探索極端條件下的建筑設計

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1極端條件下人居環(huán)境的設計研究

在極端條件下人工建立人居環(huán)境的問題似乎總會激發(fā)科學家、哲學家、工程師、建筑師、醫(yī)生、生態(tài)學家、社會學家和心理學家等人濃厚的興趣。因此，對這一問題的研究具有全面性。就建筑設計而言，人居環(huán)境的建設是建筑設計中與人們生活聯(lián)系最為緊密的部分，研究極端條件下的建筑設計，其目的也在于解決人類在極端條件下的生存環(huán)境的保障問題。因此，極端條件下的人居環(huán)境設計研究仍然是現(xiàn)階段極端條件下建筑設計的主要內(nèi)容。以下將以地球環(huán)境中極冷和極熱兩種極端條件為例，進行人居環(huán)境建設設計研究。

1.1低溫環(huán)境下人居環(huán)境設計研究

（1）低溫環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)

以俄羅斯為例，在規(guī)劃和建設北部低溫地區(qū)的居民點時，保護人們免受外界環(huán)境的負面影響，改善人居環(huán)境的生物氣候條件以及住宅建筑的使用條件是城市建設的基本任務。北方地區(qū)的自然氣候特點、工業(yè)建設基礎的緩慢發(fā)展、缺少必備的交通工具，決定著我們需要特殊地解決住宅建筑和文化生活設施規(guī)劃與建設問題的方法。在冬季，大部分建設地區(qū)的溫度高達-60℃，冬季持續(xù)時間較長，擁有大面積的沼澤和其他制約農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展的地域因素；由于極端地區(qū)遠離其他城市和居民點，所以當?shù)氐膭趧恿O其匱乏；必須保證居民所有社會、日常生活服務質(zhì)量；同時在大多數(shù)情況下，當?shù)赜糜诔鞘薪ㄔO和道路設施建設的建筑材料都相當匱乏。此外，考慮到地區(qū)服務設施的完善程度（輸電線路，石油和天然氣管道，道路，鐵路等），臨時移動居民點的居民經(jīng)常從一個地方被轉(zhuǎn)移到另一個地方，這無形之中便延長了他們在惡劣條件下的生活時間。

（2）低溫環(huán)境下建筑設計方法

這些城市建設的基本特點導致住宅建筑有限的使用壽命與地區(qū)的綜合發(fā)展之間的相互矛盾。但是，在地區(qū)開發(fā)的第一階段和建造臨時移動居民點時，這一切又顯得尤為重要。首先，鑒于臨時移動居民點較短的使用壽命，在解決其建造問題時，必須理性地、有邏輯性地縮減建設費用。第一，可通過縮減建筑物的構(gòu)成實現(xiàn)；第二，建筑物應便于搬遷，可重復利用。其次，缺乏勞動力和低溫環(huán)境對施工過程的阻礙是不容忽視的，我們需要利用現(xiàn)有的技術條件盡可能地簡化極端條件下的施工過程，住宅建筑本身在空間構(gòu)成，功能和布局上具有一定相似的特點，我們可以針對其相似的部分進行簡化施工，例如對住宅建筑建設中相似的關鍵構(gòu)件進行預制加工，使其在施工中可以直接應用。

（3）低溫環(huán)境下建筑設計作品及實例

目前，在一些極端條件下人居環(huán)境的方案設計中，我們可以看對于解決此類問題的嘗試。該設計由平面為六邊形的建筑單元拼接組合而成，每個單元既可作為單體使用，同時也可拼接成為大型的居民點。每個六邊形的轉(zhuǎn)角處有一處球形的支撐裝置，一方面在南極北極極冷地區(qū)便于移動，另一方面可用于支撐建筑漂浮在南北極的水上空間中。圖2為比利時建造的伊麗莎白公主南極科考站，長、寬、高分別為72.2英尺（22m）、72.2英尺（22m）和27.9英尺（8.5m）。它是南極冰蓋上第一座零碳設施，為了避免不必要的能源消耗，設計人員還為這座科考站設計了一套能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠24小時監(jiān)控科考站內(nèi)的能源產(chǎn)出以及消耗，并可以按照需求自動安排能源消耗的優(yōu)先秩序，充分利用它的52KW太陽能發(fā)電組和54KW風力發(fā)電組。站內(nèi)每件設備每個電源出口都被排號，根據(jù)優(yōu)先程度供電。圖3為法國和意大利聯(lián)合建造的康科迪亞站，每個鼓狀建筑物的直徑為60.7英尺（18.5m），高度為39.4英尺（12m）。康科迪亞站為極端條件下長期居住而設計，是少數(shù)幾個全年都有人居住的南極內(nèi)陸科考站之一。其鼓狀的外形可以保證熱能的最充分利用。同時也便于通過相同鼓狀建筑的排列擴大規(guī)模。圖4為英國建造的哈利VI南極科考站，長寬高分別為19.7m、10m和10m，臭氧層空洞就是最先在這里被發(fā)現(xiàn)的。哈利科考站的主要任務是對南極地區(qū)大氣、氣象、冰川、地震、地質(zhì)等進行考察。跟蹤大氣層的狀況需要穩(wěn)定的觀察地點，但是哈利科考站想保持在原位卻并不容易，因為布倫特冰架每年要移動半英里，好像一條輸送帶把它往冰海方向拖動。舊站位移太多后被拋棄，新站更像一輛巨型野營車：當冰架移動后，這些安裝有滑雪輪胎的小工作站可以被拖回原位。

