论建筑与自然的联系

刘淇

0 引言

人们的生活离不开大自然，生活的每一分每一秒都在消耗着外界能源。建筑也不例外，包括建筑材料建造、建筑施工、建筑运行，甚至拆除及处理等各阶段的能源消耗。绿色建筑不仅要与环境绿化相结合，还要注意减轻建筑对环境的负荷，即节约能源及资源，减少碳排放，同时为使用人群提供安全、健康、舒适性良好的生活空间。

1 绿色建筑与气候的关系

随着人类对自然能源的过度开采和利用，地球上的气候开始慢慢发生“变化”，自然界中的异常现象也接踵而来。每个领域的人们都有各自的使命，对于建筑领域来说，绿色建筑的研究与建设也成为建筑界解决问题同时满足社会发展及个人发展的重要条件。从人类出现在地球上开始，气候就成了人类必须适应和抗争的一个重要的自然因素。从以往只是为了躲风避雨的石洞、草堆，到技术不发达而是能迎合自然条件的建筑，到有了人的需求而慢慢伴着人文环境出现的建筑。人类都避免不了与气候产生关系，建筑作为人的生活载体当然也一样。

“一方水土养一方人”，不同的地理位置存在不同的气候，不同的气候又造就了不同的自然环境，体现出不同的风土人情。建筑用来阻隔，遮蔽气候与外界环境，受气候的影响，建筑在材料的选择上往往受到限制，例如：北冰洋沿岸的爱斯基摩人所居住的环境受当地基地气候的影响只能用冰块来建造房屋；气候同时会影响建筑的造型，受年降雨量的影响，在我国南方屋顶通常为比较陡的坡屋顶，而北方屋顶就较为平坦；气候对建筑的影响体现在对人需求的影响上，人的心理与审美也在跟着不断发展：古希腊的地中海气候很适宜人居住，这使得希腊人信奉神明，建筑的比例也多以人的比例建造。但气候对建筑的影响不是决定性的，人类着重考虑的也是“生存”，而“舒适”是可以妥协的，“气候决定论”已经不能完美地展示气候对建筑的关系，“印度昌迪加尔”就是一个很好的例子。人类需要对气候进行一些阻隔，同时又需要亲近自然环境，这就需要建筑去“适应”气候，从而适合人类需求的生活。

2 建筑节能与自然

我国的建筑节能起步于20 世纪80 年代。目前我国国家标准要求，公共建筑节能率50%，居住建筑节能65%。建筑节能采取的两大方式可以归纳为开源和节流，即通过合理的建筑设计减少包括夏季降温、冬季采暖等一些建筑消耗，以及利用太阳能、风能、地热能等可再生能源替代一些传统能源的消耗使用。

2.1 节流

2.1.1 建筑与光环境

良好的光照环境光是保证人们生活舒适的基本条件。天然采光不仅可以一定程度上节约能源，同时能够使人感到舒适，有利于身心健康。我国对于民用建筑自然采光有严格的日照标准，规范要求以大寒日及冬至日的满窗日照时数来衡量日照时间，当然不同的气候分区要求的日照时数是不同的，不同省市也会有自己更细一步的要求。以济南为例：济南按气候分类属于寒冷地区，规范要求大寒日当天，每套住宅至少有一个房间获得的日照时间大于等于2h。同时住宅中起居室、卧室、幼儿园以及老人居住的空间采光要求会相对高一些。采光的方式多样且各有优点，包括天窗、侧窗、高侧窗、综合采光等等，对于不同的功能空间所适用的采光方式也不同，例如美术馆考虑到展品保存收藏等问题，采光强度不能很高，并且要避免产生眩光影响，会对均匀度有一定的标准规定，因此更适合采用高侧窗以及局部天窗的形式；而对于教室这种对自然光强度以及均匀度要求更高的功能空间来说，采用侧窗会更适合，并且开窗面积会相对较大；考虑到书写作业产生的遮挡与阴影，天然光线应从左侧方向射入。对于建筑节能、加强天然采光的最常用的被动式做法就是中庭，中庭采光可以将自然光线直射或漫反射到中庭空间，同时改善中庭周边房间的光环境。

2.1.2 室内热环境

对于室内热环境，主要考虑保温隔热的问题。上面提到了室内光环境，室内采光效果的评价指窗地比，即窗户洞口面积与立面（单元）面积的比值，因此窗墙比越大，采光效果越好，但同时会带来室内热量升高的问题，这个时候窗地比就可以作为另一个指标来限制热量的进入，通过房间床洞口面积与该房间地面面积的比值来估计进入室内的光线，从而估测进入房间的热量，对于夏季隔热是有重大意义的，因此需要在窗地比与窗墙比之间找到平衡，保证采光的同时减少进入室内的热量。

