摘要：保护环境、节约能源是人类社会发展的共同目标，在环保生态的大原则下，建筑设计的策略重点亦转移至绿色建筑设计。建筑的表皮系统设计与建筑整体节能设计息息相关。文章通过几个高层建筑表皮设计的实际案例，研究在绿色生态导向下，高层建筑表皮设计的方法。
关键词：绿色建筑；建筑表皮；自然通风；空中花园；通风器；双层幕墙
建筑简单来说就是人们为了躲避自然灾害、保护自身、满足日常生活需求，采用各种建筑材料建造的室内或半室内空间。古罗马建筑家维特鲁威在经典名著《建筑十书》中提出建筑的三个标准：坚固、实用、美观。“坚固”主要体现在建筑材料、构造和施工技术上；“实用”包含了两方面含义：一个是使用功能合理，另一个是使用感受舒适，“美观”则与建筑外围护材料的更替及不同时代审美观的变迁有关。在建筑业的高速成长与迅猛发展过程中，人类对抗自然、改造自然，越来越严重地影响了地球生态系统的平衡、消耗了地球的自然资源和能源。大量不可逆的对自然的破坏和对能源的消耗，引起了人们的反思，20世纪60年代，美籍意大利建筑师保罗.索勒瑞（PoolaSoleri)将生态学（Ecology)与建筑学（Architecture)结合，提出了著名的“Arology”-“生态建筑”的概念[1]。生态建筑的概念在中国正式定义为“绿色建筑”，并获得了高度的重视和快速的发展。本文将浅析在绿色生态的目标导向下，岭南夏热冬暖地区的高层建筑表皮设计的方法。
1绿色建筑概论
1.1绿色建筑的目标和设计体系
绿色建筑的目标是通过人类的建设行为，达到人与自然安全、健康、和谐共生，满足人类追求适宜生存居所的需求、愿望[1]。从建筑设计的进程和专业分工看，绿色建筑设计体系包括五部分：（1）场地规划的节能设计；（2）单体建筑的平面及外围护节能设计；（3）建筑设备的节能设计；（4）可再生能源利用；（5）绿色建筑的智能化技术。其中与建筑表皮设计关系较大的是外围护节能设计，选用适宜的建筑材料，采用利于建筑采光、通风、遮阳的构造，形成高效的外围护节能设计，减少能耗，提高室内环境质量，并同时达到美观的效果，这是建筑表皮设计的原则。
1.2绿色建筑的外围护材料
绿色建筑的外围护材料分为基体墙材、饰面板材、幕墙与门窗三大系统，其节能性主要体现在原料环保、热工性能好、隔声、防火、轻质。其中玻璃幕墙作为现代新型外围护墙体，具有将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机结合的特性，因此在现代高层建筑中应用最为广泛。
2岭南建筑特性
2.1岭南地理气候
岭南，是指五岭之南的中国南方地区，包括广东、广西、海南等地。岭南属东亚季风气候区南部，具有热带、亚热带季风海洋性气候特点，在国家的建筑气候划分标准中岭南属于夏热冬暖地区。以广州为例：夏季使用空调季节长达半年，且高温多雨，太阳辐射强；春秋季节不明显；冬季温暖，终年无冰雪。
2.2岭南建筑风格
岭南建筑经过长期发展，适应了湿热的地域环境气候，形成了轻巧、开敞、通透的建筑风格，通常与岭南园林相融合，舒展灵秀而又富有意境。同时，受岭南文化的影响，岭南建筑既传统务实、又开放包容，建筑设计因地制宜，表现出以人为本的多样性。岭南建筑在绿色节能方面需要解决的主要是通风、隔热、防雨和遮阳问题，因此在建筑总体布局上，岭南建筑通常以轻巧的小体量单体与中式园林相结合，形成群组，通过冷巷、花窗、庭院组织气流，改善室内环境；在建筑单体设计上，通常采用浅进深平面，外围护设置较大的窗墙比、较多的开启扇，辅以格栅、百叶等遮阳防雨设施，高层建筑还可加设阳台、空中花园，利用立体绿化改善建筑小气候[2]。