1.2高溫環(huán)境下人居環(huán)境設計研究

（1）高溫環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)

在炎熱的極端地區(qū)開展建設工作，比如，沙漠中，與北方地區(qū)擁有一些相似的需求。但無論在哪一種情況下，我們都面臨著一個共同的問題，即如何保護在極端的外界環(huán)境中生存的人類。盡管外界的環(huán)境很惡劣，例如：過多的太陽輻射，灰塵，流沙等，但近些年來我們卻發(fā)現(xiàn)開發(fā)沙漠地區(qū)具有巨大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ肋@里蘊藏了豐富的金屬礦藏。一系列問題又隨之而來。我們?nèi)绾谓鉀Q工業(yè)和住宅建筑的建設問題。與北方地區(qū)一樣，這里建筑材料、低熱傳導性和熱穩(wěn)定性的建筑材料極其匱乏。

（2）高溫環(huán)境下建筑設計方法

減少高溫高熱環(huán)境對建筑物的影響是在炎熱的沙漠地區(qū)設計和建造建筑物及建筑物綜合體的主要任務之一。為此，我們必須慎重考慮建筑物的朝向、絕緣性能、通風條件、建筑物的高度和密度等因素。這不僅需要統(tǒng)一密閉環(huán)境中的建筑物與內(nèi)部綠化區(qū)和灌溉園區(qū)，以及與墻壁中較小的通風口構(gòu)造相協(xié)調(diào)，還需要利用各種設備保護人類免受太陽光和熱風的傷害，獲取和冷卻有利氣流。同樣在開展建設的過程中，構(gòu)件化的建設手段也是必不可少的。

（3）高溫環(huán)境下建筑設計作品及實例在高溫條件下，可以利用兩種動態(tài)建筑構(gòu)造中的任意一種：簡單的可變形太陽防護傘或太陽風能和生物能源設備。此外，蘇丹摩天水塔建筑可謂沙漠建筑中的一個代表作，在面積廣闊的蘇丹沙漠，淡水成為最寶貴的資源之一，獲取淡水的難度超乎人們想象。有意思的是，沙漠地下深處也隱藏著世界上最大的地下湖，如果能夠有效加以利用，當?shù)鼐用竦纳畋銜l(fā)生翻天覆地的變化。波蘭建筑事務所H3AR提出了一種解決之道，即建造外形好似當?shù)睾锩姘鼧涞乃翰⒗玫叵卤贸樗Ｋ?nèi)建有一個水處理廠、一所醫(yī)院、一所學校以及一個食物儲藏中心。

1.3極端條件下空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

可變形的空間結(jié)構(gòu)是一種針對極端條件建設而提出的構(gòu)件化、標準化、模數(shù)化的設計手段，即“三化”。類似于國內(nèi)建筑設計中模數(shù)化的設計形式，其目的同樣在于簡化設計施工的過程，所不同的是，可變形空間結(jié)構(gòu)在對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行預制，以便減輕施工過程的復雜性，但這只是可變形空間結(jié)構(gòu)的一般功能，其更重要的功能體現(xiàn)于可變形的設計。在極端條件下，勞動力資源匱乏、交通的不便利是對建筑建設至關重要的制約因素，然而可變形的設計大幅地減小了這些因素的影響。首先，可變形減小了空間結(jié)構(gòu)的體積規(guī)模，易于運輸；其次，可變形也在施工中省去了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝組合的過程，易于安裝；最后，由于極端條件下，建筑使用壽命較短，可變形空間結(jié)構(gòu)使得這些建筑易于拆遷，重復利用，即“三易”——易運輸、易安裝、易拆遷。在勞動力不足的極端條件下，這項技術的意義則更為深遠。在永久性建設中使用可變形的空間結(jié)構(gòu)將會起到事半功倍的效果。換句話說，借助于可變形的空間結(jié)構(gòu)，我們能夠在較短時間內(nèi)建造出不同功能的建筑物。運用可變形和可移動的原則建造永久居民點是最為明智的選擇。它完全能滿足那些不得不從一個地方移居到另一個地方的居民不同的勞動、生活和娛樂需求。

