雷冰宇 钱方 | 温暖的挑战——气候响应与建筑表达

通过节能和环保设计，生态建筑有助于应对气候变化挑战。 #生活知识# #生活方式# #绿色生活# #生态建筑#

以下文章来源于：CA当代建筑

“建筑不是设计出坚实的形状，而是设计气候。”[1] 菲利浦· 拉姆（Philippe Rahm）说。

气候条件作为自然界影响人类生活的最直接的武器，在历史的长河中塑造了各地迥异的文化与社会生活特征，也带来了丰富多变的传统建筑地域特征。20 世纪随着以空调为代表的技术手段不断发展，形成了一种封闭的、追求建筑内外部从热力学上完全隔离的建筑空间模式[2]。它伴随着现代主义的范式在全球展开，迅速地形成了当前我们习以为常的城市面貌，同时也带来了巨大的能源消耗和环境问题。

如今建筑物在建设与使用过程中所耗能源已是全球能源消耗的重要部分。据统计，近年来建筑相关能源消耗已占我国年能耗总值的近半比例，且有逐年上升的趋势[3]。在环境问题凸显，可持续发展、低碳排放目标成为社会共识的今天，建筑理应重新关注对气候的响应，并运用现代技术手段使建筑形态、材料及其使用方式符合当地日照、温度、降雨等地区基础物理条件，探索当地新的地域性建筑表达。通过对建筑空间、气候、资源、技术等因素的设计协同，使建筑物在资源获取、能源消耗及人体舒适度需求之间达成一种平衡。

前方工作室（笔者工作室）在项目实践中秉持此理念，从建筑形体组织、空间布局、技术及材料选型、美学建构方面入手，希望以理性、严谨的方法和流程将建筑物塑造为一个与自然和谐、融合的系统。以下通过若尔盖暖巢项目的实践，对此策略进行了剖析。

1 温暖的挑战

2013 年，前方工作室受中国扶贫基金会及社会慈善人士的委托，在阿坝藏族羌族自治州选址并设计一所小学学生宿舍。团队通过实地调研考察，经由当地教育局的协助，将项目选址在若尔盖县下热尔村的小学内，即本文所称的“暖巢”项目。

项目选址所在的若尔盖县位于青藏高原东部，黄河与长江流域的分水岭将全县划分为两个截然不同的地理单元和自然经济区。用地所在的中西部和南部为典型丘状高原，占全县总面积的69%，平均海拔3 500 m，属高原寒温带湿润季风气候，常年无夏，年平均气温为1.1 ℃，最低气温在-20 ℃以下，无绝对无霜期，年降水量648.5 mm。每年9 月下旬土地开始冻结，5 月中旬完全解冻，冻土最深达72 cm。与用地毗邻的广袤的若尔盖大草原中，嘎曲、墨曲和热曲三条河流自南向北汇入黄河。秦岭、迭山和岷山余脉纵横延伸，塑造了雄浑、壮美的自然景观。

若尔盖地区小学教育入学率较高、且多为住读模式，已有的学生宿舍多数设计不当，加上严寒的气候条件，一张上下铺挤睡4 人才得以维持学童体温，一间宿舍容纳20 余学生为当地普遍现象。当地既有建筑室内取暖多用木材和牛粪，不仅有效利用率低，而且对生态环境的破坏巨大。然而被禁止后，居民多改用燃烧外运劣质煤。基于村庄的现实发展水平，建筑在被使用中不能实现持续稳定的电能和自来水供给。所幸的是，用地所在地区太阳能资源丰富，全年当中太阳辐射分布较为均衡，且冬季为旱季，太阳能富集，属适宜利用太阳能的地区。

美丽而又严酷的自然环境中，设计拟满足160 名学生及教师的住宿需求。项目总建设规模约为1 250 ㎡，整个设计工作的初衷在于应对无集中热源及化石燃料供应的条件，以极低的造价塑造较为舒适的室内热环境，同时杜绝对当地脆弱的生态环境造成破坏。

2 目标导向的理性决策过程

针对严苛的现实与气候条件，暖巢项目设计之初即拟采用被动式太阳能技术，从建筑布局、墙体构造、结构选型、空间布局等角度入手，探索达成采暖零碳排放的途径。

从经济性和舒适性两个角度出发，我们希望主要功能房间的冬季室内平均温度应保证人体的生理机能的健康运行，昼夜温度波动不宜过大。在此基础上确定合理的建筑热工性能策划指标，合理地减小建筑的热需求，在环境允许的条件下实现建筑被动式采暖。综合各项要素和条件，设计预计能耗比《民用建筑能耗标准》同气候区同类建筑能耗的约束值至少降低40%；在年平均气温为1.1 ℃情况下，最冷月室内最低温度高于12 ℃。围绕此最终指标，在设计的全过程中，BIM模型与性能化模拟同步进行，迭代优化，向设计目标值逐步逼近。

