结合“生物气候地方主义”类型的生态建筑研究

结合“生物气候地方主义”类型的生态建筑研究

吴盈盈

吴盈盈

浙江东南建筑设计有限公司310012

摘要：建筑回应自然的主要方式之一是结合地方气候。只有积极回应地方气候条件，建筑才能从基本上最大程度地利用可再生能源，如太阳能的利用，天然冷源的利用，自然采光、通风、降温等，才能尽可能多地降低能耗、提高效率，从而达成“生态建筑”这一使命。不同的国家地域，不同的气候环境特征对各自地区的建筑设计提出了不同的要求。在追求可持续发展的今天，这种对“生物气候地方主义”类型的生态建筑的研究，对使建筑与环境达到和谐共生具有重要的意义。

关键词：地方气候；生态建筑；技术研究

一、引言

人类与环境的关系归根结底是物质与能量的交换，在人与环境的联系中，能量是一个重要的纽带。建筑的首要目的就是要限定一定空间的有别于自然气候的人工气候，在绝大多数情况下，建筑环境的维持必须依靠一定的能源层级支持来完成，它是一个通过不断输入能量而形成、维持并逐渐复杂化的有序结构。地球上最原始、最初级的能源首先表现为气候能源，其他各种形式的能源都是气候能源转化的结果。气候能源无处不在，来源广泛，不产生污染，是洁净可再生能源，所以如何被动式地直接把气候能源运用于建筑中，成为生态建筑发展的首要任务。

日本建筑师长谷川逸子在《作为第二自然的建筑》一文，明确指出建筑不应该被视为一种人工化产物，它本身就是另一种形态的自然。他说：“我的目的之一是重新思考过去的建筑，这些建筑适应当地的气候和地理条件，让人类与大自然共生，把人类和建筑视为大地生态系统的一部分。”结合地方气候，建筑才能获得存在于那个特定地点的充分理由——建筑由此而获得了地方性。建筑回应自然的方式主要表现为积极利用阳光、水、空气、土壤和植物等环境资源，创造符合地方气候特征的宜人的建筑物理环境，并同时取得较好的环境效益。采用被动式的方法从环境中获得可再生能源，节约了常规能源，也减少了污染。

二、研究的背景及意义

纵观建筑的发展历史，建筑营造室内物理环境的技术方式基本有主动系统和被动系统两种。传统建筑由于条件和技术水平所限都是被动系统，合理有效地利用地方资源来回应地方气候，基本保持建筑与自然正常通话。进入工业化社会以后，建筑开始主要采用主动系统。这方面是功能的需要。当时已经证明，为满足卫生健康要求，必须保证60㎡/h的换气率，而在大型建筑中，完全依赖被动系统是很难做到的。另一方面这也是技术创新所带来的成果。机械通风、采暖系统已经发明，越来越多的现代建筑由于配备这些设施而具有了封闭的外衣。由于技术的支持，内部环境的营造可以自给自足而不与地方环境以及气候产生必然的关联。一幢封闭式的建筑，可以被放置到任何一个地方，建筑内部与外部环境对话开始消失，人与自然的纽带关系也失去空间的载体。能源的巨大消耗也是这种技术方式的特征之一，代价过大，不符合可持续发展战略的要求。

渐渐地，人们开始意识到重新建立起建筑与地方自然关系的重要性。建筑大师赖特说过：“我努力使住宅具有一种协调的感觉，一种结合的感觉，使之成为环境的一部分，如果成功，那么这所住宅除了在它的所在地点之外，不能设想放在任何别的地方。它是那个环境的一个优美部分，它给环境增加光彩而不是损害它。”1963年，维克多.奥戈雅完成的专著《设计结合气候：建筑地方主义生物气候研究》，标志着生物气候地方主义理论的确立。被动系统的节能效益和回应环境的重要性被重新认识，人们发现，许多传统建筑中的被动式技术方式至今仍然具有适宜性，一些技术经过现代化的改造后可产生很好的综合效益。因此，研究结合“生物气候地方主义”类型的生态建筑就具有深远的意义。

