建筑空間原型的西北綠色建筑設計探索

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摘要：建筑空間原型是一個地區建筑文化的重要表現形式，也是承托當地居民共同記憶的重要載體。本文通過對建筑空間原型的解讀，探討了地域建筑空間原型的當代轉譯原則，并在分析陜西地區地域建筑的基礎上提煉了拱形空間、雙坡型空間、單坡型空間、矩形空間4種不同的空間原型；通過西安地區的氣候特點分析，提出了6大類18條主被動技術措施；最后以西建大綠色建筑研究中心設計為例，探討了建筑空間原型組合方式、建筑空間原型與技術措施相結合的方式，檢驗了該設計模式的能耗狀態，以期對將來的文化融合綠色的地域性建筑設計起到一定的啟示作用。

關鍵詞：西部地區；建筑空間原型；綠色建筑；拓撲

1背景

2017年，由西安建筑科技大學牽頭，聯合國內的清華大學、同濟大學、重慶大學、中國建筑設計研究院等國內一流高校與設計院開展了名為“基于多元文化的西部綠色建筑模式與技術體系”的十三五國家重點研發計劃項目。在該項目中，要解決的核心理論問題是如何將西部地區傳統建筑文化與當代綠色建筑設計體系相結合。然而長期以來，對于傳統建筑而言，人們更多的是關注其人文、歷史、藝術、宗教等領域的文化價值，卻很少關心其中的綠色設計屬性；而對于當代綠色建筑而言，更多的是關注其中的性能指標和技術措施。這造成的結果是，我國當代的綠色建筑設計水平、建筑質量雖然越來越高但越來越缺乏地域文化特色。在這種背景下，如何將地域性傳統建筑的優秀綠色基因以一種文化表象的方式進行傳承與融合，是本次設計核心的出發點。針對上述問題，本次設計以西安建筑科技大學綠色建筑研究中心辦公樓為研究對象，設計小組研究了地域建筑原型及其轉譯方法、地區氣候特征及被動式設計策略、方案設計與能耗模擬等方面的內容，試圖探討文化與綠色相結合的西北地區超低能耗建筑設計方法。

2建筑原型及其當代轉譯原則

每每談及地域性文化的時候，給人的反應往往是一種很寬泛的意向。傳統建筑作為一個地區居民生活的載體，承載著當地居民的思想理念、生活方式、審美情趣、環境資源、建筑技藝等多方面的內容，是一個地區文化的重要物化表現形式。地域性建筑的形式進過長期的沉淀，逐漸形成當地居民的一種集體意識，這種意識被稱之為地域性建筑的“原型”?！霸汀币辉~最早出自卡爾·容格（CarlCustavJung，1875—1961）創立的分析心理學?？栒J為，原型是人類祖先的集體經驗經過不斷重復以后，在種族的心靈上形成所謂的“積淀”之物——“原始意象”；它們被保存在種族成員的“集體無意識”里，世世代代沿傳不止。這樣的“原始意象”就是“原型”［1］。在傳統建筑的發展過程中，由于在特定區域內地域環境、生活方式、建筑技藝、審美傾向等方面都存在著一定的相似性，因而逐漸形成一個區域特定的建筑原型，這些建筑原型具有4個方面的明顯特征：（1）被集體所認可與遵循的原則和規律；（2）折射地域生活與傳統文化；（3）可以傳承的建造技術經驗與技藝；（4）豐富的形式與靈活的表現方式［2］。路易斯·康（LouisI.Kahn）則認為“未來源自融化了的過去”，這是后現代主義關于原型的一個基本思想，即思考原型并不是要仿造過去的形式，而是要以拓撲變換存其意象、消其表象［3］?？臻g原型是建筑原型中的4個組成部分之一（其他3個分別為場地原型、技術原型、符號原型），也是最直觀、最貼近實際使用功能的建筑原型表象。要恢復與實現傳統建筑原型的轉譯，對空間原型的傳承與轉譯是最為直接的表現方式。所謂空間原型是指在建筑的平面或剖面中構成空間單元的一種基本的幾何學形態。基于拓撲學原理的對傳統建筑空間原型的理解，是建筑師最為容易理解的轉譯途徑。其通過對傳統民居建筑空間原型的提煉，進行等比例變形、正負型轉變、外部要素的置入與平衡等空間層面上的轉譯；通過對傳統民居建筑空間原型組織方式的提煉，對其組織方式進行空間增補、功能替換、調整動線等方式實現其功能層面的轉譯；通過對傳統民居建筑單體建筑類型組織方式的提煉，對其場地環境的適應性、氣候環境的適應性、生活方式的適應性進行篩選與轉化實現布局組織層面的轉譯。

