建筑材料在建筑表皮中的生态运用

摘 要：本文以建筑材料为切入点,着重阐述了建筑材料在建筑表皮中的生态运用策略.建筑材料的使用贯穿了建筑建造、维护以及改造等整个生命周期.材料会对建筑的外观、性能和建造成本造成影响.经过几十年的发展科研人员对材料的特性有了新的了解.材料有了全生命周期评价（LCA）,当材料选择时可以考虑在建造过程中的可持续问题.通过材料在建筑表皮中的分层组成方式的分析模拟,设备的控制以及空腔等系统和材料自身物理性能,来完成应对气候和建筑微气候的适应及其变化.

关 键 词：建筑材料；建筑表皮；生态运用；“层”设计

Abstract:Thisarticletothepointofbuildingmaterials,focusedontheecologicalstrategyofbuildingmaterialintheskin.Constructionmaterialsuse·dthroughoutthebuildingoftheconstruction,maintenanceandtranormationthroughoutthelifecycle.Materialimpactontheappearance,performanceandconstructionofthebuildingcost.Afterseveraldecadesofdevelopmentresearchersnewunderstandingofthepropertiesofthematerials.Materialshealife-cycleassesent(LCA),whenthematerialcanbetakenintoaccountintheconstructionofsustainabilityissuesintheprocess.Bymaterialintheskinofahierarchicalpositionanalysisofsimulation,devicecontrol,andsystemssuchascitiesandthephysicalpropertiesofthematerialitself,topletetheadaptationtoclimateandbuildingmicro-climateanditschanges.

Keywords:buildingmaterial；buildingskin；ecologicaluse；architecturaldetail

中图分类号：TU56

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2012）07-0059-03

1前言

今天我们对建筑的认识已经到了新的高度,将建筑系统视为地球生态系统中各种不同能量和物质材料的临时组织形式.从材料的观点来审视建筑表皮,需要从表皮的以往的初始含义中加以整理,发掘出表皮的生态意义,将材料物质组成结合起来.从材料的性能与生态性出发探索不同材料以及相同材料部件之间的关联方式与搭接逻辑与生态环境相结合从而产生一定的生态效益,从而让基于材料的表皮生态设计获得新的意义.

2建筑材料的生态选择

材料是建筑学的一个基本问题,一方面他是建筑学科自身建设的重要课题,另一方面,它对于具体的建筑设计实践有着首要的和根本性的影响.材料的使用与其对环境的影响之间的因果关系较为复杂,因而不易为人们察觉和理解.建筑材料的采集、加工、运输、使用以及处理等过程都会对环境造成较大的危害.我们通常把材料从生产到废弃的过程,在这个过程中对环境影响的评价称为全生命周期评价.

首先,建筑师在整个设计过程中应该减小对材料的需求,不做多的建造,适当缩小建造的规模,设计能有效利用建筑材料的建筑和设计更耐久且所需维护较少的建筑.其次,建筑师应该尽量使用现有的材料,重复利用现有的建筑构件以及循环后的建材,设计适应未来的建筑,使建材具有重复利用和再循环的能力,提高适应性和接受性能延长建筑的使用寿命.设计耐久和可接受性的建筑能延长建筑部件的使用寿命以及再循环或者可生物降解的材料.

建筑师还应该考虑材料的选择、结合以及彼此之间适当的联系,这三方面决定了整体的生态效果.对于每一个建筑组件来说,他们各自的使用期限可以通过材料的耐久性以及构成某种构造的连接处中计算出来.

生态学的重要观点是物质循环模式,在地球资源有限的情况下,通过材料回收利用、再生设计创造再循环的过程.在地理因素影响下的建筑地域特征以及材料的特性,可以有生态的选择方式.在选择材料时,我们应当把注意力集中到辐射量少的建筑产品、材料以及化学制品上.（图1）

3基于材料的建筑表皮生态意义

建筑表皮的原初意义在于它适应气候的节能.然而在注重可持续发展的今天,对此还需要置于生态视野下来加以审视.作为建筑子系统的表皮,必须全面考量表皮在材料、构造及控制等方面所出现的诸多新问题.

3.1建筑表皮的类型与界定

建筑表皮包含的内容很多,在生态学的范围内,表皮被赋予了除了遮挡风寒驱逐避暑之外更多的内容,新时代的表皮应该有：采光、通风、防湿、保温、防风、防眩光、防视线干扰,提供视线联系、安全、保安、防火、获取能源等.本文主要研究基于材料的表皮生态化策略,因此着重关注材料在表皮中对节能和改善室内环境舒适度中所产生的影响.

