面向气象学向度的新型小气候设计模式——浅谈菲利浦·拉姆的“气象适应性”建筑及环境设计
作者：
钱云，苏州大学金螳螂建筑学院硕士研究生 翟俊，美国籍，国务院外国专家局专家，美国景观建筑师学会会员；苏州伊思特景观城市设计有限公司（E.A.S.T.scape）创始人、首席设计师；苏州大学金螳螂建筑学院教授，风景园林系主任 本文摘自“面向气象学向度的新型小气候设计模式 —— 浅谈菲利浦·拉姆的‘气象适应性’建筑及环境设计”，原文刊登于《建筑师》杂志2019年6月刊，总第199期P107-112
一、引言
气象是大气各种物理、化学现象——冷、热、干、湿、风、云、雨、雪、霜、雷、电等的统称，气象学是从定性和定量两方面来集中研究大气变化规律的学科，随着生产的发展，它的研究范畴也从地理、医学领域逐渐发展至城市设计领域。
从气象学的概念出发探讨环境设计，帮助我们以一种新视角重新认识当代建筑，建筑的内部将不再是一个人造的、次要的、功能性的空间，而是一种伴随着能量波动，带有感性色彩的氛围。假设一个空间是中性的，那么在实际设计中，光、湿度和温度的变化则给这个空间创造了真正的丰富性和多样性。因此将温度、光线、相对湿度等概念相叠加，则可形成一种建筑设计的新范式。
另一方面，随着城市建设规模的不断扩大和资源的不断消耗，传统建筑行业带来的环境污染、生境破坏和资源浪费等问题，加剧了人类生存环境的挑战。尤其在城市化核心区域，鳞次栉比的钢筋混凝土高楼隔断了人体与自然的交流，而大量采暖和制冷设备则进一步加剧了温室效应，长此以往造成了城市中心地带小气候的恶性循环。那么当可持续发展已然成为当前人居环境的新诉求时，如何在自然与人居环境间谋求一种新的和谐相处模式？为此，众多的学者、设计师致力于此，于是一种新型的以气象条件为导向的“气象建筑”学得以发展，而作为 “气象建筑学家”代表人物之一的菲利浦·拉姆（Philippe Rahm）就在此方向上提出了他的“气象适应性”设计理念。
二、“气象适应性设计”概念的提出
“建筑不是设计出坚实的形状，而是设计气候。”——菲利浦·拉姆（PhilippeRahm）
瑞士出生的菲利浦·拉姆，现担任法国巴黎“菲利浦·拉姆建筑事务所”主持建筑师。拉姆在气象学领域的研究颇有建树，对气象元素的精准利用以及对人体生理感知的精确把控往往成为他个人独一无二的标志，这些探索也推动了建筑设计向气象学这一更新的领域发展，对当今可持续的发展理念下的城市建设有着重要意义。
1.气象适应
在气象建筑领域，拉姆曾在实验室提出了许多假设和验证。拉姆认为建筑是生态循环体系不可分割的一部分。他曾在采访中谈到：建筑不可避免地进行着形式或材质上的腐败与退化，这种能量消耗，使得建筑从熵的状态，变成了负熵。从1993年到1998年，基于这一观点，拉姆开始思考建筑与环境间的能量关系，在1998年之后，拉姆又在他的理论中进一步整合了对人体生理的思考，提出了“生理建筑”（Physiological Architecture）的概念。
传统模式上的采暖制冷实际上是一种建筑与气象之间的二元对立，拉姆则打破了这种对立关系，以气象的方式来探讨建筑，除了对色彩、结构、材料等有形概念进行思考，运用光、湿度和温度等抽象的气象语汇，通过建筑与气象环境间的能量转化，使得建筑空间更具人体感知性。而这种气象方式的思考涵盖了广义上的建筑所在地理位置的气候条件、地质水文相关资料、太阳辐射强度、冬季日照率、降水量、月平均气温、年日照小时数、空气湿度、冬夏两季主导风向频率等。
2.构建气候
拉姆提出“构建气候”（Constructed Atmosphere)这一理念是出于他对建筑内部虚空的思考，而不是针对建筑的物质实体，同样他对虚空的营造也凌驾于对质量或形式的思考上。拉姆相信建筑不是堆砌的砖瓦水泥，隔断的钢筋混凝土，建筑的目的是为了提供一种舒适的人居环境，而现代温室效应、环境污染等问题却大部分是从建筑的建造及使用过程中产生的，这与人类建造建筑的初衷相违背，因此创造一种更为节能环保的设计模式显得尤为重要。基于这样的认识，拉姆在虚空中置入温度、湿度、光照等抽象的气象元素形成人居环境，将虚空转为空间从而构筑建筑本身。同“气象”一词所指代的风、云、雨、雪、闪电等大气现象相似，拉姆的设计理念引入现代技术使得我们周围的大气环境以传感、对流、导热、压力、辐射等物理方式参与到设计之中，而构建气候即在跟随气象条件的基础上，先设计出一个适宜的大气环境，再把建筑形体放于气候框架之中，最后才根据需求赋予其不同的使用功能。
