什么是热力学建筑?

长期以来,困扰建筑和城市设计领域的设计者与研究者的问题之一,就是如何达成建筑形态和建筑的物理、技术性能的一致性:形式设计的大师遭受形式主义的诟病,而各种生态节能建筑则被抨击为形态粗拙生硬。基于这样的现实,哈佛大学的伊纳吉·阿巴罗斯和基尔·莫教授共同开展了跨越建筑设计、历史与技术的“热力学”研究,在 20 世纪经典现代主义以来的设计中针对热力学建筑性能进行考察,进而发展出当代设计的一整套方法论,通过对建筑中能量流动机理的科学分析,为建筑本体诸如形式、功能、空间等的组织提供支撑。

热力学建筑技术方面的考量是:热质量已经被热绝缘取代;自然或对流通风被建筑密封所取代。材料唯一的活跃参数是传导性 ; 对热舒适性十分重要的辐射因素和扩散率等因素却常常被忽视。因为一直以来,热分析的方式是静止的,忽略了气流分布的时间和变量,而日常循环不断变化,热液的变化对舒适度至关重要。

简而言之,热力学理论模型就是将热力学原理以定性的方式融入设计过程,分析各地气候的积极因素,深入研究气候最具特色的方面。

下面讲个例子:哈弗大学设计研究生院(GSD)2014 年的春季课,题为“热力学唯物论在高密度都市聚合体中的运用” 。课题关注中国城市化新浪潮中出现的中型城市:它们多以大型基础设施为特色,追求可持续发展和生活品质的提高。义乌和青岛是两座中型城市,具有不同的地方特点与气候特征,但同样计划依托高铁站来展开新一轮城市开发。课题试图从类型学和热力学的角度重新思考中国城市发展中的三个事物:高速铁路站、CBD、巨型街区。

通过研究非常规的建筑原型,将三个看似分离的要素结合起来,探索混合使用聚合体在提高公共生活品质和建立新的设计方法上的潜在可能。将形式、能量、物质、身体关联成一体——可称之为一种新的“热力学唯物论”。

热力学唯物论聚焦于设计过程并回归到一种建筑的整体观,即将可见或不可见的材料性,通过最大程度的融合,构成我们对于建筑和城市的体验。形式、身体、自然因素、材料、功能、时间与美都是交织构成“材料性”的基本分类。在建筑语境中,它表示某个时代的物质文化、建造材料以及形态,作为决定建筑体验和完成效果的综合因素。它既是客观的,也是主观的;既是个体的,也是集体的。

学生可以从两个城市中选择一个作为课题的基地。和青岛的场地相比,义乌的基地在自然地形和城市文脉上更具体和丰富一些,潮湿少风的气候也较青岛更容易挖掘特点,利于在不同层面上发展出多重的设计方向。对比往年, 2012、2013 年课题所选基地为巴塞罗那和马德里,其大陆性气候特点非常鲜明,而义乌相对温和模糊。那么,在暖房和遮阳棚的终极类型之外,亚热带季风气候是否存在某些范式?通过热力学得到的形式是否会颠覆我们的过往经验?

风如何限定建筑的选址、朝向和体量?通过对义乌各项气候参数的分析,可以发现:终年少风是义乌气候最显著的特点,风速均在 3~4kts 之间(约为 1.5~2m/s),以东北风为主导风向。结合焓湿图可见,在义乌利用主导风向,加强建筑内的空气对流,是提高体感舒适度最有效的策略。

观察基地地形又能衍生出进一步的发现。义乌高铁线东南面向城市,西北靠山。从大区域来看,高铁站及其西侧的平坦区域被西北最高的山峰和东南稍缓的丘陵夹住,在此形成加强东南风速的通风走廊,其加速在海拔125米时最为显著。从小区域微气候来看,如果考虑在高铁站北侧公路周边密植乔木,降低北侧温度,形成南北温差,再形成由北向南的凉爽气流,有利夏日通风降温。

受地形影响, 125 米标高处的山脚附近呈现出最显著的通风走廊主导风向。结合焓湿图可见,在义乌利用主导风向,加强建筑内的空气对流,是提高体感舒适度最有效的策略。观察基地地形又能衍生出进一步的发现。义乌高铁线东南面向城市,西北靠山。从大区域来看,高铁站及其西侧的平坦区域被西北最高的山峰

