美国“无窗教室”中小学校的设计发展变化

刘佳男

1 战后新需求下的中小学校建筑设计变化

在二战结束后，欧美国家普遍出现了“婴儿潮”现象，新生人口的大量增加使得战后入学的人数大幅增长，引发了欧美中小学校建筑设计活动的热潮和新建筑设计形式的出现。传统的古典样式的中小学校建筑很快遭到了战后现代主义建筑师们的严格批判，认为其更注重外观上的装饰性设计，同时对于学校建筑内部的功能性需求——尤其是在教室光环境的需求方面缺乏设计考虑[1]。如何又快又好地设计建造中小学校建筑成为当时人们关注的重点内容。

同时，随着战后对“以学生为中心”教育理念的强调，自由、灵活的开放式教育模式逐渐成为美国中小学校建筑设计研究者们所推崇的对象。教室内人均使用面积每生35平方英尺（约3.25m2）成为了战后美国推荐的中小学校建筑设计标准[2]。这就使得学校教室的空间进深被进一步设计加大，以期满足孩子们更为多样化的学习活动需求。

而在对学校建筑光环境设计问题的讨论中，美国在二战结束后就将战前中小学校教室桌面光照度“15英尺烛光”的要求提升到了“30烛光英尺”①，并对室内光线的“均匀分布”提出了设计上的要求。要想在进深较大的教室空间中，仅通过传统侧窗采光的方式来实现高质量、高水平的光环境设计标准是难以做到的；而在部分建筑师以及照明工程师看来，只有通过更大面积的玻璃开窗、或者采用建筑屋顶采光以及人工照明的方式，才可以解决新教室空间形式下的光环境需求问题[3]。

以当时的知名建筑师马修·诺维奇于1949年提交的一个完全不同于传统学校建筑方案的新设计构想为例，建筑师以一个完整的长方形大空间平面将所有的学校功能房间包括其中，所有的教学空间单元都是自由开敞且进深较大的平面形式，从而满足了开放式教育的需要。而为了实现建筑内部空间的采光照明需求，建筑师通过均匀分布在整个建筑屋面上的工业特制圆顶天窗以及人工照明设备来达成[1]（图1）。而另一个具有代表性的设计方案是1955年由建筑师约翰·里德设计的希尔斯代尔高中。比马修·诺维奇的方案更为夸张的是，采用预制装配式结构的学校建筑内部空间，被独立于支撑结构的活动金属面板墙围合出了许多封闭的小房间，并被作为常规的教室空间使用。所有的内部教室空间都是不开侧窗的，而建筑师里德同样通过分布于屋面的天窗采光口加上辅助的荧光灯管照明的方式，来满足这些内部教室房间的光环境需求[4]（图2）。

图1 马修·诺维奇设计的屋面布满圆顶天窗的学校建筑方案平面

图2 希尔斯代尔高中建筑房间结构剖面以及教室照片（剖面红色部分为屋顶天窗采光口）

在当时，马修·诺维奇的方案引起了美国建筑界的热议，而希尔斯代尔高中则成为美国建筑师协会的优秀获奖作品——这种通过先进的工业技术手段实现中小学校建筑快速建造、大进深空间平面和高质量光环境需求的做法获得了教育家和建筑师的赞同，但同时也很快暴露出建筑天窗在设计应用方面的一些问题——两个学校建筑方案在建筑顶部天窗采光上所花费的设计建造成本远多于普通学校；而天窗采光的设计形式也并不能够很好地适用于所有的学校建筑空间，通常只适用于单层的或者位于教学楼顶层的教室空间；此外复杂的天窗屋面结构亦会带来排水、密闭性等后期设计和使用维护上的麻烦。

而随着人工照明技术在二战后的迅速发展进步，人们逐渐认为发光稳定且不易受干扰的高性能人工照明设备更适合于这种进深较大的建筑空间环境的使用——相对于复杂设计的天窗采光方式，在同样达成较高光照度且分布均匀的室内光环境效果上，人工照明方式似乎更为经济有效，同时也符合人们对建筑设计中先进技术手段应用的追求。到20世纪50年代末时，标准的冷白色荧光灯设备已经成为欧美发达国家公共建筑中最为常见的室内照明方式[5]，而越来越多的学校建筑设计者们亦开始倾向于单一的人工照明方式在中小学校建筑光环境设计中的应用。

