被动与主动传承与创新——...主动式建筑的设计探索与演进_孙一民_.pdf

为应对全球气候变化的日益加剧和城市化进程的加快，仅依靠隔绝环境或堆砌技术的节能策略似非绝佳答案。主动式建筑(Active House)理念与评价标准近年在我国推行且备受关注，其旨在通过各种策略提高建筑能源效率，减少环境冲击，提高用户舒适性，以求在健康、舒适、环境与资源中寻求平衡。我国华南地区气候炎热潮湿，建筑实践向来注重建筑的气候适应性，充分应用多样策略来提高环境舒适性、降低能耗，这与主动式建筑的理念不谋而合。伴随技术的不断发展进步，结合新能源产能应用和实时智能控制为代表的一系列新技术手段，为主动式建筑的发展和应用开拓了新边界。本文对主动式建筑在华南地区的实践进行回溯与展望，希望为今后的主动式建筑设计和创新提供一定的参考。1 主动式建筑的特点和系统性适应性应用1.1 主动式建筑评价标准2002 年，主 动 式 建 筑 国 际 联 盟(Active House Alliance，AHA)成立并发布了主动式建筑国际标准(The Active House Specifications)1.0 版本，后修订发布 2.0 与 3.0 版本以及指南(guidelines)。2020 年 9 月，我国正式发布基于国情的主动式建筑评价标准，在国际标准的基础上创新地提出了一级指标“主动性”和二级指标“主动感知”与“主动调节”。主动式建筑更倾向于一种理念与主张，其着眼于在建筑的全寿命周期内，基于被动优先，通过可感知和可调节的能力，创造一个有益于身心健康、节约资源并保护环境的综合平衡，从而实现促进使用者身心愉悦的建筑设计、建造和运营维护1。主动式建筑标准充分体现了以人为本的原则，在运用设计策略和技术的基础上实现主动式建筑评价指标体系的性能指标。我国主动式建筑的评价指标体系由 4 大类一级指标(主动性、舒适、能源和环境)和 9 个二级性能指标构成。在国际评价体系中，Active 与 Passive 并非反义词，其代表了两种对待环境的不同观念与策略。后者希望通过优异的围护结构热阻隔能力来隔绝气候。然而，过度地增强热阻、热漏能力只会让建筑脱离环境成为独立运作的机器，因此主动式建筑提倡在隔绝与接纳环境中寻求一种动态平衡。因此，主动式建筑并非与被动式建筑对立，也并被动与主动，传承与创新 华南地区主动式建筑的设计探索与演进Passiveness and Activeness,and Inheritance and InnovationDesign Explorations and Evolutions of the Active Houses in South ChinaABSTRACTBased on the long-standing architectural practices in South China,the paper traces the development and effectiveness of the active concept in traditional and modern architecture.On the basis of summarizing the traditional multi-level active design methods in South China,it uses the design exploration of Active House in South China in recent years as an example to analyzes how architectural design improves energy efficiency and comfort with comprehensive strategies.At the same time,it discusses the opportunities and challenges brought up by different energy strategies and technical means for buildings,expecting to explore the future directions to be explored in South China.KEY WORDSActive House;multi-level active approaches;South China;systematic design;architectural strategies and technologies摘 要基于华南地区长久以来的建筑实践，回溯主动式理念在传统与现代建筑中的传承、发展与成效。在总结华南地区传统多层次的主动式手段的基础上，以近年华南地区主动式建筑的设计探索为例，分析建筑设计如何通过综合性策略来提高能效和舒适性。与此同时，讨论不同能源策略与技术手段为建筑带来的机遇与挑战，展望华南地区主动式建筑未来可探索的方向。关键词主动式建筑；多层次主动手段；华南地区；系统性设计；建筑策略与技术 孙一民 SUN Yimin 李毅韡 LI Yiwei 张文豪 ZHANG Wenhao 作者单位华南理工大学建筑学院(广州，510640)华南理工大学亚热带建筑与城市科学国家重点 实验室(广州，510640)收稿日期2023/03/30国家自然科学基金项目(52178016)亚热带气候适应性大型公共建筑与城市营建研究项目(2021202)DOI:10.19819/ki.ISSN0529-1399.202306003017ARCHITECTURAL JOURNAL非指包含主动式技术应用的建筑项目，其突出表现为项目参与方对于建筑的主动性2。在后者的节能原理上，寻找一种更灵活的策略，与环境达成一种若即若离的平衡关系。本文作者认为主动式建筑评价标准以精简、可感知、可验证的指标来指导设计、建造和运营；主动式建筑评价标准探索更多创新的生活方式、工具和产品，共同推动标准的提升3。