3陜西地區傳統建筑空間原型與組合方式

3.1傳統建筑空間原型。（1）拱形空間。拱形空間是陜西地區常見的建筑空間原型之一，其最為典型的應用就是窯洞建筑。窯洞中的拱形空間常作為起居或臥室功能供人使用。（2）雙坡型空間。雙坡型空間是傳統民居中最為常見的建筑空間原型。這種空間原型主要是受到屋架結構形式的影響，是上部三角形屋架空間與下部方形的居住空間的結合體。（3）單坡型空間。單坡型空間是雙坡屋型空間的一種變體。這種空間原型也是受到屋架結構形式的影響，形成了單側坡向的建筑空間原型。（4）矩形空間。矩形空間在陜西地區傳統民居建筑中不單獨出現，一般是作為雙層樓房的一層使用空間或是和其他建筑空間原型相結合使用。3.2傳統空間原型的組合方式。在陜西地區，傳統民居建筑的類型往往是由上述4種空間原型單獨運用或組合應用而形成的。（1）窯洞民居窯洞型民居是陜西地區典型的傳統建筑類型之一。這種民居類型主要分布在陜北及關中的部分地區（例如三原縣的地坑窯）。按照《西北民居》一書中關于窯洞類型的劃分，又可以劃分為靠崖式窯洞、獨立式窯洞、下沉式窯洞3種不同的類型［4］。而獨立式窯洞在表現形式上又有平頂、坡頂、拱頂等不同的表現形式。其實不論是哪種窯洞形式，其空間的原型都是一個拱形空間和圍合它的拓撲變化覆土空間的組合關系。各種覆土空間，既可以表現為自由的山體覆土，也可以表現為方形覆土，還可以表現為雙坡型覆土。（2）農舍型民居農舍型民居建筑是陜西地區另外一種典型的傳統建筑類型。這種民居類型主要分布于陜南地區。農舍型民居建筑多以土木或磚木結構為主，少部分也采用石木結構。但是不管是那種建筑類型，其建筑空間原型都是雙坡型空間或雙坡型空間和方形空間的組合。（3）合院型民居合院型民居分布在陜西各地［5］。其空間原型表征不是單一原型空間，而是多種原型空間組合而成的結果。例如，陜北地區的合型民居建筑就是由雙坡型空間原型、拱形空間原型、矩形空間原型組合而成，關中地區的合院建筑主要是由雙坡型空間原型、單坡型空間原型組合而成，陜南地區的合院民居建筑主要是由雙坡型空間原型和矩形空間重復應用組合而成（表01）。

4西安地區的氣候特征及適宜性被動式設計策略

4.1西安地區氣候特征。從ClimateConsultant6.0中導入西安地區主要城市的氣象數據可以發現：（1）當地的年平均溫度13.7℃，相對濕度68%，常年較為寒冷；（2）年平均風速在1m/s左右，城市內風速較為適宜；（3）太陽輻射強度在256kW/m2，太陽輻射較弱。4.2熱舒適設計策略與被動式設計策略。從ClimateConsultant6.0里的氣象數據分析可以得知（表02），在自然條件下，西安地區想要達到熱舒適條件，解決冬季的室內保溫與加熱是首要問題。其中，制熱與加濕、室內得熱、被動式太陽蓄熱是保證其冬季室內熱舒適的主要手段，而遮陽、制冷、除濕是保證其夏季室內熱舒適的主要手段。同樣，通過對氣象數據的分析可以發現，目前在西安地區常見的被動式設計策略又可以分為保溫、得熱、隔熱/保溫、防風、通風、節能等6大類15條被動式技術措施及3條主動式技術措施（表03）。