2 “无窗教室”学校的设计出现与发展

2.1 “无窗教室”空间形式的设计诞生

随着人们对建筑中人工照明依赖程度的不断加深，一些激进的建筑光环境设计观念亦随之被提出。1960年在美国当时知名的教育建筑研究机构——教育设施实验室（The Educational Facilities Laboratories）对学校光环境设计问题的研究讨论中，该机构的研究者们认为在新的科学技术条件下，人造光以及空调、音响等人工设备可以塑造稳定的教育环境，其能够阻挡住无益的太阳强光、户外冷风、炎热气候和噪声；和传统的与自然共存的教育环境相比，其可以形成更满足使用需求的环境效果。因此该机构提出，教育环境设计的发展会毫无疑问地朝向环境受控制的方向前进，在学校建筑或其他类型的建筑中，人们迟早会从依赖自然条件的环境转向人造的工业环境，并尽可能地隔绝自然条件的影响[6]。

在这种并不十分健全的认识观念下，一种抛弃天然采光而完全使用人工照明进行学校建筑设计的“无窗教室”形式率先在美国开始出现。在教育设施实验室的资助下，1962年一个以美国建筑师伊兹拉·埃伦克兰茨为核心，包含了斯坦福大学和加州大学多领域专家所组成的跨学科团队，尝试设计出一种新学校建筑建造模式，并将开放式教育模式中的大进深教学空间以及高度工业化的预制装配式结构都综合其中，一种名为“学校建筑系统发展”（The School Construction Systems Development）的学校建筑模式很快得以诞生。而为了满足大进深建筑空间的内部光环境需求，SCSD体系建筑的整个屋面采用了“照明天花板系统”（Lighting-Ceiling System）——在选择完全放弃使用天然采光设计后，设计团队采用了能够配合建筑结构快速施工且使用效果稳定的人工照明设备，作为建筑内部光环境设计的唯一方式，并将整个照明系统整合进入了学校建筑的天花板内，从而形成了建筑内部封闭且完全没有开窗的“无窗教室”空间形式[7]（图3）。

图3 SCSD体系建筑结构透视图（红色部分为“照明天花板系统”部分）

在“照明天花板系统”的具体设置上，设计者采用“组合照明”的设计方式，通过改变天花板空间内照明元件的数量、类型和位置，以直接照明、间接照明和发光照明三种不同的方式，实现了“无窗教室”内具有不同视觉和光度特征的照明效果；同时设计者们还提出所采用的人工照明设备应至少具有70英尺烛光的照度和较低的眩光系数——这就远远高出了战后初期美国所制定的学校光环境设计标准，也更进一步地满足了“无窗教室”内各项教学活动对于不同照明亮度水平的要求[8]（图4）。

图4 包含了三种照明方式的SCSD体系学校建筑室内人工照明设计示意图

2.2 对“无窗教室”人工照明方式的认可

这种特殊的“无窗教室”形式很快引起当时美国社会的注意，而在SCSD体系下所表现出的经济高效、适应性强、施工省时的设计特点又使“无窗教室”很快赢得了美国教育领域、建筑光学领域和建筑设计研究领域的认可。

随着社会的发展，儿童福利机构中弃婴所占比例越来越多。而弃婴中残疾又占绝大多数。目前庄园内共有孤残儿童503人，残疾儿童337人，占总数的67%，其中77%以上都为多重残疾（见表1）。

在1962年美国国家教育协会出版的与学校建筑光环境设计相关的研究手册中就指出，在新建的学校建筑中可以只采用电灯设备进行光环境设计，同时进行少量的建筑开窗——窗户仅为提供景观视野的需求而设置，而通过这样的设计方式可以大大降低学校建筑的维护成本[9]。在建筑光学研究领域，以美国照明工程学会为代表的光学专家们同样认为，一定照度水平和稳定的光环境才有助于教育活动的展开，而要想达到这一环境设计目标，人工照明显然要比天然采光的方式要方便的多[10]。