三、地方气候文脉

世界分为四个主要的气候区：热带、亚热带、温带和寒带。各地区温度、湿度及降水情况的不同组合形成了丰富多样的地方气候。在干热地区，仅25mm的年降水量（世界平均年降水量为86mm）以及由高温带来的高蒸发率使得水成为了关键的资源，而在高降水地区却要积极排水防涝。不同气候带对建筑的要求是各不相同的。

自然采光方式是有效利用太阳光能的一种方式，各个地方的天然光分布各不相同导致光气候的不同。不同日照特征对建筑设计也提出了不同要求（图1）：1显示，热带地区四季都需要考虑遮阳，而寒带地区这只发生在夏季；2中实线显示的是垂直遮阳的最适宜位置，虚线表示的是水平遮阳的适宜位置，可见纬度的不同其要求也不同；3显示，纬度越高依赖南向日照的比例越高；4显示，纬度越高，对冬季日照的需求越高。

风也是可再生利用的自然资源之一。特殊的地貌能产生地方风，这是由于局部地区受热不均匀引起的小范围内的大气流动，这对于调节地区气候区的日照特征有重要的作用。比如临近水面的陆地，由于早晚温差的差异而产生了所谓的陆地风；另外，谷地内由于太阳的照射导致温度的差异，也会产生山谷风，并且一天中不同时间，风向会改变。

地方气候的形成不仅与其所在的气候区、纬度有关，而且还与地方的地形地貌有关，它们共同导致不同的温度、湿度、光和风的组合，形成了各具特色的地方气候环境。综合考虑这些因素，如何巧妙地通过建筑的空间形式或者是材料语言运用气候特征来营造舒适的生态人居环境，成为了建筑师们研究的课题。

图1不同气候区的日照特征

四、面向地方气候的地方性建筑

前面提到，结合地方气候，建筑才能获得存在于那个特定地点的充分理由——建筑由此而获得了地方性。地方性建筑的重要任务之一就是营造宜人的室内物理环境，这包括适当的光、热和通风。充分合理利用自然资源来解决问题是最符合可持续发展的途径。建筑的微气候环境受地方气候的影响，地方性建筑回应地方气候的主要内容就是如何对待阳光和风。在阳光的处理上，根据需要的不同和季节的不同，或考虑吸收，或考虑遮阳；在风的处理上，或考虑加强自然通风，或考虑挡风。

一定的地方气候条件对建筑的布局产生影响，阳光、风、温度和湿度的不同组合都对户外空间的组合方式提出不同要求。从图2看出：夏季湿热地区的建筑空间组合较为松散，户外空间开敞利于通风，并遮阳；而夏季干热地区建筑较紧凑，注重阴影户外空间的营造，庭院一般较为内向封闭；寒冷地区建筑户外空间考虑防风。在热带气候区，户外空间的主要要求是阴凉；而在温带，户外空间另有冬季日晒的需要，所以它必须同时满足加热和冷却的功能要求，或者有不同功能的户外空间并存，使人们可以根据舒适度的变化在不同季节或不同时段使用。

图2根据不同气候安排室外空间

五、结合地方气候的传统建筑

传统建筑一般都是合理利用自然自然资源的气候型建筑的典范。建筑史上的能工巧匠们总是能因地制宜地建造适应当地气候变化的居住舒适的建筑。

西亚（伊朗、伊拉克）地区的通风塔，可以将外界高达50℃的气温下降到室内的20℃左右，使室内变得凉爽宜人；美国科罗拉多州迈萨瓦迪的悬崖宫殿，利用大地的恒温性和太阳辐射的残余热量，即使在冬季也能使室内保持宜人的温度（图3）；日本居家的屏风和移门既便于通风又便于空间分割（图4）；中国福建的客家土楼，既阻隔了恶劣气候，也阻挡了外敌的侵犯。每一种建筑形式都是气候、文化、技术和用地平衡协调的结果。

对于地方气候的适应，在我国的民居建筑中不胜枚举。云南西双版纳的傣族“竹楼”，大多为竹、木结构，屋顶挑檐深远，造成的大片阴影使下部房间阴凉，底层架空和带缝的竹、木楼板，使底部较为阴凉的室外渗透到室内，空气自然流动带走热量，也避免了雨水的淹没和虫蛇的侵扰。（图5）

