气候应答式的模块化建筑表皮设计策略——以清控人居科技示范楼项目为例

林正豪 宋晔皓 孙菁芬 陈晓娟 解丹 / LIN Zhenghao, SONG Yehao, SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan

气候应答式的模块化建筑表皮设计策略
——以清控人居科技示范楼项目为例

林正豪 宋晔皓 孙菁芬 陈晓娟 解丹 / LIN Zhenghao, SONG Yehao, SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan

1 背景

作为贵安新区生态文明创新园的启动建筑，清控人居科技示范楼（Tsinghua Eco-Studio，THE-Studio）既是整合多项可持续技术的低能耗实验平台，也是创新园对外宣传与辐射影响的基点。表皮作为建筑内外环境的过渡要素（宋晔皓 等，2014）与沟通媒介，在承担着环境调节与能量交换等物质功能的同时，还传递着建筑自我表现的视觉信息。因此，在决策层面、创作阶段与建造过程中引入表皮设计策略的探讨，对项目的研究与实践均具有重要意义。

通过将“气候应答式（climate responsive）”创作方法与“模块化（modularization）”体系相结合的表皮设计策略，建筑形成了以“藤编表皮+双层呼吸幕墙”为核心的表皮系统，进而重构建筑内外环境之间的密切联系，并在有限的建造时间与条件下，实现了可持续、低能耗、预制装配的建筑设计目标。

2 应答气候的表皮系统

2.1 基地气候条件

贵安新区地处贵阳与安顺两市之间，属亚热带高原季风湿润气候，夏季主要盛行西南偏南风（SSW），室外平均气温不高于25℃；冬季则以东北偏东风（ENE）为主导，平均气温低于8℃。因此，在表皮设计上应当积极利用凉爽的夏季风，规避较为寒冷的冬季风。贵安新区在建筑热工分区上属于温和地区，日照时间短，太阳辐射量低。统计表明①，贵阳冬季太阳辐射累积量的时空间平均值仅约为490MJ，接近全国最低值，同时仅为其夏季辐射累积量的38%左右。相较之下，考虑表皮系统的夏季遮阳作用比冬季得热效益更有意义。

2.2 藤编表皮系统

藤编表皮系统主要由3层结构组合而成：模块化藤编挂板层、空气腔层和围护保温木墙，从而使表皮系统具备了被动式调节的结构基础，再通过藤编挂板的多种构造复合，实现对气候环境的积极应答。在设计阶段，主要探讨了两种藤编表皮系统的设计思路。

2.2.1 初始设计思路

藤编挂板模块由藤编板、金属框架与彩色亚克力板3层构造由外到内组合而成，成为兼具遮阳、通风与色彩等功能的复合表皮系统（图1）。

图1 藤编挂板构造示意

图2 夏季建筑风压风速分布

图3 冬季建筑风压风速分布

图4 藤编挂板开启角度变化分布

（1）遮阳功能：藤编板由当地工匠利用藤条手工编织而成，其疏密形式固定，透光率保持在50%左右，可以起到有效的夏季遮阳作用。

（2）通风功能：藤编板与彩色亚克力板前后固定于金属框上，从而使藤编挂板达到透光而不透风的作用。以东西山墙为例，通过多块挂板模块的组合搭嵌，挂板层与围护木墙之间形成相对密闭的空气腔，从而具备了热压通风与空气保温的基础。当地季风的风压作用同样不可忽视，由建筑立面风压模拟图②可见，风压在夏季主要积聚建筑的西、南立面，在冬季主要积聚在东、北立面，而且分级明显（图2、3）。在构造上，藤编挂板通过调节金属框与竖向龙骨之间的连接件，形成4种开启角度（8°、6°、4°、2°）以应对不同的风压等级（图4）。

在表皮设计策略上，夏季主要考虑西、南两面利用风压推动腔内热气上排，带走其中积聚的热量，从而减少室内环境的辐射得热，因此在立面风压越大的地方，其藤编挂板下方开启的角度则越大；冬季则考虑减少东、北两面空腔内空气的流动，优化空气间层的保温效果，因此在风压越大的地方，藤编挂板开启的角度反而越小。

