研究与批评
王其钧:生态建筑与仿生建筑(上)
来源:cafa.com.cn  作者:CAFA ART INFO  点击量:13905  时间:2010/10/9 13:38:50

  摘要:在当前全球面临资源短缺、污染严重的严峻局势下,如何使建筑能够减少能耗,并使建筑能够给人提供一个绿色的空间,也成为摆在国内建筑师以及建筑行业面前的一个难题。生态建筑和仿生建筑是其中的一种解决方法。本文以笔者对于国外建筑界最新动态较为熟悉的知识背景,介绍了大量的近年来国际上最具代表性的生态建筑和仿生建筑,而且其中绝大多数的作品都是国际著名建筑师的作品。这对于国内的建筑设计以及建筑学教育都会起到较好的启发作用。

  关键词 生态学 仿生学 环保 节能

  ABSTRACT

  Under the serious situation of resource shortage and pollution, architectural profession of
China is facing a difficult question: how to make architecture of less energy consumption, 
in order to provide a green environment for human being? Sustainability and Bionics are
two of the solutions to this problem. This paper introduces some of the influential 
sustainable and bionic buildings around the world, which were mostly designed by world-famous architects. This introduction is aimed to provide an inspiration for architectural
design and architectural education in China.

  KEY WORDS Ecology, Bionics, environmental protection, energy conservation

  从全世界的范围来看,新世纪的现代主义建筑有幸生存在一个和平发展的、物质富足的福利社会,然而在建筑发展之上永远高悬着一柄利剑,那就是资源的极限。

  推崇不断革命、永远创新的现代主义建筑运动的建筑师们在20世纪70年代的石油危机之后不得不承认,当代建筑的发展将面临的一个迫切需要解决、而且也是必须解决的现实问题,这就是:建筑的环保与节能问题。

  因此,在世纪之交探讨当代建筑与自然界之间关系的大潮中,尽管不同建筑师所倾向的研究和表现方向不一致,但他们却不约而同或多或少地追求建筑的生态性与环保特点。这已成为20世纪末期以来当代建筑越来越受人关注的问题,而且也将成为未来建筑发展的一个必经之路。

  生态学(Ecology)是一门专门研究生物之间或生物与非生物环境之间关系的学科,建筑中的生态学则是主要研究建筑为人们所创造的安居环境对自然和人的影响。而这种安居环境包含的范围也很广泛,从建筑内部的空气冷暖到室外的自然绿地,从给人们提供的公共活动空间到自然生态系统的平衡协调等方面无所不包。概括起来,一座建筑能被称为生态建筑,应该具备三个要素:第一,建筑对外界环境低能耗。一个能耗超标的建筑只能是伪生态建筑;第二,建筑让人接近自然元素,如绿化花草、风霜雨雪、日照阳光和自然通风等等;第三,建筑对外界零排放。

  三点合一,就是如何提供一个让人和环境都舒适和度的人造物。由于建筑取向的不同,人们对这一目标的敏感程度也不同。而在一些具有特殊功能或背景的小型公共性建筑中,这一考量显得较为突出。因为这些特殊性决定了建筑本身的性质基调、外观形象直至内部空间的设置。

  除了考虑上述三点要素而营造的建筑外,还有一种在外形上仿照自然生物的建筑形式,目前也在国外流行,这就是仿生(Bionics)建筑。

  在当代,随着材料、技术等与建筑有关方面的科学水平的发展,生态建筑和仿生建筑所具有的内涵也越来越广泛。生态建筑和仿生建筑的含义变得更加多元化和复杂化。

  生态建筑

  现代建筑高大、宽敞、明亮的形象已经深入人心,但这种建筑在彰显人类技术与财富的同时,却并不实用。通透的巨大玻璃体在保温、遮阳等方面都不尽如人意。虽然现代技术已经研究出种类丰富的镀膜玻璃、遮阳板、保温板来克服这些问题,但最终的效果也并不十分理想。而且人们不得不为庞大制冷、制热、通风体系所耗费的大量能源支付高昂的费用。

