主动式太阳能技术与建筑立面设计的结合

丁英杰 胡博雅

1.太阳能技术的背景与问题

我国建设事业发展迅速，建筑能耗比重日益增大，因此，设计一栋建筑时，要加强各种能源的节约和利用。对太阳能的利用，充分体现了节能理念，采用太阳能取暖设施比常规设备更加经济。主动式太阳能采用的收集器附在建筑及其结构之上，是一套单独需要功能的装置，如太阳能热水器、太阳能光伏板。它与立面相结合并应用时，往往作为后置构件出现，忽略了其外形与建筑本身的联系，未将它作为建筑的有机组成部分，给建筑立面带来了不好的影响。在结合时，应考虑太阳能构件的颜色、造型、位置等因素，与建筑立面产生联系，并在建造建筑时设置适当的预埋件以及预埋位置。除此之外，还有很多构件排列凌乱、规格不统一等问题出现。

2.太阳能技术结合建筑立面设计的探索

随着绿色建筑不断得到社会和大众的重视，主动式太阳能技术得到了空前的快速发展，这种发展不仅指技术性能的发展，而且太阳能组件在尺寸、形态、色彩、透明度、组装方式等方面也得到了改良。同时随着大众审美标准和社会文化艺术要求的不断提高，太阳能组件的应用不仅要与自然环境条件相适宜，也要符合美学法则，这就需要设计者结合建筑造型特点与太阳能组件的美学特性，运用色彩肌理、统一变化、节奏韵律、对比微差这四方面的设计策略，将建筑与太阳能组件融为一体。

2.1 色彩与肌理

建筑立面的艺术除建筑本身造型外，与其外表面材料的色彩肌理是离不开的。由于自然条件需要，太阳能组件往往被放置在南面及阳光所及之处，这些部位一般是立面中最引人注目的位置，因此它的色彩肌理必须与建筑造型风格相协调。目前的主动式太阳能技术主要分为光电系统和光热系统，光热系统主要为集热器，种类颜色单一，光电系统也就是光伏板，种类多样，色彩、尺寸、透明度等均可定制。传统的光伏板主要是晶硅片，单晶硅呈黑色，多晶硅呈蓝色，多给人沉稳、端庄、崇高的感受，一般应用于办公楼、政府大楼等，营造严肃、知性、理智的建筑氛围，可与混凝土、玻璃、钢等材质结合。但由于晶硅片的不透光性，薄膜电池技术应运而生，这种光伏板不仅透光，而且颜色及点阵图案多样，可根据设计意图自行选择，多嵌入窗户或光伏幕墙中，不仅丰富了立面肌理，并且在室内形成光影变化。目前出现了新型光伏电池技术，其透光性极强，但由于技术仍不成熟，还未大量推广，未来其完全可以与大规模玻璃幕墙结合，取代传统玻璃。除了作为辅助材料与其他材料结合，太阳能构件还可以作为建筑立面的主要材料，通过与其他材料的配合，将自身颜色作为主要颜色，塑造全新的建筑立面肌理，如海南英利大楼，就是将深蓝色光伏板作为主要立面材料组成幕墙，横条状深蓝色玻璃装饰，在阳光照射下熠熠发光。

2.2 统一与变化

统一与变化是形式美的基本法则，统一是指各元素之间的联系和共同特性，变化是指各元素之间的区别差异，两者相辅相成，缺少统一就会毫无秩序，缺少变化会单调无趣。太阳能组件在刚刚应用时，往往游离于建筑之外，作为建筑的附属功能构件，尤其是在应用于既有建筑时，就更需要借助统一与变化将两者融合。在设计初期往往将统一作为主线，一是色彩与肌理的统一，主要是太阳能构件作为辅助材料与建筑主要材料所营造氛围须一致；二是各元素之间的协调统一，当太阳能构件作为点、线、面元素进行构图时，其形状、比例、尺度、组合方式等应与立面其他元素相一致，如中国德州太阳谷，建筑展现给人的立面呈半圆形，太阳能板的排布便按半圆形，建筑立面变规整统一。统一并不意味着完全没有变化，可通过增加立面元素或材质寻求变化，但一般不要超过三种，如国家电力投资办公楼外立面就采用了深色BIPV 光伏组件和透光玻璃两种元素，形状尺寸一致，并通过线性构图使立面既富有变化又统一整体；当立面元素单一，仅仅为太阳能构件时，可通过改变方向、按比例缩放等方式产生韵律及动感或形成某种渐变或放射效果。任何美的事物都是统一与变化、简单与复杂共存的，就如电影中要有一或两条主线贯穿始终，围绕主线展开丰富的故事情节，在建筑立面设计时，我们往往会采用丰富多样的手法和元素，经过有序的组合使各部分达到统一，产生立面艺术效果。

