主動(dòng)式太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計(jì)的結(jié)合

丁英杰 胡博雅

1.太陽能技術(shù)的背景與問題

我國建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，建筑能耗比重日益增大，因此，設(shè)計(jì)一棟建筑時(shí)，要加強(qiáng)各種能源的節(jié)約和利用。對太陽能的利用，充分體現(xiàn)了節(jié)能理念，采用太陽能取暖設(shè)施比常規(guī)設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)。主動(dòng)式太陽能采用的收集器附在建筑及其結(jié)構(gòu)之上，是一套單獨(dú)需要功能的裝置，如太陽能熱水器、太陽能光伏板。它與立面相結(jié)合并應(yīng)用時(shí)，往往作為后置構(gòu)件出現(xiàn)，忽略了其外形與建筑本身的聯(lián)系，未將它作為建筑的有機(jī)組成部分，給建筑立面帶來了不好的影響。在結(jié)合時(shí)，應(yīng)考慮太陽能構(gòu)件的顏色、造型、位置等因素，與建筑立面產(chǎn)生聯(lián)系，并在建造建筑時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)埋件以及預(yù)埋位置。除此之外，還有很多構(gòu)件排列凌亂、規(guī)格不統(tǒng)一等問題出現(xiàn)。

2.太陽能技術(shù)結(jié)合建筑立面設(shè)計(jì)的探索

隨著綠色建筑不斷得到社會和大眾的重視，主動(dòng)式太陽能技術(shù)得到了空前的快速發(fā)展，這種發(fā)展不僅指技術(shù)性能的發(fā)展，而且太陽能組件在尺寸、形態(tài)、色彩、透明度、組裝方式等方面也得到了改良。同時(shí)隨著大眾審美標(biāo)準(zhǔn)和社會文化藝術(shù)要求的不斷提高，太陽能組件的應(yīng)用不僅要與自然環(huán)境條件相適宜，也要符合美學(xué)法則，這就需要設(shè)計(jì)者結(jié)合建筑造型特點(diǎn)與太陽能組件的美學(xué)特性，運(yùn)用色彩肌理、統(tǒng)一變化、節(jié)奏韻律、對比微差這四方面的設(shè)計(jì)策略，將建筑與太陽能組件融為一體。

2.1 色彩與肌理

建筑立面的藝術(shù)除建筑本身造型外，與其外表面材料的色彩肌理是離不開的。由于自然條件需要，太陽能組件往往被放置在南面及陽光所及之處，這些部位一般是立面中最引人注目的位置，因此它的色彩肌理必須與建筑造型風(fēng)格相協(xié)調(diào)。目前的主動(dòng)式太陽能技術(shù)主要分為光電系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)，光熱系統(tǒng)主要為集熱器，種類顏色單一，光電系統(tǒng)也就是光伏板，種類多樣，色彩、尺寸、透明度等均可定制。傳統(tǒng)的光伏板主要是晶硅片，單晶硅呈黑色，多晶硅呈藍(lán)色，多給人沉穩(wěn)、端莊、崇高的感受，一般應(yīng)用于辦公樓、政府大樓等，營造嚴(yán)肅、知性、理智的建筑氛圍，可與混凝土、玻璃、鋼等材質(zhì)結(jié)合。但由于晶硅片的不透光性，薄膜電池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種光伏板不僅透光，而且顏色及點(diǎn)陣圖案多樣，可根據(jù)設(shè)計(jì)意圖自行選擇，多嵌入窗戶或光伏幕墻中，不僅豐富了立面肌理，并且在室內(nèi)形成光影變化。目前出現(xiàn)了新型光伏電池技術(shù)，其透光性極強(qiáng)，但由于技術(shù)仍不成熟，還未大量推廣，未來其完全可以與大規(guī)模玻璃幕墻結(jié)合，取代傳統(tǒng)玻璃。除了作為輔助材料與其他材料結(jié)合，太陽能構(gòu)件還可以作為建筑立面的主要材料，通過與其他材料的配合，將自身顏色作為主要顏色，塑造全新的建筑立面肌理，如海南英利大樓，就是將深藍(lán)色光伏板作為主要立面材料組成幕墻，橫條狀深藍(lán)色玻璃裝飾，在陽光照射下熠熠發(fā)光。