5西建大綠色建筑研究中心方案設計與能耗分析研究

該項目的建設地點位于西安建筑科技大學原熱力中心北側的空地內，建筑規模約800m2。方案設計的目標主要有兩個方面：一是探索在當前時代背景下傳統地域建筑文化和綠色建筑設計相結合的設計表達方式，二是探討當前多種被動式技術與主動式技術共同應用條件下建筑的性能表現。5.1文化層面的回應。由于場地和規模的局限性，在方案設計的初步階段可以確定，建筑空間原型應采用在統一單體建筑內的組合而非分散式的院落組合。在具體的建筑原型的選型上，本次設計選擇了拱形作為整體建筑空間的主導形態。在設計過程中運用拓撲學原理，將傳統地坑窯洞與覆土層的矩形空間嵌套拱形空間的圖底關系進行反轉，并將傳統窯洞的空間尺度作等比例放大。最后，將拱形空間作為主體空間，再嵌入和疊加方矩形和單坡型空間原型，矩形空間主要作為一層的辦公空間，而單坡型空間原型主要用作南向的陽光間。同時，通過在拱形空間中置入不同尺寸矩形空間的方式，將這個建筑分割成普通層高小空間、普通層高大空間、LOFT空間、通高大空間4種不同尺度的辦公空間類型，為不同類型的被動式技術在不同類型的空間中的技術測試做好空間準備（圖01、圖02）。在建筑立面的層面上，提取了窯洞建筑中常見的對稱式和非對稱式的兩種不同的立面形式，分別用于該方案的東西兩側山墻，以此回應傳統建筑的立面意向。5.2技術層面的回應。5.2.1被動式設計策略的回應（圖03）。（1）拱形屋面空間。在相同建筑空間容積下，拱形空間的體型系數最小（這回應了ClimateConsultant6.0中的18#設計策略）。本著建筑空間的地域氣候環境適應優先與建筑功能高度集約的原則，最終確定拱形空間作為主要空間原型。（2）雙層屋面結構。拱形屋面的主體結構采用雙層屋面結構，內側為混凝土，外側為金屬屋面板，兩層屋面之間填充保溫材料，在保溫材料和金屬屋面之間保留5～8cm的空氣間層，金屬屋面板與混凝土屋面交界的部分留有空隙，保證氣流能進入空腔內將太陽輻射產生的熱量帶走（回應了Cli⁃mateConsultant6.0中的4#、13#設計策略）。（3）屋面通風。在研究中心的頂部屋脊部分設計了可開啟的采光帶，陽光通過漫反射方式為室內空間提供照明。同時頂部可開啟的玻璃窗可以將聚集在屋頂部分的熱量帶出（回應了ClimateCon⁃sultant6.0中的4#、13#設計策略）。（4）附加陽光間。在研究中心的南側部分設計了3個相互分離的陽光間。陽光間的外側采用可開啟的玻璃窗，內側采用導熱系數較小的推拉式玻璃門，頂部和底部的墻面開設通風孔。冬季白天的時候，內側的玻璃門關閉，陽光間內的熱空氣可以通過通風孔與室內進行熱交換；夜間將通風孔關閉，形成一個封閉的空腔，減少室內熱量的流失。在過渡季節則是將內外兩層的窗戶與門都打開，實現室內外的自然通風（回應了ClimateConsultant6.0中的16#、19#、20#設計策略）。（5）煙囪效應。在勘察場地的過程中，研究團隊發現附近有一座原熱力鍋爐房遺留下來的巨大煙囪?？紤]到煙囪的巨大尺度可以形成空氣的溫度差，因此在設計時將研究中心的北側設為進風口，在建筑內側設置通風管道與煙囪底部相連，利用煙囪的拔風效應，在過渡季節將冷空氣引入室內，并將室內多余熱量通過拔風作用帶出（特殊場地的新增設計策略）。（6）輔助空間圍合核心空間的布局策略。該方案的設計采用了輔助使用空間圍繞核心使用空間的布局策略，即在平面布局的時候，將樓梯間、衛生間、餐廳、會議室等輔助功能空間圍合在作為主要空間的辦公空間周圍。這些輔助空間在實際使用時，其冬季采暖標準可以略低于主要使用空間，起到冷熱緩沖的作用（回應了ClimateConsultant6.0中的11#、14#、31#設計策略）。5.2.2主動式設備策略的回應。（1）光伏發電板。在附加陽光間的斜向屋面上增設光伏發電板，它可將太陽輻射轉化為電能，供給空氣源熱泵系統，為房間提供制冷或制熱。光伏空氣源熱泵系統的工作模式有3種：當光伏發電量等于空氣源熱泵耗電量時，光伏電板產生的電量全部供給空氣源熱泵使用；當光伏發電量大于空氣源熱泵耗電量時，光伏電板產生的電量除了供給空氣源熱泵使用外，剩余的電量輸入市政電網；遇到陰雨天氣，光伏發電量無法滿足空氣源熱泵耗電量時，由光伏和電網聯合為空氣源熱泵提供電量。在制冷期和供暖期系統正常運行時，這3種工作模式可以最大限度地利用光伏系統的發電能力，最大化提高能源利用率（回應了Cli⁃mateConsultant6.0中的15#、59#設計策略）。（2）機械通風管井。機械通風管井主要是在夏秋過渡季節熱壓通風壓力不足時通過機械加壓的方式將室內的熱空氣排出，從而降低室內溫度。機械通風管井連接4個主要辦公空間，通過共用一個管井，壓縮了管道的面積，提升了通風效率（回應了ClimateConsultant6.0中的22#設計策略）。5.3超低能耗研究。（1）主動式設備系統的選用。建筑制冷和采暖能耗占據建筑總能耗的絕大部分，為了減少制冷及采暖設備能耗，本次方案設計在南向陽光間上方增設了總裝機面積約16kW的太陽能光伏系統，與空氣源熱泵組成光伏空氣源熱泵系統。利用太陽能光伏系統產生的電能，為空氣源熱泵系統的運行提供所需的電能，最終實現建筑制冷及采暖的近零能耗。（2）設備系統對于超低能耗的影響。通過EnergyPlus和TRNSYS軟件對建筑能耗及光伏空氣源熱泵系統的模擬發現：在夏季正常制冷時間內（10個小時），光伏空氣源熱泵系統的能源保證率可達101%，這表明光伏電板的發電量除了供給空氣源熱泵系統外尚有剩余，剩余電量可以儲存在蓄電池中或并入市政電網；冬季正常供暖時間內（10個小時），光伏空氣源熱泵系統的能源保證率為92%，即光伏發電量略少于空氣源熱泵耗電量，不足部分可由市政電網補充。由此說明，光伏系統的引入不僅降低了空調系統對常規能源的依賴，還降低了建筑制冷和采暖能耗，實現了建筑的超低能耗運行（圖04）。