对于北方来说，大部分位于严寒气候分区，需要考虑冬季供暖，而建筑保温也是建筑能耗占比很大的一方面，需要降低室内的热量损失以达到节能的效果。建筑的热量散失路径一是通过围护结构与外界进行热交换，二是外界通过门窗间的空隙向内渗风。因此可以通过加厚墙体的方式进行墙体保温，但是当墙厚加大到一定尺寸的时候这种做法的效果会越来越差，经济与室内空间美观与舒适度都要为其做出让步，所以更适用的办法是在墙体的构造中加入保温材料，根据保温材料的位置可以将保温做法分为内保温，外保温和中间保温。外保温直接在围护结构外表面做，可以避免热桥，但受外界气候影响大，易脱落；内保温施工比较方便，避免了外保温易脱落的问题，但因为保温层不能把楼板也铺上而易形成热桥，会在室内易形成冷凝水；中间保温可以平衡内外保温的问题，但抗震性能差。外墙墙角有成为热桥的可能，因此围护结构的这一部位也需要考虑做保温。良好的气密性也能很大程度上降低保温能耗，但是由于我国住宅的集中性，对于居住建筑的气密性很难像国外一样通过设备进行测量。因此可以关注窗框以及窗户的形式与构造做法，注意尽量避免选择推拉窗，推拉窗的开启面积受限，并且这种构造的气密性很差，不利于室内热量的保留；固定窗气密性最好最节能，因为气密性强；而平开窗向室内开会占据部分室内面积，向室外开易坠落和碰头；悬窗无论是气密性还是实用性都有不错的效果，综合来看，平开窗加悬窗的形式最佳的选择方案，也是目前最常用的窗户形式。合理的窗户材料与构造也可以削弱热传递的三个方式，比如中空玻璃内含空腔的构造做法可以降低热传导和对流；而Low-e 玻璃可以降低玻璃表面的辐射散热。在窗户内侧加设窗帘也可以对热量散失以及空气渗漏起到一定的阻挡，起到保温节能的效果。

2.1.3 风环境与建筑

风不仅会带来温度上的影响还会带来速度及风压上的影响，并且风环境不仅会影响室内通风情况还会对外部场地环境的舒适度带来影响，这就需要我们同时考虑场地中建筑组团的布置以及每栋建筑的通风设计。夏季炎热，设计时我们希望将风引进场地，风速的适当提高可以一定程度上缓解热量带给我们的不适感，因此在夏季主导风向的位置需要将楼体断开或将群体分散；而冬季寒冷，为避免寒风带走热量，所以一般在冬季主导风向的位置将建筑体块进行整合，或者建筑群相对集中。高层建筑也要特别注意风环境对其产生的影响，风速会随着建筑高度的升高越来越大，必要时需要在建筑内部加设阻尼器，保证楼体的晃动在可接受的范围内。同时当风穿过建筑高层时，会有一部分下行风对地面人群产生不利影响，因此会在高层下加商铺进行阻挡，或通过建筑形体扭转、局部挖空等手法减少下行风的比例。建筑通风分为风压通风与热压通风，风压通风的基本原理是要在窗口两侧形成风压，所以在设置洞口时可以顺应环境主导风向布置窗户位置。

2.1.4 蓄水与节能

对于水资源的节约，一般会考虑如何蓄水。建筑蓄水包括屋顶蓄水及地下蓄水，屋顶蓄水有时也会和绿植相结合，不过这要考虑场地环境是否合适，像北方夏热冬冷就不适合采用屋顶蓄水或绿植蓄水的方式；同时地下蓄水可以和换热系统进行结合，蓄水式地热换热装置可以在蓄水的同时，利用抽水泵将带有地热热量的水流经建筑进行热量交换，为建筑内部提供热量，实现循环供热，这也是一种结合新能源的高效率节能措施。对于蓄水系统，可以将某个场地中的建筑扩大到整个城市，如今城市中正在兴起“海绵城市”的建设，顾名思义就是使城市像海绵一样可以集吸水、蓄水、渗水、净水为一体，当降雨量过高时，雨水可以自然下渗到地下，当干旱少雨时，蓄水系统可以部分渗出，改善城市舒适度。方法简单来讲就是将地面绿植、水系与地下蓄水净化系统相结合，优化用水情况，缓解“热导效应”。