  此外,全现代化的简洁建筑空间,将人们与自然隔绝开来,使看似高档的办公室成为枯燥的办公工厂,其中的人则成为工作机器。刻板、单一的空间虽然舒适,但却忽视了人们的心理需要,极易使人们产生心理和生理上的疲劳感,并不是最理想的使用空间形式。

  一座生态建筑,最起码的要求是既要节约能源,又要兼顾对使用者心理的影响。建筑以提供舒适使用空间为其最基本的功能,适宜的温度和光线度是营造空间舒适度的最基本因素,也是建筑中最主要的两项消耗能源的因素。因此,通过建筑设计加强建筑的自然调控能力,降低人工能源的消耗等,成为建筑界的热门议题之一。

  近年来,人们对覆土建筑的兴趣又逐渐浓厚起来,这是因为覆土建筑形式具有独特的生态效应。而随着近年来人们对于能源消耗、环境、生态的关注,覆土建筑更以一种大张旗鼓的方式重新出现,而人们对这种建筑形式的运用,也更加大胆。

  覆土建筑

  1997年,在荷兰的德尔福特大学(The Delft University),一座新的图书馆建筑落成。这座图书馆将覆土建筑(earth covering building)的形式以一种夸张的方式运用,并在建筑室内外都取得了喜人的效果。新图书馆的建筑形态十分夸张,建筑体的高度并不一致,随着主体结构的逐渐下沉,建筑的上部形成一个巨大的坡面。而这个巨大的坡面,被满覆以大片草皮,与地面上的草坪连为一体(图1)。

  建筑剩下的三个立面均使用玻璃幕墙结构,轻透的玻璃幕墙与巨大的绿地坡面形成鲜明的对比。除了独特的建筑形式以外,这座图书馆建筑还有一个标志性的圆锥塔。这个钢结构的巨塔既是图书馆内部的阅览室,也是内部重要的采光塔。

  巧妙的设计给建筑带来实实在在的好处:首先,大片的绿地坡屋面隔断了阳光,这对保护书籍起到了很好的作用。此外,三面玻璃幕墙上的遮阳板可以屏蔽约70%的阳光,而玻璃本身所镀的特殊涂层也具有同样的功能。这样,在建筑内部获得充足自然光的同时,也避免了阳光直接照射所带来的对图书的侵害。大面积遮阳的草地和玻璃的独特设置,也大大节省了制冷的能源耗费。而在冬日里,坡屋面不仅起到了绝佳的保温功能,还有效地阻断了外部冷空气的侵入。

  其次,建筑采用双层玻璃幕墙形式,并通过玻璃层之间的中空进行送风,使冷、热自然空气在从地面吹入室内前进行温热或冷却,同时在外立面形成天然的屏蔽层。这些措施最大限度地利用建筑自身的优势,达到自然的遮阳和调节空气温度的作用,极大降低了人工能源在这些方面的耗损。可以说,降低维护建筑所需要的各种能源消耗,是生态建筑的第一要求。

  建筑对于使用者心理需要的满足,可以通过一位来自葡萄牙的建筑师及其“对真实的模仿”理念来体现,即使他可能只是对“创造一个看来真实的系统”的探索更感兴趣。

  毛拉(Eduardo Souto De Moura)于1998年在葡萄牙卡明哈设计建成的莫列多住宅(House in Moledo)中,为了使这座位于山坡下的建筑拥有自然的居住效果,毛拉大量运用了岩石。当装载着岩石的卡车排着队似的将岩石卸在建筑基址上时,大多数人相信这里原有的自然风景将被人工的建筑所取代而破坏,但建成后的建筑却大出人们的意料之外(图2)。

  因为建筑完全被组织到自然岩层当中去了,建筑实际上被藏在了岩石组成的一个人造的挡土坡和台地中,沧桑的石墙和植物将建筑与周围环境的界限抹灭,使它完全变成一座原生态的建筑。