而在建筑设计研究领域，部分设计研究者在进行初步的调查研究后就直接对“无窗教室”的建筑设计形式给予了支持态度。1965年，同样在教育设施实验室的资助下，一个由密歇根大学多领域专家组成的研究团队发布了《无窗教室对小学生影响》的调查研究报告，通过对使用SCSD体系建成的两所美国小学校的日常观察，最终得出的研究成果认为“无窗教室”的环境对儿童青少年学生的学习成绩几乎不会产生任何影响，且完全取消校舍窗户的设计不会对孩子们产生不利影响[11]。

在另一本受当时美国建材企业联合赞助发表的《现代学校建筑设计、造价、施工的新趋势》研究资料中，“无窗教室”学校被研究者称之为“具有最小的传统开窗和最大的内部空间灵活性”[12]。开窗仅仅是为了视觉放松，而不开窗的墙面不仅可以创造出更多的教学可利用空间，还可以减少内部环境的热量交换以及外部环境的干扰，从而大大降低学校建筑的设计成本和使用成本[12]。资料列举了当时多个对“无窗教室”设计持支持态度的学校建筑设计师的观点，并认为只有人工照明控制的“无窗教室”环境才更有利于中小学校建筑设计及其教育学习活动的发展。

在这些具有偏颇性的研究观念的影响下，美国中小学校建筑光环境的设计做法迅速发生了一些变化。越来越多的学校建筑开始采用以人工照明为主的教室光环境设计方式，甚至直接设计改造成“无窗教室”的形式，与之相关的设计变化涉及当时美国的1300多所学校建筑[13]（图5）。而随着影响力的扩大，“无窗教室”的空间设计形式又进一步扩散到了其他欧美国家，影响了当时英国的纽波特中学、沃特菲尔德中学等多个学校建筑设计方案。

图5 20世纪60年代美国“无窗教室”中小学校

3 质疑与反对之声

3.1 对单一人工照明环境做法的质疑

虽然在20世纪60年代“无窗教室”形式在美国得到了广泛的设计发展，但这种完全取消学校建筑开窗、以单一人工照明方式进行光环境设计的做法还是遭到了一些专家学者的质疑。如1963年美国建筑光学专家詹姆斯·格里菲斯教授在其著作中就指出：“无窗”的空间设计形式相当于把人们带回到原始的山洞环境中，其忽视了建筑天然采光设计可能会带来的好处[14]。但是，由于缺少更为客观的科学论证数据，这些质疑观点并没能充分证明缺少了天然采光和户外沟通的“无窗教室”形式，是否对学生的身心健康或学习行为产生了不利影响。

直至欧美医学领域对光环境健康影响问题的研究介入，人们才逐渐发现光谱构成较为单一的人工照明环境并不能对青少年儿童学生产生健康方面的积极影响。在1968年麻省理工学院光生物学专家理查德·沃特曼博士在其发表的《光照环境的生物学意义》中写道，从当时已有的医学实验研究成果可以表明，天然光具有特定的生物效应，包括影响人的内分泌系统和新陈代谢状态；虽然对其发生相应效应的光谱作用机制还不是很清楚，但可以明确的是在当时大多数商业化的人工照明设备所提供的光谱中都没有能够对人体产生积极影响作用的光谱区域；因此，在人类长久以来的生物进化需求下，只有充分利用天然光才应当是工程师们所需要树立的建筑设计发展方向[15]。

这些在医学领域研究论证后所确立的重要结论，使得人们开始重新关注起已设计建成的“无窗教室”环境对中小学生甚至老师在其生理、心理和行为等多方面的影响究竟是怎样的。而在“无窗教室”被长期投入使用后，一些对师生身心行为上的负面影响很快就在美国建筑学领域的一些研究中暴露出来——无窗环境中学生的不良行为和厌学情绪都更容易出现，同时教师的挫败感也在增加[16-17]。而这些新的研究发现影响了“无窗教室”形式的继续传播和设计发展。

3.2 “无窗教室”设计的停止

这份报告从官方立场上对“无窗教室”的设计形式表达了基本的反对态度，同时也对学校建筑开窗进行天然采光设计给予了明确的支持意见。许多美国中小学校建筑又重新恢复成拥有开窗采光的设计形式，并形成了窗户天然采光与人工照明设备共同发挥光照作用的使用情况。曾经风靡一时的SCSD体系“无窗教室”设计形式亦因为建设需求的减少以及建设资金的中断而在1975年左右戛然停止，仅留下部分先进的建筑结构设计体系依然延用在其他的商业、交通等公共建筑中[19]。

