霍普兰德太阳生活中心

    案例分析：霍普兰德太阳生活中心
    1999年美国建筑师协会选择了十座本土建筑作为现阶段可持续建筑创作的范例，并把它们列为该年地球日十大绿色建筑，用以说明可持续发展的概念正在积极地和多渠道地深入建筑设计之中。其中列为首位的是位于旧金山以北霍普兰德山谷中的太阳生活中心（Real Goods Solar Living Center，Hopland California，以下简称SLC）。该中心建于1996年4月，占地约五万平方米，是美国生态制品公司REAL GOODS的商品展示基地。总建筑师为伯克利加大建筑教授兼生态设计所主持西姆范德瑞，并配合景观建筑师、建筑物理学专家等各专业小组共同完成。
    ◎可持续建筑的场所设计——环境的分析与升级
    可持续建筑的场所设计之所以区别于传统的场所设计，在于前者注重设计决策对不仅是本场所更是场所以外的更大环境的影响。它强调分析场所的特性，特别是生态与资源特性，其中涵盖着包括土壤、地质、地形、植被、水文、微气候等特性。再以这些场所提供的信息作为依据，对环境进行有效的保护与利用，以减少未来建成环境的能耗以及对周边环境的消极影响。譬如，C设计小组在设计前期就是通过对场所因素的整体分析确认两点因素作为突出考量的对象，即场所所在的冲击而成的平坦地貌及其受相应地理影响而成的微气候。试验表明，场所地基含水量丰富的砂乐层可以提供充足的水体作为环境中温湿度的调节体，并满足景园中植被的需求。另外对场所微气候的详尽分析也是气候反应设计的关键。霍普兰德山谷在气候上与邻近的湾区不同，它位于离海岸50英里的内陆地区，与海洋之间有丘陵所隔，年均降雨量39英寸且主要集中在冬季，夏季干燥炎热，年均风速6英里。这种区域微气候表明，在这样的地区，风力发电的效果并不显著，但一年中长期的充足日照却为太阳能发电提供了优势。同时也表明，在设计策略中，供暖同降温相比并非主要因素。原因在于，这一谷地冬季气温温和且白日的日照可以提供足够的冬季加热。然而对于夏季中38度的炎热天气，降温就显得异常重要。在SLC的设计中，遮阳（来遮挡强烈的日晒）、蒸发降温以及利用凉爽的夏季夜晚进行通风（由于该地区昼夜温差较大）都成为降温的主要手段。
    另一方面，场所的景园设计也充分体现着可持续发展的思维，其概念集中体现为“A”，即对园艺学、植物学、自然历史、环境伦理学以及地方   主义的综合认知。它具体表现在：
    一、生态环境的多样性，促进生态网络系统的完善性；
    二、具有生产与经济效益的景园，即景园经济化、田园化，力求美观、经济和实用。例如种植果树、草药等经济作物；
    三、对原有地区自然生态环境的恢复，以形成动植物赖以生存的环境。SLC的主要方法是恢复地方性植物群落。同时，其灌溉系统也是绿色的，即利用太阳能作为动力驱动自洁自净的地上地下水循环系统（包括中水回收利用），为各类生物提供栖息场所。实际上，对设计者而言，无论是表面上多么平凡的场所，在它的表象深处都存在着为可持续发展而设计的契机。对场所中宏观以及微观环境因素的创造性利用和升华往往可以取得巨大的效益，以提高整体环境的能量表现、舒适度、健康成份以及愉悦感，更重要的是促进个体环境对更大规模环境的贡献。
    ◎探寻可持续发展的建筑材料及其系统
    选择建筑材料是建筑设计中重要的一环。可持续建筑的目标增大了建筑材料环节的难度和深度，因为与建材相关的每一环节，如取材、生产加工、分配、维护乃至拆除或废物处理等等都与能源和环境密切相关。其对环境的影响可分为几个不同的层次：
    一、难以治愈的全球性影响（如生物多样性的丧失，臭氧层空洞）；
    二、理论上可治愈但技术缺乏（如生态系统的恢复，对消耗的能源及原材料的更换）； 
