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1、ARCHITECTURAL THEORY建筑理論 整體性可持續建筑系統的設計與分析郝林提要 / 本文著重探討在可持續建筑系統設計與分析過程中涉及的要點問題，具體內容包括： 背景 環境與建筑的兩分； 可持續建筑系統的結構與范疇； 可持續建筑系統的設計過程；可持續建筑的設計系統。關鍵詞 / 整體性可持續建筑系統設計與分析結構與范疇設計系統ABSTRACT/ This paper focuses on the following key points of the design and analysis of sustainable architecture system: Architecture2、 divorces from the background surroundings; the structure, category and design process of sustainable architecture system; and the design system of sus-tainable architecture.KEY WORDS/ Integra lity, Sustaina ble architectu re system, Design and analysis, Structure and category, Design system作者單位：英國劍3、橋大學建筑系馬丁中心收稿時間：2003 年 1 月一、背景環境與建筑的兩分建造一棟建筑就意味著與其周邊的環境發生關聯，從而導致一系列的相互作用，進而形成自然環境系統與建成環境系統之間動態的交換。從氣候、地形等宏觀因素到使用者對建筑的微觀調控都會對上述系統物質交換產生影響。營造作為創建這種關聯的主要手段，在決定系統交換的效益與效率中扮演重要的角色。在現代建筑國際化的過程中，特別是在 20 世紀 70 年代石油危機之前，建筑本應扮演的這種積極角色一直被邊緣化。均質的城市與建筑空間極大地削弱了自然與人工環境之間健康的物質交流；長期以來的惡性循環所產生的后果是自然資源的過度消耗，能源的高度浪費，生存空4、間遭受嚴重的污染和破壞，建筑使用者的健康受到威脅。科學統計表明，在全世界范圍內，建筑占用 40% 的能源與材料，25% 的原始木材(其中 55% 用于非燃料的伐木) ，1 6 % 的供水，對 30% 的導致全球變暖的二氧化碳排放和 4 0 % 的導致酸雨的二氧化硫負責； 并估計全世界 3 0 % 的新建及改建建筑存在著導致建筑病態綜合癥( S B S ) 的室內空氣質量問題(IAQ)，指出因此而導致的醫療費用和生產力下降的損失每年約 100 億美元(Roodman and Lenssen,1995)1。我國的建筑領域，與之相關的環境、健康問題相當突出。最近若干年隨著研究的深入和問題的暴露這方面5、的警訊也不斷升級；特別是可持續性能極低的灰色營造(相對于綠色營造) 借房地產狂飆和高速都市化充斥城鄉。可以理解，當可持續營造的思路還遠未提到建筑各方桌面上來的今日，市場利益驅動的房地產業又怎能有什么破格的回應呢？然而，由于建筑具有涉及范圍廣、使用壽命長、投資大、與生產生活息息相關等特點，現今的選擇將會對本世紀未來幾十年的建筑可持續性程度產生深刻的影響。在這樣的一個十字路口，我們是否可以適時地提醒自己跳離狹隘的投資價值觀、個人的自我空間表演、單向的內在哲學思辯、機能主義的現狀，以一個更為宏觀、更具遠見的可持續視野來突破現狀，形成完善政策與規則的共識。目前迫切需要改善現有的設計基礎、目標、范疇和程6、序，優化設計組合，更新設計評價指標系統以促進建筑整體水準的提升。二、可持續建筑系統的結構與范疇變化中的建筑學傳統的建筑學，即現行的建筑設計，建立在一系列長期發展起來的框架之中。