（3）色彩功能：丰富的色彩是贵州乡土景观与民俗文化的特色，故而在建筑表皮上运用色彩具有重要的表现意义。通过采用包含12种颜色的透光亚克力板，藤编表皮系统形成渐变的彩色环圈，暗示不同朝向的环境特征：西、南两面以暖色为主，东、北两面则以冷色为主。同时，亚克力板与藤编板将阳光过滤为室内斑斓艳丽的光影，建立表皮与室内环境的视觉连接（图5）。色彩还赋予每块藤编挂板独特的个性，使原本均质的藤编表皮拥有了活跃的表情与生命的隐喻。

然而由于当地彩色亚克力材料的定制加工周期过长，同时藤编挂板连接件长度不一，施工难度较高，因此影响了表皮的施工进度与其他材料部品的进场安装，并对建筑整体的建造计划造成干扰。综合考虑后，只能放弃亚克力板与藤编挂板角度的设计，以实现工程整体效益的最大化。

2.2.2 设计思路的调整

表皮设计的调整势在必行，当地丰富的藤编纹样成为新的切入点。设计团队与三穗县藤编工匠密切合作，开发出4种疏密不同的编织纹样（图6），进而通过表皮模块的组合变化，使其在兼顾遮阳、通风、保温等功能的同时，提升表皮系统的结构稳定性与材料耐久性。

（1）遮阳优先：根据贵安当地太阳辐射的特点，表皮应优先考虑夏季遮阳的需求，其冬季得热作用则基本可以忽略。同时，当地太阳辐射以散射为主，建筑各立面获得的辐射量较均匀，因此表皮整体上应以较为致密的藤编板为主。

（2）适应季风：合理利用季风是表皮设计的重点，贵安夏季以西南季风为主，可利用其促进表皮空腔内热气的流动与排出，减少室内得热，故而建筑西、南两面需采用相对稀疏的藤编板；而冬季以东北季风为主，需通过表皮对冷风进行阻隔与屏蔽以达到保温的作用，故而建筑东、北两面需采用相对致密的藤编板（表1）。这是调节藤编疏密分布的基本原则。

图5 藤编表皮色彩设计

（3）降低风荷载：由分析可知，夏冬两季季风会在作用的立面上积聚风压，风的流动会加速藤材的老化与损坏，破坏建筑表皮的整体稳定性。为消减这种不利影响，各立面根据风压的不同分级分别对应不同疏密程度的藤编纹样。一般而言，风压越大的地方，对应藤编板的透空率就越高（图7）。这也是表皮形式控制的次级原则。

通过设计策略的制定与实施，形成了由气候因子（climatic factor）驱动生成的独特表皮形式（form），并确定为最终的施工方案。这种应答气候的表皮设计策略，在决策、设计与建造的各阶段中都得以贯彻与执行。

2.3 双层呼吸幕墙

2.3.1 复合构造设计

在设计中，双层呼吸幕墙环绕并围护着建筑首层使用空间，其基本构造原型是由外层玻璃幕墙与内层保温墙体共同形成可换气的空气腔层。其中，外层玻璃幕墙采用明框单玻构造，其上下两端分别设置了手控铝合金推拉板与可调节百叶，分别作为空腔的进、排风口，从而具备了幕墙外循环通风的条件。空腔内高约3.90m，为通风上行提供足够的热压差驱动力，空腔南北方向的进深为0.45m，东西方向的进深为0.92m，在不通风的前提下，可作为空气保温层使用。内层保温墙体则根据室内功能的要求，局部设置内开落地窗，并通过中空Low-E双层玻璃以及对铝框的断热设计，在保证视野通达的同时，兼顾采光、保温与通风的需求。

