建筑学报 | 宋晔皓 陈晓娟 解丹 褚英男 | 整体思维的可持续设计——海南生态智慧新城数字市政厅设计 | 2022年05期
整体思维的可持续设计—— 海南生态智慧新城数字市政厅设计
宋晔皓¹ 陈晓娟² 解丹³ 褚英男¹
1 清华大学建筑学院
2 清华大学建筑设计研究院有限公司
3 北京清华同衡规划设计研究院有限公司
1 缘起：整体思维的持续思考
海南生态智慧新城数字市政厅项目(下文简称：海南生态项目)位于海南省澄迈县海南生态软件园区，是清华大学建筑设计研究院素朴建筑工作室第3个砖类建筑(实为陶板建筑，归属于砌块类)，也是工作室一直坚持的可持续设计研究的系列建筑实践之一(图1)。设计延续了我们一以贯之的逻辑，即整体思维是可持续设计的根本——必须基于整体思维解读可持续设计，通盘考虑可持续设计的环境－经济－社会关注，因为可持续发展兼顾环境保护、社会发展和经济发展。面对错综复杂的可持续设计问题，需要融贯思考，从整体上进行可持续设计探索，寻求解决之道。
▲ 1 海南生态智慧新城数字市政厅鸟瞰(摄影：陈溯)
在融贯思考的过程中，我们持续探究“如何在被看作科学和技术主场的可持续设计领域，凸显艺术对科学和技术的贡献”这一问题的解答。作为科学、技术和艺术交集的建筑，无论探讨其科学内涵，还是研判其技术体系，亦或追寻其艺术形式，可持续设计毫无疑问是将三者融合体现得最充分的建筑设计载体之一。在实践求索的过程中，我们逐渐领悟了自1990年代起多次在吴良镛先生著述和讲座中引用过的法国作家福楼拜论述艺术与科学关系的精彩论断：“越往前进，艺术越要科学化，同时科学也要艺术化；两者在塔底分手，在塔顶会合”。
2 原则：可持续设计路径融贯
可持续设计的环境－经济－社会关注，可以解读为3个重点内容：1) 和环境保护密切相关的气候适宜性和可再生资源应用；2) 和经济发展密切相关的建造和技术体系适宜性；3) 和社会发展密切相关的文化多样性。这3个重点，相应的也会有各自的设计路径，但三者不是各自独立的，反而有着千丝万缕的联系。可持续设计就是在这千丝万缕的联系中，针对不同的气候特点、建筑类型、服务人群等条件，在多如牛毛的设计问题中，抽丝剥茧，抓住其主要矛盾，通过解决主要矛盾，完成可持续设计，并获得独到的建筑创造性。海南生态项目只是漫长求索中的一小步，真正达到融贯，还有很长的路要走。
2.1 气候适宜性和可再生资源利用
气候适宜性是指基于不同气候区使用者的生物气候舒适条件，寻找适宜的建筑气候适应性设计对策。生物气候设计是一个已经明确提出来60余年的概念，其中建筑的气候适应性研究和使用者的生物气候舒适研究，都随着最新科学研究的发展而有着长足的进展。
对于中国本土设计实践而言，伴随着气候复杂性的还有不同地区的人群热舒适感受的差异。在这种情况下，通过分析使用者生物气候舒适条件，可以从诸多建筑气候适应性设计对策中寻找出适宜对策，其目的在于通过建筑设计，在满足不同气候区和不同人群的生物气候舒适需求前提下，减少耗费不可再生能源设备系统的使用强度或者延长不使用这些设备系统的时间，甚至在不具备使用设备进行气候调节的前提下，创造出尽可能贴近使用者生物气候舒适要求的建筑环境。
而气候适宜性和可再生资源利用对策中，与建筑设计关系最为密切的是如何在设计中综合考虑太阳、风、水、土和植物五要素，这些要素基本涵盖了可持续设计中与环境相关的、可以与建筑设计互动并启迪设计艺术创造的最重要因素。