其標準立足于功能、美學、基本安全與健康、耐久、經濟和有效的基礎之上。建筑之廣義環境功能( 包括對外環境、對內環境以及內外環境的交流) ，本應作為建筑理論與實踐的基本關注點之一，卻在建筑不斷演變的歷史過程中越發處于邊緣地位。特別是在 20 世紀中期環境控制技術高度發展之后，綜合的建筑與環境設計方法進一步被依賴大量能源驅動的人工服務系統(如暖通空調、人工采光)所取代。建筑的環境功能已經被局限在機械的室內環境調節范圍內，并且傾7、向于僅注重外部環境負面的影響。事實上，環境的調控對技術的依賴也同時改變著建筑的諸多基本因素，例如功能布局、美學傾向等等( 譬如中央空調對建筑布局的影響，人工采光對建筑進深的影響) 。所以，近現代的建筑環境技術史的透視著建筑學與整體性環境設計的逐步相對分離。當然，在上述過程中某些學者和建筑師始終在明顯地對抗著建筑環境調節系統在建筑設計中的后置以及兩者的分離，譬如，早在 1 9 6 9 年本海姆 (Reyner Banham)就在其名作“The Architecture of The Well-tem-pered Environment”2 中力圖恢復建筑環境功能的地位；并指出環境控制方式的兩種未8、來，即“能源驅動型”(Power-operated)和“節能型” (conservative)。然而，如霍克思(Dean Hawkes,1996)所指出的，本海1 5 建筑學報建筑理論ARCHITECTURAL THEORY姆并未明確地對上述兩種方式，即以拉斯維加斯為代表的前者和以圣喬治學校(St Georges School at Wallasey, UK)為代表的后者，做出明確的判斷3。一些非主流的建筑師，特別是發展中國家的建筑師，也一直致力于從地方傳統的營造中獲取智慧以達到風土設計的目的，如埃及的法塞、印度的多西、斯里蘭卡的巴瓦等。然而，上述比較突出的理論和實踐，盡管為今日建筑學之轉化提9、供了廣闊的背景，但相對于自 20 世紀 70 年代全球范圍內呈現出的能源與環境議題，特別是稍后孕育和發展起來的可持續發展議題對建筑學結構與范疇的要求，依然有待進一步的分析與整合。其中特別需要反思的是建筑學對于當前以及未來的環境、社會以及經濟發展所應負有的責任，即建筑學與可持續發展框架的互動。具體地講，就是傳統建筑設計的結構和范疇應依據可持續發展的理念在空間和時間意義上加以延續。在空間上，由于環境系統的多級化特征和其中各級存在的相關性，致使作為建成環境中最基本單元的建筑必須逐層關注其自身以外的更大范圍空間領域的環境問題，譬如社區、住居環境、區域、全球等。固然在基層的建筑設計當中，基于設計資源的考10、慮，不可能過多地涉及更高級別的環境問題的解決，但是認識到環境系統各層次之間的相關性并采取相應的設計策略是必要的。設計過程中所需具備的可持續的視野正在控制和改變著建筑產出的形式、空間、功能，更重要的是，也在改變著它的能流和環境物質的交換。譬如，基于有選擇性4的環境設計過程可以使建筑有效地成為環境的過濾器和調節器，進而減少建筑對機械性環境控制系統的依賴，降低對環境的負面影響( 減少單位面積 G H G 的釋放，減少單位面積不可更新能源的消耗量) 。在時間上，建筑設計所關注的范疇延展至更長期的效益，至少包含建筑全生命周期的綜合環境、社會、經濟效益，甚至應涉及進一步的物質循環周期。有關可持續建筑設計結11、構和范疇的模型框架具有多面性的特點。這些模型作為未來設計的基礎，系統地提供了為達到建筑的可持續性所需考慮的各種因素及其關聯，指導組織設計過程和產生適當的設計策略。一般來說，可持續建筑設計系統模型包含以下內容：1.可持續建筑設計的概念基礎即從普遍認可的可持續發展的一般定義演化而來的，指導可持續建筑設計的哲學基礎。文獻表明，可持續發展研究的核心是協調發展與環境兩者之間的關系。然而無論是發展問題還是環境問題，都與社會和經濟因素密不可分。