将加强空气对流的方式缩小到建筑尺度来看,最常用的通风形式不外乎两种:空气的水平对流,即穿堂风;空气的垂直升腾,即烟囱效应。前者通过限定建筑体量的间隙(用于外部空间通风)和立面的开洞位置(用于室内通风)来获得;后者通过加热低处的空气使其上升,并吸入底部的冷空气来获得。义乌夏至日太阳高度角 83.1°,冬至日太阳高度角 40.1°。那么,义乌的理想烟囱模型或许是:南立面与地面夹角83.1°,夏季形成自遮阳;北立面作为烟囱受热表面与地面夹角40.1°,尽量多地捕捉全年日照。通过以上分析可以大致勾勒出建筑粗浅的轮廓。它的网格由两套风向叠加而成:全年主导的东北风,和微气候形成的北风。竖向上建筑形体布置在风速最大的海拔 125 米(即离场地标高 8.5 米)最理想。如果希望进一步加强空气流通,根据建筑网格设置一系列倾斜的“烟囱”会起到显著的拔风效果,其倾斜角也会起到均匀南北立面温差的作用。同时,“烟囱”集群在屋面上形成狭窄密集的通风走廊,可有效降低夏季的屋面温度。烟囱的分布方式由东北向西南逐渐加密,以减少对东北风的遮挡。屋面其他区域也被更小尺度的凸起所覆盖,作为无烟囱功能的采光天窗,构成了屋面整体密集凸起的统一肌理。

如果说风定义了建筑的总体轮廓和能量利用策略, 那么功能的加入会进一步细化能量的利用方式,同时,能量的分布和利用方式也会反过来引导功能布局。

这里所说的功能不只是一份须被满足的房间列表,更多是关于当代基础设施使用方式和身体体验的构想。高铁车站内能否实现更接近自然的舒适体感?候车大厅如何成为人、物资、空气、光线共同流动的平台?建筑形式与空间如何黏合关联起各种形式?这些问题或许并无新意。但热力学给这些问题提供了新的支点,试图将它们整合进同一个能量系统,或将得到不同以往的空间类型与体验。

综合之前的分析,通风需求最迫切的候车大厅被布置在 8.5 米标高,形成漂浮于高铁线上没有气候边界的大平台,自然风从中穿梭而过。楼板分布着大小各异的孔洞将人流和自然光引向下方的站台,将冷空气从底部吸入;顶板也分布着联通烟囱的孔洞,将热空气通过烟囱排出。等候室、商店、票务等封闭且带有空调的功能单元分散在半室外的大平台上,既保证了停留区最佳的体感舒适度,又能有效减少能耗,并且调节了大型基础设施不够友好的空间尺度 ( 图 4—图 6)。

车站顶部若干烟囱塔楼提供了小型办公与商务酒店,服务于往来义乌的经贸人士。剖面上看,各楼层通过墙顶设置侧缝或进行错层设计,向烟囱内排出热空气,从外立面低处取风引入冷空气。

塔楼立面总体采用遮阳百叶包裹,在不同朝向上有所变异。从太阳辐射模拟来看,由于形体倾斜的原因,各立面辐射量与常规的立方体稍有不同。在夏季,南立面的辐射量相对较小,西立面较东立面辐射大,北立面与东立面接近;在冬季,各立面辐射量比较均匀。由于形体已对南面产生自遮阳效果,南立面反常规地采用全透明、无外遮阳的做法,利于冬日辐射采暖;东西立面考虑遮阳需求,采用东疏西密的横向百叶;北立面采用竖向百叶,形式逻辑大于实用意义。相同垂直间距的水平百叶在曲形立面上会形成下宽上窄的遮阳深度,很自然地适应了不同倾角立面的遮阳需求。烟囱外壁的两个面采用透明玻璃,内壁采用利于吸热的深色混凝土,使阳光能够透过外壁照射到内壁上,加热烟囱内的空气。这些热空气不但来自于塔楼本身,也来自于下方开敞的候车平台;塔楼的存在不单是对车站功能上的补充,也是下方公共空间的拔风通道。整个热力学系统或许就是义乌气候条件下城市基础设施聚合体的一种可能原型。

热力学建筑我不懂,也谈不了。但是可以谈谈引申的话题。就是美国建筑教育的问题。

本文来自对最近比较热门的“热力学建筑学”的讨论,实际上,后面的讨论,并没有针对热力学建筑学怎么样,从中体现出的,是布尔迪厄对大学教育和社会状况关系的分析,当我们面对不断“推陈出新”的美国建筑学概念,我们应该怎么看。

江师姐的问题我只能弱弱的这样回应:当然,根据建筑师这个职业的自我定位的传统,这也说得通——设计师么是勾划蓝图、高屋建瓴的上层领导者,那些具体的计算、操作、建造的工种都是配合设计师的底层蓝领。但我个人认为这种观念今天或许正在受到挑战:一方面,基于我们建筑学尚未转型的大部分教育模式——特别是Design Studio的教学组织模式,大多数建筑师的核心竞争力还是形式操作,或者说扮演的是形式赋予者(form-giver)的角色,解决实际问题的能力是很弱的,即便是经验丰富的建筑师也不过是熟悉现有的各种已成定规的做法,缺乏真正的创新能力。另一方面,工程师、材料专家、环境学者等,他们掌握了真正的更接近现实问题、物质层面的核心竞争力,其中一些具有创新性思维的人才一旦跳脱出“实验室”,也开始有了一定的形式敏感性,他们很容易就能取代建筑师,成为更有说服力的导演或领导者,掌握话语权。

