生态建筑
整体生态建筑观、生态系统结构框架和生物气候缓冲层
宋晔皓 栗德祥
〔提要〕本文结合生态学的成果，提出了整体生态建筑观、生态系统结构框架和生物气候缓冲层等概念。并在理论研究的基础上，结合苏南地区的具体条件，进行了双山岛生态农宅设计研究探索。
关键词：整体生态建筑观 生态系统结构框架 生物气候缓冲层
一、研究背景
60～70年代以来，关注环境、资源等问题的
建筑师明确提出注重生态的建筑设计概念，出现了一些建筑与生态学相结合的概念：如生态建筑、城市建筑生态学、生物结构或生态结构等〔1〕。
当时对世界未来发展的研究，存在两种不同观点：一种是“发展有极限论”，以乌尔里希和米都斯等人为代表；一种是“发展无极限论”，以卡恩和西蒙等人为代表。与此呼应，注重生态的建筑设计在初始阶段
存在两种指导思想，如果借用西默尔的观点，前者具有“乡村类型”倾向，后者则具有“城市类型”倾向〔2〕；前者以理论研究为重点，提出各种宏观设计原则，侧重于保护和保存地球现有的生态资源，倾向于利用低技术和中间技术等〔3〕；后者则以具体设计实践为主，侧重于强调技术的效率和“少费多用”思想，倾向于利用高新技术。
进入80年代以来，人们将注意力集中到“可持续发展”这一主题,“可持续发展思想”逐渐成为各国普遍采用的发展战略，两种不同倾向的设计理论和实践逐渐走向融合。
本研究正是在这一背景下，提出了整体生态建筑观、生态系统结构框架和生物气候缓冲层等概念。
二、建立生态系统结构框架和生物气候缓冲层
11整体生态建筑观
建筑系统和生态系统分别是建筑师和生态学家所主要关注的问题，分析比较建筑师和生态学家对两种概念的不同认识，有助于建立整体生态建筑观。如果从生态学的角度理解建筑，不仅应将建筑系统视为地球生态系统中，各种不同的能量和物质材料的临时组织形式，而且需确定建筑系统在全寿命过程中，即除了组成建筑系统各个元素的安装和制造，还包括建筑系统的运作、
建筑元素的弃置和重新利用等过程中，与生态系统环境之间的相互作用。
因此，注重生态的建筑设计具有以下两个特点:
第一，建筑的全寿命过程是一种与能量和物质材料支配相关的过程；将地球上的能量和物质材料(生物和非生物组成部分)，组装成临时的形式；经过一段时间的使用；最后拆除。拆除之后的各种建筑元素要么重新在其它的建筑系统中利用，要么被自然生态环境所吸收。
第二，建筑师应认识到建筑系统在全寿命过程中，可能会对地球资源和生态系统产生不利的影响。
非常明显，注重生态的建筑设计概念与通常意义下的现代建筑设计概念存在着一定的差别，例如对环境概念的认识、对地球资源有限性的认识、对生态系统之间相互依存关系的认识、对生态系统动态特性的认识、对生态系统空间异质性的认识等等。其中的很多内容不受后者重视，甚至为后者所忽略。
结合生态系统和系统思想的概念和理论，整体生态建筑观具有四个方面的内容:
首先，整体生态建筑观将建筑系统看成是一个开放系统，是地球生物圈中能量和物质材料流动的一个环节。
其次，整体生态建筑观整体、全面地审视建筑系统与周围自然生态系统环境之间的相互影响作用，认为建筑系统与周围生态系统环境之间，存在着随时间维度变化的相互作用，既体现出时间因素的影响。
第三，整体生态建筑观认为建筑系统与周围生态系统环境之间存在着随空间维度变化的相互作用，即体现出空间因素的影响。
第四，整体生态建筑观认为建筑系统自身的设计及其对周围生态系统的影响，受到地球资源有限性的制约。
1 物质材料使用模式的一种环形结构
(资料来源:Keang K .D esigning w ith N ature )
