舒欣

陳晨

唐超

自人類建造庇護(hù)所以來，氣候與建筑就不可避免地交織在一起。貫穿整個(gè)建筑史，本地建造者已經(jīng)學(xué)會(huì)運(yùn)用智慧營建更為舒適的場所以適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?，代代相傳的鄉(xiāng)土材料和建筑技術(shù)形成了原生的建筑語言[1]。自然力作用、場所環(huán)境和建筑物的關(guān)系復(fù)雜而多變，每種解決方式都是對氣候、文化和技術(shù)的綜合回應(yīng)。因此，無論在理論研究領(lǐng)域或是建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐層面，氣候適應(yīng)性建筑都是建筑師關(guān)注的焦點(diǎn)和探索的前沿。[2]

另一方面，在氣候變化的陰霾籠罩下，節(jié)能減排成為人們?nèi)找嬷匾暤膯栴}。習(xí)近平總書記提出 “2030 碳達(dá)峰，2060 碳中和”的雙碳目標(biāo)更是將建筑行業(yè)的深度減排提升為應(yīng)對氣候變化目標(biāo)中的核心議題。碳排放作為環(huán)境影響指標(biāo)融入了更多跨學(xué)科的內(nèi)涵，建筑師將節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材等環(huán)境友好的可持續(xù)指標(biāo)與建筑設(shè)計(jì)流程有機(jī)關(guān)聯(lián)，賦予建筑學(xué)語境下的碳排放路徑，帶來知識(shí)領(lǐng)域、技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法的改變。[3]

加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的可持續(xù)發(fā)展互動(dòng)研究中心（CIRS）被譽(yù)為北美最具創(chuàng)新性的高性能建筑，經(jīng)過綜合監(jiān)控和集中控制的集成建筑系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)隱含碳排放，運(yùn)行碳排放、場地環(huán)境和水系統(tǒng)等四個(gè)方面的凈零目標(biāo)。同時(shí)，建筑在投入運(yùn)營后也獲得了卓越的可持續(xù)性能。本文基于作者在英屬哥倫比亞大學(xué)訪學(xué)的交流體驗(yàn)，以CIRS 為例來分析氣候適應(yīng)性建筑的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)梳理在不同尺度運(yùn)作下的設(shè)計(jì)策略，為當(dāng)代氣候適應(yīng)性建筑探索更多的可能性。

一、理論基礎(chǔ)：基于碳中和的氣候適應(yīng)性建筑平衡機(jī)制

氣候變化的威脅以及對于抑制氣候變化日益迫切的需要，催生出建筑新的使命，即必須在其建造和使用過程中盡可能地減少碳排放。如何通過建筑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行低碳或是碳中和，是時(shí)代賦予當(dāng)代建筑師的責(zé)任。[4]氣候適應(yīng)性建筑運(yùn)行遵循的是一種平衡機(jī)制，即室外氣候資源和室內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。自然條件下室外氣候資源與室內(nèi)舒適度要求往往難以同步，這就需要額外的能源供給滿足建筑功能需求。因此，氣候適應(yīng)性建筑并不回避能耗，但必須使碳排放盡量最小化，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合自然氣候資源以提供被動(dòng)式策略以及可再生能源措施來優(yōu)化環(huán)境控制和性能，以此對可持續(xù)環(huán)境作出貢獻(xiàn)。[5]

1.氣候與環(huán)境

氣候適應(yīng)性建筑應(yīng)當(dāng)如同定制西服一般，需根據(jù)其氣候環(huán)境特別剪裁。建筑場所的位置決定了氣候資源的可用性，而設(shè)計(jì)則可以定義這些氣候資源以何種方式影響建筑的室內(nèi)環(huán)境。建筑外部的氣候環(huán)境是由圍繞建筑物的大氣及其構(gòu)成要素組成的綜合狀態(tài)，包含氣溫、氣壓、濕度、太陽輻射、風(fēng)速和風(fēng)向、附近的植被和水體等氣候要素。[6]