这样一种抽象的理念自然在形成初期受到多方面的质疑，然而拉姆在早期实验室的一系列作品不断刷新了业内对他的评价，也为之后实际项目的操作奠定了基础。
三、气象适应性设计的主要策略
一直以来，建筑作为室内环境与外部环境的阻隔，使得人类活动在一个人工调节的室内气候中进行。拉姆认为，今天的环境设计领域要想落实可持续发展，就必须限制能源消耗和温室气体的排放，对热量、湿度、光线这些气象元素进行操控，而不是对砖块、砂浆、玻璃和钢材的配置进行争论，拉姆的理念无疑提出了一个更温和、更精细、更节俭的气象适应性设计的架构。
1.热量对流
对流这个物理术语通常用来描述传导和流体流动的综合作用。在对流过程中，冷热空气相互流动并传导热量，在这种自由对流中，通常温度升高导致空气密度下降，因此热空气上升，冷空气下降。
对流之屋住宅的设计则基于以上暖空气上升和冷空气下降的阿基米德自然定律。在实际情况中，室内的不同空间具有一定的温差，地板和天花板之间的最大温差甚至可达10℃。此外，根据不同的人体活动和衣着程度，不同空间所需的温度也是不一样的。比如当我们在床上有棉被保暖时，卧室的温度只需要16℃；当我们静坐在沙发上，人体活动度较低时，客厅通常需要20℃；在进行烹饪的厨房里，温度只需维持在18℃；而在不着衣物的浴室往往应该是建筑中最温暖的空间……基于以上室内气象和人类活动的数据研究，根据房屋内实际的温差来安排不同温度需求的功能空间可以有效地节约能源。例如改变水平楼板的高差，不同的深度和高度产生不同的室内温度，而将最需热量的浴室置于较高处，将不太需热量的厨房置于较低处等。这样一来住宅将成为具有不同温度、错落有致的节能性景观。
© http://www.philipperahm.com/data/projects/convectiveapartments/index-c.html
2.湿度分区
莫里尔房屋项目（Mollier Houses）探讨了建筑内部的环境湿度情况与人体活动和房间的使用功能间存在的确切联系。我们在进行室内活动时，会不断地产生水蒸气，如睡眠时每人每小时在卧室排放40g的水蒸气；而在客厅活动时，每小时能产生150g的水蒸气；使用浴室每小时可以产生800g水蒸气；而每小时的厨房则可以达到1500g。今天常用的解决室内过剩水蒸气的方法是采用通风系统技术,而在莫里尔房屋项目中，拉姆根据相对湿度的变化，从最干燥到最潮湿，用0%~100%水汽含量等级划分了不同居住空间：0%~30%相对湿度之间，可以作为干衣室或桑拿间；湿度在30%~60%之间的房间，作为卧室、办公室；更潮湿的房间，60%~90%比例，可以用作浴室或厨房；最后，最潮湿的房间，90%~100%比例，可以用作游泳池。在莫里尔房屋中，颠覆了传统的房间功能布局，而是根据室内实际的湿度情况，结合人体活动所需的不同湿度条件来选择相应的室内空间，从而确定最合理的房间功能。
3.光谱组合
2002年，拉姆在威尼斯建筑双年展设计的瑞士馆灯光，用炫目的荧光灯，在空气中注入了更高的氮含量，通过精确的光和空气组成，人为模拟出瑞士高海拔的气候环境，让游客产生置于山巅的感官体验。
在过去的二十年里，健康和生物学的发展及寻求节能以应对全球变暖的需求，照明行业已经开始着手研究人造电磁光光谱的组成和发射的波长。拉姆的光谱项目设计了室内生命之光的光谱，为室内空间添加人、动物和植物所需的特定的波长。波长的精确构成将取决于使用者的需求。例如，在白天为人类组装特定的波长：437nm、533nm、564nm，根据蓝色，绿色和黄色的3个光感受器，加上460nm的波长来阻止褪黑激素的释放。对于其他参与者——宠物（狗和鸟类），绿色植物来说，也同样可以针对每个生命体自由地在灯里进行组装。
▲ 人、动植物所需的不同波长光谱对照图
© http://www.philipperahm.com/data/projects/spectrallight/index-c.html
四、气象适应性设计在城市环境中的应用——以台湾省台中清翠园为例
清翠园位于我国台湾省台中，占地约70hm²，这也是拉姆在气象设计方面所做的最大实践。在拉姆的设计中，公园由11个不同的“气候区域”组成，它们各自承担不同的功能，如凉爽区的休闲活动、干爽区的运动活动、清爽区的儿童亲子活动等。此外，公园还设有一个3000m²的游客中心、维修中心,以及博物馆和台湾塔。
▲ 清翠园概念图
© http://www.philipperahm.com/data/projects/taiwan/index-c.html
1.气候过滤器
