谈绿色建筑系馆的设计

2021-09-24邱丛丛

山西建筑 2021年19期

邱丛丛

(武汉大学城市设计学院，湖北武汉 430000)

1 概述

建筑系馆的设计随着学科以及社会的发展经历了一系列的变化，到如今已是千姿百态，并将随着社会的发展不断优化下去。不可否认的是建筑系馆与建筑教育息息相关[1]。真正意义上的建筑教育是从法国巴黎美术学院的“学院派”开始诞生的，此时建筑系馆才应运而生[2]。随着工业革命的进步，德国“包豪斯”教育模式适应了时代的要求，而由这两种教育模式影响下的建筑系馆也由最初的修道院式的封闭的围合式院落发展为以克朗楼为代表的符合功能需求的新型建筑系馆。到20世纪，“学院派”在美国得到了新的发展，并影响了国内的建筑系馆的设计。20世纪60年代前，建筑系馆体量巨大、工艺精湛，如东南大学中大院；1980年—1990年，建筑系馆的设计整体强调干净的雕塑感，如清华大学建筑系馆[3]。从2005年开始，建筑系馆的设计进入了折中主义时期，各种设计手法层出不穷，在这个时期建筑系馆的公共空间成为了各大建筑师寻求突破的主题，如以“无尽的走廊”出名的麻省理工学院建筑与城市设计学院。而自从1987年《布伦特兰报告》中提出可持续发展原则[4]，绿色建筑技术的发展又在新的历史阶段对建筑系馆的设计提出了更高的时代要求，至今已经有大量的设计师为此做出了尝试，如充分应对气候条件的深圳大学建筑系馆等。

2 建筑系馆设计要求

2.1 建筑系馆设计的影响因素

建筑系馆不仅仅只是一个简单的教育建筑,它从一方面体现了其所处时代的社会文化环境和经济发展状况，另一方面也体现了建筑教育的模式与理念。其设计应注重以下几个方面：

1)功能要求。建筑系馆首要的设计基础就是客观的功能要求，随着教学模式的转换，空间功能都有了不同的要求，与时俱进的进行这些空间的更新是建筑系馆设计的首要标准。

2)地域环境与文脉。海德格尔认为:“一切本质的和伟大的东西,都源于这一事实:人有一个家并且扎根于一个传统”[5]。这反映了一个重要的地域性的概念，也是建筑系馆另一个需要重点关注的方面。继承传统文脉，充分考虑周边环境，才能让建筑系馆扎根在它所在的地域。建筑系馆的设计只有充分塑造空间环境的文化意蕴，才能不断熏陶莘莘学子，培养出更优秀的建筑师。

3)建筑技术的创新。随着经济技术的发展，会促进学科的进步，建筑学作为一项世界前沿的学科，更应该紧随时代潮流，对新技术了解的更早、更熟练，才能更好的应用到建筑设计中来，这就会对空间功能提出新的要求。如随着BIM的广泛应用、AI大数据时代的到来，促使我们无法忽视建筑专业在计算机方面的教育，跨领域、多元化已经是建筑学专业发展的共识，这就会要求建筑系馆设计方便软件学习交流的空间。而绿色技术也有了长足发展，也成为了建筑设计不可忽视的一部分。

4)建筑系馆与校园总体规划的关系。建筑系馆一方面要符合高校建筑的普遍性,服从于校园的整体规划,与周边校园和谐共生；另一方面应该具有本专业的独特性，体现建筑学教学理念的同时又满足功能的需要。

2.2 建筑系馆的基本功能空间组成

建筑专业的特点决定了建筑系馆在功能上不同于一般的教学建筑，其主要功能如表1所示。

表1 建筑系馆功能分类表

3 建筑系馆的绿色技术策略

3.1 绿色技术简述

从古罗马建筑大师维特鲁威提出建筑三要素“坚固、适用、美观”[6]以来，近几年“绿色”也被频繁的作为一个重要的建筑要素被提及，甚至有些建筑学家认为“绿色”的重要性要远高于“美观”。由此可以看出，绿色建筑在未来的建筑设计中已经成为不可避免的趋势，而建筑系馆作为培养未来建筑设计师的摇篮，更应该抓住这个趋势，在建筑系馆的设计中充分体现绿色建筑技术，一方面可以节省建筑系馆本身的能耗，另一方面使得建筑系馆能够为设计师未来的建筑设计起到示范作用。

