基于“文绿一体”理念的西部典型地域特征绿色建筑设计方法与实践研究＊

2022-04-11景泉贾濛周晔

建筑技艺 2022年2期

景泉贾濛周晔

近30年来，伴随着我国城镇化建设的快速发展，绿色建筑理论和实践逐渐向体系化迈进，建立了中国绿色建筑标准体系，开展了大量工程实践与技术推广。但同时，大量绿色建筑设计往往过于依赖设备技术，忽视地域自然环境，对气候、地域及使用人群生活方式的关注较少，缺少对传统地域营造系统的深度研究。地域文化传承和绿色技术应用之间的协同性不足、关联性不强，传统地域建筑文化的多样性活力未能充分体现。在此背景下，2017年由多家院校、设计院参与的科技部“十三五”重点研发计划“基于多元文化的西部地域绿色建筑模式与技术体系”启动。中国西部地域广袤，地理环境瑰丽多姿，千百年来各族人民在生产生活中形成了具有高度地域适应性的建造技术。本研究力求在“地域文化”与“绿色技术”之间建立关联，提炼理论与方法，形成设计模式与技术体系，并将地域绿色建筑理论、方法与模式在实践中落实应用，为研究提供了有力的数据支撑（图1）。

1 乡土民居的传统生态营建方法及转译

1.1 广西西江流域乡土民居及聚落对气候因子回应分析

西部地区幅员辽阔，气候特征各异，地形地貌的独特性以及生产、生活方式的差异性，导致各地对应的建筑形制本身如出一辙，但又异彩纷呈。西部地区劳动人民因地制宜、趋利避害的生存智慧，创造和发展了多种具有强适应性和突出特点的地方营造技术和建筑文化，其积累的丰富技术经验，是当今绿色建筑设计的宝贵财富。

研究首先明确宏观区域内影响乡土聚落的主导环境因子，并制定相应的聚落类型区划；其次，将研究对象即代表性乡土聚落分为观察组和对照组。通过比较各个观察组和对照组对不同强度、相同气候主导因子的回应办法，归纳总结各个气候主导因子影响区域内的代表性乡土聚落在选址布局、功能空间、构造材料等方面如何有效、明确地进行回应，提炼出生态理念、策略、措施，并通过分析人们在营造、使用、维护过程中产生的特有风俗、禁忌、观念等，总结生态文化。2017—2019年期间，课题组以田野调查的方式对广西村落进行了大规模调研，完成了对广西、贵州、云南、四川、重庆市、新疆、陕西、甘肃、宁夏、青海等地的调研工作，梳理了129个代表聚落在民居、历史、环境、形制等方面的特征及宏观分布与日照、风力、降水三个气候因子的关系。具体如回应风力方面，聚落在选址上通过山体（山地）和防风林（平地）控风引风；布局上，聚落为梳式结构，长边通风、短边防风，纵向墙面通透、开窗较大，具有通风特征。

1.2 基于性能模拟和数据分析的传统民居设计转译

在此基础上，重点研究了适宜该地区气候的居住建筑遮阳设计模式。研究以能耗值为导向对生成的样本进行性能分析，并以此为基础数据，找到参变量、因变量之间的复杂关系，通过性能模拟和数据分析总结出符合该地区气候特征的遮阳形体模式。在西江流域，居住建筑主要功能房间的南立面可采用水平遮阳或U形遮阳。采用水平遮阳时，与窗户同宽即可，挑出距离是遮阳到窗台距离的1.20～1.30倍左右，宜应用于外廊，如果是挑檐，挑出距离是遮阳到窗台距离的0.64倍以上；如采用U形遮阳，垂直构件长度宜与遮阳到窗台高度等同，出挑长度与遮阳到窗台高度比值在0.55以上为佳。

1 研究技术路线

广西地区夏季炎热，合理的建筑布局能够有效引导自然风在建筑体块之间的流动，以强化室内自然通风，提升夏季、过渡季室内舒适度，降低空调能耗。研究采用风环境模拟软件计算了园林艺术馆在春、夏、秋季的室外风场，可以看出各展厅之间的风速较高，说明园林艺术馆的总体布局能够有效利用夏季和过渡季的盛行风，增强展厅之间的空气流动（图2-4）。以夏季为例，从图5所示的建筑表面风压分布可以看出，主导风在建筑的迎风面和背风面形成了风压差，能够起到强化夏季室内自然通风的作用。

除此之外，研究通过探索蚁群算法，对广西壮族自治区的古村落路网结构进行模拟，找出路网形成的深层次算法和参数选择，并用同样的程序模拟南宁园博园的路网，得出“园博园路网结构在算法层次上融入了地域文化与村落肌理”的结论。

