当代寒地建筑的幕墙生态表皮设计研究

当代寒地建筑的幕墙生态表皮设计研究

苑雪飞

（华东建筑设计研究院有限公司上海200002）

【摘要】随着当代建筑的发展，建筑围护体系的作用就被逐渐凸显出来，建筑表皮不再只是填充建筑洞口的材料，而是展示文化内涵、地域特质、经济条件和生态环境的媒介。寒冷地区的能耗有73%-77%是通过围护结构损失掉的，是寒地建筑采暖能耗流失的主要途径。在能源问题日益突出的今天，幕墙、门窗引起的能量损耗占了很大的比例，随着当代建筑透明度越来越高，幕墙及窗户的面积越来越大，幕墙围护体系的生态化显得尤为重要。本文通过总结寒地气候环境特征，分析当前几种寒地建筑生态幕墙表皮的设计对策，展示了新的建筑生态表皮技术的应用与实践，希望能对今后的寒地建筑生态节能研究提供有效的参考。

【关键词】寒冷地区；建筑围护体系；生态节能；幕墙表皮设计

【Abstract】Withthedevelopmentof?modernarchitecture,?theroleofbuildingenvelopesystemis?graduallybecomingprominent,theskinofbuildingsisnolongerjust?the?materialfilled?building?,?butthe?displayofculturalconnotation,?regionalcharacteristics,?economic?conditionsandecologicalenvironment?ofmedia.?73%-77%ofenergyconsumption?incoldregion?is?the?lost?thoughretainingstructure,itisthemainwayto?drain?awaythe?building?heatingenergy.?In?today,theenergyissuehasbecomeincreasingly?prominent,?curtainwalls,?doorsandwindows?energylostby?accountedforalargeproportionof?contemporaryarchitecture.?With?highertransparencyofbuildings,curtainwallsand?windows?arebecomingbiggerandbigger,?itisparticularlyimportantforcurtainwall?system?tobeecological.Thispapersummarizes?thecold?climatecharacteristics,analysistheseveral?ecological?walldesign?in?buildingskin,?andshowstheapplicationandpracticeofbuilding?ecologicalskin?ofnewtechniques,?hopingtoprovide?effectivereference?for?research?in?ecoconstruction?inthefuture.

【Keywords】ColdRegion;EnvelopeSystemofBuilding;Ecological?Energy?Saving;CurtainWallDesign

【中图分类号】TU201【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）14-0025-03

随着当代建筑外围护体系在保温、隔热、防紫外线等方面的构造日趋成熟而多样，并且能够应对复杂的建筑形体，建筑师在当代比以往更加喜欢各种幕墙表皮所产生的建筑空间的内外交融、奇幻多变的视觉空间感受。很多建筑幕墙围护表皮在传统观念中并非是一种节能的建筑材料，相反，它在视觉上轻、透明、薄的属性使人们往往认为它是能源浪费的代名词。然而在当今寒地建筑创作中，生态节能的设计理念已经融入到新颖的建筑幕墙表皮的设计中，随着材料和技术的不断革新，丰富的表皮已经对很多当今寒地建筑的节能生态设计产生了重要影响。

1.寒地建筑幕墙表皮的生态策略

本文提到的寒冷地区均指每年室外日平均温度低于5℃的天数在90天以上的地区。包括我国热工特性分区里的寒冷地区和严寒地区[1]。自然气候是建筑创作的制约因素之一，而巧妙地利用气候与建筑之间的矛盾，使之成为建筑创作的灵感，会自然地产生一种合乎逻辑与美学的富有个性的建筑形态。寒冷地区建筑能耗主要为冬季的采暖能耗，而影响能耗的主要部位即建筑的外围护体系，其中包括：外墙、门窗、屋面、地面；影响能耗的主要因素有建筑的体型系数、朝向、窗墙比、建筑结构和围护体系的传热系数等。建筑幕墙、门窗的能耗占建筑整个能耗的绝大部分，当前减少寒地建筑幕墙表皮能耗，提高幕墙表皮生态性能的主要策略有以下方式：

