從節(jié)能角度探究建筑物圍護結(jié)構(gòu)的演變

QU Cuisong

0 引言

建筑首先通過外圍護結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在人們眼前，它受制于材料和建造技術(shù)水平以及使用功能等需求，甚至還受制于當(dāng)下的政治取向，在相當(dāng)程度上體現(xiàn)了建筑的發(fā)展。本文從節(jié)能角度縱觀外圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展，嘗試揭示建筑在不同時期的關(guān)聯(lián)性及其未來發(fā)展趨勢。

1 外圍護與承重功能的分離

人類的建筑發(fā)展到現(xiàn)今可以劃分為三個階段，大體上與生產(chǎn)力的發(fā)展階段類似，即農(nóng)耕時代建筑、工業(yè)化時期建筑以及目前的建筑。由于歷史學(xué)家對目前這個階段的定義還不確定，這里暫且稱之為后工業(yè)化時期建筑。在農(nóng)耕時代，生產(chǎn)方式落后，材料技術(shù)與運輸業(yè)均不發(fā)達(dá)，建造多是就地取材，廣泛使用天然材料如黏土、木材、石料以及后來出現(xiàn)的易于加工生產(chǎn)的黏土磚等。無論采用何種材料，這個時期的建筑結(jié)構(gòu)都具有一個共同的特征，即外圍護結(jié)構(gòu)同時具有承重和圍護雙重功能：堅固，能夠支撐屋頂或其他上部結(jié)構(gòu)；遮風(fēng)擋雨、內(nèi)外分隔。因此，用于采光的窗戶不能太大，進(jìn)入室內(nèi)的光線很少。除了少數(shù)的穹窿結(jié)構(gòu)建筑能夠做到跨度較大，其它類型建筑均開間較小，建筑總體來說呈現(xiàn)外形封閉、內(nèi)部昏暗以及空間局促的特征。

到了工業(yè)化時代，鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，還出現(xiàn)了鋼筋混凝土這種合成材料，借助于框架結(jié)構(gòu)這一成熟的承重體系，外圍護結(jié)構(gòu)從承重功能中徹底分離出來，建筑跨度也大大增加。因無需承重，建筑的外立面一改傳統(tǒng)建筑的厚重外表，變得簡潔、輕盈。關(guān)于這兩個時期建筑的比較，勒·柯布西耶在他1930 年出版的著作《建筑和城市規(guī)劃現(xiàn)狀細(xì)節(jié)》中通過圖解的方式指出：“窗戶穿透需要支撐屋頂?shù)膶崏Α@是個自相矛盾的程序；開窗意味著削弱墻體的承載力。承重和采光這兩個功能之間確實是有區(qū)別的?！比鐖D1 所示。

圖1 勒·柯布西耶建筑草圖

承重與圍護功能的分離使得立面成了“外表皮”，建筑的“骨頭”被包在里面。這一時期的建筑美學(xué)追求的是表皮越通透越簡潔越好，因此，建筑立面越來越多地采用玻璃。這種需求促進(jìn)了建材工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致玻璃這種原本很昂貴的材料在工業(yè)化生產(chǎn)模式下被大批量快速生產(chǎn)，價格也變得低廉，這反過來又促進(jìn)了玻璃在建筑中被更廣泛使用。玻璃幕墻采用大面積單層玻璃和極細(xì)的鋼框構(gòu)件，早在19 世紀(jì)的英國就已經(jīng)用于溫室建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，到了20 世紀(jì)初，由于現(xiàn)代主義的國際化，更是成為了現(xiàn)代建筑的“標(biāo)志”（圖2）。