拉姆认为，公园作为一种气候过滤器的概念在18世纪很普遍：“奥姆斯特德在纽约建造的中央公园，作为一个绿色的土地，必须清洁空气，以保护纽约市民的健康。”因此拉姆用气候装置作为给公园创造遮荫和给街道降温的机器。
而台中这座城市位于一个开放平原上，常年受亚热带海洋性季风气候的影响，气候环境潮湿而炎热，通常人流量很少。清翠园项目则致力于通过创建舒适的外部空间来对台中的亚热带炎热潮湿气候进行局部改良，从而为居民和游客提供一个更适宜的城市公园绿地。
拉姆通过动态的计算机模型来分析整个公园的气候，从而确定公园本身的温暖、潮湿以及污染区域，通过各种技术装置来增强这些小气候区之间的差异，使得凉爽的地方更凉爽，干爽的地方更干爽，污染的地方得到净化，为游客创造更舒适的户外空间。此外，还利用植物的蒸腾作用来冷却空气；以气生植物根茎来吸收湿气，干燥空气；用植物吸收污染物等。它们之间的相互作用形成了一个巨大的气候过滤装置，它以人为精确的方式执行类似冷却、干燥和清洁空气的功能。另一方面在暴雨期间，项目所在区域常年来经历着内涝灾害，高达80%的场地都可能会被洪水淹没，这类具有景观基础设施功能的气候装置，在雨洪期也起到了防止内涝的作用。
2.三大路径
拉姆在设计过程中通过流体动力学(CFD)计算生成三个气候层次的拼图，分别对应热量、湿度、污染强度三大气象参数的变化，根据现场热、湿度情况和场地小气候,确定出了四个凉爽的地区（Coolia）、三个干爽地区（Dryia）和四个清洁区域（Clearia）,并根据气候适宜性在各区域内分配各种人类活动。然后通过连接这些区域，拉姆提出了降温、除湿和清洁三大路径，每条路径约2.2km长，在南北方向相互交织，将清翠园编织成一个绿色网络。
▲ 三大路径
© http://the-new-arch.net/Issues/2014/No-2/files/basic-html/page13.html
1）降温路径
降温路径一般是供休憩活动使用，设有中度的地形、种植用于降温的植物，以及必要的冷却设备。这些装置有主动的,有被动的，有自然的，也有人工的。在越凉爽的区域就设置越多的降温装置来增强凉爽的效果。自然冷却装置使用植物特性给大气降温,比如树木的蒸腾作用，绿荫的遮挡效果、白色花朵的光线反射作用等。人工冷却装置是用于对流、传导、蒸发或反射等气象现象的装置，冷却空气或直接给人体降温。其中对流冷却装置被命名为“反气旋”(Antycyclone) 或“地下风”(Underground Breeze)，它们引进自然风，通过地下水的温度差来冷却空气；导电冷却装置被命名为“夜灯”（Night Light）或“垂直之夜”（Vertical Night），用冷水进行冰镇，人体皮肤可以通过接触它们来降温；蒸发冷却装置被命名为“层云”（Stratus Cloud），通过发射雾或雨，以水的气化过程来降低周围的空气温度；而反光冷却设备则被命名为“月光”（Moon Light）或“长波浪过滤器”（Long Waves Filters），用来过滤或反射紫外线。
▲ 冷却装置工作示意图
© https://www.architectural-review.com/buildings/building-with-heat-humidity-and-light-jade-eco-park-in-taichung-by-philippe-rahm/10020675.article?blocktitle=Jade-Eco-Park&contentID=19008
▲ Antycyclone反气旋装置
© http://www.metropolismag.com/cities/landscape/philippe-rahm-climate-as-architecture/
2）除湿路径
除湿路径是运动的，其海拔高度波动最大，它配备的除湿装置被设置在更干燥的区域来增强干爽的效果。首先用构筑物或树木进行遮风挡雨，进而用自然除湿装置如植物的气生根茎吸收空气中的湿度，以及人工除湿装置“干云”(Dry Cloud)或“沙漠风”(DesertWind）中的硅酸凝胶转化器干燥空气并吹出干爽的风，以此减少空气湿度过高对人体的不利影响。
▲ 除湿路径平面图
© https://www.architectural-review.com/buildings/building-with-heat-humidity-and-light-jade-eco-park-in-taichung-by-philippe-rahm/10020675.article?blocktitle=Jade-Eco-Park&contentID=19008