21注重生态建筑的形式因子和系统因子
依据黑斯的定义，建筑形式因子“是指建筑实体的物质形式表现”，而系统因子则包括“处理各种关于流动的关系和联结以及流动的输入和输出
的信息”〔4〕
。
王如松、于志熙等学者将生态控制论原则以及生态学法则应用于城市生态学的研究〔5〕，另有学者
将其应用于建筑设计研究；或直接转嫁，或名异而实归〔6〕。需要指出的是，这些原则都反映了建筑系统与周围生态系统之间的相互依存关系，完全可作为一种注重生态建筑设计的系统因子框架。然而城市生态学的研究与生态系统研究存在很多相似点，故直接借鉴生态学原则切实可行。但正如黑斯指出，建筑设计介于城市规划和产品设计层次之间〔7〕，很难具备这些特点，因此“简单照搬”的做法缺少一种相应的转换；即如何使得生态学原则适合于个体建筑设计的需要。
另外存在两种研究倾向：或仅利用生态学原理，探讨系统因子的构成，忽视了形式因子的重要性。或只是研究形式因子，而忽略了对系统因子的全面考虑。前者流于空泛，只形成抽象原则，后者则过于实际，只设计建筑个例。
为深化整体生态建筑观，整体、全面地进行设计研究，避免顾此失彼、以偏概全的倾向，我们提出了生态系统结构框架和生物气候缓冲层的概念，将其作为注重生态建筑的系统因子和形式因子。
31建立生态系统结构框架
依据整体生态建筑观，借助于建筑系统与周围生态系统相互依存关系的模型，我们将生态系统结构框架分解为三个组成部分，利用下面的关系矩阵来表示:
E =
T 1
S 2R 3
其中:E 表示生态系统结构框架,T 1表示适合于时间因素影响的组成部分;S 2表示适合于空间因素影响的组成部分;R 3表示适合于地球资源有限性影响的组成部分。
生态系统结构框架具有三个特点:
第一，依据生态系统结构框架，建筑师同时考虑了建筑系统内部和外部环境的相互作用关系，进而可以确定最为重要的生态限制条件和应该优先解决的主要设计问题。
第二，生态系统结构框架是一种描述建筑与周围生态环境关系的矩阵。
第三，生态系统结构框架的各种要求，最终将体现在生物气候缓冲层的设计上，因为建筑终归要通过特定的形式来体现。
适合于时间因素影响的设计策略包括两个方面的内容:
第一，采用适应变化的设计策略，以避免过早废弃建筑所带来的消耗。适应变化的设计策略主要有四种：适应性改变、灵活性设计概念、长寿多适概念和合理废弃概念〔8〕(表1)。
第二，采用物质材料的环形使用模式，通过再利用、再生和循环利用等恢复作用，以最小资源输入为代价，在一定程度上回收利用各种物质材料。建筑物质材料流动的基本环形结构是：提炼——运输——加工——使用——循环，可将建筑物质材料的环形使用模式确定为生产、建造、运作和恢复作用等四个阶段(图1)。
适合于空间因素影响的设计策略包括两个方面的内容:
第一，通过场地分析等过程，明确特定设计地段的空间区域的生态特征。场地分析的条件，不仅包括地形、排水、风、太阳和相邻的建筑等内容，还
适应变化的四种设计策略
表1
(资料来源：作者自绘)
内容名称
采取的措施
体现原则适用范围适应性改变调整各种易于扭转的变化
—
是最为基本的设计策略
灵活性设计将建筑结构、服务系统、围护结构和室内的分隔等设计成适应未来可能发生的变动再利用
循环
利用
环境需求不高
服务设备不
很复杂
空间使用性质变化不大长寿
多适
高效、节约利用能量和物质材料
减少耗费
建筑空间可以重复利用
合理废弃
使得建筑易于拆毁，以及实
现建筑材料和设备的再利用
再利用循环利用建筑元素重新利用的价值较高