建筑表皮如何利用材料,了解其材料的技术特性,做到减少能耗,是建筑师在设计中应该注重的问题.建筑表皮对气候的适应性从而产生可变化的部分在所采用的材质的关注点是什么,以及这些材料是怎么组织起来的去适应气候的变化.

3.2材料的种类与特性与可循环使用的建造材料

世界是由材料、能源以及信息构成的.建筑工业利用能源把原材料转变成人们的居所和经过加工的建筑材料.从原材料到经过加工的材料再到废弃的产品,这一转化过程中的每个阶段都是需要能源的.

石材从地上发掘与开采,砖从泥土中模砌出来.这些材料都有属于场地的重量感与体积感.混凝土有很强的可塑性,被模铸成型来创造生动的形式,通过预应力,可以横跨很长的距离.木材最重要的材料特性在于可再生性,良好的生命周期评估,各向异性,吸水性,较低的传热性以及良好的蓄热能力,轻质高强的材料,可以方便进行加工.金属拥有高密度、高强度、高熔点及良好的导电性和导热性.金属可以被铸造成型,有光泽和磁性.玻璃吸收辐射,质坚,耐磨,高抗压,善于抵抗化学物质的侵袭.

从生态学的角度来理解建筑系统的生命周期,其实就是环境物质和能量等一系列的转换.广义上的建筑生命周期,不光是从建成到最终完成使用的阶段,还包括下一个周期开始准备的阶段.为达到保护基地环境,避免生态系统退化的这一目的,应尽量在不破坏自然环境的基础上,首先提倡使用当地的天然原生材料,注重废弃物的循环再利用,真正回到设计的本源.（图2）

3.3结合绿化的复合表皮与可普及的适宜技术

生态学的表皮设计,不应局限于建筑本体一个方面,而更应该借鉴相关学科(如植物学)的研究成果.对表皮而言,绿化遮阳不同于构件遮阳之处在于它的能量流向.建筑遮阳构件在吸收太阳温度以后会明显升高,其中一部分热量会通过各种方向向室内传递,绿化植物的遮阳法,通过植物的光合作用将太阳能转化为生物能,植物本身温度没有升高多少,这是一些普通构件所无法相比的.

复合绿化表皮上的栽种植物,四季的荣枯与建筑对光热的的不同需求吻合,这些充满生态的自然特性,都为建筑表皮提供了以最少能耗实现最佳热舒适性成为可能.建筑表皮的气候适应性,还反映在地光热辐射通过的调控能力上.适宜技术的理念对表皮的设计同样具有指导意义,使建筑表皮更具备营建的现实可行性.由于适宜技术是从经济技术选择的合理性角度出发,可以由良好的普及性.（图3）

4基于建筑材料的表皮生态“层”设计

4.1浑厚自然的表皮材料单层设计

单片单层材料设计是最简单的一种,它是没有层间的单层界面,主要考虑了材料的四个方面,材料的“蓄热体表面的吸收率”,材料的“外部表面的颜色”,材料的“太阳福热反射率”和材料的“外表皮厚度外保温效果”.

单层材料表皮多以夯土建筑,木建筑以及清水混凝土建筑为代表.木材是最受欢迎的建筑材料,它完全自然的,可循环的,可无限补给的,如果开采合理,不会破坏环境的生态平衡.

4.1.1加拿大新斯科舍省的邮递员住宅

建筑的外表皮厚度应该足够厚以满足保温隔热的需要.例如加拿大新斯科舍省的用轻质木框架,雪松木瓦覆盖的邮递员住宅,它使用了传统的材料和建造手法,该建筑表皮上在寒冷时成为一个隔离的体块,木质量格栅墙体属于一种屏障,墙体组成材料的本身朝着室外增加了气孔,使进入墙体的任何水分都可以转移到了室外,安全的蒸发掉.与混凝土相似,夯土依靠二氧化硅、氧化铝、石灰载体产品如硅酸盐水泥来硬化,夯土墙多办是相对厚的墙体形式,夯土墙可以提供良好的隔热,墙体的厚度和较高的热惰性可以确保住宅冬暖夏凉.（图4）

4.1.2澳大利亚维多利亚州布雷巴林住宅

在澳大利亚维多利亚州布雷巴林住宅就是以整块的夯土墙作为建筑的表皮,整块夯土结构的热惰性能将日气温曲线变化成大约原周期的一般,这样可以利用墙壁在白天获得热量在夜晚为室内空间供热.室内的混凝土楼板和夯土墙进一步缓和冬夏的温度和储存直接辐射能.夯土墙的结构的嵌入式能量要明显少于混凝土,制造夯土的能源相对于混凝土要较少,材料多产自当地,运输材料的能源大大的减少.