3建筑表皮设计
3.1建筑表皮的概念
在建筑邻域，我们通常所说的围护（enclosure）、立面（faade）、表面（surface）、外观（appearance）等与表皮含义相近。现代建筑设计中，外围护系统不再仅仅是一个独立于结构、用于区隔出室内外空间的层次，它还与结构、设备等系统有机结合，通过各种组件调和多种需求，包括通风、控制光与热、控制污染、再生能源、信息交互等，它与内部空间环境形成一个整体，具有调节、修复的作用，像是人类的皮肤，具有活力，具有生命周期。建筑表皮（architectureskin）就是针对近现代建筑的发展，借用生物学“皮肤”概念对其外部围护系统所做的类比[3]。
3.2建筑表皮设计策略
建筑表皮设计的基本策略是人体舒适度：对于内部使用者舒适度体验影响较大的是建筑内的小气候环境，如温度、湿度、气流、空气洁净度等，建筑表皮设计直接影响与舒适度有关的环境条件；建筑外观给人的感观舒适度则是符合社会审美观、获得愉悦与文化认同。因此，建筑表皮的设计策略分为两部分：功能和美观。随着建筑的复杂程度和专业程度越来越强，建筑的表皮设计已成为需要团队合作的系统工程，合作越来越倾向于跨学科并且涉及更广的知识面[4]。
4岭南高层建筑表皮设计实例
20世纪末，科技发展带动建筑高度不断增加及玻璃幕墙建筑的兴起，大部分高层建筑采用全封闭式外墙，空气调节依靠机械设备等人工手段。岭南地区夏热冬暖，闷热潮湿，空调能耗占到了建筑总能耗的60%。随着生态和绿色建筑的快速发展，高层建筑的节能设计成为重要课题。建筑表皮设计参与到整体节能设计中，起到重要作用。高层建筑表皮设计与气候特点、建筑朝向、外围护构造、通风量要求等方面相关，看似简单，其实要经过系统的分析和详实的对比，才能达到最优的效果，节省能源，保护环境，成为可持续发展的绿色建筑。以下列举以表皮节能方式为划分的设计实例：
4.1实例一：自然通风型
建筑的自然通风是指利用热压或风压引起空气流动，把新鲜空气引入室内、带走室内热量、改善空气品质，是不耗能、无污染的改善室内环境的有效方式[5]。长久以来，各地区顺应自然环境气候在建筑通风方面形成了不同的做法，如北京四合院利用天井的热压带动空气流动，实现自然通风（图1），广州传统民居设置木趟栊，以便敞开门窗引入穿堂风（图2），迪拜古老的捕风塔设计将沙漠上空的气流捕捉，利用风压向下进入室内（图3），捷克小镇的低矮建筑设置导风窗，使各方来风均被导入室内（图4）。建筑利用自然通风是绿色建筑评价标准的一项重要的被动式节能方式，它有以下优点：（1）过渡季节取代空调，减少建筑空调能耗，减少碳排放。（2）人体在自然风环境下的温度适应能力和气候耐受能力加大，有利于身体健康[6]。（3）室外新鲜空气循环带走室内二次污染空气，降低室内二氧化碳浓度，增加空气洁净度[7]。（4）火灾情况下，可以利用烟气热压和室外风压的共同作用，将烟气排除室外。（5）满足人们与自然生态环境形成良好互动的心理向往，“水晶帘动微风起，满架蔷盛一院香”这美好的感受是封闭空调环境无法体会到的。高层建筑表皮直接开窗通风，这是最普遍的做法。建筑开窗形式有许多，如推拉窗、平开窗、上悬窗、内倒窗等，可以根据建筑所处的气候和朝向，选择适宜的开窗方式，并通过开启尺度调节进风量。在高层建筑中，考虑外墙风压大和结构安全性等方面，一般不考虑推拉窗，而选择平开窗或上悬窗，且开启扇面积不宜过大。