要全面分析生态系统中的控制因子和过程〔9〕，以预见生态系统对设计的反应，最为常见的分析方法是“迭图法”，麦克哈格就是利用此法确定生态系统影响最小的设计方案〔10〕。
第二，通过在三个不同的阶段，采
用相应的设计策略，控制建筑全寿命过程中输出的废弃物，将其限定在生态系统吸收能力以内，以减少生态系统的退化；如能控制在最小范围，则可较少利用生态系统吸收能力，进一步保护生态系统(图2)(表2)。
适合于地球资源有限性影响的设计策略是保证建筑系统最小程度耗费资源，更多利用可再生和可恢复的资源(表3)。
41建立生物气候缓冲层
奥戈雅指出，人们利用三种方式对周围室内环境的温度进行调节〔11〕(图3)。
从图4中可以看出：建筑运作耗费大大超过其它耗费，其中很大一部分是采用机械空调设备的运作和维护耗费〔12〕。
生物气候缓冲层是指在生态系统结构框架的制约下，通过建筑群体之间的组合关系，建筑实体的组织和建筑细部的各种围护设计等设计策略，在建筑与周围生态环境之间建立一个缓冲区域，既可以在一定程度上防止各种极端气候条件变化的影响，又可以促进使用者所需要的各种微气候调节手段的效果，争取为建筑系统提供
2 控制建筑系统输出的三个阶段示意(资料来源：作者自绘)
3 奥戈雅提出的三种不同的温度调节方式
(资料来源:O lgyay V.D esign cli m ate )
不同阶段控制建筑系统输出对生态系统空间影响的设计策略
表2(资料来源：作者自绘)
内容
控制阶段设计原则可采用的设计策略
输出之前
减少输出
11在策划阶段适当降低任务书标准，减少使用者的消费层次。
21减少材料的蕴能量，提高生产、建造、运作和恢复作用等过程的效率。输出之后
处理输出
11通过恢复作用，重新利用废弃物，减少系统总输出流量，进而减少对生态
系统吸收能力的需求。
21对难以恢复的废弃物进行预处理。一般通过物理、化学或生物化学的方法进行，包括中和不利影响或改变废弃物的性质，以减少废弃物对生态系统
吸收能力的需求。
31分散：将输出分散在较大的面积中，例如水域、土地和空气中，使其不足以影响生态系统。
41转移：将不适于在一处排放的输出，转移到其它适于吸收此种输出的地方。最后阶段
环保处理采取一些专门的环境保护处理措施，减少或避免对生态系统的危害
适合于地球资源有限性制约的表3
设计策略(资料来源：作者自绘)
内容
名称设计原则可采用的设计策略高效利用
少费多用
设计方案应高效利用能量和物质材料，减少总需求量
节约资源
减少不可再生资源的输入需求利用可再生资源替代不可再生资源
减少各个阶段能量和物质材料损耗
11提高物质材料利用
效率
21通过恢复作用，延长建筑元素的使用寿命
良好的微气候环境，尽量满足使用者的各种生物舒适要求。
生物气候缓冲层具有两种作用：第一，防止极端气候条件对建筑系统内部人体舒适感觉的不利影响，例如夏季太阳辐射等，减少建筑系统运作阶段不可再生能量和物质材料的耗费；第二，充分利用相关学科的知识，一方面可以促进建筑系统内部和外部生态系统环境之间，使用者所需要的能量和物质材料交换，例如借助于空气流体力学研究的成果，可以促进建筑内部和外部的空气交换；借助于太阳能开发的研究，可以促进冬季太阳辐射的利用等；借助于建筑科学的研究，控制建筑的热工性能等〔13〕。另一方面，对可能的方案进行科学评价，例如计算
机的模拟和评价等，以便及早作出设计决策。
因此，可以这样认为，生物气候缓冲层具有以下特点:
(1)对于特定设计地段的极端气候条件进行设计上的调整，针对不同的气候防护需求，采取相关的设计策略;