氣候數(shù)據(jù)向我們展示了外部環(huán)境的參數(shù)和范圍，這些數(shù)據(jù)為尋求氣候適應(yīng)性建筑的最佳解決方案提供了評估基礎(chǔ)。為了恰當(dāng)?shù)乩斫馊我鈭鏊臍夂驍?shù)據(jù)，由熱動(dòng)力學(xué)模型、流體動(dòng)力學(xué)、熱環(huán)境與光照模擬為代表的“性能仿真工具”能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜體量和能量流動(dòng)、能量與空間的作用，以及表皮的性能變化，從而使建筑師清晰地了解建筑性能表現(xiàn)以及其設(shè)計(jì)如何影響到使用者舒適度和能耗狀況[7]（圖1）。氣候與環(huán)境分析能夠促成真實(shí)有效的設(shè)計(jì)循環(huán)反饋，并通過一種設(shè)計(jì)策略予以綜合考慮，實(shí)現(xiàn)建筑與環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。

圖1： 建筑氣候條件與性能仿真模擬分析之間的關(guān)聯(lián)

2.人體舒適度

人體通過一套復(fù)雜的平衡系統(tǒng)調(diào)節(jié)內(nèi)外的能量交換，來保持器官正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的平均37℃體溫。人體的舒適感被描述為身心的愉快，以我們各種感官（視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺）的感受為基礎(chǔ)。人體的舒適度是限制在一定范圍內(nèi)的，并與活動(dòng)和環(huán)境狀況有關(guān)。1950 年代發(fā)端于美國的室內(nèi)氣候精準(zhǔn)控制理念認(rèn)為舒適的室內(nèi)環(huán)境氣溫范圍是20～25℃，濕度則為20%～70%（圖2），其后卻被證實(shí)對舒適、健康并無助益。[8]事實(shí)上，人體舒適感遠(yuǎn)比量化的溫濕度數(shù)據(jù)更為復(fù)雜和細(xì)微，它取決于室內(nèi)外空氣溫度、濕度、空氣流速以及個(gè)人的新陳代謝、能量轉(zhuǎn)換和感知能力。

圖2： 反映室內(nèi)舒適水平的溫濕圖

不同的建筑設(shè)計(jì)因素都能影響到室內(nèi)舒適度（圖3），隨著時(shí)間的推移建筑需將室內(nèi)環(huán)境維系在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。[9]建筑需要通過控制一系列室內(nèi)環(huán)境參數(shù)來確保舒適，包括溫度、濕度、光、聲、視覺景象、氣流和空氣質(zhì)量。為了使整體設(shè)計(jì)最優(yōu)化，在考慮各種環(huán)境變量的情況下，將室內(nèi)環(huán)境舒適性與建筑碳排放關(guān)聯(lián)起來，被動(dòng)式或主動(dòng)式地控制能量傳遞，對氣候適應(yīng)性建筑而言是至關(guān)重要的。

圖3： 室內(nèi)舒適度影響因素

3.碳中和作為平衡機(jī)制的約束條件

為了保證室內(nèi)外氣候環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡，建筑碳排放成為制約平衡機(jī)制的約束條件。由于氣候資源與舒適度要求之間并不總是保持一致，往往需要采取額外的碳補(bǔ)償策略，結(jié)合多種技術(shù)手段，通過能源節(jié)約、分配、緩沖、回收和存儲(chǔ)等方式實(shí)現(xiàn)建筑的碳平衡。碳中和的成功關(guān)鍵取決于被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略與可再生能源策略的高效結(jié)合。[10]氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)始于對選址、光照、通風(fēng)的整體思考，并貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，通過一切可行的被動(dòng)式氣候資源利用措施使建筑運(yùn)行碳降至最低，并運(yùn)用可再生能源裝置滿足剩余的室內(nèi)的加熱、冷區(qū)、通風(fēng)和照明需求，最終實(shí)現(xiàn)零碳排放[11]（圖4）。