现代建筑风格偏向简洁，不同房间随意开启的窗扇，有时会给建筑带来不规则的凌乱感，因此建筑外观设计可以将窗扇结合立面元素统一考虑，使得开启扇隐藏起来，或作为立面造型的一部分。顺德商贸中心超高层办公楼就是自然通风的表皮设计。本项目位于城市新兴商务区，是地标性超高层建筑。建筑表皮设计的感观策略来源于当地文化的探索与传承：顺德自古就是岭南地区文化深厚、经济富庶之地，明清时代因缫丝业发达，被誉为南国丝都，本项目表皮设计理念是悬挂的丝绸，平整的竖线条玻璃幕墙，如顺滑的丝绸倾泻而下，外观简洁大气（图5）。建筑从实用的角度出发，选择了方正的平面、挺拔的体型、现代的材料和简练的设计语言，与商务区的城市肌理相契合。建筑表皮的技术策略表现在对细节的推敲和把控：在塔式高层建筑景观朝向四向均好的前提下，表皮设计四个立面手法相同，采用风车式转接，体现建筑的中心地位。每个立面采用隐框幕墙与明框幕墙相结合的方式，隐框幕墙的拼缝处加设小尺寸装饰盖板，增加建筑的精细度，明框幕墙在竖框处通长设置了金属肋条，肋条一侧辅以金属装饰格栅，既有一定的遮阳作用，同时给建筑带来了丰富的光影变化，增加立体感。在建筑顶部为增强标志性，将玻璃幕向内退缩，形成内凹露台，加深竖肋的阴影效果，内退的玻璃幕稍作倾斜，室内作为通高大空间设计，温暖明亮的灯光与标准层区分开来，犹如指路灯塔，表达了建筑表皮的人文感观设计。在表皮的功能策略上，建筑选用了低反射中空LOW-E节能玻璃，保证外围护功能效果，并设置可开启通风窗，窗扇隐藏在装饰格栅后，即不影响开启通风，又不会破坏立面的干净整洁。窗外精致的镂空中式花窗格栅增加了建筑的细节设计，融入了岭南建筑风格（图6）。格栅内部窗扇分为上下两扇，均可向室内开启。上方窗扇净尺寸410mm宽，1800mm高，平时通风用，离地1100mm高，室内人员不用探身向外开关窗扇，方便操作，增加了安全性。下方窗扇高度同横向安全护栏，平时锁住，仅供清洁玻璃及格栅时使用（图7）。透明玻璃窗与外部的金属格栅间距约100mm，刚好利用铝合金竖向立龙骨的深度，不影响室内空间。外部金属格栅不但起到装饰、安全防护的作用，同时为室内人员带来视觉及光影的趣味性。4.2实例二：外遮阳结合辅助设备通风高层建筑表皮设计考虑到风压和美观的因素，不利于设置大量开启扇。在幕墙配备辅助通风设备，可以帮助改善室内风环境。辅助通风设备包括通风器、风帽等。通风器从所在位置可分为窗式通风器、楼面通风器和屋面通风器；从动力原理可分为自然通风器和动力通风器[8]。自然通风器与开窗通风的原理相同，都是利用热压或风压带动空气流动，而动力通风器借助小型风机主动进行空气热交换，可以遥控调节，还可以结合空气净化、热回收等措施。它们的共同特点：不开窗就可以让房间进行自由呼吸，引入室外新鲜空气、排出室内污浊的废气，隔离躁音，有效解决通风和躁音的两难问题。广州琶洲村改造项目超高层办公楼与酒店就采用了幕墙通风器作为新风调节和消防补风。本项目坐落于重新规划的琶洲商务区，定位为总部办公和品牌酒店旗舰店，建筑表皮的感观策略为打造区域标杆与焦视觉点：建筑体型为顺滑的弧形，干净的幕墙表皮逐层收分渐变，至顶部形成一个通透的孔洞，如高耸的城市之眼，矗立在珠江岸边（图8）。建筑表皮设计考虑美观与功能性相结合，整体采用低辐射中空LOW-E节能玻璃，通过信息模型对幕墙划分进行数字化空间定位，以保证弧线形体的准确度和可实施性。在建筑东西两侧太阳辐射值大的位置设置铝合金弧形遮阳板，遮阳板顺应玻璃模数变化外飘尺寸，与建筑主体自然交接。同时在每层楼板位置结合铝合金遮阳板设置了幕墙通风器。