2 “在地生长”设计方法及应用

2.1 “在地生长”的设计思想

“在地生长”包含了在地性（Localization）和过程性（Process）两层含义。在地性的旨趣，不仅仅局限于对“全球化”的再思考与“民族性”的重塑上，更多是关于地方特性的思考，是在现代化和全球化视野下对“地方性”的反求诸己。在迁流演变的历史长河中，各地域、民族在一代代人与环境的不断互动中逐渐形成了独特的地方建筑。建筑师应对地方建筑所包含的知识内涵和文化传统予以重新思考、挖掘和利用，也包含对地方自然、文化和经济等多维度的理解。

过程性是指对于复杂建筑而言，设计并不是寻求确切方案，因为设计本身是一个连续发展的过程，一个清晰、严谨、自觉的理性主义创作过程。从建筑设计开始前的场地记忆，建设过程中业主、建筑师、施工方对新建筑空间所赋予的内涵，到建设完成后真实使用者对空间的利用，建筑空间意义一直在变化发展，正如建筑空间所处的世界本身就在不断运动发展。

“在地生长”设计理论以“在地”和“过程”的视角，从“场”——西部地区的自然地理环境和人文社会环境、经济技术条件出发，考察和研究西部地区民居营造传统——“原”，从原理、原空间、原材料等多方面解析传统营造之经验智慧，总结民居生态营造策略，结合现代绿色建筑科技，对传统营造策略进行原型提炼和现代转译，进而提出适应西部地区当代绿色营建的设计理念和方法。在这些理念和方法下开展建筑创作，最终实现“境”——绿色生态、环保经济、自然天成的西部山水建筑境域氛围的打造。

2.2 “在地生长”的设计实践

研究通过示范工程等绿色建筑项目的建设和围绕示范工程建成项目的技术测评，实现对设计理论的实践和完善。在“十三五”国家重点研发计划课题执行期内，课题组在我国西部地区完成了第十二届中国（南宁）国际园林博览会园林艺术馆、西宁市市民中心两项示范工程，并陆续完成了一批局部技术应用示范群。这些设计实践基于西南多民族聚居区、青藏高原区气候特点，回应并关注布局、遮阳、降水、通风、材料等自然、人文、技术的传统营建智慧，将其转译为适宜性的现代技术。

2.2.1 西南多民族聚居区

西南多民族聚居区具有气候湿润温和、地形地貌复杂、自然生态脆弱、民族文化资源多元、传统技术丰富等特征。通过对西南多民族聚居区汉族、苗族、侗族、壮族等多民族传统乡土建筑的研究，提炼适合示范工程利用的传统建筑生态理念、策略和措施，探讨科学化和技术化的现代应用。

（1）第十二届中国（南宁）国际园林博览会园林艺术馆

2 园林艺术馆展厅布局

项目位于广西壮族自治区南宁市邕宁区，占地50 100m，建筑面积25 570m，作为国际园博会的主展馆，主要功能为园林艺术与主题展览。

3 园林艺术馆夏秋两季室外风速分布云图

4 园林艺术馆夏秋两季室外风速分布矢量图

5 园林艺术馆夏季表面风压

生态营建策略：1）隔热方面，利用场地地形，将首层嵌入山体形成半覆土建筑，提升隔热性能；2）通风方面，顺应地形的下沉式聚落布局创造出自由开放的空间组织，同时更宜于形成半室外的良好通风街巷（图6），并利用建筑内部空气的热压差形成烟囱效应，顶部设置可开启窗扇，进一步增强室内通风效果；3）遮阳方面，串联展厅的联系空间、公共休息空间被设置在“天幕”大屋顶下的灰空间中，成为无需空调的室外大厅，从而将大空间的能耗降到最低（图7）。天幕屋顶上部设有528块光伏发电组件（22个菱形单元），总装机容量71.28kWp。南立面水平遮阳出挑长度与距离窗台的尺寸比值约1：1时最佳，最好增加垂直遮阳构件，本遮阳系统悬挑长度与模拟计算结果大致相符。运用Ecotect模拟分析，采用曲面屋盖后，夏季平均太阳辐射为2.87kW·h/m，相较无屋盖情况下平均太阳辐射得热量3.95kW·h/m，降低了27%，绝对值降低了1.08kW·h/m，遮阳效果明显；4）材料方面，选用钢结构体系，有效提升材料利用效率及可循环利用比例，就地取材也降低了建材生产运输中的碳排放。

