苑雪飞，魏治平，安文，田歌川

（1.嘉兴学院，浙江 嘉兴 314000；2.黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150020；3.哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090；4.西安建筑科技大学，陕西 西安 710000）

1 寒地建筑外表皮设计适应光照环境的本源

寒冷地区处于较强的大陆性气候条件下，冬季漫长，昼夜温差大，气候严酷，低温、寒风、积雪等因素给建筑创作带来了诸多制约。传统寒地建筑能耗有73%～77%是通过围护结构损失的，是寒地建筑采暖能耗流失的主要途径。很多寒冷地区和严寒地区由于冬季太阳高度角小、日照时间短，建筑获得的太阳辐射量较少。而对处于低温环境的建筑来说，冬季采光的获取非常重要，充足的冬季采光不仅能保证建筑空间的温度，减少采暖能耗，还能提升空间光环境的舒适度，营造良好的室内氛围。因此，对于传统寒地建筑外围护体系而言，阻止热能的消耗和获得充足的冬季阳光是相互矛盾的。数千年以来，寒地建筑由于过于注重建筑保温，而将日照的获得放在外界面设计的次要地位，建筑外围护界面成为隔离人工环境和自然气候之间的屏障作用，遮蔽外界环境的不利因素，使传统寒地建筑成为“热水瓶”式的密封装置[1]。

随着科技的发展、新型材料的研发，很多建筑表皮早已经可以与结构体系脱离开，通透的幕墙也能够具有良好的保温性能，使建筑保温与获得光照的矛盾有所化解。同时随着计算机建模的发展，人们已经开始借用算法设计、参数化设计以及多智能系统来直接反应环境对建筑围护界面的影响，从环境逻辑生成形式及生命体的特征吸取灵感，形成了诸多新型建筑外围护体系，使其成为包络外界面的气候自适应建筑物外壳[2]。因此，寒地建筑设计也应该探索更多模式，使表皮更加适应气候环境，对光照环境的调控变得更加智能化和灵活化，减少寒地建筑因保温需求导致界面过于封闭。

国外对于寒地建筑外表皮如何能够在保温的同时适应光照环境的研究已经有一些积累。Wang等[3]提出了建筑表皮应最大限度地吸收有利的气候因素，通过遮阳、太阳能、通风系统与表皮结合，提升建筑适应环境的能力。Rossi和Figliola[4]研发了一种参数化生成的适应性建筑和表皮，使建筑能够使用不同气候区的环境特征，找到提升室内舒适度的解决方案。实践方面，国外近年来涌现出来的很多绿色生态寒地建筑越来越注重表皮与日照环境的呼应，已经从简易模式的光照获取转化为多维度的调适和利用，在逐渐清晰和系统的建筑日照环境参数应用中，衍生出更加优化的建筑表皮形式，有效地提高了寒地建筑空间获得冬季光照和夏季遮阳的效率，利用围护体系的效能来营造舒适的室光环境和热环境。

国内相关研究中，林绍康[5]的研究表明，办公建筑表皮可以通过优化窗洞形态、采光构件辅助、顶部天窗补充等方式优化自然采光。刘帆[6]阐述了创造室内光舒适环境应该采用的动态表皮控制策略。韩昀松[7]研究提到，国外少数建筑具有能够根据太阳高度角与方位角调节建筑日照得热量与室内照度的建筑智能化表皮。国内近几年也尝试通过建筑表皮的优化，提升寒地建筑对自然光照环境的适应性，但大多还没有进入到参数化动态调整表皮的阶段，设计理念和相关技术有待进一步提升。

本文的研究创新点主要体现在以下几个方面：在理论方面，针对传统寒地建筑表皮过于注重御寒保暖而忽视了内部环境对光照环境的需求，挖掘利用先进技术形成既能保温也能更加适应光照环境寒地建筑表皮的可能性，引导寒地建筑表皮设计理论从注重环境排斥走向系统生成，发挥建筑的整体效能；在内容方面，通过多个国外先进建筑实践项目表皮案例的阐述与分析，引导寒地建筑表皮设计打破传统厚重界面的束缚，进行积极的探索和创新，从4个方面提出了适应光照环境的寒地建筑外表皮设计方法，促进表皮设计提升寒地建筑的内部空间品质；在方法方面，从建筑实际案例出发，立足寒地建筑应具有冬季最大限度地获得阳光和夏季利用恰当的遮阳和通风防止夏季过热的适应性，通过理论与实践相结合、定性研究与归纳研究相结合的方法，使提出的设计方法更具有适应性和系统性。

2 适应光照环境的寒地建筑表皮生态设计方法

立足于当下的设计手段和建造技术条件，为了使与外界直接接触的寒地建筑外围护表皮能够更加生态智能地为建筑内部提供更加舒适的空间环境，本文将从以下4个方面展开论述适应光照环境的寒地建筑外表皮设计方法。