2.3.2 被动式气候调节

表1 各向立面藤编表皮透空率

图6 4种藤编编织纹样

双层呼吸幕墙是气候应答式设计的典型代表，其通过季节性③的“呼吸式”被动调节作用提升建筑性能表现（building performance）（宋

晔皓 等，2014），从而解决建筑能耗与室内环境舒适度的二元矛盾问题。

夏季日间，当空腔内温度较高时，可通过关闭内层窗户，打开外层玻璃幕墙的进、排风口，利用热压通风的作用排走空腔内的热气，降低内侧围护结构的表面温度，从而减少室内环境的得热量，提高使用舒适度。夏季夜间，空腔受室外空气冷辐射影响形成负压，通过关闭外侧幕墙的排风口，并打开下方的进气口与内层窗户，利用空腔与室内之间的温差进行自然通风，从而降低室内温度，并利用墙体、顶棚与楼地板等建筑构件进行夜间蓄冷，从而降低日间空调系统的冷负荷与能源消耗。

冬季室外温度较低，关闭外侧幕墙的进、排风口及内层门窗，使空腔处于密闭状态。一方面可作为空气缓冲层，提高建筑整体的保温性能；另一方面则可作为阳光间进行蓄热（Zheng-Hao Lin，2014），既能提高内侧围护墙体的表面温度，也能经由窗户对室内空间进行直接热辐射，提高室内温度，降低生物质锅炉采暖系统的热负荷（图8）。

图7 藤编表皮疏密分布示意

图8 双层呼吸幕墙气候应答设计（左：夏季日间热压通风；中：夏季夜间通风蓄冷；右：冬季日间阳光间蓄热）

图9 藤编挂板安装节点

图10 双层呼吸幕墙安装节点

3 模块化表皮系统

3.1 表皮模块化

表皮模块化（skin modularization）是本次表皮设计策略的另一重

点。通过引入模块化的理念，实现设计、生产与建造的三位一体。该部分主要介绍表皮模数的制定与模块单元的设计组合。

图11 藤编挂板构造示意

图12 藤编模块工厂预制

图13 藤编模块尺寸分类

模数（module）是建筑设计中选定的标准化尺寸单位。在本设计中，建筑的竖向模数由其结构跨度（3 020mm）确定与控制，其窗洞开口、藤编表皮与双层呼吸幕墙的竖向划分均以1/4木柱跨（755mm）为模数。制定模数为表皮系统的设计细分、分包预制以及整合装配提供了尺寸基础与协调准则。此次藤编挂板与双层呼吸幕墙虽分别由不

同地区的厂家独立预制，但其进场后可直接共用一套以755mm为模数的竖向钢龙骨（图9、10），并准确对位后方预留的窗洞，实现装配的高效与精确，为多部品的整合创造了条件。

图14 藤编表皮编号系统

模块单元（modular component）是模块化系统的基础，其本身结构独立且功能完整，因此在系统全生命周期中可以随时进行替换、维修、升级、回收甚至再利用。以藤编挂板的实施方案为例，镀锌铁框是其支撑结构，手工藤编板赋予其功能与形式，金属角码则是对接外系统（幕墙龙骨）的接口（图11）。因此，使用中损坏的挂板可以随时进行维修与替换；升级挂板模块还能使系统的性能得到整体提升，例如可在现有挂板上加装彩色亚克力板，使其拥有前文提到的色

彩属性与文化内涵；甚至可以将所有藤编挂板拆除，进行表皮的异地重建等。由此可见，模块化的设计策略使表皮系统的生命周期与应用潜力都得以提升。

图15 藤编表皮编号系统2

图16 藤编安装施工

通过将模块单元进行功能参数化的设计，并以一定的逻辑重新组织，可以有效提升系统应对复杂环境的能力。例如前文的藤编单元，通过对编织纹样的参数化处理与组合，其构成的表皮系统便可在一定程度上应对复杂多变的环境条件，实现气候应答式设计。

3.2 预制装配

预制装配（prefabrication）是建筑工业化与产业化的直观体现，也是建筑模块化设计策略的内在要求。预制装配的作用主要体现在工厂预制与现场施工的高效配合。

从工厂的角度而言，模块预制可以在资源层面实现对材料、能源、设备、交通与人力的有效整合与利用，从而达到控制质量、压缩时间、节约成本、减少资源浪费等多重目标。同时，工厂预制还可以避免现场生产过程中天气或施工条件带来的不利影响，并避免与其他作业之间的交叉与干扰。以藤编表皮为例，从提供设计图纸到产品进场，共计686块藤编挂板（总面积450m2，异形模块占5.5%）的预制与编号只用了18天时间，而且达到了预期的工艺水平与质量水准（图12、13）。

