形式遵循能量 - Brian Cody在BCC中国国际建筑科技大会演讲

科技项目概况

项目概况2018年北京举办了中国国际建筑科技大会，多位嘉宾就建筑设计与科技等问题发表了精彩的演讲。本文记录格拉茨技术大学建筑与能源研究所所长及 创始人 的演讲，题目为形式遵循能量，以他在奥地利格拉茨技术大学的研究以及他的建筑事务所做的实际项目为例，展示了如何在设计中贯彻能源理念。 2018 演讲中的 能源设计是一个新的合作方式，其核心理念是全系统思维。爱因斯坦的能源公式告诉我们所有事物都蕴含着能量，能源是建筑当中重要的第四维度。根据热力学第二定律，能量流也是我们在设计中需要考虑的问题。我们对传统外立面和机械通风立面做了测试，发现机械通风立面虽然会消耗更多能量，但它也可以帮助储存更多能量。因此能源设计的核心理念是能源效率，不仅是减少能量消耗，还要保证建筑内部热环境的质量，计算出维持这样的热环境需要消耗多少能量及其跟环境的互动。我们发明了一个系统，能够检测建筑本身的能效，并且可以和其他区域进行对比。 建筑中的能源产生和消耗分析图， 提升能源效率的关键是借助自然力量。比如我们在一栋摩天大楼的外立面设计中借助自然风支持力学设计，或是借助日光进行室内照明。我们在埃及做了一座博物馆，没有使用高科技的手法，只是借助表面沙子的温度实现整个建筑的供暖，使用喷淋系统进行冷却。整个建筑的热能都是来自于黑色石头屋顶。我们利用可能会造成问题的自然力，创造出了项目的解决方案。 另外我们还做了一座会流汗的建筑，在热的时候会通过排水来降温。这栋建筑是为2014年汉诺威世博会建造的，可以拆卸重建。建筑建在水面上，在晚上通过喷淋水来实现循环和出汗的功能。我们在设计时需要了解清洁水和清洁空气的微生态如何调节。 黑山有一个面积为100公顷的半岛，要实现零排放目标。我们的能源规划设计方案是让建筑提供可持续的再生能源，出行系统作为整个概念的有机组成部分，发挥储能作用。 我们在维也纳做的项目屋顶可以发电，下面设有地热储能系统，其围护结构中也设有很多其他系统来提高能效。另外在新加坡我们做了一栋摩天大楼，它的形式非常特别。大楼的外立面是由太阳能发电板组成的，虽然板面与地面平行，但是由于新加坡日照角度比较高，也可以实现整个能源的有效利用。 新加坡媒体中心能源设计，采用阳光板百叶， 过去几年我们做的工作包括智能表皮，即建筑的表皮可以随着外部环境的变化而变化，从而实现室内环境的调节，让在室内的人总体感觉十分舒适。由于外部环境非常多变，为了保持内部环境的相对稳定，外立面的作用十分重要。现在的主要立面材料有玻璃，砖和混凝土，这些材料无法对外部环境的变化做出迅速反应。为了制作智能表皮，我们首先要建造一个数学模型，输入不同的建筑参数，通过系统预测其在未来不同时段的最佳性能，并测试其能否在工业化层面上实现。我们在2000年做了一栋可以储能的建筑，可以节约90的能源。它的表皮可以打开或关闭，动态地适应外部环境的变化。我们在奥地利设计的建筑中有一条通风谷，外部空气进入建筑内部时，会通过一系列装置进行转换，以维持室内环境的稳定。2014年我们设计了一栋有制冷表皮的建筑，选择不同的玻璃涂层，让整个建筑可以有效地利用来自外部的自然风。 格拉茨大学医学院能源设计，建筑表皮可以打开或关闭， 欧洲中央银行多层表皮设计，有效利用自然风， 以前我们觉得表皮是一成不变的，但是智能表皮可以让建筑的形式更为动态，在产生能量的同时也产生了新的形式。每栋建筑所面临的关键挑战是不一样的，我们会为它们分别打造独特的物理解决方案。比如我们在法兰克福机场边设计的建筑，就需要针对空气和噪音污染提出解决方案。我们一反把建筑建低的德国传统，设计了一栋空间广阔的大楼。人们在空间中的体验完全不同，而通风系统的流程也是不一样的。