2.3 节奏与韵律

节奏与韵律是在统一与变化的基础上，同种可见元素通过某种规则的重复形成一种有秩序的动感。韵律是一种停留在表象上的连续有条理的元素重复的构图形式，这种形式使得立面更加简洁、协调，同时使得立面产生某种节奏感。能应用于建筑立面的韵律形式有很多种，一是连续韵律，太阳能构件本身便带有韵律，晶硅片中电池的排布、薄膜电池光伏板中的点阵都是元素的有规律的重复，我们可以将固定形状的组件作为主元素不断重复，形成匀速移动的节奏动感；二是渐变韵律，可以等倍数改变其排布间距，形成加速运动的节奏感，也可以保持其比例不变排布时按一定倍数缩放，甚至可以仅仅改变组件的方向（最好是根据太阳角度和天气智能旋转），韵律依然存在，形成渐变生长的动感，如美国芝加哥太阳大厦外立面仅采用圆形太阳能收集器，这些太阳能板会自动跟随太阳旋转角度，形成螺旋向上之感。通过这种设计策略，可以将代表现代科技的太阳能技术有秩序地与传统建筑立面结合，形成一种新的生态艺术形式。

2.4 对比与微差

对比是指元素之间显著的差异，微差是指元素间细微的差异，这两者之间没有明确的界限，缺一不可。当一种元素运用节奏与韵律排列在一起，突然破坏其连续性，用与它差异较大的元素代替，此时便会产生对比，形成引人注目的视觉效果，这两种元素可借彼此之间的差异烘托各自的特点，但若过分强调对比，便会失去协调，这时就需运用微差，借助两元素之间的共性寻求统一和谐。对比的方式有很多：色彩、肌理、疏密、虚实、轻重等，太阳能构件可通过材料对比和虚实对比应用于建筑立面之上。材料的对比主要是构件的颜色肌理与立面其他材质之间对比，如按一定规律外贴冷色调的晶硅板与暖色调的建筑涂料之间对比，形成强烈的视觉焦点和韵律节奏。虚实对比主要有两种方式，一是实体太阳能构件与立面上完整的玻璃幕墙的对比；二是有透光性的太阳能构件与玻璃幕和实体墙的对比，如上海世博会的阿尔萨斯案例馆的立面一部分大面积垂直绿化覆盖，一部分则是光伏玻璃幕墙，虚实对比、材质对比、生态与科技的对比强烈，竖向的构图形式又将两部分完美协调。由虚实对比还可衍生出光影变化，基础的太阳能构件与窗户结合，可在建筑立面和内部空间形成多样的阴影效果，或者将太阳能构件与其他节能构件结合，如韩国的韩华集团总部大楼就是将太阳能板与遮阳构件结合，也可引入智能化，太阳能构件可根据气候条件自动调节角度和位置，产生动态的立面阴影。

3.应用与设想

太阳能光电板多为黑色，比较单调。欧洲PVACCEPT 研究机构发明了一种新的薄膜电池的生产工艺，可以实现生产各种不同颜色与模式的太阳能光电产品应用于建筑设计中[1]，来丰富建筑立面。但这种生产工艺下的电池造价较高，还未获得大范围认可与推广。另外，门窗幕墙绿色节能设计也是很普遍的一种对太阳能加以利用又不影响建筑立面美观的常见方式。采用密封处理技术的中空玻璃来加入惰性气体降低其导热性，满足采光和保暖的需求[2]。SDE 竞赛中，天津大学 sunflower 的外墙放置电池板，做成了清水砖墙的效果，完美诠释了现代中国风；集热器做成了管状，与坡屋顶结合镶嵌，交相呼应。同济大学的太阳能竹屋，将电池板与曲面屋顶结合，巧妙又实用[3]。

太阳能技术在建筑中的应用已成为一种常态，但其设备与建筑立面一体化设计还未能在实际应用中做到所谓完美。事实上，由于太阳能构件自身的局限性，确实难以达到建筑美学的极致。随着建筑走向模块化、预制化、集成化，太阳能构件或许可以在设计初始便作为模块的一部分，通过一定的手法丰富立面造型。在材料、技法和政策的推动下，建筑师有了更多实验和创新的机会，探索它与建筑立面的新的关系。这种探索可能性无穷，也许它会在外形上消隐，也许它会融为建筑的一部分，但毫无疑问，这一探索终会由量变到质变，为建筑立面设计锦上添花。