圖4： 碳中和作為氣候條件與建筑設(shè)計(jì)策略之間的制約條件

氣候適應(yīng)性建筑必須成為一個(gè)富有“脫碳”潛力的元素來優(yōu)化環(huán)境控制和性能，以此對能源供給作出貢獻(xiàn)。脫碳必須兼顧運(yùn)行碳和隱含碳兩方面因素，同時(shí)考慮減少兩種類型的碳排放。[12]相應(yīng)地，建筑師的職責(zé)是通過建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化能源效率并盡可能降低碳足跡。為了全面控制碳排放，減少建筑對氣候環(huán)境的負(fù)面影響，建筑師主導(dǎo)的氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循一個(gè)涉及各個(gè)層級(jí)的整合設(shè)計(jì)框架，從建筑材料、表皮細(xì)節(jié)到空間形式乃至更大尺度的場所環(huán)境，都將是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的重要組成部分，綜合各方面因素以更有效地回應(yīng)碳中和理念。[13]

二、案例演繹：碳中和導(dǎo)向的氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)策略——CIRS

作為碳中和導(dǎo)向的氣候適應(yīng)性建筑，CIRS 不追求創(chuàng)造復(fù)雜多樣的形式，也不刻意維持恒定不變的室內(nèi)環(huán)境，而是使建筑有效地適應(yīng)氣候并保持相應(yīng)地敏感度。同時(shí)，CIRS 還通過整合各種系統(tǒng)，滿足人體的舒適度需求，并實(shí)現(xiàn)碳排放與氣候資源的動(dòng)態(tài)平衡。依循世界資源研究所提出的優(yōu)先級(jí)排序，CIRS 從三個(gè)不同層面實(shí)現(xiàn)脫碳：通過被動(dòng)式優(yōu)先的整體設(shè)計(jì)策略提升能源利用效率，減少建筑運(yùn)行碳；運(yùn)用可再生能源等主動(dòng)式系統(tǒng)的產(chǎn)能滿足剩余的低能耗需求[14]，進(jìn)一步降低運(yùn)行碳；選擇木材、本土材料和可回收材料，消除新建筑在其全生命周期內(nèi)的隱含碳。

CIRS作為一個(gè)生動(dòng)、高效、舒適的建筑，并不依賴于一種拼貼式的堆砌操作。它的設(shè)計(jì)策略經(jīng)過綜合權(quán)衡，關(guān)乎了整體的各個(gè)部分，從而形成能夠在多種尺度下運(yùn)作的設(shè)計(jì)演繹。CIRS 的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)遵循系統(tǒng)規(guī)律，整體的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)先于細(xì)節(jié)要素[15]。通過與氣候在微觀尺度上的層級(jí)特征和人的氣候感知進(jìn)程相呼應(yīng)，CIRS 構(gòu)建了基于“場地環(huán)境—建筑體形—表皮系統(tǒng)—技術(shù)設(shè)備—材料體系”的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)層級(jí)，全面推進(jìn)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)程（圖5）。

圖5： 碳中和導(dǎo)向的CIRS氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)框架

1.場地環(huán)境

在建筑布局層面，地形地貌與建筑形體的有機(jī)融合不僅為CIRS 創(chuàng)造出非用能的室外活動(dòng)場所，也為建筑的氣候適應(yīng)性低碳設(shè)計(jì)營造了良好的場所環(huán)境[16]，通過優(yōu)化場地內(nèi)的熱力分布、風(fēng)與日照環(huán)境，最大程度地減小建筑的運(yùn)行碳[17]。同時(shí)基于場地周邊的生態(tài)條件，CIRS 通過綠化景觀的整合設(shè)計(jì)、雨水收集與回用等可持續(xù)設(shè)計(jì)策略來解決建筑與場地相融的問題，形成循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

在CIRS 的設(shè)計(jì)中考慮了諸多場所的氣候適應(yīng)性驅(qū)動(dòng)因素，包括場地條件、小氣候、周圍環(huán)境、校園可達(dá)性、建筑尺度與交通。場地環(huán)境的兩個(gè)關(guān)鍵要素是其東西向海拔約三米的高差和與可持續(xù)發(fā)展街道的毗鄰?？沙掷m(xù)發(fā)展街道是結(jié)合景觀和城市基礎(chǔ)設(shè)施的項(xiàng)目，交通基礎(chǔ)設(shè)施，無障礙步行，本地種植，雨水保留，生物過濾和地下水補(bǔ)給。為了呼應(yīng)城市界面關(guān)系，建筑外輪廓幾乎延伸到用地邊緣，以滿足建筑密度和增加建筑可見性的需求（圖6）。