从采光角度来说，自然采光有利于人类健康。从能源角度来说，炎热的夏季一方面需要遮阳，一方面太阳直射产生热量，可以促进空气受热产生浮力效应促进自然通风，带走建筑室内或者围护结构中过热的空气，从而达到被动制冷的效果。寒冷的冬季可以利用温室效应为建筑提供被动供热，结合蓄热体和通风设备等为建筑提供一定的热源，从而减少使用不可再生能源的供热设备。在今天能源技术允许的情况下，为应对碳中和挑战，随着太阳能技术的快速发展，光伏建筑一体化(BIPV)已经是建成环境中需要认真思考如何通过建筑设计利用起来的可再生能源的重要类别。
自然通风一直是人们所关注的调节气候影响的重要措施：当室内过热的时候，如果由自然通风将来自北侧背阴处的相对凉爽的空气引入室内，带走过热空气和废气，不但可以改善热舒适，还可以为室内补充新鲜空气，同时进一步减少设备的耗能量。而自然通风的两种基本的驱动力——空气浮力和风压，都跟建筑设计有着直接的关联。空气浮力即热压作用，在建筑中的表现多为利用烟囱效应促进通风的高狭室内空间，或者专门设计的拔高的风塔，或者为促进空气流动，室内出现文丘里管渐缩剖面的形式。风压影响建筑，最常见的方式是利用正压，使空气直接进入建筑，还有一种常见方式是借助一些类似机翼的扰流板，在出风口创造负压，将室内空气抽拔出来。为了保证室内空气扰动，必要时会借助风扇类设备，改善舒适度。通常热压和风压两者要共同作用，才能更好地发挥自然通风对节能、改善舒适度的作用(图2)。
▲ 2 自然通风策略分析：以岳阳三中体育馆为例
水的利用和建筑设计关联最大的是雨水的收集和利用，可以利用水蒸发或者弥散降温的特点，营造相对舒适的微气候环境，也可以蓄积起来，以供各种各样的用途，例如为建筑的垂直绿化或者屋顶绿化等提供灌溉(图3)。
▲ 3 雨水利用示意：以北京动物园水禽馆为例
土是最常见的低蕴能量的材料，可以作为植物生长的基础，也可用于覆土建筑，利用热惰性良好的厚重的覆土层，在建筑和外部环境之间形成良好的热防护。
植物可以作为建筑材料，把绿色植物融入建成环境、调节微气候、提升工作效率，也非常值得重视。
采光形式、遮阳构件、导风构件、温室设计、BIPV组件、集水装置、覆土构造、植物景园等，都在科学和技术的基础上，提出了建筑的艺术形式问题。纯粹科学和技术原理的正确，不能必然引向艺术形式的优美，但是可以启发艺术形式创造，并进而塑造出有趣味的艺术形式。
海南生态项目的整体技术策略是空调区域与非空调区域结合：高效率办公和展示区域，利用空调设备实现高舒适度；而建筑半室外区域作为非空调区域，因应当地气候特点要求，以及对公众开放的使用性质，充分利用建筑形体自遮阳、自然采光的光通道与辅助风扇结合，及热压和风压综合促进自然通风，在满足气候适宜性的同时利用了可再生资源，亦可作为缓冲空间为空调区域提供良好的气候边界界面(图4)。
▲ 4 海南生态项目气候缓冲界面
利用太阳和风的地方主要体现在，各个开放空间都利用建筑自遮阳、自然采光和自然通风作为气候调节的手段(图5)，包括核心的半室外通高中庭、建筑的庭院、巷道体系、错落的平台等。而部分巷道系统是办公区窄小的空中花园，利用陶板砌块砌筑成花砖墙体，达到遮阳和通风的效果，同时还类似中国传统小木作窗格那样，不遮挡花园向外观看的视野(图6)。此外，精心设计的遮阳系统(图7)和庭院，改善了建筑的自然采光和通风表现，各个庭院均是自然通风的路径、自然采光的节点，包括北入口绿墙庭院(图8)、圆形中心庭院(图9)、狭长的水庭院(图10)和斜坡绿植庭院，巷道则有多功能厅外狭长的冷巷(图11)，以及各层办公区的屋顶庭院和遮阳系统构成的窄巷。建筑的核心区和各个覆土区域的天光系统(图12)，同样保证建筑天然采光的利用。
