1.C楼的通风与表皮设计
C楼内部有3个特殊区域，是进行生态设计的重点和挑战所在，分别是中庭上方连廊区域、入口处和庭院（图4）。这3个公共休闲区域是C楼室内主要的学生交流休息空间，经分析及模拟，这3个公共区域的通风条件并不理想。对于中厅上方的连廊，通过模型测试其内部的空气流通情况，用烟雾实验进行测试，从烟雾的流动趋势判断内部的空气流通情况（图5）。通过实验可以发现，烟雾首先在第一层的连廊中扩散，然后水平方向充满连廊，接着向上扩散，当到达最顶部时，又开始向下扩散到整个模型中（图6）。通过实验可以看出，空气进入建筑后向上流动，这是由于烟囱效应引起的（图7），表明建筑上部空气流通较好，而底层几乎没有空气流通，这会给人带来不舒适感及闷热感。C楼室内第二个区域即入口区域，该入口大厅连接室外的花园、停车场以及人行道路，在高峰期间，室外车辆的尾气排放量可达到900磅（约0.45kg），入口门厅的室内空气质量受到严重影响（图8）。通过对C楼庭院的CFD风环境模拟分析（图9），发现C楼的室内空气流通量很小，这使得夏天人们在庭院中会有闷热、不舒适感。在生物界，白蚁利用蒸发原理使自己的洞穴有良好的通风（图10），2008年的世博会西班牙馆（图11）也是利用蒸发原理，使用多孔陶瓷柱达到蒸发降温的目的。柱内安装喷雾喷嘴，喷出的水蒸气和空气粒子进行热交换，通过蒸发原理使空气降温。实验表明，接触面的表面积越大，水蒸气与空气粒子接触的时间越长，降温效果越好。传统的降温塔作为建筑的一个分离体系，并不能很好地促进整个建筑的通风和降温，因此我们试图寻找一种新的形式。C组同学尝试将整个水循环降温系统渗透到整个建筑，以C楼原有的连廊为中心，将整个水循环降温系统分布在建筑室内，同时也最大化地增加了表面积，优化降温效果。整个降温系统利用不断重复的Y形模数化结构（图12），使其能更加灵活地运用到现有建筑中。通过对上海气候数据的分析，辅助CFD模拟实验（图13），来确定通风口的位置，从而使得该降温系统能够在夏天最大化实现通风降温的效果，在冬季能减少热量损失。由此确定了C楼东西方向为通风口的方向，再经过CFD模拟实验，确定了东立面应该在较高的位置，而西面应该作为降温系统较低的位置，因为这样可以在行人方向最大地引导通风（图14）。经过对C楼中人的行为及C楼功能的分析，得出该楼内部使用最多的房间和位置，即需要重点进行通风和降温的房间，对这些房间进行目标降温，以满足居住的舒适度要求（图15）。在现有建筑C楼中设计该通风降温装置，还要考虑一些其他因素，比如最小化地破坏C楼原有的结构和室内空间，保持最好的视野，使得该装置在入口、连廊以及庭院3个重点区域的通风降温效果最佳等等。经过Kinetic计算机模拟，初步得出该通风降温装置的形式（图16）。最适合该设计的模数需要具有很好的连接性和灵活性，形成水循环的渠道，同时需要最大化地增加表面积，达到最好的降温效果，而且要保证良好的视线。经过认真比较和分析研究，最终确定了“三支点”的模数（图17）。这个模数的3个渠道充满了水，通过水循环以及喷洒系统与空气进行热量交换（图18）。另外，对该模数的结构进行设计，这些模数通过三角管进行连接，每个模数的支腿连接到另一个模数的支腿上，形成一个网状的整体。钢丝绳网用来将这个降温结构悬挂在原有建筑的结构中，入口处通过圆形的钢筋骨架结构使得其形状达到设计的要求（图19）。最终该降温系统的设计使得C楼有了良好的通风以及降温效果，对C楼屋顶、地面以及墙体的测试数据表明，改造后温度有了明显降低（图20）。通过CFD模拟实验，室内的通风情况也有了明显改善（图21、22）。
2.D楼的案例研究与生态设计
对D楼进行分析研究，发现D楼内部光环境较差，首先要解决的是采光问题（图23）。由于D楼结构和立面不易改动，因此解决采光问题的挑战在于如何保持原有建筑立面的前提下增加自然采光。采用绿色屋顶解决采光和通风问题的技术值得借鉴，例如，建筑师诺曼福斯特（NormanFoster）在柏林的一个建筑改造实例（图24），他设计了一个直径40m的钢结构玻璃穹顶，这个大屋顶集被动式通风和自然采光于一体，通过光纤将太阳光引入室内，改善了原有建筑的室内光环境。伦佐•皮亚诺（RenzoPiano）在加利福尼亚科学中心也设计了一个绿色屋顶项目（图25），这个大屋顶不仅在视觉上将建筑和景观连接起来，同时在生态节能上具有重大的意义。屋顶上15cm的覆土层不仅有利于夏季隔热，也有利于储存雨水，同时斜坡屋顶形成一个自然通风系统，天窗不仅引入自然光，也可以自动开启进行室内外空气的交换。根据上海的气候特点，对D楼进行生态屋顶的设计改造，引入自然通风和自然采光，同时在D楼屋顶将太阳能光伏电板设计成60°，从而最大程度地吸收太阳光，每年可以提供总电耗的2.4%的发电量。首先，根据上海地区太阳轨迹确定屋顶玻璃的位置和高度（图26），使得在夏季有效阻止热量进入，而在冬季可以更多地吸收太阳光。根据场地周围风向进行自然通风设计（图27），在屋顶设计捕风装置，其朝向与场地周围风向相适应，并且能够自动调节以适应不同季节的风向。在D楼的生态屋顶的设计中（图28），既有建筑的3个教室上空新建3个球形屋顶，引入自然光；同时根据风向设计捕风装置，增加自然通风。生态屋顶的南向为玻璃，可以引入太阳光，同时也安装了可调节的百叶遮阳，以减少夏季的太阳辐射。在生态屋顶上60°安装了太阳能光伏电板，可以最大程度接收太阳能（图29）。建筑穹顶中心为捕风装置，可以自由转向，以适应不同季节的主导风向，穹顶内部呈漏斗形的部分装置有转轴轨道，使得捕风装置可以围绕轴转动（图30）。生态屋顶设计完成后，对D楼的自然通风和采光环境进行了模拟测试，结果如下：在自然通风的情况下，D楼主要功能房间的换气次数不低于2次/h（图31）。采用反光板、导光管等设备引入自然光（图32），改善主要功能空间的采光条件，使得75%以上的主要功能房间采光系数大于2%，有防眩光措施，同时采用采光井、导光管等设备改善地下空间的采光条件。
3.结语
“因地制宜”始终是绿色建筑设计遵循的方向和原则，而对于既有建筑而言，如何根据所在场地的气候条件进行设计改造具有重要的节能意义。这次课程设计的整个过程，是探索如何培养设计者从一个实际的案例中更好地学习适应气候特点的生态设计和方法，如何应对现有建筑与绿色建筑改造的挑战，更重要的是通过这次学习，培养学生解决建筑现实问题和应对实际项目挑战的能力。
作者：刘少瑜 孙小暖