在后现代批评语境里,这种状况有个词描述,叫agenda,Michael Speaks曾经批评参数化的时候用过。也因此,用这种“制造词汇”来制造“制造概念”并试图推广营销的建筑学学术方式,似乎干这个事的总是美国人,尤其是东岸。所以要批判的可能不是这些概念本身,而是美国。美国的建筑学一直有历史传统,从欧洲的哲学社科甚至科学领域借很多概念,然后在建筑学里面包装一下,变成脱离原本语境的另外一个概念。

然而,如果把这个行为放到教育系统里面,搞概念这件事,最大的受益者,不是建筑学,也不是什么经济利益,正如你说的,好像最后面对问题的是工程师,材料专家等,他们可能会把核心技术抢走,建筑学好像没有什么好处。最大的受益者是这些搞概念的人,10几年前开始,到今天,他们已经成为了各种中小型建筑学院的DEAN,或者大牛。然而,他们的学术生产却因此断掉了,似乎再也难生产出什么东西,于是好像就有新的人,搞出概念又出来了。

恩,总体来说是。不过也不能一概而论,他们许多人也都是被赶鸭子上架的。加上美国的全球文化经济战略,他们就不得不在全球范围进行营销活动。比如我早年崇拜的不得了的那些人,多数现在都是行政工作要职了。

于是,一种吊轨的事情出现了。比如我不喜欢的SOMOL,或者我喜欢的SPEAKS,无论你曾经做的什么话语,做的什么学术生产,一旦有些小成就,就会被拉入到Agenda体系里去,通过批判学的语境,被转换成学术游戏,也就是好的不好的都是符号了。更糟糕的是,这个场域或者说圈子,似乎已经被美国主流生产体系给切出去了,当然这是另一个话题。

是不是像“现代化”这样的一组话语,成为全球性的通用概念背后有美国人的意识形态企图,当代建筑理论的生产,特别是北美的这些生产也有类似的目的。

我的感觉和你一样。这十几年来各种概念,最后谈下去的几乎没有几个。一会Blob,一会folding,一会多普勒,一会Projective,一会又热力学,我们翻译都来不及。

当然,意识形态企图这个说法没错,但是需要进一步追问。这个意识形态企图是不是由全球资本主义必须自我推动的?好像一个没有目的的机器一样。

这个机器的说法是借用鲍德里亚的,他本意是对全球资本主义展开批判,但却也借用了布尔迪厄的一些观点。就是说,需求是被符号制造出来的,生产死掉了,生产并不是为了需求,而是被丢到一个不断自我制造符号的机器里,并且跟着符号滚动生产,这个符号滚过去了,就再造一个。这个机器是自动的。鲍德里亚把这种状况统称为“象征交换与死亡”。目前仿佛谁也没办法让他停下来,内部和外部都不行,人人都被赶着走。

大部分赞同,一小点反对,还是有需求的,只不过这种与需求的对应关系很可能是被想象出来的,比如“热力学”在铺天盖地的宣传中就被认为是回应了生态的问题。比如节能的需求。

这个也对的。不过这些具体的需求也得放到全球资本主义的语境里说,节能真的有需求吗?今天就不展开了。我还想指出一点是,这些需求,以及由它们所制造的概念,所有的概念都没有跳出68框架,也就是战后先锋运动的框架。因此,我甚至可以预计今天大热的“热力学”最多生命就两三年,以及下一个被制造出来的概念是什么。

十字军老师为战后先锋运动框架做了个分类,大概有4个分类,互相交叉的,具体名字记不得了,好像是巨构,居住,生态,身体。然后说今天我们所有看到的话题,都是从那里来的。

我想补充一点,就是这个框架其实是今天建筑学的万物之源,像是早就写好的剧本。今天的话题在这个剧本里被重新制造出来,一会冒一个一会冒另一个,根据全球资本主义的具体技术“舞台”改头换面,粉饰一下,就来演了。

如果说建筑学要死了,那可能核心问题就在这里,目前来看,这个游戏还会无止境的进行下去。

可以搜索一下英文关键词architectural thermodynamics. 有很多相关案例和代表人物。中文翻译把很多东西都变味道了。看过这期杂志,不建议仔细推敲。建议,找到原文作者(老外),搜其相关论著,会更有启发。

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19 一月

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