  然而,这个看似自古就存在那里的“原生态建筑”事实上只是一个“看来真实的系统”,因为建造前的原址并不存在这样的原生态,现在看到的原生态景象是建筑师以极强的意志花费了业主巨大的投资而实现的一个与自然元素共生的人造物。为此建筑师还创下了这样一个记录:为建造土坡和台地所投入的造价要远高于修筑建筑本身的造价。虽然对于毛拉这种高投入,并且对建筑基址进行大规模改建的做法是否合理,在建筑界还存在争议,但不可否认的是,在建造生态建筑和再造自然方面,毛拉也是比较有代表性的一位建筑师。他通过对自然的改造来使人们获得更加真实的自然感的做法,尤其是在大型建筑项目中取得了极具震撼力的建筑效果。

  比如在2003年建成的布拉加市立运动场(Braga Municipal Stadium)中,毛拉的那种借助建筑唤醒人类自然情感的做法,就获得了很大成功。毛拉在2000年接到在葡萄牙布拉加地区设计足球场的设计委托之时,就对新体育场位于卡斯特罗山北坡前的空地上的基址十分满意(图3)。

  毛拉首先将体育馆的位置后移,深入山体中一个废弃的采石场当中,以求场馆与自然山体更进一步地融合。毛拉还大胆地提出了只在两个端头设置看台的总体布局结构。山体一面的看台依山势而建,大大节约了成本。相对山体的另一端的看台,也是主要出入口,则采用以当地岩石为主料的钢筋混凝土结构。除了主体结构以外,体育馆两边都不再设置硬性围墙,这使得两边山体上的岩石和自然美景都映入场馆之内。

  这种做法很容易让人想起遥远的古希腊露天剧场,给体育场增添了一种原始而雄浑的气质。这种对峙局面的看台设置将观众集中形成两大派别,设计之初担心观众是否有被孤立的感觉。没想到在激烈的比赛中,这种设计反而将观众的积极性极大地调动起来。两边看台上的观众自动分成两派,而且两方观众有应有答的呐喊相互攀比,其激烈程度亳不逊色于场上的比赛。可见,建筑师为观众和运动员所设置的这样一个自然的空间环境,将来自人类童年最本真的激情唤醒,每一个人都得到除比赛过程以外的另一份惊喜。

  日本建筑师安藤忠雄(Tadao Ando)与毛拉有着同样尊重原生环境的设计特点。这一点不仅是承袭自日本传统建筑尊重自然的传统,也来自建筑师本人对自然与建筑关系的独特领悟和表现。2004年,安藤忠雄在日本的一座荒岛上为展示三位艺术家的作品而设计的地中美术馆(Chichu Art Museum),在显示了建筑师延续一贯设计风格的同时表达了对自然环境的尊重和对自然元素的追求(图4)。

  整个三层的美术馆都分布在地下,只在覆满植物的地上部分留有大小和形状不一的天井和采光、通风口。在这座建筑里,安藤忠雄以往对于自然光的运用与表现发挥到极致。虽然所有建筑空间都位于地下,但却因为天井、错落的体块的设置,使内部在满足正常功能需要的同时,四处都充满了自然光线的变化。在这里,极简约的混凝土墙面与明暗互织的几何体块组合,为各种艺术品提供了一个充满自然与原始氛围的展示空间。尤其是在面临内海湾的一面,看似深入地下的建筑体中竟然呈现巨大的观景窗,将对面海天一色的外部景观映入室内,让参观者随着参观路线的变化而体会到迥然不同的感受。

  诸如莫列多住宅和地中美术馆这样沉入地下的建筑,展示了覆土生态语言的力量,建筑外部貌不惊人的形象与惊心动魄的内部空间形成强烈反差,给人留下了深刻的印象。覆土建筑以其良好的保温性能使建筑本身的能耗大大降低的同时,也使建筑与自然环境完美融合,是一种理想化的生态建筑形式。但也可以看到,覆土生态建筑形式所适用的范围相当有限,尤其是对于大多数位于当代都市中,或需要提供大面积使用空间的建筑来说,并不适用。