圖2 現(xiàn)代主義標(biāo)志性建筑

2 外圍護結(jié)構(gòu)功能的細(xì)化與完善

雖然一開始就有對反傳統(tǒng)、格式化和城市千篇一律的批判，但是真正引起人們對這種建筑（方式）進(jìn)行反思的契機是20 世紀(jì)六七十年代的兩次能源危機。單層玻璃和極細(xì)的鋼窗框賦予了現(xiàn)代主義建筑的本質(zhì)特征，但由于其熱工性能極差，使得建筑在冬季需要消耗大量能量用于取暖，而夏季室內(nèi)又由于玻璃圍護結(jié)構(gòu)的溫室效應(yīng)積聚過多的熱量，如果不用機械制冷，室內(nèi)的高溫則無法忍受。由于能源價格日益上漲，建筑能耗大成為關(guān)注焦點，尤其在北方寒冷地區(qū)表現(xiàn)甚為明顯。北歐和西歐的國家很早就開始在降低建筑冬季的取暖能耗上下功夫，并對建筑能耗做了一系列逐步升級的法律規(guī)定，如德國的建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)就經(jīng)歷了WSVO1984、WSVO1995、EnEV 2004 以及此后的07、09、13 和16 各種升級版本，節(jié)能建筑根據(jù)其能耗等級被劃分為低能耗建筑、3 升房、被動式建筑、零能耗建筑等。

要滿足這些節(jié)能法規(guī)的要求、達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能等級，必須對外圍護結(jié)構(gòu)采取一系列相應(yīng)的措施，其中最為關(guān)鍵的是改善外墻和門窗的熱工性能。玻璃門窗的保溫性能遠(yuǎn)不如墻體材料，要防止冬季室內(nèi)的熱量過多地通過建筑外圍護結(jié)構(gòu)散失，必須限制開窗面積并調(diào)整建筑的體型系數(shù)。建筑的節(jié)能等級越高，對窗墻比的規(guī)定就越嚴(yán)格，盛行于20 世紀(jì)八九十年代的玻璃幕墻也被禁止使用。這樣一來，建筑又呈現(xiàn)出較為厚實的外部特征，建筑的形體也受到了限制（圖3、4）。

圖3 第一幢被動式節(jié)能建筑（Kranichstein,Darmstadt）

圖4 一幢普通的被動式節(jié)能建筑（德國）

3 從被動式到主動式

人們總是向往充滿陽光的室內(nèi)環(huán)境，要滿足這一愿望勢必要增大開窗面積，同時還必須滿足節(jié)能法對建筑的能耗要求，提高門窗的保溫性能就成了建筑工業(yè)努力的目標(biāo)。21 世紀(jì)以來，門窗的保溫性能越來越好，節(jié)能窗從早期的雙層玻璃發(fā)展到三層甚至四層玻璃，窗框材料和節(jié)點構(gòu)造都有了很大的發(fā)展，由于采用斷熱構(gòu)造，其保溫性能得以極大提升。目前采用四層玻璃的窗戶總體U 值可以達(dá)到0.4 左右，已經(jīng)和實體墻的U 值相差不遠(yuǎn)了（圖5）。

圖5 德國帕森窗技術(shù)公司生產(chǎn)的4 層中空玻璃窗

同時，太陽能光電光熱技術(shù)經(jīng)過近40 年的發(fā)展，在產(chǎn)品性能提高的同時其價格則大大減低，原來較為昂貴的太陽能技術(shù)和產(chǎn)品可以大量地運用到建筑工程中去，建筑的節(jié)能技術(shù)也不再局限于被動式節(jié)能，而是逐漸向主動式產(chǎn)能過渡。

被動式建筑，其建筑形體和外圍護結(jié)構(gòu)窗墻比都有較為嚴(yán)格的要求，而主動式建筑，更加關(guān)注建筑整體的能量平衡，從而給予建筑更多利用綜合性節(jié)能措施的可能性，建筑的表現(xiàn)空間更大。2014 年建成于德國法蘭克福的主動式城市集合住宅（建筑師：HHS 建筑與規(guī)劃事務(wù)所），作為這一發(fā)展趨勢的實踐先驅(qū)，充分展示了建筑外圍護結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)：建筑不再拘泥于對門窗開啟面積的限制，而是專注于如何將透明的表皮利用起來，通過被動式太陽能利用和主動式產(chǎn)能相結(jié)合達(dá)到預(yù)期的建筑能量平衡（圖6）。