建筑系馆的绿色设计应达到以下三点:

1)在总体规划和建筑设计中，充分考虑选址、布局、朝向、间距、绿化等方面,充分利用朝向、室外气候及地形条件控制建筑的体形系数,组织良好的自然通风降低能耗。

2)建筑的外壳结构的热性能符合绿色设计的节能要求：控制窗口到墙的比率，使用合理的围护结构，必要的遮光设施、屋顶隔热等，以及建筑物安全性和节能玻璃窗户、绝缘功能的大门。

3)使用合理的设备和系统，诸如节能空调和加热器，以及集中太阳能电热水供应或地热泵、空气泵等智能集成系统和它们的产品，从而使设备的节能和建筑设计可以进行有机结合[7]。

建筑的绿色技术有两种方式：主动式绿色技术和被动式绿色技术，而在建筑系馆设计中，目的就是通过被动式的方式实现节能减排，所以采取被动为主、主动为辅的设计原则。

3.2 绿色建筑系馆设计过程及绿色技术

绿色建筑系馆的设计相较于一般的建筑设计，除了要体现其独一无二的教育意义，将绿色技术与建筑设计相互融合，取得“1+1>2”的正向系统性结果是这个设计的最终目的。一般会有如下设计过程：

1)根据项目所在地进行环境分析。根据《民用建筑设计统一标准》，我国共有7个主气候区，20个子气候区，不同的气候区有不同的气候特点。在进行建筑系馆的设计时，不同气候区会有不同的热工性能需求，这是环境分析的一个方面。其他的环境分析如地形地貌、历史文脉、环境污染，以及上位规划中所要考虑的用地、交通、人流等。

2)根据环境分析及功能要求进行设计。建筑系馆作为教育建筑，相较于一般的民用建筑，其功能空间对物理环境要求更高，包括充足的光照，远离噪声污染、空气污染，便捷的内外部交通等，环境分析是功能布局的基础。

3)引入建筑技术对方案进行模拟。自2011年，计算机模拟引入建筑领域之后，提前预知建筑物理环境成为了可能。通过数字化的方式对不同的方案设计进行模拟，目前的算法不断优化发展，使得这种模拟方式越来越具有可信度。

4)优化方案。根据具有可信度的模拟结果进行设计方案的优化是绿色建筑系馆另一个重要设计过程。优化建筑物理环境，使得到的建筑空间更符合人体热舒适度，建筑对于人的最基础的意义有了可靠的保障。

如此可以看出，绿色建筑系馆在设计的过程中，每一步都与绿色技术紧密相关，通过一种新的维度来优化建筑系馆设计，使得建筑系馆设计更符合节能减排时代的主题，也更宜居。

3.3 被动式节能措施

被动式节能措施具体包括在建筑设计过程中合理布置建筑的朝向，设计有利于自然通风的建筑开口设计，设置一定的遮阳措施和围护结构的保温隔热措施等。

3.3.1 自然通风

自然通风是被动式节能措施中使建筑获得最大节能效率的手段之一，在建筑系馆的设计中显得尤为重要。

形成室内自然通风的方式主要有热压通风和风压通风两种。热压通风的影响因素主要与进风口和出风口的温度差、高度差有关，而风压通风的原理是采用的伯努利效应和文丘里效应。这两种自然通风的方式在汉诺威博览会26号馆中有很精准的体现。在汉诺威26号展厅项目中，新鲜的冷空气从距离地面4.7 m高度吹进，冷空气缓慢下降后逐渐升温上浮，由吹过屋顶的风带走，此时屋顶形成负压，进一步促进通风，如图1所示。

除了这个例子，形成热压通风的方式还有改变室内外的温差。对此我们可以采取的措施有在进风口做遮阳装置、喷淋装置、立面绿化等，此处进风口处有一个人工湖也会促使室内外温差的形成。