从现场的角度出发，预制模块是一种“准成品”构件，进场后只需按图纸进行定位装配与接口处理即可快速完成施工任务。一方面可以实现精确的安装与检修，确保工程质量；另一方面则可以降低现场施工带来的人力（建造、管理等）与物力（运输、备料、后勤、基础设施等）成本，同时避免过度破坏现场环境，实现工程整体效益的最大化。本案中藤编模块进场后只需对竖向龙骨进行简单的弹线定位就可以开始装配，将挂板上预埋的连接件与幕墙龙骨进行钉接，并按照编号系统（图14、15）搭接嵌合藤板，即可组合成完整的表皮系统，全程仅仅用了5天时间，为后续作业的开展提供了便利（图16）。

4 结语

作为表皮设计策略的两端，气候应答式设计与模块化体系相辅相成：气候环境对建筑的影响为表皮模块的设计与组合提供了依据与逻辑；反之，表皮系统的模块化细分与模块单元的功能实现又为应答气候复杂系统提供了物质基础与技术支撑。

通过上述两者的二元结合，表皮系统综合解决了建筑在遮阳、通风、采光、保温、节能等方面的问题，并使快速建造的需求得以实现，呼应了建筑层面上低碳节能的可持续设计目标，使表皮子系统与建筑总系统同步协调。

注释

① 统计数值详见：杨军，顾骏强，施能.我国总太阳辐射特征、趋势变化和分区[C]//中国气象学会.中国气象学会2006年年会“气候变化及其机理和模拟”分会场论文集，2006。

② 取贵阳、安顺两地平均风速进行风环境模拟，夏季风速3.2m/s，风向SSW；冬季风速2.65m/s，风向ENE。来流风速按照城市梯度风考虑，梯度系数按照II类地表（树木和低层建筑为主）考虑取0.15。此模拟由马杰博士提供，成果见图2、3。

③ 根据贵安当地气候特征，主要集中讨论夏冬两季的气候应答式设计，过渡季气候温和舒适，故不作赘述。

[1] 宋晔皓，王嘉亮，露西亚·卡尔达斯，等.节能与舒适 表皮材料的建筑性能表现及其设计应用[J].时代建筑，2014（03）.

[2] Zheng-Hao Lin, Yi-Qiang Xiao, Zu-Lue Cao, Han-Yang Zhang, Shi-Qi Qian.E-Concave: Passive Design Of Solar Detached House[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014(04).

林正豪，清华大学建筑学院，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室

宋晔皓，清华大学建筑学院教授，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室

孙菁芬，清控人居建设（集团）有限公司

陈晓娟，清控人居建设（集团）有限公司

解丹，清控人居建设（集团）有限公司

2015-06-04

CLIMATE RESPONSIVE MODULAR BUILDING SKIN DESIGN STRATEGY：A CASE STUDY OF THE-STUDIO

本文以贵安新区清控人居科技示范楼项目为例，一方面将气候应答式设计方法实践于以藤编表皮与双层呼吸幕墙为核心的表皮系统，综合解决建筑遮阳、通风、采光、保温、节能等问题；另一方面结合模块化体系，通过表皮的预制装配迎合快速建造的需求，整合形成贯穿于决策、设计与建造全过程的表皮设计策略，进而实现可持续、低能耗的建筑设计总目标。

This paper is a case study on the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an New Area, China, which applies the Climate Responsive Design into the building skin system centering on the rattan weaving skin and the double-skin aspiratory curtain wall, thus succeeding in dealing with the multiple challenges of sun-shading, ventilation, lighting, insulation, and energy conservation. In addition, the combination of the Climate Responsive Design and the Modular System forms a building skin design strategy which runs throughout the whole process of decision, design and construction, which meets the requirement of rapid construction by prefabricating building skin, and further achieve the f nal target of sustainability and low energy consumption.

建筑表皮 气候适应性 模块化 设计策略

Building Skin, Climate Responsive, Modularization, Design Strategy

本文由国家自然科学基金重点课题项目（51138004）支持。