2極端條件下建筑設計理念

“一項基礎，兩項原則”目前看來，出于各種原因，例如采礦業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展，科學研究等，即使是在高山地區(qū)或地震多發(fā)帶等極端條件地區(qū)，建造工程設施和住宅也是十分必要的。而且在這些地區(qū)進行建筑設施建設必須有一定的原則遵循。首先，為了建立安全舒適的生活環(huán)境，使建筑物與其在極端條件下的使用特點相協(xié)調(diào)是我們進行極端條件建筑設計的基礎。其次，由于極端條件下基礎設施和人力資源匱乏，我們又應以節(jié)能和利用信息技術為原則。

2.1以極端條件建筑與環(huán)境協(xié)調(diào)性為基礎

在極端條件地區(qū)，氣象和地理條件決定著建設工程的特點。通過實踐和科學研究總結(jié)出抵御自然災害的方法（地震，雪崩和崩塌等）都是在制定施工方法、選擇建筑結(jié)構(gòu)和確定建筑規(guī)劃決議時必須考慮的因素。自然災害可以打破人類生活和工作的節(jié)奏，為防患于未然，我們需要做好充足的前期準備。顯然，運用移動的方法實現(xiàn)在極端地區(qū)的建設工作是最為合理的，換句話說，應該利用高機動性的可移動建筑（最好配備節(jié)能系統(tǒng)）。這種建筑物適應于生活在不同地區(qū)的居民的不同需求，即使在自然災害發(fā)生時，它也具有頑強的生命力。

2.2以節(jié)能為原則

節(jié)能，節(jié)約資源，節(jié)省建筑材料，節(jié)約使用建筑物本身等問題迫使現(xiàn)代建筑師利用可再生能源或新型潔凈技術設計出節(jié)能型建筑物。利用新技術在極端條件下建造建筑物的新的建筑學發(fā)展方向與人類對周圍環(huán)境價值的重新評估、保護生態(tài)環(huán)境意識的增強密切相關。在許多國家，這一發(fā)展方向被細化成新的建筑概念，即“自治建筑”，它是人類自己組織生活的一種表現(xiàn)。由于絕大多數(shù)居民生活在農(nóng)村，這里居民點規(guī)模較小且彼此距離較遠，建造同工業(yè)發(fā)達地區(qū)相同的能源系統(tǒng)變得毫無意義。因此，利用可再生資源建造低產(chǎn)量的自治能源站不僅可以滿足本地用戶的需求，它還具有一些其他明顯的優(yōu)勢（保證這里的電力和熱能供應是一個巨大的社會問題）。在電力自主家庭推廣生態(tài)原則具有可觀的前瞻性和遠見性。它使建筑學潛力的無限增大，更好地滿足社會的需求成為了可能。

2.3以利用信息技術為原則

利用信息技術原則，可以削弱基礎設施對城市直線空間形態(tài)的影響，換句話說，在不建造復雜交通干線和能源網(wǎng)的情況下，只要有效利用能源和環(huán)保技術、衛(wèi)星通訊和因特網(wǎng)，城市便可以快速發(fā)展。這時，建筑類型學中出現(xiàn)了新的一員——以信息技術為基礎的新型建筑物。在極端地區(qū)的分布機制中，信息調(diào)度與技術中心是基礎設施中的一種。但從城市建設的層面看，信息調(diào)度與技術中心則是未來新型建筑物中的一種，即建筑綜合體——技術管理中心。它們之間可以相隔很遠的距離，這里也不需要過多的工作人員，這對于極端條件而言是十分重要的。結(jié)語在極端條件下開展建設工作促使許多非傳統(tǒng)的設計和建造方法的產(chǎn)生。如今，特殊的人居環(huán)境，不同的人類世界觀，正在淡化技術與建筑學之間的界限。我想，將來一定會出現(xiàn)一支新的建筑學方向——技術建筑學。該領域的研究探索將使利用現(xiàn)有的科學技術成果開發(fā)適合人類生存的極端地區(qū)成為可能。技術建筑學如同消費者，它需要所有最新的技術成果和科學發(fā)明。同時，解決在極端條件下建筑設計的問題，需要我們調(diào)整現(xiàn)有的設計方法。在極端條件下建立人居環(huán)境不僅使建筑物更加滿足社會的需求，而且還縮減了建設開支，提高了人類生活的舒適性和安全性。

作者：韓林飛蘭棋單位：北京交通大學建筑與藝術學院