2.2 統(tǒng)一與變化

統(tǒng)一與變化是形式美的基本法則，統(tǒng)一是指各元素之間的聯(lián)系和共同特性，變化是指各元素之間的區(qū)別差異，兩者相輔相成，缺少統(tǒng)一就會毫無秩序，缺少變化會單調(diào)無趣。太陽能組件在剛剛應(yīng)用時(shí)，往往游離于建筑之外，作為建筑的附屬功能構(gòu)件，尤其是在應(yīng)用于既有建筑時(shí)，就更需要借助統(tǒng)一與變化將兩者融合。在設(shè)計(jì)初期往往將統(tǒng)一作為主線，一是色彩與肌理的統(tǒng)一，主要是太陽能構(gòu)件作為輔助材料與建筑主要材料所營造氛圍須一致；二是各元素之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，當(dāng)太陽能構(gòu)件作為點(diǎn)、線、面元素進(jìn)行構(gòu)圖時(shí)，其形狀、比例、尺度、組合方式等應(yīng)與立面其他元素相一致，如中國德州太陽谷，建筑展現(xiàn)給人的立面呈半圓形，太陽能板的排布便按半圓形，建筑立面變規(guī)整統(tǒng)一。統(tǒng)一并不意味著完全沒有變化，可通過增加立面元素或材質(zhì)尋求變化，但一般不要超過三種，如國家電力投資辦公樓外立面就采用了深色BIPV 光伏組件和透光玻璃兩種元素，形狀尺寸一致，并通過線性構(gòu)圖使立面既富有變化又統(tǒng)一整體；當(dāng)立面元素單一，僅僅為太陽能構(gòu)件時(shí)，可通過改變方向、按比例縮放等方式產(chǎn)生韻律及動(dòng)感或形成某種漸變或放射效果。任何美的事物都是統(tǒng)一與變化、簡單與復(fù)雜共存的，就如電影中要有一或兩條主線貫穿始終，圍繞主線展開豐富的故事情節(jié)，在建筑立面設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往會采用豐富多樣的手法和元素，經(jīng)過有序的組合使各部分達(dá)到統(tǒng)一，產(chǎn)生立面藝術(shù)效果。

2.3 節(jié)奏與韻律

節(jié)奏與韻律是在統(tǒng)一與變化的基礎(chǔ)上，同種可見元素通過某種規(guī)則的重復(fù)形成一種有秩序的動(dòng)感。韻律是一種停留在表象上的連續(xù)有條理的元素重復(fù)的構(gòu)圖形式，這種形式使得立面更加簡潔、協(xié)調(diào)，同時(shí)使得立面產(chǎn)生某種節(jié)奏感。能應(yīng)用于建筑立面的韻律形式有很多種，一是連續(xù)韻律，太陽能構(gòu)件本身便帶有韻律，晶硅片中電池的排布、薄膜電池光伏板中的點(diǎn)陣都是元素的有規(guī)律的重復(fù)，我們可以將固定形狀的組件作為主元素不斷重復(fù)，形成勻速移動(dòng)的節(jié)奏動(dòng)感；二是漸變韻律，可以等倍數(shù)改變其排布間距，形成加速運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏感，也可以保持其比例不變排布時(shí)按一定倍數(shù)縮放，甚至可以僅僅改變組件的方向（最好是根據(jù)太陽角度和天氣智能旋轉(zhuǎn)），韻律依然存在，形成漸變生長的動(dòng)感，如美國芝加哥太陽大廈外立面僅采用圓形太陽能收集器，這些太陽能板會自動(dòng)跟隨太陽旋轉(zhuǎn)角度，形成螺旋向上之感。通過這種設(shè)計(jì)策略，可以將代表現(xiàn)代科技的太陽能技術(shù)有秩序地與傳統(tǒng)建筑立面結(jié)合，形成一種新的生態(tài)藝術(shù)形式。