可持續發展系統的特征是：保持經濟發展與繁榮；保持健康的各級環境質量和資源安全度；保持社會公平和優化社會制度。具體到建筑領域，可持續建筑的實踐應立足于高度的環境質量與環12、境敏感性、文化繁榮、經濟的可行性與經濟發展共榮以及生活質量的提高。2.系統與亞系統元素即與可持續建筑相關的各種元素、指標、變量、參數，比如，可持續建筑設計系統可以包括風土(含地方自然因子與文化特質)、舒適與健康、能耗、環境污染、自然資源負荷、投資效益(生命周期效益等)等。確定可持續建筑系統中所應考慮的因素需要相當的策略性：因為不可能等同地考慮所有的因素，所以哪些因素應當優先考慮，在哪里應當深入設計和投資就成了相當實際的考慮，以求達到最佳的可持續性的效益。對各種因素優先與否的考量應遵循整體與簡化的原則。具體原則為：各因素在可持續概念中的重要性和必要性； 各因素在系統整體性中的地位(級別); 各因13、素在特定條件下(如地方特征、具體工程特點等)的作用。3.系統運行目標與綱領系統運行目標與綱領的制定在于確定各因素的取向，提供設計指導原則，建立分析與評價的基礎。目標與綱領是聯系可持續建筑系統(目標)和可持續建筑設計系統(工具手段)的橋梁，要具有簡潔化、綜合化、標準化、易定量化、易工具化的特點。比如，在最基本的層次上可以制定如下目標與綱領： 減少建筑生命周期中的不可更新能源與資源的消耗量； 減少建筑生命周期中的溫室氣體排放量和各式污染物； 促進建筑系統中各物質的循環使用； 促進使用者的健康與舒適；促進建筑的社會與經濟效益；尊重地方文化。從可持續發展所針對的問題到各領域相應對策之形成，可持續建筑作14、為系統工程其自身亦是處在一種不斷完善的過程之中。可持續的實踐需要國際觀，同時也必須面對地方性的實質問題和生活現實。適應性、合宜性是可持續建筑實踐脫離早期烏托邦式運動融入基層的前提。這種參閱歷史沿革，照顧空間與時間跨越的實踐有利于整體地批判性地解讀建筑的歷史、文化與技術，從基礎上科學地、系統地補充和揭示自工業革命以來建筑學中長期被忽略的重要組成部份，來建構面向未來的、擁有共同準則卻呈現多元化的營造模式。三、可持續建筑系統的設計過程現有的建筑設計過程不是有助于增強可持續性的設計過程。在以往的建筑實踐中，既使涉及與可持續有關的諸多議題，也往往獨立于建筑設計的過程之外；并且常常被置后于概念設計過程之后15、。由此，設計人員喪失了以相對簡單而有效的方式融入可持續議題的最佳階段。在建筑的若干重要因素確定之后(如朝向、形體、布局、窗墻比等)，再去考慮可持續議題，就會事倍功半，其結果是被迫采用復雜或是昂貴的方式來達到某種效果。這里揭示了一個金字塔原則。狹義地講，個體建筑的環境表現主要是由三方面決定的：建筑設計，服務系統設計，使用者因素。金字塔原則是指建筑設計作為金字塔的底層，對中層的服務系統設計和更高層的使用者因素的變化產生深刻的影響。由于服務系統設計和使用者因素往往是對建筑設計在環境調控作用上的輔助和補充，因此不良的建筑設計會給服務系統設計帶來更大的負荷，同時也會阻礙建筑使用者對建筑環境的積極調控。比16、如，設計中大面積的玻璃窗會加重房間的冬冷夏熱，增大服務系統的角色；開窗位置的不合理安排使得使用者無法通過開窗的方式達到自然通風降溫的目的。此外，研究表明建筑設計因素對建筑性能的影響高于服務系統設計和使用者因素兩者的總和5；而且是在建筑完成后三個因素中最不易改變的。因此，從層次性和影響性上，我們可以認識到前期建筑設計與建筑可持續性程度的密切關聯。這一點對于希望采用被動設計達到可持續目標的努力顯得更加重要。可持續建筑策略本身具有層次性，即從總體到細節、從低層次目標到高層次目標、從簡單到復雜、從一般到高度的專業性等。其每一層次需要對應于相應的設計過程。一般地，隨著設計過程的演進，這種融入應當從簡到繁17、從少到多、從策略性的到細節性的。這是一個逐步結合的過程。這整個過程被描述成螺旋的形狀，設計過程從中心向周邊旋轉開去；有關可持續設計的考量就是在不同設計階段發射出去的放射線；放射線的終點標志著該任務的完成。 