▲ 5 剖透视：海南生态项目气候调节策略(左右滑动阅读完整图片)
▲ 6 二层办公区窄院：陶板砌块花砖墙体(摄影：陈溯)
▲ 7 遮阳设计计算分析：遮阳反光板的位置示意和能耗模拟
▲ 8 北入口局部(摄影：陈溯)
▲ 9 展厅中心的圆形中心庭院(摄影：陈溯)
▲ 10 水庭院(摄影：陈溯)
▲ 11/12 多功能厅侧面的冷巷/风井构筑物(摄影：陈溯)
水的利用体现在两处：一是利用水体蒸发制冷调节庭院和东侧入口区域的微气候；二是雨水收集用于景观灌溉系统。
土的利用非常重要。覆土是整个24h开放的公园体系的重要载体，也是局部封闭的办公和展示等室内区域的热防护体，保证空调区域的良好环境界面。覆土和自然植物作为气候防护手段，保证有空调区域的围护结构热工性能稳定，改善空调在实际运行中的表现效率，降低日常运维能耗。
植物除了构成开放公园的主体，同时还是将公众从东侧主要入口导引至核心通高中庭的台阶——绿化一体的步行体系的重要组成部分。
在工作室完成的获得德国被动房(PHI)认证的龙湖超低能耗建筑主题馆项目中，覆土和天光的利用曾经是我们和德国工程师争论的焦点。覆土对于工程师和软件模拟来说仅仅是一个参数，在达到一定厚度前其热防护作用不被承认，而天光会带来夏季过热的问题，也是影响建筑整体能耗的不利因素。而我们则认为覆土的热惰性对于维持室内环境稳定和人们对于建筑与自然和谐的心理认知感受至关重要，还能获得自然植被景观，而天光的夏季过热问题则可以通过天窗开启形成热压通风路径加以解决。当然，窗户开启又会造成能耗增加，双方争论不下，我们借助德方非常尊重的建筑师的决策权坚持贯彻了这两点。后续的测试和事实证明，覆土不是一个简单的参数，在隔热、蓄热和保护防水层等方面综合发挥作用；而天光对于健康的贡献巨大，也并没有更多地对能耗有负面影响。
龙湖超低能耗建筑主题馆位于北方寒冷地区，采用覆土作为防护界面，容易理解。而在海南生态项目中采用的不利用空调的开放区域与覆土防护的空调区域共存的模式，一方面充分挖掘夏热冬暖气候适应设计策略，另一方面利用覆土作为空调区域重防护的做法，很可能是一种适应海南气候的原型式解读。尤其是覆土重防护做法，表面上看来似乎与人们印象中那种热带传统建筑开放、挑空的特点相抵触，然而如果考虑到利用空调设备调温除湿，那么覆土可能是一个更好的边界条件。当然是否如设计所期，还需要运营中进行测试加以验证。
2.2 建造和技术体系适宜性
建造和技术体系适宜性更加关注可持续设计策略的可操作性，在不同经济发展的区域，要找寻出适宜于当地技术水平和运维能力的建造和技术体系。
当今中国可持续设计实践面临的挑战不仅来自于设计和技术决策层面，同样来自于如何找寻到适宜的建造和技术体系。受制于造价、建筑施工的复杂度、后期运维的复杂度等限制条件，即使城市和乡村处于同样的气候区域内，在同样满足气候适应性对策和可再生资源利用策略的要求下，适用于城市的技术体系很难适用于偏远的乡村。
在城市条件下，中国可持续设计需要一些体现较高的技术水准，或设备复杂度、运维要求、舒适性等要求达到甚至超过国际标准的建筑实践样本；在乡村条件下，则需要一些低造价、低建造技术的建筑实践样本。而介乎二者之间，代表当今中国大量化实践建造的可持续建筑实践，则适宜以被动式设计策略为主导，关注建筑全生命周期的经济效果(可能会涉及建筑全生命周期材料蕴能量和运维耗费等)，因此“物尽其用”“长寿多适”是普遍的原则。