第一，降低幕墙表皮的传热系数。玻璃幕墙及窗主要由玻璃和金属型材组成，它们的传热系数都比较高，同时玻璃作为一种透明材料，透射率较高，对室内热环境的影响比较大。在冬季，阳光的照射能够提高室内的温度，有利于建筑节能，因此降低幕墙的传热系数以减少温差传热是节能的主要途径。在寒冷和严寒地区，减少采暖能耗是主要应该解决的问题，因此幕墙的生态化主要在于降低其传热系数[2]。

降低幕墙和窗的传热系数的主要途径有：提高玻璃热阻，选用性能高的中空玻璃；提高金属型材的热阻；提高幕墙及窗的气密性，减少室内外空气对流；采用性能更为优良的双层幕墙系统。

第二，控制辐射传热。在夏季，太阳辐射透过玻璃照入室内，是造成室内过热、空调负荷过大的主要因素，因此降低幕墙的遮阳系数值以减少进入室内的太阳辐射是主要的生态节能途径。控制辐射传热的主要途径是控制玻璃幕墙的遮阳系数值：选择遮阳系数高的玻璃或镀膜玻璃以减少辐射传热；采用可遮阳调节系统控制太阳热辐射传播，在不同气候条件下灵活控制玻璃幕墙表皮的遮阳系数，以形成最佳的解决方案。

第三，控制玻璃幕墙的面积比例。我国在2005年实施的《公共建筑节能设计标准》中对建筑的玻璃幕墙的使用提出了严格的限制，建筑每个窗墙面积比均不应大于0.70。在建筑设计中，并不是幕墙表皮的面积越小越好，在不同的气候环境下，不同地区的不同窗墙比的最佳平衡点不同，这还需要大量的实验分析来得出。

2.建筑生态表皮的形式多样性

2.1遮阳系统的应用

造成夏季过热的主要原因，就是通过幕墙进入室内的太阳辐射过量。主要的解决方式有采用节能玻璃、设置各种形式的遮阳系统。在幕墙表皮上设置遮阳系统是最为简便的降低遮阳系数的方式。其主要作用有：屏蔽太阳辐射建筑太阳辐射对夏季室内环境的影响；防止炫光产生；丰富建筑外观。遮阳系统表皮对光、热环境的调控可以通过水平滑动的百叶来调节完成。调整百叶与窗户的不同重叠度来控制进入室内的光热辐射以此体现表皮对气候条件的适应性。与此同时，遮阳百叶在建筑立面上的位移使建筑立面形式产生多样性。

当前建筑设计的遮阳系统主要有以下几种模式：

（1）外部遮阳：在幕墙外采用类似于传统的遮阳体系，如百叶窗、遮阳卷帘、格栅等，以阻挡夏季太阳辐射。同时外部遮阳还能抵御风雨的影响，提高建筑结构的耐久性。

（2）在双层幕墙间采用机械控制的百叶、遮阳卷帘。这种方式可以使百叶及卷帘免受风雨侵蚀。

（3）内部遮阳。在幕墙内侧采用传统的遮阳百叶、遮阳卷帘等。

图1丹麦哥本哈根的Fhi办公

丹麦哥本哈根的Fhi办公楼其外围护结构是具有生态功能的复合表皮由三种材质构成：红色的墙砖、通透的大玻璃窗以及可滑动的铝制百叶窗。尺寸上三种材质具有相同的规格，能够相互重叠，根据室外气候条件滑动百叶窗来调控光热。（如图1）夏季表皮的调控作用是隔热，为了阻止过多的阳光泻入，百叶滑动到与玻璃窗的位置，立面上只体现百叶和墙面两种元素。冬天表皮的作用是保温。为了让阳光更多地进入建筑，百叶滑动到与墙面重叠的位里，立面上只呈现出百叶和玻璃两种元素。即使是在同一季节的不同时段，由于阳光的强弱与照射角会发生变化，遮阳板的位里也可以根据使用者的要求进行适当调节。百叶的滑动变化使建筑外立面也有了“丰富的表情”。三种构件在生态策略的组织下使建筑立面的形式一年四季都具备了生命活力，与室内环境融为有机整体。