  由此可见,要追求一种对建筑基址的损害最小,适用性较强,又能最大限度地与建筑所在地的原有环境取得协调的生态建筑形式,才更接近于完美生态建筑的宗旨。来自阿根廷的建筑师艾米利奥•阿巴斯(Emilio Ambasz)就是这样一位致力于研究城市建筑与生态环境之间关系的建筑师。不仅如此,他还与彼得•埃森曼一起创立了一个研究城市建筑的专门机构,将他对人类生存的建筑环境与生态环境之间关系的看法,和一些有建设性的意见提供给相关部门,得以在城市改造或新建中运用。

  地上屋面覆土建筑

  阿巴斯所设计的建筑,都很重视对绿地面积的营造,以及如何将绿地巧妙地引入建筑等问题。必要时,他也会通过将主要建筑置于地下的方法来获得地面上的大量绿化面积,除了绿地之外,水流、庭院也是阿巴斯的设计中经常出现的要素。他作为一个建筑设计师的同时,也同时具有景观设计师的气质特点。而且阿巴斯也同时注意到覆土建筑不适用于大都市建筑的弊端,并在此方面进行了积极的探索。

  1995年,阿巴斯在日本福冈市(Fukuoka)设计完成了一座集会议、住宅、办公为一体的国际大厦(Acros Fukuoka-Prefectural International Hall),无论从建筑造型、建筑体块组合,还是绿地的规划上,这都是他的生态学建筑风格最突出的代表作品(图5)。

  这座建筑的基址正位于福冈一片面积较大的中央公园旁边,所以阿巴斯将建筑面向公园而建,并采用了阶梯形的建筑立面形式。整个建筑面向公园一侧的立面,逐渐向上缩进。从底层起,各个楼层之前都设置横向的绿化带,并有“之”字形的阶梯相互连接。这种屋顶花园和坡道的设计,给建筑外部多加了一个上下的通道,也使人们可以随时享受自然环境。

  此外,各层单独的绿化带也起到收集雨水的作用,在每层建筑中形成一个小的自然气候,有效地帮助室内调节干湿度,促进空气流通。在这座建筑中,阿巴斯的阶梯形绿化面、坡形外通道的设置还有一个巧妙的转景作用。横向长长的窗带近处有阶梯形花园的绿色植物,远处则是中央公园的美景,这两处绿色一近一远相互对应,能够给人以身临其境之感,不仅从外部给人创造了怡人的环境,也给人以愉悦的心情。

  在阿巴斯设计的这座建筑中,首次体现出将覆土建筑形式与大型建筑项目结合的尝试,并获得了成功。建筑借助于大面积的立体绿化与临近的自然公园相协调,同时也给建筑内部带来生态化的使用空间,在自然与建筑之间建立了紧密联系。

  紧密结合环境的建筑

  对于建筑与自然环境的关系处理问题,也是衡量生态建筑最重要的指标之一。而在确定建筑与自然环境之间的关系定位之后,如何以恰当的方式表现出来,也是决定建筑成败的重要因素。在这方面,往往是那些具有悠久建筑历史和浓厚建筑文化底蕴的地区表现也最具特色。比如日本建筑师西泽立卫(Ryue Nishizawa)和女建筑师妹岛和世(Kazuyo Sejima),在日本设计的长野博物馆(0 Museum)就以日本传统建筑意蕴与现代建筑形式相结合,创造出一座富于传统精神的当代新生态建筑形象(图6)。

  这座小型的博物馆正紧挨着一座传统样式的古建筑群。新建筑就在山上茂盛的树林与山下大片的农田交界地,与古朴的旧建筑群咫尺相隔。这就要求新建筑在提供大面积充足的展览与附属空间的同时,还不能破坏本地祥和、安静的传统氛围。