窑洞作为黄土地区的一种建筑形式，既符合当地的自然气候条件，又体现了独特的地质特点，冬暖夏凉，适合于人的居住要求。

图7中国攀西和滇西北地区民居的通风技术

广东地区同样是空气潮湿，日照充足，通风与遮阳是关键。当地的竹筒屋（图6）为单开间的狭长布局，宽度多为4.0~4.2m，进深多为8~12m，深的可达30m以上。整栋住宅一般分前、中、后三部分，各以天井为核心组织。前厅设神楼，是家庭主要生活空间，厅后是卧室，中部为过厅（兼饭厅）和卧室，后部为厨房、厕所。竹屋的中后部为二至三层，剖面形成逐渐升高之势，室内的采光通风主要靠天窗和高侧窗。这种住宅适应地方气候的技术特征主要体现在一下几个方面：采用逐渐升高的剖面形式，增加了建筑的进风口，有利于通风；大门处采用“躺笼”，挡人不挡风；室内隔断一般不到顶，以加强通风；利用小天井抽风，从大门到天井，室内是一个通透空间，利用窄天井的拔风效果，加强空气流动；设置通风边弄，加强了通风效果；建筑层高较大，减少房间界面的风阻，有些层高达5m，有利于室内通风；主要房间利用天井间接采光，有利于减少热辐射。设置阁楼和天窗是炎热潮湿地区传统建筑采光和组织通风的重要方式，室内热空气上升从顶窗逸出形成负压，较凉的空气从地面或者经过遮阳的冷却后进入室内，从而带动了空气对流，楼梯间也是传统建筑中的重要途径，在靠近楼梯的下方开窗能形成风压差，通向屋顶的楼梯出口一般朝向主导风向，使风灌入室内。

中国攀西和滇西北地区处于横断山系，处于青藏高原和云贵高原向四川盆地的过渡地带，地形起伏大，平均海拔大于2000m，每年平均温度10~20℃，但是早晚温差大，相对湿度小于60%，全年日照率70%，日照时数大于2000小时/年，气候多风多雨，属于干热地区。当地有些建筑利用风管捕风，从屋顶管道口进入的风经过垂直管道时被冷却，进入带水池的半地下室后又经过二重的冷却和加湿，室内空气湿热条件明显改善。（图7）

结合地方气候的现代建筑

传统建筑中回应地方气候的基本原理在当代依然具有价值，辅以现代技术的支持，它们得以重新获得适宜性，现代材料技术、构造技术、施工技术的改造使得它们在功能性、经济性等方面都获得了拓展。现代建筑技术回应气候的方式中，总是会或多或少地借鉴传统技术的原理，以充分利用阳光、空气、水、土或者植物等自然资源。

首先受掩土建筑的启发，许多有相似资源条件的地方都建造了新型的掩土建筑。掩土建筑主要有三种：下沉式、推土式、靠山式。通风和采光是掩土建筑所要解决的重点问题，如图8。建筑大师赖特就是掩土建筑的推广者。他在雅各布住宅中采用了推土式掩土方式，减少了北面的热损失，并使南向面向花园且获得充足，建筑适合于当地的寒冷气候。（图9）

图8当代不同掩土方式下采光和通风方式

图9雅各布住宅

相对于掩土建筑，根据地形所做的台地建筑也是能达到适应气候的生态建筑效果。伦佐皮亚诺设计的意大利工作室就是这样。它坐落在热那亚的旁蒂?内乌的台地上，在大海与山岩之间，背山面海、光照充足，依山势而上。整体建筑由大面积玻璃组成，阳光从天顶和两侧照射进来，好像一个大大的温室。在这里，皮亚诺集中使用了内外遮阳设备，包括室外百叶翻板（天顶）、室外电动卷帘和室内折叠帘等。（图10）