海南生态项目就属于大量化建造的一员，既非纯技术示范类，亦非乡村建筑类。选择常规建造体系和技术体系是贴近海南当地情况的切实操作模式。具体做法包括：1) 结合陶板本身构造工法特点，学习海南传统民居火山岩砌筑的方法，利用通用工法构造独特有趣的遮阳-通风-观景墙体体系；2) 以因地制宜为基础，开放公园中的叠石材料、所有铺地以及景观植被均取材于当地，减少了运输能耗，适应当地人施工和养护特点；3) 除了配合可再生能源利用率的屋顶小部分BIPV系统，不追求单一效益最大化、特别先进的技术体系。例如，采用固定的花砖墙遮阳，尽管遮阳效果没有计算机控制调整的遮阳系统显著，但是少维修维护、与建筑同寿命。空调设备也选择满足现行规范的设备体系即可，其表现效率不仅依赖于设备本身，同样依赖于庭院、路径、围合界面等边界条件，以及覆土、植被、遮阳、缓冲空间等的边界保护。
2.3 文化多样性
文化多样性同样也是可持续设计关注的重点内容，即挖掘最能反映建筑场所精神的材料、建造方式和使用模式，从乡土聚落文化中寻找可以改良的工艺技法，把反映各地文化特色的内容反映在设计系统中，同时关注人的行为及其文化体现。中国相对多样的经济发展状况和气候、地域特征，是可持续设计学习和挖掘文化多样性特质的沃土。传统农耕文明借助试错方法奠定的与气候适宜性和可再生资源利用相关联的深厚基础，积累了大量的各地特有的乡土材料与工艺应用范例及建筑设计对策，均可在建筑全生命周期中有效降低建筑的碳足迹，并创造一种独特的建筑本土表现力，是当今碳中和背景下启发可持续设计的关键。
海南生态项目艺术形式控制的原则是“疏可跑马，密不透风”的中国传统美学原则，触发点是始自北京动物园水禽馆的“消隐于自然”的设计理念，并经过龙湖超低能耗建筑主题馆项目的实践，发展了对于建筑中的人工物和自然物关系的思考。龙湖超低能耗建筑主题馆对于二者关系已经有了一个模糊的设计交代：在形体单纯的前提下，希望让人在建筑中体验到有趣味的、园林式的步移景异，以及内外空间的渗透与借景，但囿于北方寒冷气候的制约以及规模不大的限制，尚未深刻地触及人工物和自然物的辩证关系。海南生态项目则大大不同，其气候条件极其适合自然物的体现并鼓励人工物与自然物的对话，且在设计之初便确定了创造24h对公众开放公园的建筑-景观一体的设计思路，为人工物和自然物提供了更大的交融的场地，比起龙湖超低能耗建筑主题馆的探索，又往前进了一步。
海南生态项目中的人工物与自然物是浑然一体的：建筑的主要功能空间有一层的展览、休闲公共服务区以及二层以上的文创办公区；朝北的主入口庭院(图13)导向半嵌入自然景观植被下方的一层公共服务区以及一系列室外庭院、巷道，与梯田状的自然景观连通(图14、15)；东侧面向园区内部的主入口则是人工景观台阶体系，公众可以拾级而上，沿着垂直绿化庭院进入位于二层的建筑核心——半室外通高中庭。半室外中庭顶部设有天光和风扇系统，侧面则完全对自然开放，将自然景观体系纳入公众视野。
▲ 13 北入口庭院(摄影：陈溯)
▲ 14 台地小径(摄影：褚英男)
▲ 15 景观栈桥(摄影：褚英男)
这样，半室外通高中庭、平台、庭院和巷道，与意象源自海南梯田体系的层层自然梯田景观结合，从一层到顶层，成为完整贯通的人工物-自然物融合体。园林式景观体系甚至为公众布置了可食植物甬道，以及结合景观种植了成片的水稻等农作物，拓展了公园式景观的内涵。
层层叠退的自然梯田景观和建筑不同标高的平台、庭院相接，与室内建筑功能区域均可连通，既可以方便地将建筑的内部设施服务于社会大众，又相互独立，形成了一座承载现代功能的、完全对公众开放的公园式立体游园景观体系，具备中国传统园林的“可游、可憩、可观、可玩”的特点。