  为此,两位建筑师沿续了日本传统建筑一贯以来平和的外观,并将新建筑的高度控制在一定高度以内。为了最大限度地保护建筑基址的原貌,单层的博物馆被粗大的混凝土柱支起,利用钢结构的特质将整个展览厅悬挑在地面层之上,同时为展览厅设置了一个连续、横长的矩形条状空间,将建筑体深入到周围植物当中的同时,有效地缩短了建筑体的视觉长度。

  整个长条状的建筑体的地面与屋顶采用钢结构和特殊的保温层,两个建筑端头则分别用金属丝网封闭,起到透气和封闭的双重作用。建筑的前后两面则都用同一长度和宽度的玻璃板覆盖,但由于对各部分玻璃板所作的处理不一样,也使建筑外观呈现明与暗的不同变化,正好达到了活跃建筑立面形象与空间分划的双重目的。

  在建筑内部,最富于戏剧性的设置是在门厅的部分。在这里,玻璃幕墙开辟出一片没有进行任何特殊处理的面积,这部分则正好将老建筑和周围的美景框入其中,形成一幅四季不同的画卷。从后部坡道进入博物馆的参观者们,经过入口后眼前豁然开朗,在身处新建筑的同时尽享古老建筑与古老建筑传统所带来的感动,建筑师在此通过人与建筑的互动拉近了新老建筑的距离,也将建筑与人的互动加强,成为整个博物馆建筑最精彩的一笔。

  在这座建筑中,最特别的设置在于对玻璃的不同加工。虽然使用了同一种印刷式样的玻璃板,但因为处理的工艺不同而使玻璃呈现出透明、半透明与不透明三种渐变的效果,在塑造建筑轻盈感的同时,也满足了内部展览、储藏和观景等对玻璃幕墙的不同使用要求。长而低矮的建筑空间继承了传统建筑空间的精髓,让身在新博物馆建筑中的人们有很强烈的传统之感。入口大厅画轴样的框景不仅将新老建筑连为一体,也为新建筑增添了灵秀与古朴之感。而半透明玻璃使周围的景色似有似无,使人们在一种无意识的情况下享受自然美景的映衬,有如身处自然之中。

  可见,有时生态建筑的涵义也可以很简单,甚至只意味着形态上的相近。日本建筑师矶崎新在2003年设计建造完成的一座艺术媒体中心,就体现了一种简单即美的建筑理念(图7)。

  新媒体中心主要提供剧院、图书馆、自习室及各种辅助空间,因而其建筑形态比较简单,是一座平面为矩形的三层建筑体。建筑主体结构由钢框架与强力混凝土墙构成,实际的建筑使用空间只有底部两层。

  然而为了与周围传统建筑以及自然山岭的环境相融合,建筑师给建筑加建了第三层的波浪状屋顶形式。横向波浪起伏的屋面正好与后部绵延的群山相互掩映,而屋顶高起与低落位置的变化,则是根据内部演映或图书空间的位置而设定的。

  日本建筑师对于建筑生态特性的关注及其在相关方面的探索,是当代建筑界较有代表性,及独具特色的现象。产生这种现象的原因,除了日本传统建筑理念中所表现出较强的“天人合一”的宗旨之外,与日本国所处特殊的地理位置以及地少人多的建筑实际情况息息相关。

  从20世纪60年代起,在日本现代建筑大师丹下健三(Kenzo Tange)的影响下,黑川纪章(Kisho Kurokawa)、菊竹清训(Kikutake Kiyonoli)等新一代的建筑师们在日本传统文化和西方现代建筑风格两种建筑文化的影响下,在日本高速发展的现代建筑进程中,促成了有日本特色的现代主义建筑风格——新陈代谢风格的产生和发展。

  新陈代谢风格

  新陈代谢风格(Metabolism Style)在20世纪后期的几十年里,不仅在日本,在国际建筑界也有着深刻的影响。可以说,新陈代谢风格重新将建筑与自然界以及自然界的生物紧密联系在一起,让全世界都重新关注被现代主义所忽视甚至是割断了的建筑的自然属性。