（2）东盟馆

项目位于南宁园博园东盟园，跨越东盟湾，东对次入口和商业街区，西南毗邻东盟展园，建筑面积7 400m。展会期间，东盟馆展示东盟十国特色的园林园艺及非物质文化遗产、工艺品等。展会后，整个东盟园免费开放，并定位为冷餐、工艺品售卖等。

生态营建策略：1）布局因地制宜，保留现状山坡地形，受广西地区特有的“风雨桥”启发，以一座环形的廊桥架于东西两山坡之间，跨越东盟湾，建筑和水的关系也起到了降温低碳节能的效果，同时以多个结构轻巧、低能耗小建筑塑造单元体的形式；2）架空通风，有效增加了通风效果；3）依据太阳高度角仔细推敲遮阳百叶，遮阳防雨的同时兼顾采光通风，营造良好的半室外环境（图8）；4）建筑材料以钢结构及金属格栅系统为主，可循环利用。

（3）清泉阁

作为南宁园博园内主要的观景建筑及核心景观轴线的制高点，清泉阁与清泉湖相邻，与赛歌台遥相呼应，构建了延续古人登高望远生活习俗的体验性场所，建筑面积1 500m。

生态营建策略主要体现在通风及遮阳方面，设计原型来源于广西独特的鼓楼，阁身外围为钢结构支撑、全开放的层层金属密檐，形成一个具有张力、高耸的密檐阁，无需空调等温度调节设备依然提供了较为舒适的环境，实现了被动式遮阳和通风效果（图9）。

（4）赛歌台

项目为南宁园博园内一处开放式的表演中心，依水而建，以山水为舞台背景，满足园博会开幕的实景演出、民间赛歌表演、传统节日演出和综合服务等功能，建筑面积2 500m。

生态营建策略：1）布局上，设计打破传统歌剧院封闭场馆的概念，以完全开放的形式置入山水环境，好似榕树下歌唱般，打造融入自然的开放空间，极大减少了空调等设备的使用（图10）；2）材料上，依托西南民族地区传统建筑“构造”方式，采用树杈形钢结构支撑体系，降低结构跨度，减少了结构材料对环境的破坏，看台下部建筑及地面缓坡景观采用当地本土的石材砌筑，最大限度实现了人与自然和谐共生。

6 园林艺术馆聚落式布局

7 园林艺术馆立体屋盖

8 东盟馆防雨百叶围合展厅

9 清泉阁密檐和多层次的观光平台

10 赛歌台形态演化过程

（5）南川游客集散中心

项目位于重庆市南川区大观镇，距离市区约75km，距离南川区约25km，紧邻渝湘高速大观出口，周边自然生态环境优越。

生态营建策略：1）布局上，设计充分利用原有山地地形，节地节材，使建筑与自然完美融合（图11）；2）遮阳设计方面，为避免阳光直射造成内部集热，在圆环外围设置大进深屋面挑檐（4.3m、1.3m）及进深3～5m的外廊区，使室内空间始终处于阴影区，减少太阳辐射，并在外围设置闭合的斜向格栅遮阳板，通过择优计算使格栅的旋转角度达到夏季辐射得热最小化与冬季辐射得热最大化（图12）；3）通风方面，内部功能岛式布局，空间连续开敞，内部风阻较小，能够促进自然对流；4）材料方面，采用当地材料，并以光伏材质设置一道玻璃通廊，不仅为建筑本身提供清洁能源，还增强了空间的互动性和趣味性，做到了“产业生态化，生态产业化”。

2.2.2 青藏高原区

青藏高原区具有严寒气候、高原地形、交通不便等特征，设计充分研究区域内传统建筑文化中的生态理念，并选择性地引入和应用现代生态、绿色技术措施，形成同地区的示范工程。

西宁市市民中心位于西宁市南川新区，项目占地面积53 000m，建筑规模13万m，功能涵盖行政审批、市民服务、体育健身、文化展示、数据中心等。生态营建策略：1）布局方面，建筑继承了青海传统“庄廓”聚落空间组织特点，大尺度屋面整合主体功能，起伏的轮廓与环绕城市的山脉遥相呼应，小庄廓容纳中小尺度“伺服”空间，与街区界面尺度相协调；2）采光方面，结合庄廓造型获得较小的体形系数，体育文化馆体形系数0.14，行政审批楼体形系数0.12，局部嵌入小型院落调节自然采光；3）通风方面，合理设置开窗，并通过中庭通风有效减少新风系统的使用，公共空间采用地面辐射供暖方式确保热舒适性；4）降水方面，结合屋顶的自然曲面设置雨水沟，实现有效排水，利用地形高差设置排水沟、雨水调蓄池，提高水资源的收集与再利用（图13）。