1.2 作为有机交互系统的主动式建筑在项目的实践过程中，主动式建筑标准所包含的各项指标相互促进，又相互影响，构建了一个动态的综合体系；在将评分标准应用到具体项目的过程中，需综合性对项目涉及的指标进行关联分析，并在其基础上有侧重地引导和投入，以达到项目综合性能最优化，而非满而全地达到各指标得分点最大化得分。将主动式建筑作为一个复杂的综合性系统进行数据分析和管理，能帮助对象在整体视角下最大化满足对主动式建筑的 需求。当代视角下的主动式建筑并非处理单一物质或空间构成的系统，而是在协同现实物质空间需求的同时，集成了空间信息感知和交互系统、能源管控和能源生产系统。三大系统皆表现出沟通内外的双重性。物质和空间系统作为项目现实世界的基础，其内外双重性表现为：对内整合了建筑设备、建筑材料、空间规划、结构系统以及内部设备系统维护，而对外则表现为对场地自然资源的管理，例如场地地形、地质条件和场地水资源等。空间信息感知和交互系统是项目使用者参与环境参数实时调节的基础，其内外双重性表现为：对内为在智能控制系统协助下对项目内各类空间内的温度、湿度、照明条件、空气质量等各项与舒适性有关的空间信息的实时记录与反馈，对外表现为对室外空间自然信息的实时记录。通过对所处内外环境的敏锐感知，进行以创造良好稳定室内舒适性为目的的一系列动态实时调节，并减少过度的能源消耗，达到节能减碳目的。能源管控和能源生产系统是基于内部使用情形及外部所处环境，承担调节能源系统运行模式、管理新能源系统产能和能源储存系统的作用，其沟通内外活动表现为：对内基于空间的实际使用情况适时调整各分布系统以及新能源系统的运行模式，分别在用电峰谷时段直接调用新能源产能和储能设备储存的新能源，对外则基于环境监测调整新能源产能系统的产能状态，甚至调节产能设备状态以达到产能效率最大化。系统帮助从产能到用能的实时交互(图 1)。1.3 适应华南地区特征的主动式建筑鉴于我国各地自然环境条件与社会经济发展程度均有较大的差异，主动式建筑的推广需要立足于当地的实际条件，利用与当地环境、经济情况相匹配的被动策略和适当的主动技术相结合的方法，以期系统性提升建筑性能。不同地域长期气候属性相对固定，因此被动优先技术作为主动式建筑的基础可以充分继承当地传统的建筑智慧。华南地区为典型的亚热带季风气候，表现为夏热冬暖、炎热潮湿、年降水量大、日照时间长、日照辐射强度大。华南地区高温、高湿、强日照的自然条件对达到适宜的建筑室内舒适性提出了更大挑战，华南地区长期以来的建筑实践都十分看重对所处环境的应对设计策略，基于环境和技术分析应用综合性的气候适应性策略，主动调节内部环境同所处环境关系。1950 年代，华南理工大学夏世昌、陈伯齐教授提出建筑“遮阳、通风、隔热”的地域性策略；至 1960 年代，以林其标教授为代表，提出了“亚热带建筑防热、隔热、降温”为核心的设计理念。华南理工大学的黎明教授通过对广东东华里的研究指出了广东传统街巷布局和民居建筑有利于降低和稳定室内环境温度；21 世纪以来，肖毅强教授提出“建筑气候空间”概念以指导建筑空间的构建。伴随着国家对节能减排的新要求以及不断涌现的节能新技术与节能新材料，综合分析各被动技术与主动技术的在地适应性和应用的实际意义显得尤为重要。以双层幕墙技术为例，其产生于温带气候区域，空腔在寒冷季节成为调节温度的媒介，也可复合光伏建筑一体化通过应用碲化镉薄膜产品兼具能量生产功能，但其基于“保温”为核心的概念并不适用于华南地区以防热为主要目的表皮系统。挖掘和继承岭南传统建筑气候适应性的被动性技术可以为现代华南主动式建筑打下坚实的基础，于此基础上，对现代技术进行综合分析，选择其中适合华南地区气候特征的主动式技术，可以系统性地打造具有在地适应性的主动式建筑。2 传统主动式建筑在华南地区的特点主动式建筑的基础是被动策略优先，具体表现为对自然条件，如光、风、水、土等资源的高效利用，其建立在对所处环境和现有可适用技术手段的充分认识上。早在空调尚未出现的年代，华南地区传统建筑便已逐渐形成应对湿热气候的设计手段。其从整合场地资源到规划建筑群组空间布局，再到建筑细部设计，多层次系统性地调节室内外舒适性，具体表现在充分利用自然水系和分布式储水人工水系、基于不同场地建筑密度的场地通风组织布局体系、多样化的建筑遮阳和隔热细部。这种系统性地多层次的设计手段综合地梳理了从建筑与环境到建筑与人和自然之间的物质和能量的交互关系。这些华南地区传统建筑在设计和建造过程中，实现空间信息感知和交互系统环境温度、湿度、照明条件、空气质量主动式建筑地形、地质、水资源等产能实时反馈调整主动式交互系统主动式交互系统主动式交互系统物质和空间系统能源管控和生产系统设备、结构、空间规划产能优化、储能调用、运行模式温度、湿度、光照、空气质量1 作为交互系统的主动式建筑建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House018了自然资源的高效利用，为人们提供了舒适的生活和工作环境。2.1 因形借势的综合性场地布局降水量大、持续时间长、地下水水位高、土壤蓄水能力较低等问题给华南地区防洪排涝提出了挑战。华南地区传统的排水组织模式具有多层次、分布式的特点。雨水组织路线从起点屋檐落到内院，后进入排水沟，经组织流入院中水塘，利用院内的蓄水设施储水。在大强度、长时间降雨时期，通过分布式的存在于各建筑中的小规模的蓄水池减小和延长排水路径，疏解了瞬时排水压力。这种分布式分层组织排水的传统手段对于响应国家大力号召的海绵城市战略具有极大的指导意义。现代城市可在各个项目中，充分利用屋顶花园、场地蓄洪池、雨水花园的布局以及在项目置入水资源循环管理体系，以点及面地通过末端分布式水资源管理体系，在建筑层面加强城市面对极端降水时的抵抗能力(图 2)。华南地区多山，其建筑规划布局多自由布局顺应山势，在山的南侧逐级升高，建筑形成由高至低逐级跌落的布局关系，因地借势引导夏季