当然室内自然通风的形成与室外的风环境也有很大的关系，包括建筑系馆的进风口朝向与风向形成45°的夹角，使得室内获得人体感觉最舒适的风速。

这些措施不仅影响建筑系馆室内的空间设计，它们对建筑系馆的立面设计以及场地设计都具有非常重要的参考意义。

3.3.2 遮阳

建筑物的遮阳对于有遮阳需求地区的建筑来说是极为重要的。对于建筑系馆的遮阳设计可以根据四面不同的日照情况设置不同的遮阳装置。就夏热冬冷地区而言，其中建筑的西面是造成室内过热最严重的朝向，可以采用全遮阳的方式，如固定式综合遮阳板，但是该朝向的太阳光又是最充足的，可以在建筑设计中加以利用，如采用可以追光的太阳能板，既可以起到遮阳的作用，同时又获得了太阳能用于建筑自身的能耗。在建筑的东向和北向太阳光照时间较短，光线强度较低，可以采用半遮阳的形式，如穿孔铝板、木质格栅等材料。而在南向，是建筑需要争取的最大光照面，一方面需要满足室内的采光需要，另一方面需要实现室内的除湿需求。

除了可以立面遮阳，系馆设计中可以采用屋顶绿化，形成类似“海绵城市”的雨水链。屋顶绿化不仅可以进行遮阳，给屋顶降温，同时可以作为雨水的收集装置，成为雨水收集的一部分，在下文详细描述。

3.3.3 水资源回收利用

建筑系馆作为一个教学建筑，适用人群大部分为老师和学生，而建筑专业的特殊性又使得系馆的使用时间较普通教学楼时间长(甚至是全天候的使用)，所以水资源的回收利用就显得尤为重要。

在建筑系馆的设计中，从采用屋顶绿化—雨水收集—落水管—植草沟—池塘等一系列的雨水收集方式(主要是室外场地的规划设计)，使得建筑能够将一部分雨水保留在场地内，又可以经过中水处理后用于建筑内部卫生间等的使用。

3.3.4 采光

建筑的自然采光是教学类建筑设计中最为重要的一项，建筑系馆在普通教学楼对采光需求的基础上，又具有其特殊性。如一些展览空间对太阳漫射光的需求较高，而专业上课教室就需要大量的太阳直射光，而一些实验室对光照的要求又有所不同。为满足不同的采光需求，就要在立面设计的时候充分考虑内部的功能，如为了-1层增加光照，可以采取下沉庭院的形式；在不易接受光照的部位可以采用凸面镜对光照进行反射利用等。

3.4 主动式节能措施

主动式节能措施也是建筑实现绿色化中不可或缺的一方面，所以在建筑系馆的设计中也应该尽可能的采用一些合理的主动式节能措施。

3.4.1 太阳能转化系统

太阳能作为一种基本零污染的清洁能源，从开发以来就被广泛使用[8]。而近年来关于该能源的质疑声渐起——太阳能板在生产过程中会释放大量的污染物，远大于太阳能利用过程中对环境的保护。就此观点而言，作者认为虽然在生产过程中会产生污染，但这并不是太阳能这种能源本身的问题，而是生产工艺或生产技术的问题，我们要做的是改进生产技术而不是拒绝能源利用。故此，在建筑系馆的设计中采用太阳能板依旧值得提倡，通过收集太阳能用于建筑内部的能耗。太阳能板主要有集热器和光伏电板两种，可以将太阳能转化为热能和电能两种形式用于建筑内部的能耗以及中水处理时所消耗的能量。太阳能板的安装位置需要设计师去设计，可以如前文中提到的安装在立面上两用，也可安装在屋顶上以获取最大的光照，这就涉及到建筑的立面设计和屋顶设计。

3.4.2 其他能源利用系统

对于不同的地区，其本地具有的可以利用的能源会有所不同，如炎热地区可以利用太阳能，高原地区可以利用风能，地热资源较丰富的地区可以利用地热能等。在建筑设计中安装不同的装置，选择最合适的能源加以利用，这是建筑系馆得以起到示范作用的一个重要方面。