1）布局。建筑朝向布局的确定是所有太阳能获取途径的有效基础，设计中综合考虑了建筑南北向的得热效率，以及拆除并新建后的校园空间效果，最终选择了南偏东15˚，与原有教学楼成9˚夹角的建筑布局（图1）。

1建筑不同朝向得热效率分析

2）选材。基于设计要求的成本限制及建筑空间对太阳能的蓄热要求，我们希望采用热惰性大的重质复合墙体结构，提高建筑楼地面、屋面内界面、内墙与外墙内界面的蓄热性能。围护结构热惰性越大，建筑物内表面温度受外表面温度波动影响越小。强调热惰性的建筑构件主要指楼地面、屋面内界面、内墙与外墙内界面，而直接接触室外大气的围护结构外界面主要强调隔热能力，形成更高的热阻。高海拔地区交通不便，运输成本较高，设计在可能的前提下就地取材，利用当地容易获得、对环境影响较小的材料。外饰面材料应当充分考虑耐太阳辐射和抗冻融的性能指标，以应对高海拔地区强烈的太阳辐射和昼夜温度变化。综合以上要素，设计最终选择了价廉的砖混结构体系，主材采用当地附近可以提供的页岩实心砖，以利用其兼具经济性、抗震性和蓄热性能的特点。

在保温层材料的选择上，采用现场发泡聚氨酯保温层，突出其易于运输，以及高气密性、高性能的特点。由于外墙的传热系数要求较高，此类地区建筑的保温层厚度通常较大，影响保温层及外饰面固定的可靠性与耐久性。夹心墙保温构造能够较大程度地兼顾保温性能与房屋围护结构的耐久性，是一种比较适合高海拔严寒气候特征的技术措施。

3）包裹。设计将建筑空间分为核心功能空间和辅助功能空间，以辅助功能空间包裹核心功能空间，保温层尽量贴近核心功能空间区域。将主要的、需全天使用的房间作为核心功能空间，通过性的、仅白天使用的、驻留时间较短的区域作为辅助功能空间。通过对建筑功能得热优先级的区分，保证主要房间拥有最佳的热工性能，在建筑物的布局上，以辅助功能空间在东、西、北三个方向尽量包裹核心功能空间，起到温度缓冲区的作用。针对项目的模拟计算表明，在满足建筑基本使用功能情况下，有效地设置温度缓冲区可以明显地改善建筑室内的热舒适度（图2）。应当指出的是，前文中关于室内热工性能的要求，应当适用于核心功能区域，对非核心功能区的热工性能指标，可以在不影响日常使用、设施设备运行安全的前提下适当放宽。

2 缓冲区设置热舒适度分析

4）形体。建筑形体在满足充分获取太阳能的前提下（非体型系数最小），应简洁、规整。为保证建筑南向最大得热面，建筑物南向尽量减少不必要的凹凸变化。顺应建筑的内部功能及流线组织，呈现形体变化，同时避免在室内形成不必要的过于高大的空间，影响室内的温度均匀性和舒适度。

5）洞口与气密性。空气对流、交换是建筑内热量散失的一个主要途径。设计过程中，通过对形体风场模拟，获得了建筑周边近零风压区的位置，将建筑的主要出入口布置在此类区域，并设置具有足够进深的门斗空间，防止室内热空气逸散（图3）。

3 建筑出入口设置与形体风场模拟

在建筑围护结构节点设计方面，设计师着重考虑了建筑物的整体气密性，聚氨酯夹芯保温层同时兼作气密层，以期减少冬季冷风渗透，同时避免潮气侵入造成的建筑物发霉、结露等问题发生，提高建筑综合性能。在造价非常紧张的情况下，大部分外门窗仍选用幕墙系统，目的在于提供更佳气密性能、水密性能，保住热能。

6）窗墙比。严寒、寒冷地区普遍采用较小的窗墙比，但经过性能化分析后我们发现，在被动式太阳能建筑中，南向的窗墙比与室内温度呈现明显的正相关关系，即南向开窗比例越大，其室内全天平均温度越高。据此，设计在不同的朝向上采用了差异化的设计策略：南向尽可能扩大开窗比例，并将非透明区域的窗间墙设置为集热墙，以最大限度地获取直接受益的太阳能；东、西、北三个方向则仅设满足采光和心理需求的洞口，并采用low-E中空玻璃，减少热量散失（图4）。