▲ 排水口装置工作示意图
© https://www.architectural-review.com/buildings/building-with-heat-humidity-and-light-jade-eco-park-in-taichung-by-philippe-rahm/10020675.article?blocktitle=Jade-Eco-Park&contentID=19008
3）清洁路径
清洁路径提供最干净的区域用来进行家庭亲子活动，采用无障碍设计，在路径上栽植和设置了有净化功效的植物和设备。防污染设备用于净化空气,减少噪声和防蚊防虫，其中天然的防污染设备用能够吸收氮氧化物和其他有毒气体的树木,形成天然的植物屏障，过滤有毒气体和紫外线；而人工防污染设备，以“臭氧消除装置”(OzoneEclipse)为例，过滤空气中的O3或SO2等氮氧化物，在公园里产生清新的风。“工业化风口”（Preindustrial Draught）吹出没有PM10和PM2.5污染的干净空气。超声波排斥设备发射出一种和蜻蜓翅膀震动时同样频率的电波，通过模拟捕食者而隔离蚊虫，并且此电波超出人类20khz的听觉范围，不会影响人体感官。
▲ 清洁路径平面图
© https://www.architectural-review.com/buildings/building-with-heat-humidity-and-light-jade-eco-park-in-taichung-by-philippe-rahm/10020675.article?blocktitle=Jade-Eco-Park&contentID=19008
▲ 治污装置工作示意图
© https://www.architectural-review.com/buildings/building-with-heat-humidity-and-light-jade-eco-park-in-taichung-by-philippe-rahm/10020675.article?blocktitle=Jade-Eco-Park&contentID=19008
三个层次的气象拼图随机交叉和重叠,以不同的组合方式形成不同的气候区，创建多样化的小气候，形成多种不同的感官体验区域,从而最大程度上满足公园居民、学生、上班族、游客等四类使用者的不同需求。
同时，公园会设置气候感应系统来侦测每个区域温度、湿度、污染情况，并将数据传送到计算机系统进行整合，市民可以通过智能手机随时查看公园的实时状况，并根据需求的气候环境决定目的地。公园也配备了7000ha的太阳能发电设施，用于城市供电和启动气象装置，市民可以通过手机扫描装置得到每个装置的运作信息。总体来说，整个清翠园就是一个巨大的、功能复合的气候调节器，具有弹性和适应性的组织架构，为丰富多彩的公园活动搭建了景观性的舞台。
五、结论与讨论
菲利浦·拉姆“气象适应性设计”思想的产生源自于他对建筑的深刻反思和对人体生理与外部环境的协同整合性思考，加之多年实验室气象学的研究探索，使得拉姆的气象设计体系不断成熟，也为清翠园中各大气候装置的构造提供了源源不断的灵感。纵观拉姆的各项研究，从热量对流，到湿度分区，再到光谱的组合，其“气象适应性设计”的本质无外乎对无形的气象元素作到了具体、有力的控制，以科技手段作到了新气候的构建。
另一方面，伴随城市高速发展的严峻的环境问题，迫使我们深刻地反思并取代以往建筑及环境设计采取的纯粹审美性或功能性的设计方法。菲利浦·拉姆和他的“气象适应性设计”不仅拓宽了建筑及环境设计的维度，也为我国的相关领域提供了许多启发，与传统设计方法相比，气象适应性设计更多地探讨了如何利用无形的气象语汇，如风、雨、光、热等元素进行建筑与环境之间的互相调节，进而从创造建筑环境本身实现和谐人居的目标。在时代背景下，我们需要探讨的是当气象已然成为一种新的建筑语汇参与到建筑环境设计中时，气象学向度系统的分析、计算与干预，是否可以建立一套稳定的体系模式来运营所谓的“气象适应性设计”，使之成为当下可持续发展设计的一种有效模式？
（本文节选自“面向气象学向度的新型小气候设计模式 —— 浅谈菲利浦·拉姆的‘气象适应性’建筑及环境设计”，原文刊登于《建筑师》杂志2019年6月刊，总第199期P107-112，版权所有，未经允许，不得转载）
《建筑师》No.199丨2019年6月刊
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