2.4 對比與微差

對比是指元素之間顯著的差異，微差是指元素間細(xì)微的差異，這兩者之間沒有明確的界限，缺一不可。當(dāng)一種元素運(yùn)用節(jié)奏與韻律排列在一起，突然破壞其連續(xù)性，用與它差異較大的元素代替，此時(shí)便會產(chǎn)生對比，形成引人注目的視覺效果，這兩種元素可借彼此之間的差異烘托各自的特點(diǎn)，但若過分強(qiáng)調(diào)對比，便會失去協(xié)調(diào)，這時(shí)就需運(yùn)用微差，借助兩元素之間的共性尋求統(tǒng)一和諧。對比的方式有很多：色彩、肌理、疏密、虛實(shí)、輕重等，太陽能構(gòu)件可通過材料對比和虛實(shí)對比應(yīng)用于建筑立面之上。材料的對比主要是構(gòu)件的顏色肌理與立面其他材質(zhì)之間對比，如按一定規(guī)律外貼冷色調(diào)的晶硅板與暖色調(diào)的建筑涂料之間對比，形成強(qiáng)烈的視覺焦點(diǎn)和韻律節(jié)奏。虛實(shí)對比主要有兩種方式，一是實(shí)體太陽能構(gòu)件與立面上完整的玻璃幕墻的對比；二是有透光性的太陽能構(gòu)件與玻璃幕和實(shí)體墻的對比，如上海世博會的阿爾薩斯案例館的立面一部分大面積垂直綠化覆蓋，一部分則是光伏玻璃幕墻，虛實(shí)對比、材質(zhì)對比、生態(tài)與科技的對比強(qiáng)烈，豎向的構(gòu)圖形式又將兩部分完美協(xié)調(diào)。由虛實(shí)對比還可衍生出光影變化，基礎(chǔ)的太陽能構(gòu)件與窗戶結(jié)合，可在建筑立面和內(nèi)部空間形成多樣的陰影效果，或者將太陽能構(gòu)件與其他節(jié)能構(gòu)件結(jié)合，如韓國的韓華集團(tuán)總部大樓就是將太陽能板與遮陽構(gòu)件結(jié)合，也可引入智能化，太陽能構(gòu)件可根據(jù)氣候條件自動(dòng)調(diào)節(jié)角度和位置，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的立面陰影。

3.應(yīng)用與設(shè)想

太陽能光電板多為黑色，比較單調(diào)。歐洲PVACCEPT 研究機(jī)構(gòu)發(fā)明了一種新的薄膜電池的生產(chǎn)工藝，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)各種不同顏色與模式的太陽能光電產(chǎn)品應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中[1]，來豐富建筑立面。但這種生產(chǎn)工藝下的電池造價(jià)較高，還未獲得大范圍認(rèn)可與推廣。另外，門窗幕墻綠色節(jié)能設(shè)計(jì)也是很普遍的一種對太陽能加以利用又不影響建筑立面美觀的常見方式。采用密封處理技術(shù)的中空玻璃來加入惰性氣體降低其導(dǎo)熱性，滿足采光和保暖的需求[2]。SDE 競賽中，天津大學(xué) sunflower 的外墻放置電池板，做成了清水磚墻的效果，完美詮釋了現(xiàn)代中國風(fēng)；集熱器做成了管狀，與坡屋頂結(jié)合鑲嵌，交相呼應(yīng)。同濟(jì)大學(xué)的太陽能竹屋，將電池板與曲面屋頂結(jié)合，巧妙又實(shí)用[3]。

太陽能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用已成為一種常態(tài)，但其設(shè)備與建筑立面一體化設(shè)計(jì)還未能在實(shí)際應(yīng)用中做到所謂完美。事實(shí)上，由于太陽能構(gòu)件自身的局限性，確實(shí)難以達(dá)到建筑美學(xué)的極致。隨著建筑走向模塊化、預(yù)制化、集成化，太陽能構(gòu)件或許可以在設(shè)計(jì)初始便作為模塊的一部分，通過一定的手法豐富立面造型。在材料、技法和政策的推動(dòng)下，建筑師有了更多實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新的機(jī)會，探索它與建筑立面的新的關(guān)系。這種探索可能性無窮，也許它會在外形上消隱，也許它會融為建筑的一部分，但毫無疑問，這一探索終會由量變到質(zhì)變，為建筑立面設(shè)計(jì)錦上添花。