表面积最小的建筑形态,并尽量简洁紧凑,圆柱形与方形是最节能降耗的建筑体型。3.2建筑屋顶绿化绿化与水体都具有净化空气,蒸发吸热降温,引发空气对流,调节建筑空间局部小气候之功效。加强地面绿化、屋顶绿化、墙面垂直绿化与阳台绿化的整体性,减少硬质铺地,增加绿化种植面,选择高大落叶乔木遮挡夏日阳光,遮荫通风,冬季纳阳挡风,营造节能建筑设计的微气候条件。此外,建筑屋顶采用蓄水或覆土种植绿化,使其具有良好的保温隔热效果,降低城市热岛效应。西墙的通风绿化表皮,可以设置双层通风绿化构造,突破简单的在墙面种植爬山虎一类的攀缘植物的构造,墙体自身散热减弱,同时利用植物的春夏叶茂、秋冬落叶,有效地解决建筑外表皮夏季隔热和冬季得热,从生态角度给绿化注入了深层的含义。3.3建筑节能构造节能设计受传统地方技术的启发,合理利用可再生自然资源,不依赖耗能设备,而在建筑形式、空间布局的细部构造上采取措施,以改善建筑热环境,实现微气候建构。建筑节能构造方法包括:1)采用现代技术理念以及高效保温材料进行构造设计,提高建筑围护结构的保温隔热性能;2)充分利用太阳能取暖、太阳能热水泵及光伏发电等绿色可再生能源,生态环保;3)利用地表下浅层土壤或者地下水地热进行夏季通风和冬季采暖,无污染可循环;4)建筑表面绿化或在中部引入绿化开敞空间,减轻建筑的热岛效应的设计等措施,如图10所示。4建筑空间与形态设计