建筑學報 1 6四、可持續建筑的設計系統長久以來，建筑設計一直被認為是“黑箱”行為，含有太多的不確對既有傳統設計范疇和過程的變革加大了建筑設計的復雜性，使得定性，特別是藝術創作的部分。問題是，融入在設計前期的可持續性設以往的設計系統無法面臨新的任務。研究型的設計是可持續建筑實踐的計系統應具有高度的清晰性以及由此得到的可靠性。它必須擁有預見基本特征，主要是因為可持續設計及其相關領域在市場、規18、范、技術等性，清晰地呈現出多種技術策略，并對之系統地進行評估和篩選，還要方面并不十分成熟，而且其設計的各階段決策必須建立在牢固的依據的保障在未來階段的某種變化范圍內( 包括細節設計上的變化和建筑使用基礎之上(特別指有目、指標的定量方案比較)。過程中系統操作及使用者行為上的波動) ，建筑的可持續性依舊可以控可持續發展為建筑設計提供了有效和重要的概念框架，可持續建筑制在一定的保險度內。為此，有必要透明化“黑箱”的某些部分，使設達成的唯一途徑是通過系統的方法，來理解其設計中涉及的各種相互關計邏輯理性化，看清形式創作與可持續性后果的關聯。有相當的技術策聯的議題。把建筑作為整體的系統來對待，就意味著綜合19、的結果比個體略是可靠的，它們不但可以大幅度地提高建筑的可持續性，而且不會明的特征更重要；系統方案之間整體的比較比個體的比較更具有意義；融顯增加設計難度和經費，并較少受到其它因素的干擾。舉個最簡單的例入各項指標的整體函數的模型評價比逐個的評價更具說服力。這種系統子，在歐洲大陸住宅建筑長軸位于東西向，60% 到 70% 的總開窗面積位原則上可以小到通過一個房間單元加以說明。概念上，影響一個房間單于南面，其它各立面占 10% 到 15% ，可以最有效地利用被動太陽能采元可持續性表現具有能動性的因素有三點：媒介即建筑本身( 包括暖。有許多類似的已經被充分證實的結論會形成一系列智囊庫，促進策其服務系統)20、；外因主要指氣候及建筑周邊的微環境；內因主要略選擇的標準化，而其中不易被數字化的部分，可以用描述的方法制定指建筑使用者。這三者之間通過動態的、復雜的相互作用而對建筑的可規則，如人文內容。當然，有些技術策略對相關因素的變化是相當敏感持續性產生影響，如生態環境、節能、廢棄物、室內健康及舒適度、經的，如中庭或太陽房策略，如果缺乏有效和靈活的遮陽和通風的調控，濟效益等。各項問題的解答是必要的，但最終必須趨向于整體性能優劣就會導致嚴重的過熱問題。因此，這里的觀點是設計系統應當通過其清的探討，并透視問題間的關聯。例如單一地講促進自然通風，或是如何晰性保障設計的可靠性，方法是：利用自然采光，并不意味著整體可21、持續性的提升。因此，有關整體性設 優先考慮與建筑設計有關的“硬件”，譬如形體、朝向等；計系統的問題，需要謹慎考慮的是： 優先考慮“普遍”的可靠的策略，譬如，被動直接太陽能利用；1.目的性與階段性 測試各策略對于“軟件” 變化的敏感性，檢討過于敏感的策略；即設計系統針對的是設計過程的哪一個階段；其功能是偏重設計工譬如特朗伯墻(TROMBE WALL) 的性能取決于在晝夜、冬夏等不同狀具，還是評價分析工具。依據本文上述部份的討論，筆者認為一個針對況下對通風和隔熱的調控情況；于概念設計階段的策略性設計系統的研發，對于融入可持續概念于日常 測試各策略交叉采用后的綜合表現。建筑設計具有現實意義。在這一階22、段，可持續的基本問題連同建筑設計的其它基本問題做通盤考慮，各方案可以就可持續性程度進行比較，達五、結語到對設計決策輔助的作用。其重要性在于，在建筑設計輪廓成形的關鍵今日人類生存空間所面臨的迫切問題帶動了對建筑學所進行的全面階段，促進系統中各要素的溝通與協調，確保日后的深入設計建立在合檢討。事實上，建筑學在其整個的歷史中從來沒有象今天這樣把它自身理、健康和科學的基礎之上，而不會出現方向上的偏差。