通风器通过幕墙外部风口、幕墙与主体结构之间的空间，和设在幕墙底部踢脚面的室内百叶形成联通的通风空腔，并设有开关可调节通风量。幕墙外部风口与铝合金弧形遮阳板结合设计，既不影响立面的整洁，又起到对自然风的导流作用。室内通风器及百叶利用地面150mm架空地板厚度和100mm踢脚高度安装，不影响室内空间（图9、10）。本项目通风器的作用：（1）在过渡季节不开空调时同普通外窗一样引入外部自然风，利用流动的空气降温、换气，优化室内环境。（2）因与大气无直接开口，有效阻隔外部环境噪声，提供了安静的室内环境。（3）采用全空气系统时，亦利用自然通风器作为排风通道，平衡室内气压,节省机械排风系统能耗。（4）火灾时起消防补风作用。本建筑消防设计采用竖向机械排烟系统，以每层通风器作为消防自然补风的途径，自然通风器净面积按照风速不大于3m/s计算的要求设置，为建筑节省了3.6m2补风竖井面积，也无需设置补风机。
4.3实例三：双层幕墙结合再生能源设计
建筑表皮设计采用双层幕墙，又称呼吸式幕墙、通风式幕墙等。双层幕墙由相隔一定间距的两层玻璃幕墙组成，形成一个空气通道，通道上方及下方设置开口，利用风压、热压及烟囱效应带动空气流动，提高幕墙的保温隔热性能[9]。双层幕墙分为外循环式和内循环式两类：外循环式双层幕墙是外幕墙一般采用普通单层玻璃，外幕墙下方设进风口，上方设排风口，内幕墙一般采用中空节能玻璃，可开启门窗，利用自然通风带走双层幕墙空气通道内的热量，使内幕墙表面温度接近室内温度，达到节能效果。内循环式双层幕墙是外幕墙一般采用中空节能玻璃，内幕墙一般采用普通单层玻璃，设开启门窗，利用机械辅助，使室内空气从楼层低位风口进入空气通道，经高位风口进入天花，形成气流循环，降低空气通道温度[10]。广州市珠江城大厦以可持续发展为目标，建筑设置了智能型内循环式双层幕墙及多个再生能源系统，是全球首座零能耗概念超高层建筑，成为绿色生态办公楼的先锋。珠江城位于珠江新城核心商务区，坐落在广州新中轴西侧，建筑的表皮感观策略是丰富城市中轴天际线，突出建筑的独特性与标志性（图11）。本项目总平面布局倾斜一定角度，使建筑更大程度的面向中轴绿化公园，同时优化朝向与通风。平面的布局限定了建筑立面的主朝向，因此本项目不同于四向均好的点式建筑，是强化主朝向、弱化次朝向的类橄榄形建筑。建筑表皮为三段式曲面幕墙，形体自由流畅、新颖别致，以其独特的建筑语言表达了其艺术与科技相结合的美感。外幕墙采用双层LOW-E玻璃幕墙，内层为可开启单层玻璃窗，间距300mm，中间安装自动调节遮阳百叶帘，幕墙、百叶一体化的设计使得建筑外观干净整洁。内层幕墙底部贴踢脚上方预留50mm高穿孔铝合金滤网，幕墙顶部设通风静压箱与空调风机相连，室内空气通过底部滤网开口及顶部空调风口与双层幕墙间空气通道相连通，以便参与机械通风循环，达到节能目的（图12）。本项目“智能型内呼吸双道玻璃幕墙”已取得实用新型专利200820201350.4[11]，其组成包括：外层玻璃幕墙1；内层玻璃幕墙2；通风空调设备3；电动蝶阀4；温度传感器5；两层幕墙间空气腔6；空调设备3的两个进风口31、32分别与空气腔和室内连通；出风口33远离进风口并与室内连通；内幕墙底部回风口7（图13)。本系统工作原理：夏季当内层玻璃幕墙内表面温度传感器探测到内表面温度超出设定值时，开启电动蝶阀，使空气腔内空气与室内空气强制循环，从而降低空气腔温度，使内层玻璃幕墙内表面温度也相应降低，提高人体舒适感和室内空气环境。