诺曼·福斯特设计的圣马力诺世界贸易中心同样也是运用百叶调节的一个经典建筑实例。大楼的外立面由玻璃、阳台板、遮阳板、突出的水平框架四部分构成（图2）。玻璃设置在立面的最里面起到基本的围护作用，外层则由阳台栏板与可滑动的遮阳板组成，且二者具有相同的材质与肌理。建筑用遮阳板的水平移动来完成生态策略中对光热的调控，时段与季节的不同遮阳板的开启状态也不相同。夏天遮阳板全部展开，玻璃幕墙被遮挡，百叶遮阳板和栏板成为立面形式的主要部分。而冬天，百叶遮阳板相互重叠，阳光充分地进入室内，内部玻璃便在立面上显现出来。建筑立面在生态调控过程中也不经意地表现出形式的多变性。

图2圣马力诺世界贸易中心

不仅是水平移动的百叶隔扇竖向百叶叶片的开合以及遮阳卷帘的升降也可以达到同样遮阳效果。此类建筑表皮对不同光照条件的瞬时性反应，在立面上体现为竖向遮阳构件的各种开启、闭合状态，这就是立面上形式多样性的根源。

2.2材质物理属性的改变

基于材料科学的发展，应用于建筑中的外墙围护体系材料现在不仅可以依据光线的强弱而改变自身的遮光特性，以此来适应不同的气候条件，还可以通过更加科学更加先进的手段，改变其物理性能，具有更加先进的寒地适应性。立面此刻不再是建筑师设计出来的，从某种程度上来说，形式是表皮适应气候、环境而进行自我调节的结果是生态策略参与的一种记录。

葛罗恩达斯零能源办公建筑的设计采用综合节能设计（IED）程序，重点关注于生态、经济和社会文化的可持续发展能力，从整体上对建筑进行最优化。建筑能耗的优化包括了3个方面的措施，包括真空隔热墙面、智能建筑供应、再生玻璃立面。这不仅使建筑达到了低能耗建筑的要求水平，实际上创造了零能耗建筑，这在丹麦属于首例。真空隔热墙面降低能耗的第一个步骤是设计了一个隔热良好而且紧凑的3层玻璃外墙。混凝土的大热容量使建筑能够保存热能，并起到制冷的作用。通过优化建筑表皮的厚度，日光能最大程度地穿透建筑，减少了对电灯的需求。真空绝热板（VIP）让墙面显得苗条，同时，它的隔热效果是玻璃棉的8倍——5cm的真空隔热板相当于40cm的玻璃棉。真空隔热板是一种常见的隔热材料，过去的数十年里经常可见于冷藏车上[3]。这种设计方式在世界上也是也是首例，这将为寒地建筑的保温节能设计开拓更大的空间。

当下中国不少建筑的表皮设计更多是借用了表皮概念的一般意义上的立面形式而已，没有真正从合理的建筑生态系统来考虑。其实表皮的动态调节是建筑节能的各种应对策略在其维护结构上的具体体现，并不停留在仅仅形式上的变化。因此，在表皮的设计理念下形成一个构造复合的节能调控系统，发挥建筑的整体效能，才是适宜的生态技术的真实体现。

图4葛罗恩达斯零能源办公建筑

2.3双层幕墙及双层通风幕墙的应用

双层幕墙在寒地建筑构造中已经有多重形式，这种设计不仅能够有效的抵御外界风雨的侵蚀，提高耐候性，同时，外层表皮对风雨的阻隔使内部房间能够在风雨的环境下也能够通风换气，并改善了墙体的热工性能，形成了缓冲层、通气层，可达到冬天充分利用太阳能量、减少热量损失，夏天则减少空调能量的消耗。如今，玻璃幕墙已经从单层玻璃、单层幕墙向着双层中空玻璃、双层通风幕墙的方向发展，墙体的热工性能已经大大提高。双层通风幕墙从空气循环方式上可以分为封闭内循环和开敞内外循环两种基本模式。现在国内应用还比较少。