  如果说丹下健三一手创立了日本现代建筑体系的话,那么以菊竹清训、黑川纪章等早期新陈代谢派中坚力量为主的建筑师,则成为继丹下健三之后影响日本本土化现代主义建筑发展的重要力量。许多当代优秀的日本新一代建筑师,都师出于这些秉持新建筑理念的建筑大师,因此也形成了富于特色的日本建筑发展体系。日本当代女建筑师长谷川逸子(ltsuko Hasegawa)曾经先后师从于菊竹清训和筱原一男(Kazuo Shinohara),她同许多当代日本建筑师一样,既有对现代主义深刻地认识,又受浓厚的日本传统影响。

  注重建筑对周边环境的影响,是日本建筑理念的精髓,也是日本建筑师时时所遇到的实际问题。比如长谷川逸子在1998年设计的新泻表演艺术中心(Nigata Performing Arts Center)。新泻(Nigata)是日本围海造田形成的一座临水城市,因此当地建筑不能设置地下空间。这样,建筑师在为这座拥有音乐厅、多个剧场以及相关排练和服务性空间的建筑做设计之前,就面临着用地紧张的问题。而且在有限的区域内,不仅要提供各种充足的公共活动和服务空间,还要为大批而来的观众解决停车问题,因为以往的地下停车空间没有了(图8)。

  新泻地区自然绿化非常完善,这是保持水土的必要方法之一。融入环境绿化,将新建筑物以庞大的身躯插入这个背景当中,成为建筑师的生态选择。但长谷川逸子并没有采用“伪装”的方法使建筑看上去更“自然”。而是使用了椭圆形柱体的建筑形式,这种人工气十足的建筑形象,以及通过四周玻璃直接裸露出来的巨大钢架结构,以一种坚定的形态矗立于绿树草地的背景之间,这种对建筑“人工制造”特性的突出,也与当地人工造地的基址特点相契合,展现着人类改造自然的强大实力。

  除此之外建筑本身也做了许多贴近自然的设计。首先,椭圆形建筑采用了坡形顶的设计,然后将顶部处理成大片的绿地。这种空中花园的设计,使顶部成为人们短暂休息的好去处,同时为人们提供了完美的观景台;其次,在建筑背立面上,低矮的顶部与后部的山坡相接,使人们可以从山坡上自然走到建筑顶部,再通过顶部的坡道进入建筑内部。这种新奇的入口形式也让整个游览活动变得更加丰富。

  这种在建筑体上引入自然植物营造自然氛围,并借助自然植物的特点来起到调节室内空气和建筑环境的做法,可说是既赋予建筑独特的外在形象又满足了内部使用功能。

  优美的自然环境,是建筑最大的资源。无论建造何种类型的建筑,都不可忽视建筑与基址周围环境的协和问题,而如何协调人工景观、如何创造新的景观、如何将自然景观引入建筑内部,成为建筑师设计中的大事。处理得当,自然会形成富于原生态的新景观。本土风格建筑除了拥有得天独厚的自然条件以外,生态性建筑还可能以一种更隐晦的方式形成一种类似原生态感的新景观。1994年,由里格瑞达建筑事务所在本国设计的一座艺术教育中心,就在这方面进行了探索。

  里格瑞达(Ricardo Legorreta)是当代墨西哥著名建筑师,他致力于对墨西哥当地土著居民的建筑形式的现代化研究与探索工作,他将本土土著建筑(Vernacular Architecture)的特色模式与大胆而浓烈的用色,应用到了工业、商业、办公等更广泛、更大规模的现代建筑中。试图在发展现代建筑和对本地区建筑传统的沿续之间找到契合点,既通过现代建筑结构满足社会的需要,又使本地区原生态建筑的特色得以保存和展现。