圖6： CIRS建筑周邊的場地環(huán)境

建筑占據(jù)了大部分場地，僅留出沿用地西南側(cè)的一小片景觀區(qū)域。景觀區(qū)域設(shè)計(jì)為雨水花園和生態(tài)廊道，結(jié)合西立面的綠化墻面和禮堂頂部的生態(tài)屋頂，使場地內(nèi)達(dá)到45%的景觀覆蓋率（圖7）。設(shè)計(jì)巧妙地運(yùn)用了豐富的景觀元素，通過植物的綠地碳匯中和建筑對場地的生態(tài)影響。景觀植物由本地灌木，地被植物、爬藤、多年生植物與蕨類植物等混合搭配而成，以吸引本地的鳥類、蜜蜂、蝴蝶和蒼鷺等動(dòng)物。植物的混合種植與鳥類、昆蟲共同構(gòu)成了具有生物多樣性的適應(yīng)性微型生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)場地內(nèi)的100%的雨水在現(xiàn)場進(jìn)行處理、使用或是滲透，有效解決了降雨與雨水徑流問題。旱季無需額外的灌溉，雨季多余的水量則疏導(dǎo)至毗鄰的可持續(xù)發(fā)展街道景觀滲水池中，具備完全的場地適應(yīng)性。

圖7： 由雨水花園、綠化墻面和生態(tài)屋頂組成的建筑場地景觀系統(tǒng)

2.建筑體形

CIRS 的體形是由建筑物的功能需求、場地的局限性以及各種機(jī)遇共同驅(qū)動(dòng)的，通過建筑構(gòu)形、空間組織等被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略最大程度地減少建筑運(yùn)行碳[18]。建筑的體形適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為熱性能體形調(diào)控與風(fēng)性能體形調(diào)控兩種方式。通過熱環(huán)境性能模擬，CIRS 被設(shè)計(jì)為四層的“ U”形體量，以環(huán)抱的半圍合布局融于場地之中，并將體形系數(shù)控制為0.28。“ U”形折面以延展熱交換界面的方式進(jìn)行熱量補(bǔ)償，在冬季保證室內(nèi)獲得足夠的太陽輻射熱，夏季則形成部分形體自遮陽，屏蔽了過多的太陽輻射熱（圖8）。

圖8： “U”形體量的太陽輻射熱分析

在風(fēng)性能體形調(diào)控上，“ U”形體量同樣順應(yīng)當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向和環(huán)境需求，通過導(dǎo)風(fēng)形體擴(kuò)大了建筑夏季對自然通風(fēng)的利用，背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)壓力的提升也進(jìn)一步加強(qiáng)了拔風(fēng)效果[19]（圖9）。建筑利用負(fù)體形的風(fēng)調(diào)控機(jī)制，在大進(jìn)深平面中置入熱壓豎井。設(shè)計(jì)首先將南北首層打通，實(shí)現(xiàn)了南北空間貫通的穿堂風(fēng)，結(jié)合中庭設(shè)置狹長的豎向通風(fēng)空間，通過調(diào)整豎井體形高寬比和口底比，以及屋頂自動(dòng)通風(fēng)口強(qiáng)化拔風(fēng)效果[20]（圖10）。有效的風(fēng)性能形體調(diào)控能達(dá)至每年超過32%的時(shí)間可用自然通風(fēng)（空氣速率＞0.6m/s），達(dá)到優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境的目的，降低空調(diào)能耗。

圖9： “U”形體量的自然通風(fēng)分析

圖10： CIRS中熱壓豎井的拔風(fēng)效應(yīng)

3.表皮系統(tǒng)