正能量房4.0 是同濟大學(xué)和德國達(dá)姆施塔特大學(xué)在2018 年中國國際太陽能競賽中的聯(lián)合參賽項目，也是目前我國唯一一幢遵循主動式原則建成的建筑。項目位于我國太陽能資源較為豐富的德州市，是一幢建筑面積約200 m2的二層住宅。主體建筑南側(cè)完全采用與樓層等高的落地推拉門窗作為外圍護結(jié)構(gòu)，外側(cè)設(shè)置由單層推拉玻璃扇圍合而成的緩沖區(qū)，以達(dá)到冬季太陽光熱被動式利用的最大化。北側(cè)采用同樣的落地門窗，面積與南側(cè)相比減小一半，外側(cè)設(shè)置兼有交通功能的緩沖區(qū)以降低冬季建筑熱損失。建筑在冬季不需采暖，夏季極端炎熱期使用冷輻射吊頂制冷，能量來自于由屋面鋪設(shè)的雙面太陽能光伏板發(fā)電。能夠做到這一點得益于采用了保溫隔熱性能極佳的門窗產(chǎn)品以及外墻保溫材料。這樣的設(shè)計使得建筑室內(nèi)通透明亮，用戶舒適度極高（圖7）。

4 以產(chǎn)能為導(dǎo)向的外圍護結(jié)構(gòu)一體化發(fā)展趨勢

自從建筑外圍護結(jié)構(gòu)的圍護功能與其承重功能分離以來，經(jīng)過了早期的全面“放開”階段和受節(jié)能法規(guī)約束的被迫收斂階段，建筑正在朝主動式產(chǎn)能方向發(fā)展，建筑通透性重新回升，但與之前單純的通透大不相同。未來的外圍護結(jié)構(gòu)，既要使室內(nèi)光線充足，有極佳的保溫隔熱性能，同時還要盡可能生產(chǎn)清潔能量，通過產(chǎn)能功能與立面模塊的量化整合優(yōu)化，使窗的功能得以拓展。

圖6 德國法蘭克福主動式城市集合住宅

圖7 正能量房4.0

在保證通透性的情況下，降低能耗和擴大建筑產(chǎn)能的途徑之一是借助玻璃鍍膜技術(shù)的發(fā)展。例如，柏林新近建成的“立方”辦公商業(yè)綜合樓，其外立面的玻璃鍍膜已經(jīng)可以完美地做到給建筑降溫（圖8），產(chǎn)能型產(chǎn)品的開發(fā)與實現(xiàn)應(yīng)該也不會遙遠(yuǎn)。同時，窗構(gòu)造技術(shù)將隨著產(chǎn)品的不斷升級以及新的發(fā)現(xiàn)而改進(jìn)，可控一體化遮陽可與太陽能發(fā)電功能相結(jié)合，玻璃窗體的空腔功能亦將被進(jìn)一步發(fā)掘。

圖8 柏林立方（Cube Berlin）外立面

5 結(jié)語

外圍護結(jié)構(gòu)的功能和構(gòu)造方式在很大程度上決定了建筑的發(fā)展，從農(nóng)耕時代單層厚重、工業(yè)化時期單層輕薄、后工業(yè)化時期多層厚重，到今天正在轉(zhuǎn)向多層通透，發(fā)展趨勢逐步與能耗緊密關(guān)聯(lián)起來，節(jié)能和產(chǎn)能功能在外圍護結(jié)構(gòu)的屬性中占比越來越高。發(fā)展低能耗、產(chǎn)能高、通透性好和可持續(xù)的建筑外圍護結(jié)構(gòu)，是與建筑相關(guān)的各行各業(yè)的共同努力目標(biāo)。