我们就是在这样一个复杂的人工物-自然物融合体的设计过程中，触发了“疏可跑马，密不透风”原则的思考。疏或密的控制，或者说放松，成为建筑设计的关键点。疏到大片的自然梯田景观、大面积的开放式庭院，密到宽仅2~3m的调节微气候的冷巷、遮阳陶板砌块墙，各种人工物-自然物，就在疏或密的形式研究中，结合传统夏热冬暖地区冷巷、庭院和遮阳、通风等设计策略，逐渐体系化，并形成了最后的设计结果。
2.4 原型的创新和机制的建立
如何全面了解可持续设计适宜性对策的效果和表现？我们采用“设计-建造-测试-反馈”机制，对于各种适宜性设计对策进行全过程研究。设计阶段均采用最新的建筑环境模拟软件，辅助和优化设计决策。此外，建成之后也对建筑进行持续性能表现测试，对各种对策的最终表现效果是否达成了设计预期有所反馈。采用这种研究的目的是在有限的建筑实践中寻找原型性样本，证实或者证伪各种可持续设计适宜性对策，以便对各种适宜性设计对策加以完善。
3 结语
海南生态项目对于工作室而言，可以比喻为通过实践跨过了一个认识的新门槛。跨越的点是通过设计尝试和突破，初步深化了对中国传统美学原则的理解，开始领会了整体思维下融贯思考可持续设计的路径。扎根中国大地的可持续设计，如果能巧妙地借鉴和弘扬中国传统美学原则，用艺术形式表现科学内涵和技术体系，其设计成果必然更加适合自己的土壤并做出自己的特色。“疏可跑马，密不透风”的中国传统美学原则，虽然一直是工作室的设计准则之一，但我们在海南生态项目的设计实践中，关注人工物和自然物的深度结合并对3个可持续设计路径融贯研究之时，才突然体会到这种放松之道或控制之道，与可持续设计的落地实现早有一种天然的契合，实际上就是背后的度的把握和分寸的拿捏。优秀的可持续设计建筑体现的就是建筑师把握和拿捏尺度水准的高下。
只要是在一个共同的追求环境-经济-社会和谐发展的目标下，可持续设计之道，实际上如《论语·侍坐章》所言，“亦各言其志也已矣”。在碳中和的背景下，中国可持续设计的实践必将会涌现越来越多的优秀建筑案例。各美其美，美美与共。
<本文受清华大学(建筑学院)——临沂城市建设投资集团有限公司建筑全生命期品质管理联合研究中心(课题编号：2021-B03)联合资助>
海南生态智慧新城数字市政厅
▲ 南立面(摄影：陈溯)
设计单位 / 清华大学建筑设计研究院素朴建筑工作室、北京清华同衡规划设计研究院有限公司
建筑师 / 宋晔皓 陈晓娟
地点 / 海南澄迈
设计 / 2017-2018年 / 竣工 / 2022年
业主 / 海南生态软件园
设计团队
解丹、褚英男、孙菁芬、于昊惟、夏雨妍、黄致昊
工程设计
温雅宸、王林健(建筑)；龚政、孙晓彦(结构)；杨莉、王鹏、李高楼(电气)；林玉权、田英、解英(给排水)；张玥、孙玉武、王司空(暖通)
照明设计 / 清华大学建筑学院张昕工作室
景观深化及施工图设计 / 广州普邦园林股份有限公司
基地面积 / 2 h㎡
建筑面积 / 1.1 万㎡
结构形式 / 钢筋混凝土结构
▲ 东北向外景：层层叠叠的庭院平台(摄影：陈溯)
▲ 东入口台阶通往半室外中庭(摄影：陈溯)
▲ 景观台地通往展厅和水院(摄影：陈溯)
▲ 半室外中庭(摄影：陈溯)
▲ 四层办公区窄院(摄影：陈溯)
▲ 总平面
▲ 平面
▲ 剖面
▲ 墙面做法
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