图10伦佐皮亚诺工作室

烟囱风道是一项被动的传统通风技术，它对于自然风的依赖较小，适宜于那些缺少自然风的地区，在现代建筑中被广泛运用。其基本原理就是利用建筑内热产生高点与低点开口的空气压力差，室内较热空气上升逸出，底部背阴面有较凉空气进入替换。这种空气交换的频率主要取决于进风口与出风口的垂直距离以及室内外温差，所以有许多地方的现代建筑通过加设烟囱风道来加强通风。英国Garston的房屋研究机构办公楼利用南面五个烟囱来加强底部两层的通风，南立面采用大面积玻璃，加热外出气流，以增加温度差，风道内设有辅助的风扇。（图11）

图11英国Garston的房屋研究机构办公楼剖面

在干热地区，捕风塔虽是传统通风技术，在当代依然是地方的适宜技术。在决定建筑朝向的时候，有时阳光的要求与通风的要求相矛盾，捕风塔的优点就在于它可以朝向任何方向而不影响主要建筑满足其他要求。为躲避强烈的日光，通常主要房间都远离窗户，通风就依靠高出屋面的捕风早塔。哈桑法赛是位坚持创造具有地方特色建筑的埃及建筑师，在埃及卡拉布沙的总统行宫设计中，他设计了高耸的捕风塔和出风口，捕风塔内还布置了喷水装置和带有湿炭的金属挡板，以对空气进行降温和加湿处理（图12）。另外，哈桑法赛在埃及的其他建筑实践也都体现了他的气候地方主义特点（图13）。

图13炎热的有硬质铺装的院子与凉爽的有植物覆盖的院子之间的温差，引起空气的对流作用，风穿过矮墙和透空隔墙，给庭院带来阵阵微风。

另外还从印度大师柯里亚的“管式住宅”中我们可以看出建筑师们根据地方气候对适宜居住做出的不懈研究。“管式住宅”把烟囱原理运用于剖面设计中，加强建筑的自然通风。室内空间和半室外庭院组合在一起，创造了小型化的户外阴影空间，并利于植物蒸腾作用进一步加强自然通风。他在Parekh住宅设计中发展了这一概念并采用了两种剖面形式——“冬季剖面”和“夏季剖面”，供不同季节和一天中不同时段使用：“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，屋顶上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，它尽量减少了外露部分面积，并利用烟囱原理拔风（图14）。

图14柯里亚设计的Parekh住宅剖面

以上，设计中抽取的地方性因素是气候特征。在各种气候条件下，空间本身就像钢筋水泥一样是一种资源，可精心营造以达到节能和创造宜人微气候的目标。传统地方建筑技术在这方面给了当代建筑师很多启示。在现代技术的改造下，传统地方建筑与气候的结合技术达到了很好的运用。

小结

在建筑活动中，通过对自然的有效利用，建筑与地方自然环境的纽带关系也得以建立，建筑回归自然并获得了地方性。利用自然资源的被动方式具有极佳的节能效果和环境效益。建筑都处在特定的环境中，建筑回应自然的方式主要表现为积极利用阳光、水、空气、土壤和植物等环境资源，创造符合地方气候特征的宜人的建筑物理环境。在各种气候条件下，空间本身也是一种资源，可精心营造以达到节能和创造宜人微气候的目标。传统建筑中回应地方气候的基本技术原理在当代依然具有价值，辅以现代技术的支持，它们得以重新获得适宜性。这种策略对于发展中国家的可持续发展具有现实意义。中国拥有丰富的传统建筑遗产和良好的可再生能源、清洁能源，具有贯彻此策略的充分条件。

参考文献：

[1]刘云胜著．高技术生态建筑发展历程——从高技派建筑到高技术生态建筑的演进．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[2]周曦李湛东著．对生态设计的反思和再认识．南京：东南大学出版社，2003.2

[3]陈晓扬仲德崑著．地方性建筑与适宜技术．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[4]周浩明张晓东著．生态建筑——面向未来的建筑．南京：东南大学出版社，2002.1

[5]黄丹麾著．生态建筑．济南：山东美术出版社，2006.1

[6]（美）布莱恩?爱德华兹主编；朱玲，郑志宇主译．绿色建筑．沈阳：辽宁科学技术出版社，2005.5