(2)生物气候缓冲层是建筑系统和周围环境之间的过滤层，有选择地过滤能量和物质材料；滤除不利于人体生物舒适感受的各种输入，促进有利于改善人体生物舒适感受的各种输入;
(3)建立生物气候缓冲层的目的，是为了在不使用机械气候调节手段的前提下，将建筑的微气候接近或满足
人体的生物舒适感受;
对于具体设计而言，生物气候缓冲层分为3个不同的层面:a 1聚落空间：包括街道和广场等;b 1建筑实体：包括庭院和建筑平面;c 1建筑细部(表4)。
上表中列出的设计策略只是很少一部分，不可能也没有必要列出所有设计策略。因为生态气候缓冲层概念本身是一个开放概念，可随时结合具体的设计要求提出新设计策略。任何气候缓冲层的建立都要结合特定设计地段的气候、场地等生态因子条件而定。
三、案例分析：张家港双山岛
生态农宅设计研究 11生态农宅设计需要解决的三个
4 建筑全寿命过程中的不同耗费(资料来源:L so la A.D.N e w concep ts of Construti on,Co sts)5 双山岛生态农宅平面(资料来源：作者自绘)
(上)首层平面:①主入口 ②前院 ③堂屋 ④中心庭院 ⑤餐厅 ⑥厨房
⑦卫生间 ⑧沼气池 ⑨杂务院 βκ杂物间 βλ辅助入口(下)二层平面:①卧室 ②文丘里管渐缩断面位置 ③家庭室 ④卫生间
生物的气候缓冲层的一些设计策略(资料来源：作者自绘)表4
内容
不同层面
设计原则可采用的设计策略典型案例
聚落空间重新评价各种节
约土地的建筑形
式
带形结构巴马克设计的特拉维夫规划
建筑周边式布局马丁的周边式布局设计研究
传统院落体系的再发现吴良镛教授设计的菊儿胡同利用流体力学原
理调整风向和风
速
建筑群可以定位和设计成挡风、室外阳
光照射的空间
厄斯金设计的拜克墙小区建筑群和开放空间可以采用分散式以保
证建筑的入口和微风
南美洲村落
利用太阳能建筑群东西向延长，南北向加大间距北美洲印地安普维部落
有效的植被可遮
阳、挡冬季冷风
利用树木围成挡风墙日本村落
水边界可以冷却
吹来的微风
建筑布置在水边赖特设计的西塔里爱森
建筑实体利用流体力学原
理调整风向和风
速
建筑迎向主导风向可以增加穿堂风的效
果
莫卡特设计的住宅
利用烟囱效应促进自然通风法赛设计的阿拉伯住宅
减少热量交换
通过建筑的覆土边界，从极端气候中遮
蔽建筑
巴格斯设计的覆土住宅
房间可以垂直分区，利用温度分层爱斯基摩冰层
能够忍受温度变化的房间可以作为缓冲
区域，防止过冷和过热
赫尔佐格设计的柏林住宅展
览作品
庭院的利用
高而狭窄的庭院可以集聚冷空气或热空
气
阿拉伯庭院
房间和庭院可以分区，在每天或每年炎
热或寒冷的时候，在不同的区域活动
伊拉克民宅
面向庭院或围合庭院的房间可以构成阳
光充足、挡风的室外空间
路斯设计的巴萨诺住宅
利用太阳能
利用阳光间收集热量康格设计的洛基山学会中心
房间周边布置蓄热物质贝尔设计的太阳房
利用温度不同的空气密度不同，分别将
冷空气和热空气聚集在地板和天花板
霍普金斯设计的英国国会大
厦
房间可以沿东西轴线布置，增加南向接
收太阳能的面积
赫尔佐格设计的青年学院宿
舍
建筑细部减少热量交换双层立面
尼克洛帝设计亚历山大图书
馆竞赛方案
利用太阳能
太阳能光电板
半透明热阻材料
主要设计问题
由英国“社会与住房基金会”资
助，清华大学人居环境中心与当地政
府合作，在江苏省张家港市双山镇进
行生态农村建设与研究，作者设计的
生态农宅是该项目子课题。以前面归
纳总结的理论为指导原则，在大量实
地调研的基础上，设计实践深入地体
现了这些设计策略。
从生态系统结构框架角度出发,