2.1.5 绿植

绿植作为一种景观要素，美化城市，净化空气，不仅可以改善场地微环境，可以用于屋顶做蓄水，做遮阳，阻挡一定的风速等等，虽然植被的使用可能不能作为节能的重点，但它可以与景观相结合并参与解决一些耗能问题。

2.2 开源

上文提到了蓄水式地热换热系统，可以利用水间接的将地能的热量传递给室内。另一种广泛使用的可再生能源就是太阳能。在建筑中太阳能可以通过太阳能集热器转化为热能为建筑提供热量，也可以通过光伏电池转化为电能为建筑供电。由于这两种主动式节能方式需要大面积地接收太阳辐射，同时考虑到建筑立面的美观程度，因此无论是太阳能集热器还是光伏发电板一般都会置于建筑屋顶，需要注意的是为了能高效地吸收太阳能以进行转化，因此构件需要朝向采光面，并呈角度的布置在建筑表面，与水平面的角度可以在当地纬度角上下浮动≤10℃。

3 建筑艺术设计与自然

提到古希腊历史，总是会想到他们对神的尊崇，无论是认为自然便是神的体现的泛神论，还是将多种自然力量抽象出来的多神论，都会或多或少体现与自然的联系，因此西方很多建筑会倾向于依附自然来表达某种观念。像是万神庙（如图1 所示）穹顶透露的天空表达着可知不可达的完满世界，再比如说穹顶只能透露光线的圣索菲亚大教堂表达着不可知也不可达的遥远神圣的领域，都借以对自然的描述与“应用”来抽象对世界的理解与看法。所以说，自然与建筑的结合经常会是一种比较艺术化的手法。在中国历史上，人们会更加尊崇祖先，祖先通过不断尝试与积累为后世传递的生活技巧以及生存法则，如何种植储存更多的粮食，如何建造坚固耐用的建筑，与自然做“抗争”。气候难以“控制”，因此长江周边地区的居民会采取地穴，或半地穴式的居住方式以抵御风寒，最终演变到地上建筑时，也会通过厚厚的泥墙加强保温；地域特点难以改变，因此黄河周边地区的居民会采取树上筑巢的居住方式以躲避地势低洼潮湿的影响以及带来的蛇虫危害，最终演变成干阑式建筑，集防震防霉储藏多位一体的代表性传统民居之一。当然对自然的方式不仅体现在民居建筑的处理上，无论是建筑单体，建筑群体，还是宗教类建筑，都会从建筑选址开始着手，考虑周边地貌、水文、气候，究其利弊做出选择，然后因地制宜，布置合理的建筑走向与体量，依山错落有致，傍水环绕四方，接着就是对生活环境的一种微改造，例如开池引流，植林造桥等等，可见，人们对环境不是简单的归顺，而是要根据生活质量的需求做适当加工，这也比较符合儒家和道家“天人合一”的思想。另一种体现是一种作为心理补偿却又不脱离客观规律的建筑文化—“风水”，风水其实就是指人，而水在古代是最重要的自然资源，所以风水简单来说就是人和自然的关系。无论是中方还是西方，当人类可以“驯服”自然，不再以没有优势的姿态出现在自然面前时，自然开始成为一种资源，参与影响每一处功能空间的分配与布置（过滤使用人群与人数），包括建筑的形态，尺度及边界（以怎样的方式利用资源），空间的划分从某种意义上开始就是一种对资源的分配及应用。例如西方教堂将光线以及外部景观的选择性引入来抽象表示和上帝的距离感与连续性，像迪狄玛的阿波罗神庙中核心的庭院（如图2 所示），在这个由实墙围合的强封闭感的庭院中，人的视野中只有前方可达的阿波罗神庙和上方的天空，将可达的“自然”隔离在外，寓意着与世俗世界的暂时分离，将不可达的“自然”围于庭院之上，代表理想的完满世界，而庭院中的阿波罗神庙就成为连接这个完满（上帝）与庭院的“渠道”，成为精神性的，最核心的空间。

图1 万神庙

图2 迪狄玛的阿波罗神庙内院

4 结语

自然影响着人们生活的方方面面，建筑作为人们的居所，成为阻隔人们与自然的一道“墙壁”，这是一种防护，抵御外界的一些不利影响，但同时建筑也可以成为一座桥梁，通过多样的设计手法与概念逻辑回应周边自然，在局部位置打开“墙壁”，获得可以安心与外界沟通交流的“媒介”。人们需要抵御烈日寒风，雨雪狂风，也需要采光通风，除湿降燥；人们在利用外界自然资源维持建筑的运行与生活，自然也需要建筑降低能耗，改善环境，美化空间。自然可以为人们的生活提供能源动力，也可以指导人们的建筑设计。