建筑表皮作為聯(lián)系室內(nèi)外環(huán)境的界面，對建筑的氣候適應(yīng)性表現(xiàn)起著舉足輕重的作用[21]。CIRS 的表皮系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)被動(dòng)式的調(diào)節(jié)手段，試圖以材料、形態(tài)、空間與構(gòu)造類型上的優(yōu)化設(shè)計(jì)促使綠色建筑的自主性回歸[22]。在操作層面上，依循表皮與復(fù)雜氣候環(huán)境的作用機(jī)制，CIRS 采取控制傳熱系數(shù)、生態(tài)介質(zhì)表皮、光熱平衡遮陽等表皮設(shè)計(jì)策略來解決當(dāng)?shù)囟膬杉镜牟晒馀c遮陽、保溫與散熱等差異化需求的矛盾。

溫哥華冬季的室外氣溫約為0～13℃，而采暖的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度維持在20℃左右。在室內(nèi)外溫差較大的情況下，建筑表皮的傳熱系數(shù)（U 值）在冬季和夏季的能耗就起到非常巨大的作用。CIRS 選取了高性能窗，包括采用PVC 窗框的三層玻璃幕墻和鋁合金窗框的雙層玻璃窗，其窗體的綜合U 值僅為0.85W/m2K。同時(shí)，表皮外墻大范圍采用了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的杉木飾面，其U 值為0.14W/m2K，而建筑端部采取的白色混凝土磚的U 值也控制在0.17W/m2K?？紤]到導(dǎo)熱傳熱，較低的表皮U 值可以在夏季降低空調(diào)熱損失，而在冬季避免表皮的得熱。

對CIRS 而言，建筑環(huán)境與自然系統(tǒng)之間的整合也至關(guān)重要。作為建筑生態(tài)整合系統(tǒng)的視覺呈現(xiàn)，建筑巧妙運(yùn)用了生態(tài)介質(zhì)表皮，利用植物的整體性生態(tài)覆蓋實(shí)現(xiàn)表皮單元與氣候的交互。建筑西立面的立體綠化結(jié)合了栽種式與攀援式的優(yōu)勢，將種植槽設(shè)置于每個(gè)樓層底部，外布金屬框架與細(xì)密格網(wǎng)，攀爬力強(qiáng)的落葉葡萄藤包裹整個(gè)立面形成綠色屏障（圖11）。其枝葉一年四季都在變化，夏季茂盛的枝葉能夠提供遮陽，冬季葉落又能滿足采光需求。一年中跟隨季節(jié)變化的顏色，也增添了表皮的動(dòng)態(tài)變化，為CIRS 營造出動(dòng)感十足的公眾形象（圖12）。禮堂屋頂覆蓋著原生植物園，涵蓋了多樣的本土地被植物與灌木，以適應(yīng)干旱的氣候條件及較淺的土壤層。屋頂花園也是建筑水管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，土壤層下方的波紋排水層通過吸收和利用屋頂上的雨水作為灌溉并減少雨水徑流。

圖11： 建筑立體綠化構(gòu)造節(jié)點(diǎn)與實(shí)景

圖12： 建筑立體綠化的四季動(dòng)態(tài)變換

建筑南立面需要在自然采光與太陽輻射之間尋求平衡，建筑師采用光熱平衡遮陽來解決這一矛盾。根據(jù)建筑對光熱環(huán)境的需求，遮陽構(gòu)件被設(shè)計(jì)為覆蓋光伏電池的鋁制水平遮陽板，旋轉(zhuǎn)30°的設(shè)置則在保證光熱效率的同時(shí)能夠有效遮擋夏季的太陽輻射，在冬季時(shí)又有利于適宜的自然光線滲透（圖13）。這一設(shè)置可減少70%的光能耗，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境舒適度與降低碳排放的雙重目標(biāo)。

圖13： 建筑表皮的光熱平衡遮陽

4.技術(shù)設(shè)備

在CIRS 的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)中，建筑師優(yōu)先運(yùn)用各種被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略最大程度地減少建筑能耗，然后通過主動(dòng)式技術(shù)系統(tǒng)收集可再生能源和廢棄能源來滿足剩余的能耗，消除運(yùn)行碳。[23]CIRS 充分利用多重主動(dòng)式技術(shù)設(shè)備的協(xié)同合作，采取分布式能源系統(tǒng)和水系統(tǒng)，整合太陽能和雨水以滿足建筑供暖、照明及灌溉等需求。[24]