4 讨论与反思

通过先进的工业技术手段来解决二战后的大规模建筑设计需求，是近现代外国建筑史中最为典型的建筑活动现象，这一点同样体现在以美国为代表的中小学校建筑设计中。SCSD体系的“无窗教室”设计形式正是这一活动现象的实际表现，其不仅是美国在战后特定的社会需求下衍生出的一种特殊空间形式，同时也在一定程度上很好地满足了战后美国社会对新学校建筑的多重设计需求。因此，从先进的人工技术在建筑上推广应用的角度来看，“无窗教室”形式的设计发展使得先进的人工照明设备被广泛地应用于20世纪60年代的美国中小学校建筑设计中，甚至影响了当时美国建筑光环境设计标准的制定，其部分结构形式至今仍发挥着优秀的建筑设计作用。

但是，“无窗教室”在设计之初所做出的过于极端化的采光照明方式选择，却为自身的发展埋下了环境健康问题上的隐患。高度技术集成化的建筑设计特征，使“无窗教室”形成了独立的、内向型的教育活动空间，完全放弃了与自然环境的相互呼应。这种对人工技术设备在建筑设计应用中的过度追求，使人们一时将具有重要健康意义的学校自然环境设计条件完全抛却脑后。这种偏激的设计观念所带来的建筑结果必然是有问题的。

而当时代发生变化时，对建筑技术和能源利用认识态度上的转变，使这种本就存在健康问题隐患的设计方式迅速遭到了淘汰。到20世纪80～90年代，美国建筑师又重新关注起对学校教室多样化的天然采光设计方式以及对太阳能资源的利用，并将后者作为学校建筑设计潜在的节能手段[20]。而将具有优秀天然采光表现的天窗、高侧窗、倾斜天花等设计形式与先进的人工照明设备进行结合，则成为今天美国中小学校教室光环境设计的典型做法（图6）。

图6 美国采用屋顶天窗、高侧窗、倾斜天花进行教室光环境设计的学校

反观国内，随着近年来社会经济实力的不断发展，国内新设计建成的中小学校方案也大都具备了不亚于国外优秀建筑方案中完善的功能搭配和先进的照明设备，以及漂亮的空间形式。但是，与国内今天丰富多彩的中小学校建筑设计活动相对的，是越来越多的学校教室中存在着“开灯拉窗帘”的日常使用现象（图7）——这无异于曾经“无窗教室”中隔绝窗户天然采光而完全依赖人工照明的做法，而其可能会导致的不良后果已经在美国过去的学校建筑设计历史发展过程中得以验证。在学习压力不断激增的今天，这一在国内学校中普遍存在的教室天然采光缺失现象，无疑令长期身处在教室中的青少年儿童能够接触到自然阳光的机会越来越少，这不禁令人同样对孩子们的健康问题感到担忧。

图7 国内中小学校教室普遍存在的“开灯拉窗帘”使用现象

在新时代发展背景下，高质量的中小学校建筑已成为国内教育建筑未来设计发展的主要目标。在对先进的教育技术设备添加使用的同时，国内的建筑师们更应当注意对与青少年儿童学生健康因素密切相关的天然光环境等自然条件在学校教室空间中的设计应用。在中小学校教室中努力地设计增加更多优质的天然采光，呵护好青少年儿童的光环境健康，从而真正实现国内高品质中小学校建筑的设计形式。

资料来源：

图1：Architectural Forum.October 1949；

图2：Clinchy, Evans.Hillsdale High School,San Mateo, California.Profiles of Significant Schools.1960；

图3：http://prefabricate.blogspot.com/2014/09/prefabrication-experiments-32-school.html；

图4：Benet, James.SCSD: The Project and the Schools.A Report from Educational Facilities Laboratories.1967；

图5：Lee, Joshua David.Questioning modern approaches to flexibility: 50 years of learning from the School Construction Systems Development (SCSD) project.Diss.2016；

图6：https://www.innovativedesign.net/portfolio/durant-road-middle-school/，https://www.fordarch.com/Education/Dawson-Lower-School/thumbs；

图7：百度图片。

注释

① 1烛光英尺＝10.76勒克斯。