封闭内循环双层幕墙一般适用于采暖为主的寒冷地区，其双层幕墙对外封闭，气流通过风机在室内循环，一般靠近地板处吸入，经过双层幕墙的通道经由吊顶内的分管排出。这种幕墙有效的减少了冬季的室内热损失，外层幕墙采用热工效能好的封闭式中空玻璃幕墙，内层则为单层玻璃幕墙，但不足之处是不能提供自然通风。

开敞内外循环式双层幕墙在当代建筑设计中应用较多，在寒地建筑设计中也有一些。两层幕墙直接留有200~600mm的空间，利用气流形成“烟囱”效应，不用电能使空气能够自然循环。通过控制风口的开合，冬天应尽量减少换气次数以利用幕墙间的太阳辐射，夏季则提高换气次数以带走幕墙间的热量。

德国BRT建筑事务所设计的双X大楼为主体12层的建筑以双“X”的形态镶嵌于一个长方形的玻璃盒体结构中，由此形成6个全高的三角形中庭（图5）。建筑的立面为两层表皮，内表皮为办公空间与中庭的分隔，外表皮为整个玻璃盒体的幕墙。新风进口靠近建筑底部，上部屋顶开启后，中庭内的空气循环由于烟囱效应而得以加强，使得建筑内部办公空间与室外空间通过自然通风的方式进行换气。这种不依靠空调系统及机械通风就可以在纵深较大的办公空间内实现自然通风的低技术策略，BRT的作品中被广泛应用[4]。设计还通过一定的可控机制来调整其技术作用：外立面的三角玻璃顶在夏季打开，阴影处的冷空气与阳光照射处的热空气产生对流并交换热量，同时完成通风换气，这些建筑内部交替设置的温室花园，使数个阳光与阴影的局部温差区域间产生有效的空气流动，同时确保了水平向的空气循环。

图5双X大楼

双层幕墙的传热系数虽然仍高于传统墙体，但它可以保证建筑的透明性的情况下提升墙体的保温性能，并能够主动的调节室内气候环境。国内的双层幕墙的应用还有很长的路要走，还有很多问题需要解决，如“烟囱”效应对于建筑防火的不利影响，建筑面积的浪费、造价的提高等等。因此，在建筑观念不断更新的今天，不同地点、不同气候条件、不同建筑，双层幕墙的构造方式差异化研究还需要更加建筑师及幕墙厂家的努力。

3.结语

从设计方法上看，生态表皮的设计已经不仅仅是对建筑师的挑战，同时也是工程师和科学家的问题，它需要由建筑师来协调其他领域的专家共同完成。在中国建筑界，虽然生态的观念已经逐渐深入人心，但是长久以来，表皮的设计仍然以形式美学为主导，导致了优秀的生态建筑作品并不多见。减少寒地建筑的能耗更是当今建筑师急需解决的问题，针对于这种情况，建筑师必须努力摆脱“造型设计师”的角色，多向处于寒地的发达国家学习，通过增加设计的技术含量来更好的实现各种生态策略，从而将设计质量提升到一个新的高度。

参考文献

[1]林峰.寒冷地区建筑围护体系节能设计研究[J].大连理工大学硕士学位论文,2009,(6):25.

[2]褚智勇.建筑设计的材料语音[M].中国电力出版社,2006:149.

[3]斯米特－汉莫－拉森建筑事务所.葛罗恩达斯零能源办公建筑[M].世界建筑,2010,(6):92.

[4]宋德萱.夏翀.城市建筑的绿色设计——对BRT建筑事务所两个设计案例的解读.2008,(2):13.

作者简介:苑雪飞，性别：女，出生年月：1985年2月，学历：博士，籍贯：黑龙江职称：中级职称。