作為場地內(nèi)能夠直接獲取的可再生能源，CIRS 運(yùn)用太陽能集熱器和光伏電板對太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)化和利用。這些能源組件不僅為建筑減碳提供了有效的技術(shù)支撐，其與建筑表皮的結(jié)合也賦予了建筑表達(dá)更多的可能性。CIRS 屋頂上40m2的真空管集熱器在夏季能夠提供15100kWh 的熱量；25kW 功率的光伏電板被整合于建筑立面和中庭屋頂之中，形成光伏建筑一體化（BIPV），在為建筑提供有效的遮陽的同時(shí)其每年22148kWh 的產(chǎn)電量也能滿足建筑10%的用電量。

CIRS 的加熱與冷卻源由三個(gè)不同的熱源系統(tǒng)提供。主熱源來自于熱回收系統(tǒng)從相鄰的地球與海洋科學(xué)大樓（EOS）的通風(fēng)柜收集的排氣廢熱，并轉(zhuǎn)移至CIRS 的熱泵中。熱泵通過輻射地板和置換通風(fēng)系統(tǒng)為建筑提供加熱與冷卻。第二個(gè)熱源是CIRS 自身的廢熱回收，用于建筑熱水系統(tǒng)；最后的熱源來自于場地內(nèi)的地源熱泵，它是對熱交換系統(tǒng)的有利補(bǔ)充，并在運(yùn)行時(shí)保證將CIRS 多余的熱量返回給EOS。CIRS每年輸送給EOS 的熱量為622070kWh，而從UBC 電網(wǎng)獲取的電量僅為613540kWh，在實(shí)現(xiàn)負(fù)碳的同時(shí)也滿足了CIRS 的能源平衡與碳中和目標(biāo)（圖14）。

圖14： 建筑可再生能源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制分析圖

CIRS 的水系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為完全自給自足，1000m2的屋頂全年可收集雨水約1220kL，所有的飲用水皆由收集到的雨水提供。設(shè)計(jì)采取簡單的系統(tǒng)，雨水從建筑物的屋頂收集并儲(chǔ)存在建筑物下方的蓄水池中。雨水經(jīng)過現(xiàn)場過濾、消毒以及pH值調(diào)整，分布于建筑物內(nèi)，作為飲用水（圖15）。同時(shí)，建筑中所有的再生水100%來自于建筑和校園下水道，通過固定的裝置收集并在現(xiàn)場進(jìn)行處理和再利用。大樓西南角的太陽能水生系統(tǒng)（The Solar Aquatic System）是一個(gè)模擬天然水凈化過程的生態(tài)工程體系，通過它處理過的水在建筑物內(nèi)重新用于灌溉和沖廁，形成閉環(huán)水循環(huán)（圖16）。

圖15： 建筑雨水的收集、處理、儲(chǔ)存和利用

圖16： 建筑水系統(tǒng)閉水循環(huán)分析圖

5.材料體系

CIRS 的材料選擇充分關(guān)注對環(huán)境和人體健康的影響，是建筑的視覺表達(dá)、成本、耐久性、再利用以及全生命周期碳排放等方面綜合考量的結(jié)果。建筑的材料體系主要包括木材、白磚、透明玻璃和中性色混凝土。建筑師通過探索本土及生態(tài)材料，關(guān)注建筑材料的耐久性，充分利用可回收材料等方式中和了建筑的隱含碳[25]。