  位于墨西城(Mexico City)的城市艺术中心(The City of The Art),是将多种艺术学校综合至一处的大型艺术教育中心区,在这座综合教育园区的建筑设计上,里格瑞达参照了墨西哥16世纪的传统石墙建筑形式和建筑组合手法,虽然各个艺术教育区域都根据使用功能的差异确定了不同的建筑布局、外貌和建筑组群形式,但园区内的所有建筑都通过相对统一的红色调,以及富于本地区特色的建筑材料进行统合(图9)。
 以视觉艺术园区为例,这里主要使用砖和当地的火山岩材料,并通过火山岩饰面的建筑部分与红色调的建筑部分在体块和色彩上组合,取得变化与统一性的协调。鲜艳的红色调与粗糙的火山岩墙面,都渲染出一种热烈而粗犷的建筑氛围,这也正是墨西哥土著建筑的特色之所在。里格瑞达承袭并发展了现代墨西哥建筑语言,在这座教育园区中,他成功地创造出了一种墨西哥文化背景下的原生态感建筑群落。

  优良基址环境所提供的绝佳背景,既是建筑的优势,也向建筑师提出挑战。在这些地区,其天然性可能成为一种强势基调,导致任何新介入的因素都有成为破坏环境完整性败笔的可能。从建筑方面来看,在自然环境良好的基址上,建造生态型建筑当然是最好的选择,但通过何种途径,何种方式处理与当地原生态的关系,既发挥理想的资源效率,又与环境友好,则因建筑师和地区建筑传统、地理、气候等主客观条件的不同而有所不同了。在这些建筑和环境等多方面相互关系的处理上,不同建筑师的处理各有其独到之处,比如安藤忠雄擅长半开合型庭院和水面的引入,而迈耶则以纯净的白色、轻透建筑为主要特色。

  除了兼顾建筑外部形象和内部使用空间自然生态性之外,随着现代材料与技术科学发展所提供的可能性越来越多,人类对于生态建筑的追求也变得更加深入,有更多的手段将建筑这种人造性质极强的事物尽可能地与自然融合,以增加其原生态特质。

  木结构建筑

  在外形上贴近自然的设计之后,使用环保和可再生建筑材料,成为生态建筑必然的发展趋向。实现可持续发展的建筑目标,其最基本和最主流的方向就是对绿色环保材料的使用,因此木材(Timber&Plywood)凭借其可再生性和优质的柔韧性,重新又成为最理想的建筑材料。特别是经过高科技加工技术处理过的木材,不仅克服了硬度差、易腐蚀的缺点,还能够与钢筋混凝土等各种现代材料相配合,从而被应用于大型建筑中。因此对这一新型建材普及应用性的探索,也成为一些建筑师热衷的事业。

  美国建筑师罗伯特•马里诺(Robert Marino)就是这样一位有着探索精神的人。他将在飞机制造领域内使用的蜂巢结构与木材料相组合,使传统木质构件的承压强度大大增强,其研究成果被大量应用在他设计的各种中小型私家别墅中,并取得了极大成功。

  马里诺运用蜂巢结构为自己兴建的私家别墅(Marino/Bostick House),最大程度地使用木材建造。而且由于整个建筑有着极其简单的结构和外形,因此包括主体框架、墙面与地板在内,几乎所有的建筑部分都可以在工厂预制,而当各种预制结构被运至建筑基址时,建筑的建造过程就像是一场大型的拼插模型的游戏(图10)。

  在建筑中,由高强度的胶合板相互穿插形成的蜂巢式屋顶与两边的支撑性肋板,形成大跨度且坚韧的结构。而且这种结构的可塑性很强,马里诺就根据建筑正对水面的位置,将整个屋顶设计成了倒扣的船的形象。

  木结构不仅可以建造简单结构和标准比例尺度的小型建筑,经过特殊工艺处理过的木结构,还可以被用于建造更大规模和结构更加复杂的现代化建筑。比如葡萄牙里斯本(Lisbon)也有一位建筑师同样采用木结构,同样采用船的构思,却建造出了一座现代化的大型会展建筑,并获得了极大成功。