所謂設計系統融入到更高級別的系統循環中去思考。從 20 世紀 60、70 年代所激發起是指該系統必須為設計人員提供足夠的有關可持續建筑的設計信息(如的這種意識正在逐漸滲透于社會生活的各方面，并為建筑學規劃23、了更多策略性的被動降溫方法) 并加以標準化、類型化，以便設計人員有效采的環境和社會議程。由此而導致的變化范圍和深度將涉及建筑學的各個用；此外，該設計信息融入總體設計后必須便于量化處理分析，用于比領域。對于建筑設計者而言，在最基本的層面上，是希望通過新型的、較和檢討。整體性的設計系統促成具有高水準的可持續性建筑系統。在這一過程2.簡化性中，設計者需要從可持續的角度賦予建筑設計一種新的邏輯，以系統的盡管可持續建筑系統本身具有高度的復雜性，但其設計系統必須具方法和途徑修正并整合既有的設計過程，議題，策略和元素，從而科學有簡潔性。這不但是保證其有效性和實用性的基礎，也是概念設計階段地、全面地樹立建筑設24、計的新目標，清晰而牢靠地引導建筑語言的生的客觀因素造成的。在這一階段，與設計后期相比，用于輔助設計的參成，把建筑的藝術和科學建構在人類的福祉和自然的長遠利益之上。數并不多，但其間的相互關系和各項因素的重要程度足以使設計系統變注釋得復雜。因此，此時的設計系統必須對適量的、經過篩選的參數做出反1 Roodman, D.M. and Lenssen, N. (1995) A Building Revolution: How應。參數過少將使設計決策缺乏廣泛的基礎；參數過多將使之因為量化Ecology and Health Concerns Are Transforming Construction, 25、Worldwatch過程煩瑣而失去靈活性和方便性(前期設計系統應具有的特色之一)，盡Paper 124, Worldwatch Institute, Washington D.C., US.2 Banham, Reyner. (1969) The Architecture of the Well-tempered管這樣可以建立更準確的模型并得到更精確的結果。我們的重點是通過Environment, The Architectural Press, London.方案間可持續性的整體性比較透視設計的潛力，得到進一步設計的方3 Hawkes, Dean. (1996) The environmen26、tal tradition: studies in the向，而并非精確的單一量化結果。作為建筑師的輔助設計系統，其簡化architecture of environment, E & FN SPON, London.4 Hawkes, Dean et al. (2002) The selective environment: an approach to原則就應側重“建筑設計的變量”的變化性和彈性(如體量、場所設計、environmentally responsive architecture, SPON Press, London.平立剖面設計等)，而限定所謂“工程參數”(Engineer27、ing Parameters，5 Baker, Nicholas. (1992) Low energy strategies for non-domestic buildings,語出 Steemer, et al., 1993)6，譬如有關服務系統的參數、在這一階BSP, London.段無法獲得的參數、或是對可持續性結果影響較小的參數等。6 Steemer, et al. (1993) Strategic energy design tools: experience anddevelopment of the LT Method, 3rd European conference on architecture,3.清晰性和可靠性Florence, Italy.1 7 建筑學報