4 南北立面对比

7）主动热阻调节。从原理上，南向围护结构应保证良好的气密性，并实现日间与夜间热工性能的可变。围护结构应在白天尽可能多地获取太阳能，在夜间则形成一个热阻较高的保温界面，防止室内热量的散失。南侧外墙采用直接受益式、集热蓄热墙体与附加阳光间的结合，最大限度开窗，并在无法开窗区域设集热墙系统。集热墙由透明窗、空气间层和实心墙体三部分组成。白天，利用阳光照射到外有玻璃罩的深色蓄热墙体上，加热透明玻璃和墙体外表面之间的空气，通过热压作用使空气流入室内；夜间，关闭内外两层透明玻璃开启扇，同时关闭宿舍内棉窗帘，重质结构储存的热能缓慢释放到室内，形成温暖、稳定的室内小环境（图5）。

5 主动式热阻调节设计

南侧墙体热阻的变化过程，充分考虑了小学宿舍的日常使用模式，让主动调节的过程与学生日常管理的节奏相吻合，降低后期的使用维护成本，并保证措施的持久、有效。

8）建材循环利用。新营建的宿舍所在位置为原危旧平房，设计将拆房的弃砖集中收集。对其总量进行测算后确定适当的铺砌手法，用于建筑周围活动场地的修建。在宿舍周边提供了温暖而富有乐趣的室外场地，同时也将其作为对场地记忆的回溯（图6）。

6 原有建筑弃砖的再循环使用

9）立体旱厕。应对用地中无法稳定提供生活用水（尤其是冬季）的问题，设计考虑了特殊的立体旱厕做法（图7），使得即使在最冷月份无水、无电的最不利条件下，学生依然可以在室内如厕，改变了该地区原有外置露天厕所的现状。同时，预留了水系统管路，为后期的设施加装、改善提供了可能。拔风井道系统的设置使卫生间内处于负压状态，污浊空气随气流上升至屋顶排放，保证了室内的卫生品质。

7 室内立体旱厕设计

10）公共空间与文化表达。建筑的人文表达离不开审美，北侧楼梯的采光窗套色彩丰富，布局形式跳跃，改变了单走廊的封闭空间感受，展示出了在严酷气候下弥足珍贵的空间丰富性。位于屋顶的阳光房则提供了一个近200 ㎡的暖房（保温缓冲区），在冬季可以给学生提供舒适的活动空间。在立面色彩方面，运用了来自藏族传统服饰——“邦典”的色彩组合，以表达对当地文化的尊重，同时回应儿童的心理需求。

11）建成后评估。2016年项目竣工并投入使用后，经过三所高校独立的跟踪评估测试（图8），基本达成了预期的设计目标。在最冷月份（室外最低温度约-19 ℃），主要功能房间的室内平均温度在12.5～14 ℃，室内外平均温差在23 ℃以上。[4]测试结果最终印证了一个理性的、可追溯、明确的“温暖”设计，以及低技术、低造价、低能耗、易维护的设计策略，在高海拔严寒地区具有极好的运用效果，适合广泛推广（图9～图15）。

8 建成后温度跟踪评估测试

9 北侧小山坡眺望下热尔村，背景是热尔大草原

10 北侧立面黄昏景色

11 南侧活动小广场，立面尽一切可能开窗，朱砂红部分是实体集热墙

12 顶层采暖缓冲空间，作为冬季孩子们室内活动空间

13 北侧直跑楼梯顶部下望，兼顾了室内活动功能

14 首层平面图

15 二层平面图

3 气候响应和建筑表达

建筑是反映了技术、文化、心理、社会组织结构的复杂系统，所有习以为常的建筑表征背后，都有其环境的、技术的、历史的影响。在设计参数化、性能化辅助工具日渐丰富易得的今天，继续采用刻舟求剑式的方式追求“纯粹”的建筑形式并非明智的做法。设计团队希望能够透过惯性思维和浅表的地域形式俗套，从气候响应和建筑性能入手，在建筑与自然环境的协调中寻找恰当的建筑表达和技术组合，并据此形成一种不断演进的、富有内在活力的地域性特征。

若尔盖暖巢项目作为极限气候条件下的一次实验，以零碳采暖作为核心，建筑形式、空间、材料围绕温度目标进行了精确的组织，并最终呈现出一种建筑系统层面的简洁性与美感。其设计思路与技术手段为后来同类地区的建设提供了有益的示范与支持。■

项目概况

业 主 | 四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县教育局

建设地点 | 四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县下热尔乡小学

设计单位 | 中国建筑西南设计研究院有限公司

设计团队 | 钱方，戎向阳，毕琼，郭佳，雷冰宇，闻金石，高庆龙，谢秀丽，殷兵利，雷雨，郭伟锋，周莹，钟辉智，董彪，邱天，王莉苹，封宇，韩夏，张宗腾

基地面积 | 669 ㎡（校园红线内面积 4 810 ㎡）

建筑面积 | 1 250 ㎡

图纸版权 | 中国建筑西南设计研究院有限公司

摄 影 | 存在建筑

END

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