    三、可治愈可避免的（如对空气、水、土壤的污染）。
       无疑地，实施有关建材方面的可持续发展的相关策略完全可以避免或减少建材环节对环境的消极影响。这里包括减少材料的使用量，如使用绿色的替代产品，提倡小型的积极性住房，建筑的多用途，高效的基础设施，更有效的结构设计以及材料生产技术等等；对材料的再循环和再利用；减少生产材料的污染过程；以建材为基础，减少房屋系统的能量消耗；对建材能量消耗进行数量化研究，为选材提供借鉴。
在SLC的实践中，建筑师立足于以整体系统的观念对可持续发展的建筑材料进行研究和应用，其重点在于有效、适当、经济、健康地使用可更新的、无毒无害的、可再生的资源来研发和应用建材。主要的具体措施即是废物利用，一举两得。譬如，以粉煤灰取代混凝土中的部分波特兰水泥。研究表明，以25%的粉煤灰取代水泥反而可以增加混凝土的强度、耐久性和防水性，并防止断裂。SLC展室中的承重柱就是采用这种材料，而承重梁的木材是采用循环使用的旧料。再如，利用稻草垛作为墙体。稻草是一种高硅含量的农业废料，在美国对其进行处理的主要方式是在稻田中燃烧。
    当前，大约有一百多万吨的二氧化碳由此进入大气，因此造成了相应的环境污染。如果利用这些燃烧掉的稻草作为建材，大概每年可以建造二十万座民宅。经特殊加压打捆处理后的稻草是优良的建筑材料，不但具有良好的隔绝声热的性能，而且兼有较强的防火性，无毒，抗虫害侵扰。这种技术现主要应用于美国西南农业区。实际上使用这种农业副产品作为建材不但有利于减少温室效应还可以使多方受益。农民因出卖稻草获利，建造方可以减少材料造价，节省建材能源开支。
    此外，在58厘米的稻草墙体上喷涂一种8至10 厘米的土质护面灰来代替水泥砂浆，不但坚固美观，保温隔热效果好且无需日后维护。实际上这是一种称为“PISE”的技术，全称为“Pneum atically Impacted Stabilizated Earth”（气填稳定土），为美国加州建筑师David Easton发明。其方法是用喷枪把搀有水泥的低湿稳定土喷涂在稻草墙体或其它模体上，以达到快速、省力、稳固的目的。该技术已在小范围内应用并取得了成功。SLC中的PISE 的原料来自于附近采石场的废料。
    由此可以看出，创造性的采用新型建材往往可以变废为宝，减少污染和能源浪费，从而达到一举多得的效应。新型建材的思路可以是废物的升级利用，也可以是科学上的合成，但如果加工处理过程中的能量（源）消耗过大，或工艺偏于复杂，便会事倍功半。
    综上所述，可持续建筑材料的核心在于从材料整体循环过程的角度来审视其能量以及对各层次环境的影响，同时要兼顾它的经济性、美学效果等等。因此，建筑界有必要对各种建材（也包括再生的建材）生命全过程的参与能量及污染作综合的衡量，以理性地选择建材并评判建材环节中可持续发展的成份。
    ◎可持续建筑的能源利用与气候反应系统
    基于可持续发展的建筑，绿色能源的低能耗运营应当对建筑的内在与外显的品质起决定性作用。绿色能源的低能耗运营主要包含两个方面的意思 ：
    一是确认运营建筑所需能量的来源与转化是绿色的。譬如SLC使用太阳能、风能、水能、生物能等可更新的自然能源来提供能量进行灌溉、照明、机械运作。然而具体到个体建筑中能量的开发和利用还应充分考虑其所处环境的特点，即因地制宜的开源； [Page]
    二是指将建筑运营过程中的能量消耗减至最少，即广为节流。譬如利用自然采光、通风及温湿度调节来创造舒适的微环境。这一点应当从场所的宏观层次到构造的微观层次进行综合考虑，反映在建筑上应是完善的整体系统设计。一般常采用的是被动环境调节系统（PASSIVE SYSTEM OF ENVIRONMENT CONDITIONING）。