1）結(jié)構(gòu)材料

在建筑結(jié)構(gòu)材料選擇中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)綜合比較了鋼筋混凝土和膠合木的碳足跡，發(fā)現(xiàn)膠合木結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳排放少74%。建筑的重型結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用GLT，而規(guī)格材膠合木構(gòu)件則用于結(jié)構(gòu)裝飾和地板。在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師打算選取加拿大森林資源管理委員會(huì)（FSC）認(rèn)證的膠合木產(chǎn)品，但考慮是本地木材產(chǎn)品具有材料獲得性強(qiáng)，加工強(qiáng)度低，以及較低的碳排放強(qiáng)度等優(yōu)勢，最終50%的結(jié)構(gòu)木制品來自本地，其余的來自FSC 認(rèn)證的木產(chǎn)品（圖17）。通過綜合計(jì)算，CIRS 的木結(jié)構(gòu)在木材的采伐、加工和運(yùn)輸全過程的凈碳排放為0.9 噸/m3。整個(gè)建筑使用的木材在其使用階段能夠存儲(chǔ)600 噸的二氧化碳，比其他建筑材料制造和運(yùn)輸中消耗的525 噸二氧化碳還少，因此CIRS 實(shí)現(xiàn)了建筑材料的負(fù)碳足跡（圖18）。

圖17： 建筑中木結(jié)構(gòu)材料的運(yùn)用

圖18： 建筑綜合建材實(shí)現(xiàn)負(fù)碳足跡

2）表皮材料

為了延續(xù)歷史文脈，UBC 校園內(nèi)大量使用的白色燒窯黏土磚成為建筑表皮的首選材料。然而燒窯磚遠(yuǎn)在500 公里以外的地方制作，而當(dāng)?shù)厥a(chǎn)混凝土磚，設(shè)計(jì)最終選擇了白色混凝土磚，以同時(shí)滿足建筑的文化審美以及碳排放需求。彩色雪松板是另一種能夠滿足建筑可持續(xù)目標(biāo)及UBC校園準(zhǔn)則的木制覆層材料，能夠在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件下維持10 年以上，同時(shí)替換拆除時(shí)可回收用于居民家庭生活裝飾，將材料的蘊(yùn)能量降至最低。表皮中最為突出的元素是西立面的垂直綠化和禮堂的屋頂綠化，生態(tài)表皮不僅通過遮蔽建筑減少熱島效應(yīng)、降低碳排放，同時(shí)也提供各類小動(dòng)物的棲息場所，并傳達(dá)出作為氣候適應(yīng)性建筑的獨(dú)特氣質(zhì)（圖19）。

圖19： 由白色黏土磚、彩色雪松板和綠色植物組成的表皮材料

三、思考總結(jié)：碳中和視角下氣候適應(yīng)性建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

經(jīng)過各個(gè)層級(jí)的整合設(shè)計(jì)，CIRS 的卓越性能獲得了LEED 鉑金級(jí)的認(rèn)可，評委認(rèn)為它在可持續(xù)場地、用水效率、能源、材料以及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等5 個(gè)層面均實(shí)現(xiàn)了凈零碳的目標(biāo)：1）建筑場地的植被覆蓋率為44%，且全部為本地的適宜性植物，所有的雨水均在場地內(nèi)進(jìn)行處理、使用與滲透；2）現(xiàn)場收集的雨水能夠100%滿足飲用水需求，并在現(xiàn)場運(yùn)用生物系統(tǒng)過濾凈化廢水，實(shí)現(xiàn)閉水循環(huán)；3）建筑充分利用太陽能與建筑中的廢熱，并與地源進(jìn)行供暖和制冷交換，每年將600 兆瓦時(shí)的剩余能源反饋校園，同時(shí)減少170 噸的溫室氣體排放；4）建筑的木材固碳量高達(dá)904 噸，與UBC 校園內(nèi)的其他建筑相比，碳足跡減少了近90%。5）建筑的工作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了日間100%的自然采光，室內(nèi)公共區(qū)域大部分時(shí)間使用自然通風(fēng)，風(fēng)速維持在適宜的0.6～1.2 m/s 區(qū)間內(nèi)，建筑的垂直綠化為室內(nèi)環(huán)境持續(xù)供氧，并提供適應(yīng)個(gè)人需求的可調(diào)控空間。