对于室内热量的储存,表皮材料的蓄热体表面的吸热细数应较高来吸收热辐射,非蓄热体的材料表面则具有反射性.在位于加利福尼亚州的拉霍亚住宅,深红色的菱形瓦覆盖整个主要楼层,从表面吸收直接的热量,而且白色的非蓄热墙体及顶棚把光线反射到其它表面上去,以达到室内热舒适的要求.（图5）

4.2体现“层间”的表皮材料双层设计

双层表皮设计在形式上比单层而言增加了一层界面,使得建筑的围护系统从原来的单层界面到现在“带空气的空间”的复合界面的变化.从作用原理上来看,冬季内外层的墙体均处于关闭状态,双层间可以形成封闭的空气层,利用空气层的热阻加上材料本身的热阻,阻缓了热量的流失,对冬季室外寒冷的天气起到了缓冲的作用.在夏季,双层墙体层间的遮阳构造和材料本身的热反射能够将太阳辐射阻挡,通过外层墙体的开口循环通风,将如空气从层间带走,从而实现室内小环境和室外气候的缓冲作用.

“层间”的加入使建筑表皮成为建筑系统的一个子系统加上材料本身的属性以控制对外环境的能量输入,一方面阻隔气候的不利因素,另一方面吸收气候的有利因素（如太阳能、自然通风）来改善建筑系统的内部环境.

双层外皮材料的选择应当能反射太阳得热并避免热量传入内层.夏季太阳照到建筑外表面时,部分辐射被外表皮反射,部分辐射被外表材料吸收.双层表皮是一个减少降温负荷的策略.外部第二层皮的材料可为内部的材料层提供遮阳,空腔中通风带走一部分传入的热量.双层皮空腔在减少太阳辐射方面与外层的吸收效率,空腔的反射率以及空腔通风有关.利用材料的表面性质来选择内外层表皮的材料.（图6）

4.2.1美国驻伊拉克大使馆

巴格达的美国驻伊拉克大使馆使用了双层屋面,该屋面顶部由预制的折叠式混凝土薄板构成,内侧的顶棚是平整的石膏板,悬挂于折叠混凝土板底部,这样就形成了0.9m深的三角形空腔.空腔两端开口,能排出热空气.该建筑外表皮刷成白色,从而使其有较低的吸收系数和较高的反射率.双层皮空腔的整个周边为连续的通风口,使空腔内的通风效果俱佳,该系统效率能达到最优化.（图7）

4.2.2奥地利林茨设计中心

赫尔佐格在奥地利林茨设计中心采用了类似的系统,拱形展厅的外表皮是双层玻璃板,期间平行设置了具有光偏转和高反射率的铝膜塑料遮阳构件.双层抛物面反射体形成了用于第三次反射的交叉格栅,格栅板的几何形状可用来收集北向的扩散光并同时阻挡所有的直射光.遮阳的选择包括水平向百叶、卷帘百叶、室内织物窗帘.根据颜色、面层、角度和饰面的不同,装置的遮阳系数（SC）和太阳辐射得热细数（SHGC）将有很大变化.每排玻璃板都安装了不同截面形状的百叶.位于玻璃层之间的空腔则用来通风,以便在夏季除去玻璃间层的多余热量.“层间”的太阳辐射热能通过烟囱效应散发出去.（图8）

5结论

作为影响建筑能耗的重要因素之一,建筑材料和建筑表皮都是建筑构成的重要组成部分.它对内围合成建筑的空间,同时又是城市环境空间的界面载体.本文从材料的类型,材料的地域生态选择与表皮在构造中的生态效应分析,现在建筑不仅仅关心建筑是如何建造更加关注建筑如何产生更好的环境效益,材料表皮的生态设计,其中各种生态策略并非孤立的手法,而是将他们整合运用,从生态的角度把材料和技术融入到建筑中.生态技术运用基于信息,而不是基于形式.让我们知道我们应当关注不是建筑表皮和材料看起来是什么样的,而是要知道了解它是怎么运作的及其给人们带来了怎样的环境效益.