6結語

建筑原型作為地域性建筑文化最直觀的表現方式，是地域文化傳承過程中應該著重關注的方面。建筑空間原型的傳承不是抄舊如舊，而是在原型的基礎上融入更多當代行為模式和綠色建筑技術。在具體的設計過程中，應該遵循以下幾點設計原則：（1）保證地域性建筑空間原型的完整與統一，即在表達地域性建筑空間原型時，或是在外部體現空間原型的整體性，或是在建筑內部體現建筑空間原型的整體性，不宜將建筑空間原型碎片化設計；（2）主體建筑空間原型可以進行拓撲化變形，以適應不同的需求；（3）在基于某種主體建筑空間原型的基礎上可以疊加其他類型的建筑空間原型，建筑空間原型之間可以遵循建筑空間的組合原則進行設計處理；（4）在基于某種主體建筑空間原型的基礎上可以疊加其他傳統建筑技術原型或是當代的綠色建筑設計手段，通過將建筑空間原型與技術原型結合，可以優化傳統建筑空間原型的綠色性能。

參考文獻：

［1］鄒穎，劉靖怡.“原型”的思考［J］.天津大學學報（社會科學版），2008，10（1）：14-18.

［2］丁昶，萬夢琪，王棟.傳統民居為原型的當代建筑類設計研究［J］.建筑技藝，2018，（10）：126-127.

［3］常青.論現代建筑學語境中的建成遺產傳承方式——基于原型分析的理論與實踐［J］.中國科學院院刊，2017，32（7）：667-680.

［4］王軍.西北民居［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009：53-57.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部.中國傳統民居類型全集：下冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2014：208-226.

作者:陳敬 王芳 單位:1.西部綠色建筑國家重點實驗室2.西安建筑科技大學