2.1 传统遮阳的优化

适应光照环境的寒地建筑外表皮设计，最直接的方法就是在外围护界面设置传统遮阳系统。建筑遮阳系统根据外部自然气候因素的变化控制外立面透明部分的透明度或阳光通过率，从而调节进入室内的采光量，在遮阳位置移动过程中调节建筑获得阳光的效率[8]。寒地建筑通过合理优化遮阳体系，冬季最大地获得太阳光能，夏季则有效控制进入室内的日照辐射，避免室内过热；或在一天内不同时段的遮阳调节过程中，使室内达到舒适的光环境和热环境，并使建筑立面表现出丰富的肌理和表情。当前寒地建筑外表皮遮阳常见的主要形式为外部遮阳、间层遮阳、内部遮阳3种。其中外部遮阳多用于低层和多层建筑，主要形式包括遮阳格栅、遮阳卷帘、百叶窗等，以阻挡夏季太阳辐射，同时还能在一定程度上减少风雨对建筑的侵袭。间层遮阳体系应用于高层建筑居多，这种遮阳体系将能够电动或机械控制的百叶或遮阳设置于幕墙或玻璃窗的双层玻璃之间，随时调整阳光进入室内的采光量，这种遮阳方式可以使卷帘或百叶不被风雨侵蚀，并减少高层建筑设置外遮阳的掉落风险。内部遮阳则是设置在建筑室内的遮阳窗帘、遮阳百叶等，人们直接室内手动或电动控制遮阳效果。

如丹麦哥本哈根的Fhi办公楼的外围护界面采用砖墙、铝质百叶窗及大玻璃窗组成，3种材质都采用同一种规格，通过百叶窗的横向滑动来调节光照进入室内的量。冬季百叶窗与墙面重合，玻璃窗暴露出来吸收更多的阳光；夏季百叶窗与玻璃窗重合，建筑立面表现出墙面与百叶2种元素，阻止阳光过多进入室内。在不同的季节变化中，百叶窗可以根据气候环境调节至不同的位置，从而赋予建筑立面丰富的光影效果[见图1（a）]。又如伦佐·皮亚诺设计的纽约时报大厦，建筑立面由全玻璃幕墙围合，幕墙外部为一层陶瓷棒幕帘格栅，并在室内设置了机械化幕墙，多层次的表皮可以对光照条件产生灵活的调节，使建筑对采光有着初步调节能力[见图1（b）]。

图1 调节光照面积的遮阳应用

2.2 太阳轨迹的跟踪

为了更加智能地适应气候环境的变化，人们将传统遮阳体系升级后形成了跟踪太阳运行轨迹的遮阳体系，并应用于寒地建筑表皮设计中。遮阳体系具有可以转动的百叶和电动控制装置，随时跟踪太阳的运行轨迹，并调节遮阳角度，为建筑内部提供更加舒适的遮阳空间。这种表皮遮阳体系需要对太阳轨迹与建筑之间的关系加以把握，太阳轨迹图能够表明建筑所处的纬度地区一年中各时辰的方位角和高度角，通过分析太阳方位角、高度角与建筑的关系，判断建筑在一年中不同季节及一天中不同时段能够获得天然光照的入射角度。通过对太阳轨迹图的分析，找到建筑所处地区的4个重要的太阳高度角临界点，确定外遮阳合适的遮阳角度，从而最大限度地获取冬季温暖的阳光，遮挡夏季阳光[1]。

如天津中新生态城滨海小外中学部建筑外表皮就采用了可调节的遮阳系统[9]（见图2），建筑在冬季和夏季根据太阳轨迹的变化，获取合适的建筑内部采光。在冬季，太阳高度角较低，遮阳板位置为向上倾斜，阳光能够大面积进入室内，使建筑室内更加温暖；而在夏季，遮阳板位置向下略倾斜，大幅度减少进入室内的阳光，使室内空间更加凉爽。国外的很多寒地建筑也采用了在幕墙外设置可以跟踪太阳轨迹转动的电动百叶装置，可以灵活调节不同季节和天气的室内得热量，使建筑具有更好的气候适应度。

图2 天津中新生态城滨海小外中学部的追踪太阳轨迹遮阳

2.3 反射光线的利用

建筑内部空间获得日照的方式除了通过建筑表皮开窗的直接获取，还可以通过光线反射，将自然光引入室内需要光线的区域，提升室内环境的光照舒适度和温度。反光板可以均匀地反射日光，增加远离窗户的空间照度，减少眩光。常用的反光策略主要有2种：第1种是在建筑表皮外部或表皮间层设置金属遮阳板和反光板，将阳光反射进入室内，利用反射的太阳光进行昼光照明；第2种可以利用屋顶的开窗，把阳光反射到反光板、天花板或墙体上，利用均匀的二次反射光来获得室内均匀照明[10]。