  由瑞金诺•克鲁兹(Regino Cruz)设计,于2002年建成并投入使用的葡萄牙里斯本博览会的大西洋主会场(Atlantic Pavilion),为新时期木结构建筑的发展预示了光明的未来。这座规模巨大的建筑依靠木结构为其屋顶主体结构的做法,不仅为木材的大规模推广使用奠定了基础,也为在大型建筑中使用木结构的做法提供了范例(图11)。

  这座位于里斯本海岸线上的会场平面略呈椭圆形,占地面积27760m2,主体会场略沉入地下,包括四周斜坡式的固定座椅共有8300个,而除了固定座椅以外,还另外配备1700个可收叠的活动座椅,最多时内部可同时容纳16500人。

  就是这样一座规模巨大的会场建筑,除了底部的围合体和周围观众席为钢筋混凝土结构之外,其巨大的穹顶竟是由双层木构架组成的。巨大的木结构穹顶分为多层,第一层是主要承重结构,由被弯曲成形的粗壮方木与稍细一点的辅助木结构组成。各种木构架之间的组合方式与同类的钢梁结构相同,只是在各种构件接口处不使用焊接,而是由特制的金属插件连接,并由螺丝固定。第二层覆面木质层,也就是在相隔不远的主承重木肋网上,像铺设地板一样,用木板闭合屋面。这两部分木结构在建筑内部可以清楚地看到。在木结构的屋面铺设完毕之后,还要铺设隔热、隔燃等防护材料层,最后再覆以镀锌合金的屋面板即建成。

  在这座建筑中,整个木结构屋顶由各种组件与主肋构成,并且包括连接木构件的金属插件在内的各种部件都有着统一的比例与尺寸。于是,构成整个穹顶的无数小构件得以在计算机的辅助下被计算出确切的数量和尺度,并被派发给不同的工厂制作。最后,现场屋顶的架设与组装工作,在计算机的辅助指挥下迅速、高效地进行,而最大跨度达150米的中肋和众多拥有不同弧度的肋架也得以精确地拼接完成。由于采用了高技术手段,使得如此大跨度的结构桁架高度仅为0.75米。

  在同等条件之下,使用木结构的好处不言而喻。首先是极大地减轻了穹顶的重量,与同等规模但采用金属构架的穹顶相比,木结构屋顶的重量要轻得多;其次是直接导致建筑成本的下降,因为即使是经过特殊工艺加工后的木构架,其价格相对金属材料也往往要便宜得多。此外,木构架的日常维护和更换相对金属构件要容易得多,而且其使用寿命也比较长。

  目前,世界各国在现代建筑中大量引入木材质构件的做法,已经变得越来越普遍。在一些盛产木材的国家和地区,比如北欧,加拿大等其本身就有着使用木材建造房屋的悠久历史。因此在针对木材质的全新加工与使用方面,也具有较高的水平。像北欧的芬兰、瑞士,以及加拿大等国,在现代建筑中大量使用木材作为主要装饰材料是其重要的建筑传统。而将改良后的木结构应用于大型建筑项目中,也成为这些地区在当代建筑兴建中逐渐突显出的特色之一。

  而且在这方面,可以举出很多成功的例子,比如位于加拿大不列颠哥伦比亚省的草莓谷学校(Strawberry Vale School, British Columbia)。这所小型的单层学校建筑,只在地基和部分薄屋顶和承重墙面中使用了钢筋混凝土和钢柱结构。其余建筑构件,以及墙面、屋顶、地板和围护层都使用木材(图12)。

  天然的木质材料不仅是人类历史上运用的最早也是运用时间最长的建筑材料;从材料本身的质量上来说,木材不仅坚固、可塑性强,还具有很好的替换性。而一些质地优良或经过现代技术加工后的木结构建筑,可以屹立一二百年不倒,这也比钢筋混凝土的使用寿命要长得多;从当今的建筑潮流来看,木材作为一种可再生、无污染的建筑材料,也正被越来越多的人所使用。当然,前提是物质充足、生态平衡的福利社会有足够的木材供应。

作者:王其钧