CIRS 通過建筑場地、形式、表皮、技術(shù)和材料的整體設(shè)計(jì)來響應(yīng)氣候，實(shí)現(xiàn)能量交換，滿足人體舒適度需求[26]，并在此過程中逐級(jí)實(shí)現(xiàn)了碳中和目標(biāo)。本文通過對其設(shè)計(jì)策略的詳細(xì)剖析，可形成如下認(rèn)識(shí)：

1.在理論機(jī)制上，首先強(qiáng)調(diào)的是將碳平衡作為氣候適應(yīng)性建筑的衡量目標(biāo)與效果導(dǎo)向。建筑師應(yīng)充分挖掘自然氣候資源，采取適宜的設(shè)計(jì)策略，在實(shí)現(xiàn)零碳排的同時(shí)滿足建筑的氣候適應(yīng)性需求。這使設(shè)計(jì)過程成為一個(gè)復(fù)雜的平衡行為，建筑師必須在一個(gè)邏輯清晰的策略框架下將這些問題重新整合，并最終體現(xiàn)在氣候適應(yīng)性建筑的高性能表現(xiàn)中[27]。

2.在物質(zhì)要素上，大力推進(jìn)以減少運(yùn)行碳和隱含碳為核心指向的建筑諸要素優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照優(yōu)先等級(jí)，可以在三個(gè)不同層次上實(shí)現(xiàn)建筑的脫碳：1）將被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略置于氣候適應(yīng)性建筑的上位，通過充分利用氣候資源降低建筑的運(yùn)行碳；2）使用可再生能源設(shè)備體系來滿足剩余的低能源需求，其中現(xiàn)場可再生能源優(yōu)先于場外可再生能源；3）發(fā)揮本土材料、可再生材料的積極作用，在建筑的整個(gè)生命周期內(nèi)減少其隱含碳。

3.在方法策略上，始終貫徹場地環(huán)境、建筑體形、表皮系統(tǒng)、技術(shù)設(shè)備和材料體系等逐個(gè)層面的全程控制與整合設(shè)計(jì)。其中，場地環(huán)境依賴于有效的綠植固碳和雨水收集，優(yōu)化場地內(nèi)的微氣候；建筑體形設(shè)計(jì)作為首要的調(diào)控策略，以自遮陽與自得熱、導(dǎo)風(fēng)與阻風(fēng)、空間梯度組織、熱壓豎井為代表的關(guān)鍵技術(shù)是促成風(fēng)熱協(xié)同工作，整體優(yōu)化建筑性能的有效設(shè)計(jì)有段；建筑表皮的“界面”屬性導(dǎo)致其需要合理應(yīng)對與氣候環(huán)境間的相互影響與作用，生態(tài)介質(zhì)表皮、光熱平衡遮陽、被動(dòng)式氣候調(diào)節(jié)腔層、熱質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)儲(chǔ)等交互式技術(shù)策略能夠賦予建筑表皮類似生命體般更為復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，保障建筑需求與氣候資源間的能量平衡；可再生能源技術(shù)設(shè)備是對建筑能耗的有效碳補(bǔ)償。關(guān)注太陽能的有效利用，推進(jìn)光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，尤其光伏系統(tǒng)與建筑表皮的一體化集成，以及相關(guān)系統(tǒng)的模塊化整合應(yīng)成為當(dāng)前著力發(fā)展的新方向；建筑材料的選擇過程需充分考慮其隱含碳量。原生材料（木材儲(chǔ)碳）、本土材料（磚石、夯土低碳）的優(yōu)先選配，可回收材料的裝配、整合與全生命周期利用，是降低碳排放至關(guān)重要的途徑，應(yīng)予以足夠的重視。

碳中和導(dǎo)向的氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)首先依賴于合理的場地布局、外部形體和表皮構(gòu)造，其次是適宜的可再生能源設(shè)備與表皮材料。建筑師需要掌握氣候適應(yīng)性建筑的基本原理，理解建筑所在場域的氣候環(huán)境，以碳平衡為訴求綜合權(quán)衡各層面設(shè)計(jì)要素，運(yùn)用集成化設(shè)計(jì)策略回應(yīng)碳中和理念[28]，持續(xù)推動(dòng)建筑的可持續(xù)發(fā)展。