第1种模式在很多建筑中已经都有所应用，而且遮阳板的形式也很多样，特别是层间板也可以通过造型的变化形成有效的光线反射体系。当夏季太阳高度角较高时，阳光不直接照入室内，由反光板反射后再通过顶棚反射进入室内，使室内获得柔和的补光；当冬季太阳高度角较低时，阳光照射到反射板上直接通过一次反射进入室内，给冬季的室内增添热能。同时，室内遮阳还能够对室内采光量进行二次调节，使人们可以获得更加舒适的光照条件[11]（见图3）。在特别寒冷的地区，利用格栅反光不仅可以反射太阳光，还可以用作反射环境光，为室内补光。如挪威的斯瓦尔巴特群岛行政办公大楼[12]（见图4），建筑所处的区域环境常年积雪，并且每年都要度过几个月的极夜。建筑玻璃窗外设置了整面的木质百叶，主要作用就是在冬季的极夜季节反射冰雪的光亮，为建筑室内提供光亮，减少极夜带来的长时间幽暗。遮阳体系与反射光线综合利用，形成灵活的光照反馈体系，并结合遮阳板的控制反射进入室内的光线量。

图3 反射光线与其它措施综合利用

图4 斯瓦尔巴特群岛行政办公大楼

第2种模式则是更多地通过屋顶天窗为室内大进深房间补光。如美国科罗拉多温莎的警察局[13]（见图5），建筑形体采用具有动感的斜坡屋顶组成，倾斜的屋顶与立面之间设置了天窗，使阳光进入室内后形成反射，为室内补充光照。这种模式可以更多地应用在寒地建筑中，使建筑的室内更加温暖舒适。

图5 科罗拉多温莎的警察局

2.4 光照参数的生成

随着参数化设计更多地应用于建筑设计中，建筑师们将建筑所处的光环境参数应用于建筑表皮生成的方法也在不断探索实践中，使建筑逐渐具有类似生命体征的皮肤特质，通过自我调节进入建筑内部的光线量，自适应光照气候环境，为人们提供更加舒适的生活居住环境。参数化设计的建筑表皮由于造价的原因和施工的难度，目前只应用于少数公共建筑上，但这种设计理念和方法将会越来越普遍，为人们提供更加智能舒适的建筑内部空间。

如美国洛杉矶艾默生学院[14]（见图6），建筑为门洞形状，门洞内部界面采用了参数化设计的表皮，不仅成为整个建筑的亮点，还使建筑细部表现出波光粼粼的态势。表皮可以根据建筑外部光照角度的变化调整每个百叶片的角度，从而有效调整建筑室内获得的光照，平衡室内温度，使建筑更加人性化和自适应。同时，通过系统调控，参数化表皮界面还能够在调整遮阳效率的同时，调整从建筑内部观看外部景色的角度，将光照参数和自然环境的其他因素结合起来，共同生成建筑表皮，与建筑所处的自然环境相呼应[15]。德国汉堡哈芬新城的水边双塔高层[16]（见图7），建筑的外部表皮界面参数化设计将气候光环境参数和观景角度叠加起来，形成表皮系统，使建筑在提升室内采光和温度舒适性的同时，也为人们提供良好的景观视觉通透性。通过分析一年四季的日照情况参数和观景角度，将表皮窗的折面结合遮阳形式划分为3种。在高度较低的楼层外，窗的折面较小，方便人们在室内平视室外景观；随着楼层增加，窗玻璃的观景界面倾角较大，方便人们俯视室外景观。与此同时，外表皮遮挡的渐变过程也体现在建筑的不同向阳方向上，获得日照较大的区域，则采用遮阳面积较大的窗户形式，并且由于夏季太阳高度角较大，阳光通过在折面窗的顶部形成反射，降低室内温度，在冬季太阳高度角较小，阳光能够射入室内，使室内获得更多的热量；而获得直接日照较小的北侧则采用遮阳面积较小的窗户形式。

图6 洛杉矶艾默生学院

图7 汉堡哈芬新城的水边高层

3 结语

寒地建筑并非只能通过牺牲光照环境才能满足保温的要求，随着技术的发展，寒地建筑在抵御低温环境的同时，更应该提升对自然光照环境的适应性。我国的寒地建筑应将光照环境规律应用在建筑外界面的生成上，逐渐从环境排斥模式转化为环境生成模式，在生态设计理念下使建筑外界面形成一个复合的节能调控系统，从而发挥建筑的整体效能，将设计质量提升到一个新的高度。