冬季当外层玻璃幕墙内表面温度传感器探测到内表面温度超出设定值时，开启电动蝶阀，使空气腔内空气与室内空气强制循环，把空气腔内因温室效应产生的热量带入室内，降低采暖费用。本系统的有益效果：（1）能耗低、结构简单、同时具备自动控制和调节功能。（2）智能通风、隔音性能好，可创造更为舒适的室内空气环境。（3）内层玻璃可开启，方便清洁。本项目的表皮设计特点不只是双层幕墙，还结合体型设置了复合再生能源系统，包括太阳能光电系统和风力发电系统。太阳能光电系统：根据太阳运行轨迹及广州的经纬度计算出太阳高度角和方位角的变化数据，选择将太阳能芯片设置在东西两侧及弧形幕墙顶面，芯片排列方式组成表皮纹理，并用激光在芯片上蚀刻出10%的透光率，满足出采光和视觉要求。风力发电系统：建筑结合三段式造型在空中设置了两个架空层作为通风取风口，经过风洞实验保证持续发电风速40m/s，并保证能够承受75m/s的疾风。超高层建筑风洞风力发电一体化装置也荣获国家专利。
4.4实例四：空中花园型
高层建筑表皮结合空中花园设计，包含了加强自然通风、利用植物生态系统进行微气候调节量和优化视觉景观三大作用。空中花园相当于设在建筑表皮的大型通风口，通过风压或热压使得气流循环进入建筑内部，改善大体量建筑的内部风环境。空中花园通过植物配置形成小型生态系统，对建筑微气候有一定的调节作用：（1）植物能遮挡阳光、降低温度，帮助建筑降低能耗。（2）植物可以吸附空气中的悬浮颗粒，滞尘降噪。（3）植物可以吸收多种有毒气体，释放有益挥发物，帮助净化空气。(4)植物具有增加空气中的负离子含量，调节人身心健康的功能[12]。广州津滨腾跃大厦是经济型绿色高层办公建筑的成功案例。本项目定位于城市CBD核心区的起步型小微企业办公楼，建筑表皮的感观策略以充满时代气息的现代风格为主题，整体突出简洁、清新的感觉。本项目借鉴岭南建筑轻灵通透、与园林紧密结合的特点，平面为C型布局，交通核心设于内转角，令使用空间获得最大的外墙面，采光、通风良好。建筑在主入口兼夏季主导风向的东南侧围合出一个共享的内部庭院空间，并在各楼层穿插设置了多个空中花园，即优化了自然通风采光，同时提供了优美的视觉景观（图14、15）。建筑表皮的技术策略着重解决美观与经济的协调。为节省造价，建筑外墙主要采用窗墙结构，仅在主立面局部及建筑顶部收口位置配合玻璃幕墙。考虑与城市中心商务区的总体风格相协调，表皮采用仿幕墙构造：外墙层间梁底部和窗槛墙顶部分别外飘100宽小飘板，飘板外扣铝合金边框，与上下层窗框形成统一体系，层间梁及窗槛墙外饰彩釉玻璃，颜色与低辐射镀膜遮阳型LOW-E玻璃外窗相配合，通过将实体围护结构外饰面材料由常规块材改变为玻璃的方式达到简洁大气的幕墙效果，与相邻的真幕墙体系完美相融。在表皮的功能策略上，一方面对空中花园的设置位置进行气流和日照分析：在日照条件好的南面和东西面各层错落设置。另一方面对微小公司空调系统选择做了多种可能性设计：在建筑背面预留设备阳台，提供独立计费中央空调安装，并在各立面预留凹槽提供分体空调安装位，空调位外饰装饰格栅，保证外观的整洁统一。用户可自行选择空调系统方案，自由安排工作时间，使空调运行成本最节约。绿色生态的建筑表皮设计是一项多学科协作的系统性工作，建筑师作为设计团队的主导应具有全局观，制定适合的设计策略，选择适合的技术应用，使得设计的节能目标切实可行，且行之有效。
参考文献
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作者：黄孝颖