适合于时间因素影响的组成部分需要
解决的问题相对次要，因为目前岛上
建筑材料以粘土砖、小青瓦为主，都可
重复利用；适合于空间因素影响的组
成部分需解决的问题是研究原有圩田
模式的特点，同时寻求节约土地的布
局模式。适合于地球资源有限性影响
的组成部分需要解决的问题是高效利
用薪柴，利用太阳能和沼气等可再生
资源。
从生物气候舒适需求的角度，通
过对岛上村民的调研，我们发现通风
和温度是村民们比较关注的两个问题。
这样，对应于生物气候缓冲层的三个
层面，主要设计问题集中为:
(1)采用节地布局模式，保留圩田
这一具有生态意义的传统聚落模式。
(2)促进夏季的自然通风，遮挡冬
季冷风，保证室内温度尽量满足使用
者要求。
(3)寻找实现上述设计策略的适
宜技术和材料。
21结合当时当地的具体条件，建
构生物气候缓冲层
双山岛生态农宅生物气候缓冲层
聚落空间层面主要有两个设计策略：引
入人工河流和采用联排式住宅(图6)。
引入人工河流可产生两方面积极
6 生态村组团平面中的河流和联排式住宅示意
(资料来源：根据清华大学人居环境中心图纸改绘)
7 生态农宅生物气候缓冲层建筑实体层面的构造
8 冬季生态农宅通风分析(资料来源：作者自绘)
(资料来源：作者自绘
)
10 三种农宅夏季模拟温度比较
11 三种农宅冬季模拟温度比较
(资料来源：作者与清华大学热能系合作绘制)
(资料来源：作者与清华大学热能系合作绘制)
9 生态农宅生物气候缓冲层建筑细部层面的建构(资料来源：作者自绘)
①双层屋顶 ②空气间层 ③保温层 ④遮阳挑檐 ⑤院内乔木 ⑥门前草坪 ⑦水桶墙 ⑧薄膜卷帘 ⑨种植棚架 βκ屋顶覆土 βλ集热器 βµ单坡屋顶 βν浮罩式沼气池βο节柴灶 βπ通风院墙
影响：第一，从非生物性因素的角度分
析，保留了原有圩田聚落的优势〔14〕；第二，从生物性因素的角度分析，水生生态系统最富有生命力〔15〕，增加河网密度，有利于增强生态环境的容纳力。采用联排式住宅布局，有利于节约土地，同时减少建筑覆盖对生物性因素的影响；如果硬质铺地、混凝土或沥青等占用过多土地，必然会减少植被覆盖率，而且会影响到被覆盖土地的活力〔16〕。
建筑实体层面主要由室内的文丘里管渐缩断面、庭院、布置在北侧使用频度较少的房间构成(图5、7)。
文丘里管渐缩断面的作用是利用伯努利效应，满足使用者的夏季自然通风要求。庭院的作用是促进建筑环境中生物组成部分的多样性，另外中心庭院还可起到夏季蓄冷和冬季相对保存热量的作用。布置在北侧使用频度较小房间的作用是减缓冬季北侧低温对主要房间影响，同时遮挡冬季北风(图8)。
在建筑细部层面，力争寻找适合当时当地的适宜技术，采用当地材料，解决当地问题(图9)。例如为增强屋顶的热防护性能，南侧屋顶采用铺有保温层的平屋顶，上罩干挂瓦屋顶，这样即可以利用可通风的空气间层，作为坡屋顶辐射热的缓冲，还减少了屋顶热量损耗；北侧屋顶采用覆土技术，既
提高了建筑系统生物组成的多样性，又可调节屋顶的蓄水量，减少极值排水量等〔17〕。
为检验生物气候缓冲层的有效性，我们对室内温度进行了模拟计算，同时还模拟了传统农宅和张家港市推广的标准农宅，以作参照。通过比较可发现生态农宅室内温度有较大的改善，生物气候缓冲层的效果比较明显(图10、11)。
由于篇幅所限，模拟计算的细节和通风分析模拟评价，将另有文章介绍。
(双山岛生态农宅设计是由吴良镛教授
主持，尹稚教授负责的中英合作“张家港双
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