我们将整个屋顶作为能源的发生器，同时为了实现能效最优，把能源设计理念贯穿在了平面布局和建筑形式设计中。 我们合作的建筑公司采用传统的拓扑结构进行设计，包括左右两个办公楼，中间由走廊连接。我们建议在中间加一个中庭，让人们可以更好地交流。由于两侧的办公空间一边朝外，一边朝里，这样的设计使得两侧的办公室都可以有更好的朝向。这是一种新的拓扑结构，外部环境连接中庭，并且设置会客点和公共区域，同时加入了新的能源设计。 能源设计， 阿迪达斯办公楼能源设计， 在一个储存政府公共文档用的档案馆的设计中，我们首先扩大了窗户的面积，让采光更好。我们在设计之初的想法是把不同的空间分开，旧档案放在老建筑中。档案的保存需要一定的环境条件，我们把人和设备加入模型进行模拟，证明了保存档案的空间是恒温恒湿的，这也影响了整个档案馆的结构。我们在进行形式设计的时候，考虑的是如何满足能源供给，如何通过有机设计适应外界环境的变化。比如由于楼层越低采光越差，所以窗户会设计得更大，等等。 档案馆能源设计， 我们在巴黎大学做了一个实验建筑，其屋顶非常独特，是穿透型的，所有教室和办公室都可以处在充足的日照之中。我们希望把多元的空间通过能源统一，实验室、教室、公共互动空间一起成为一个整体。整个空间形成一个微环境，实现能效最大化。如果把这种理念放到更大的环境里就是城市设计。在大学的整体规划中，校园向南延伸，我们从能源角度考虑，寻找既可以提升能效，又可以改善楼宇间环境的解决方案。 在维也纳智慧街区的项目中，我们的设计要与周围的环境相契合。为此我们进行了很多研究工作，希望在城市密度方面找到最佳解决方案，实现可持续发展的同时，满足未来生活的需求。如何在加大密度的同时减少能量消耗，且不对再生能源体系产生负面影响呢？我们以单个家庭为基础进行了能量研究，发现高密度也具有自身的优势，可以减少外部能量的散失。通过对简单能源模型的研究，我们发现如果想要实现可持续目标，必须考虑现有的基础设施。假设一些比较极端的情况，如到2020年，所有欧洲的建筑物都趋近于零能耗，但在整个城市的不同层面中，还有其他能量的消耗和产生，如输电和交通等。建筑的零能耗不能只考虑自身，还要与整个区域的能源生产和消耗达到平衡。这时，储能便是能源方案里重要的一部分。例如在中国太原的一个项目里，我们使用水塔来存储能量；而在韩国的一个项目中我们使用室外泳池储能。 维也纳能源设计， 太原植物园能源设计，采用水塔储能， 2014年我们设计了一栋拥有屋顶冷却系统的建筑，其能效非常高。30年前这是无法实现的。一方面，我们的能效不断提高；另一方面，人们的期望和标准也越来越高。因此我们必须思考整个系统，以实现稳定。我们在研究中和很多相关的公司合作，他们做过许多模拟，如办公室、交通、住宅系统等。研究的方法包括虚拟现实和具体的实验。我们希望通过虚拟的研究找到如何在真实的物理世界中锁住能量，实现更优化的能量布局，如增加人与人的面对面交流，减少交通时间等。我们可以运用技术，把人和自然合为一个整体，带来更多收益。如利用空中的水分进行绿植栽种，同时利用地下水进行冷却。我们还可以做一个复合的建筑，将工作、休闲甚至农业聚集在一起。这样的拓扑连接实现了人与自然的共生，二氧化碳、水以及其他元素的循环都可以在这个整体中实现。 现在很多欧洲城市都在考虑翻新，未来50年欧洲会有一半建筑都是新建筑，所以每个城市必须要做一个规划：50年以后我们希望看到什么样的城市？我们对柏林有一些干预性的计划，在城市的每一部分之间实现相互供给，进而带来宏观层面的新结构，创造可持续生产的宏观环境。建筑师应该通过全面的视角提升建筑能效，在做好设计工作的同时对未来保持战略性的思考。 ， 文本整理自活动现场记录 2019建筑设计博览会将于2019年11月5日8日在上海新国际博览中心举办。同期同地将举办中国国际门窗幕墙博览会。