依托“在地生长”理论，本研究从自然、文化和经济三个维度，考察建筑项目的场地特征和地域环境要素，以及包括当地民居在内的地域性传统营造，探讨为应对当地自然、文化和经济因素而形成的适应性营造原理、独特空间组织构成和地方性原材料使用等，结合现代建筑科技，将传统营造策略通过原型提炼和现代转译，转化为适应西部地区的当代绿色建筑营造理念和设计手法。“在地生长”理论指导设计师运用这些融合传统与现代的营造理念和设计手法，通过具体项目实践打造出“文绿一体”的西部地区绿色建筑和自然天成的西部山水建筑意境。

11 南川游客集散中心利用山地地形布局

12 南川游客集散中心室内空间岛式布局

13 西宁市市民中心回应气候示意

3 建成运行效果评估及检测

在运行效果检测方面，从建筑本土化、经济适用性、自然地理气候适用性方面对示范工程进行绿色性能后评估测试与综合评价，对示范成果开展实证性检验。园林艺术馆于2018年11月建成并投入使用至今，通过专业机构跟踪实测运行效果，其非供暖能耗比《民用建筑能耗标准》同气候区B类商业办公建筑能耗的约束值降低46.1%，比引导值降低28.1%，可再循环材料使用率为15.35%。除此之外，针对绿色建筑设计要点进行实测，对于项目中覆土被动式技术，选取一、二层上下相同位置、相同面积、相同墙体（石笼墙）的展厅进行对比测量。由图14可知，在测试时间内一层覆土展厅的室内温度比二层无覆土展厅室内温度低1℃左右，且温差在各个时间点上基本一致，证明了在夏季覆土对房间的隔热作用，有效降低空调系统能耗。同时，传统聚落布局有效地形成了风廊道，使得二层内街的通风效果明显，相对较窄的通风廊道风速更高，体感相对舒适。建筑内部的烟囱效应明显，覆土空间室内通风效果显著，大大改善了室内通风环境。

在墙体隔热性能测试中，南宁园博园园林艺术馆充分利用传统材料的良好隔热性能，如图15所示，在四种被测墙体中石笼墙隔热性能最优。在测试期间，基于传统材料墙体的展厅室内温度比水泥墙体的空间室内温度低。各展厅的室内平均温度在32℃以下，相对于室外最高可达45℃的高温，传统被动式墙体具有优良的隔热效果。

西宁市市民中心检测能耗包括供暖能耗（热源能耗和热源的水泵输配电耗）、空调系统能耗、通风系统能耗、室内照明系统能耗、生活热水能耗、电梯系统能耗、办公设备能耗以及建筑内供暖系统的热水循环泵电耗、供暖用的风机电耗等。通过测试得出，该建筑室内中庭良好的通风、遮阳条件形成缓冲空间，使得温度波动较为平缓，受室外温度变化影响小，同时通风庭院有利于改善过渡季节的室内环境舒适度。除此之外，行政审批楼与体育文化馆临近天窗的区域内，自然采光照度均优于国家标准规范限值。良好的自然采光设计、合理的遮阳措施，使室内在运营时间段内自然采光即可满足要求，不需要额外人工照明。西宁市市民中心于2019年11月建成并投入使用至今，通过专业机构跟踪实测运行效果，其供暖能耗比《民用建筑能耗标准》的约束值降低13.6%，非供暖能耗比《民用建筑能耗标准》同气候区B类商业办公建筑能耗的约束值降低38.7%，可再循环材料使用率比例为17%。

通过收集调查问卷与相关网站的使用评价以及媒体对该项目报道宣传的反馈，园林艺术馆被誉为“空间灵活、内外有序、温度适宜、具有南宁特色”的绿色公共示范建筑。就西宁市市民中心，业主及市民对本土建筑文化的传承创新、公共开放的空间场所反响强烈，示范效果显著（图16）。

4 结语

随着我国“双碳”目标的确立，绿色节能建筑设计成为推动我国绿色低碳发展的重要组成部分。绿色建筑设计以往就建筑谈建筑，忽视对气候特征、地域特征、居住文化的考量。本研究从基于“文绿一体”的“在地生长”设计理念出发，引导建筑师回溯传统居住文化，学习特定气候下乡土聚落的生态策略，具有典型地域文化特征的绿色建筑传统营造经验，以及建构文化生态整合的绿色建筑体系。同时，重点探究传统建筑生态策略的现代化转译与现代绿色建筑技术地域化转译问题，并通过调研、技术措施、性能模拟形成设计工具，最终构建“设计理论—设计策略—工程示范—效果后评估”的整体设计流程。