    以SLC为例，其能源利用与气候反应系统的策略主要为：冬季充分利用太阳能保温加热；夏季减少太阳辐射；充分利用自然采光；利用自然气流通风；利用可持续的材料达到保温隔热的效果。
    它们的实现主要依靠以下的途径：气候与场所分析；场所设计；建筑围护结构与空间设计；局部细部构造设计等等。具体地讲，展示室单体的设计是通过对该建筑所处地理位置的气候条件进行详尽分析而取得的。设计小组通过旧金山太平洋能源中心（Pacific Energy Center,SF）的Heliodon研究模拟了场地全年和全日的太阳方位角，并通过设置于模型内部的摄像机记录了室内全天的日照情况。这种动态仿真的结果被用于分析和设计自然采光系统，被动太阳能供暖和防晒，以取得最为有效的建筑形式和细部设计。此外，大比尺开间模型被置于伯克利加大的虚拟天空下，以研究室内光线分布，用来最终确定曲面屋顶形式及其曲率。
    SLC展室的自然通风设计首先是基于对场所西北向主导风的分析。依据风洞实验的结果，设计小组采用了屋顶高窗，并使屋顶呈阶梯状向东下降以利于自然通风降温。在夏季白日，室外干燥炎热，建筑相对封闭，在通风方面强调利用新鲜的低温空气从阴凉的北部高窗吸入室内，沿天花流动，从南侧高窗排出，带走了屋顶因太阳照射积聚的热量。夜晚由于室外温度较低，有利于实现夜晚通风降温的策略。冷空气从北侧低窗传入，利用Bernoulli现象和烟囱效果把原有热空气从屋顶高窗拔出。夜空辐射作用和屋顶及室内喷淋也有助于通过辐射冷却和蒸发冷却降温。整晚对围护结构和室内空气的降温有利于延迟白日室内温度的提高。同时，太阳能驱动的蒸发式冷却器在最炎热的夏日也可以协助降温。
    实际上，夏季的被动降温有赖于对太阳照射、自然通风、围护结构、绝热材料和室内热源的综合调控。譬如灵活的遮阳设备有利于通风的剖面设计，经济且优良的围护结构传热系数等等。冬日的策略主要体现在利用太阳能取暖和减少热量损耗上。西北侧厚重且具有超强热阻的稻草与PISE混合墙体是很好的蓄热介质，具有良好的热惰性。白日吸收的太阳热量在夜晚缓缓释放，配合夜晚密闭的围护结构，有效保持了室内温度的相对稳定。此外，依据场地太阳几何条件而精确计算得到的平立剖面可以在冬季白天得到最大程度的被动太阳辐射供热。
    ◎结语
    今日的建筑已经呈现出多元化的局面，其中一点主要的原因就是建筑技术的不断发展使诸多设计成为可能。通过人工采光、制冷、加热、通风，人们已经可以生活在虚拟的环境中。然而在短短的时间内，这种人工环境已经亮起了红灯。高度自然资源的消耗和环境污染，人工环境与自然环境的两分产生了众多环境盲式（ENVIRONMENTAL BLIND）的城镇与建筑。遗憾的是，这种趋势并没有减弱的趋势，并且那些对可持续发展理念缺 相对而言，SLC的设计却力图综合地展示全面性的可持续发展理念。更可贵的是，SLC明确地把这些思想和手段作为公众教育，特别是青少年教育的一部分展示出来，并寓教于乐，比如展示其墙体剖面，太阳能发电及供水设备，景园植物多样性标本，SLC建造全过程录像，景观日晷，开办现场营造作坊等等。因为可持续理念的实施和最终效果都很大程度上依赖于公众意识的提高和参与。尽管SLC是试验性的、地方性的尝试，但其背后的思想却具有普遍的价值。
    诚如REAL GOODS的主持John Schaeffer所言，中心的目的在于展示“可能性的绿洲”（Oasis of possibilities），为边缘材料和可持续发展的新思路提供实验场所。融入在SLC整个实践过程中的努力是成功的，作为可持续之星的SLC正明确地向人们表达着一种信息：可持续发展是具体的、可操作的行为，而并非只是美好的愿望；是综合系统效益的结果，而非断章取义；是责任感与任何建筑设计的基本出发点之一，而非某种风格或流派。
    文/郝林（英国剑桥大学建筑系）