从节能角度探究建筑物围护结构的演变

QU Cuisong

0 引言

建筑首先通过外围护结构呈现在人们眼前，它受制于材料和建造技术水平以及使用功能等需求，甚至还受制于当下的政治取向，在相当程度上体现了建筑的发展。本文从节能角度纵观外围护结构的发展，尝试揭示建筑在不同时期的关联性及其未来发展趋势。

1 外围护与承重功能的分离

人类的建筑发展到现今可以划分为三个阶段，大体上与生产力的发展阶段类似，即农耕时代建筑、工业化时期建筑以及目前的建筑。由于历史学家对目前这个阶段的定义还不确定，这里暂且称之为后工业化时期建筑。在农耕时代，生产方式落后，材料技术与运输业均不发达，建造多是就地取材，广泛使用天然材料如黏土、木材、石料以及后来出现的易于加工生产的黏土砖等。无论采用何种材料，这个时期的建筑结构都具有一个共同的特征，即外围护结构同时具有承重和围护双重功能：坚固，能够支撑屋顶或其他上部结构；遮风挡雨、内外分隔。因此，用于采光的窗户不能太大，进入室内的光线很少。除了少数的穹窿结构建筑能够做到跨度较大，其它类型建筑均开间较小，建筑总体来说呈现外形封闭、内部昏暗以及空间局促的特征。

到了工业化时代，钢铁工业迅速发展，还出现了钢筋混凝土这种合成材料，借助于框架结构这一成熟的承重体系，外围护结构从承重功能中彻底分离出来，建筑跨度也大大增加。因无需承重，建筑的外立面一改传统建筑的厚重外表，变得简洁、轻盈。关于这两个时期建筑的比较，勒·柯布西耶在他1930 年出版的著作《建筑和城市规划现状细节》中通过图解的方式指出：“窗户穿透需要支撑屋顶的实墙——这是个自相矛盾的程序；开窗意味着削弱墙体的承载力。承重和采光这两个功能之间确实是有区别的。”如图1 所示。

图1 勒·柯布西耶建筑草图

承重与围护功能的分离使得立面成了“外表皮”，建筑的“骨头”被包在里面。这一时期的建筑美学追求的是表皮越通透越简洁越好，因此，建筑立面越来越多地采用玻璃。这种需求促进了建材工业的发展，导致玻璃这种原本很昂贵的材料在工业化生产模式下被大批量快速生产，价格也变得低廉，这反过来又促进了玻璃在建筑中被更广泛使用。玻璃幕墙采用大面积单层玻璃和极细的钢框构件，早在19 世纪的英国就已经用于温室建筑的外围护结构，到了20 世纪初，由于现代主义的国际化，更是成为了现代建筑的“标志”（图2）。

图2 现代主义标志性建筑

2 外围护结构功能的细化与完善

虽然一开始就有对反传统、格式化和城市千篇一律的批判，但是真正引起人们对这种建筑（方式）进行反思的契机是20 世纪六七十年代的两次能源危机。单层玻璃和极细的钢窗框赋予了现代主义建筑的本质特征，但由于其热工性能极差，使得建筑在冬季需要消耗大量能量用于取暖，而夏季室内又由于玻璃围护结构的温室效应积聚过多的热量，如果不用机械制冷，室内的高温则无法忍受。由于能源价格日益上涨，建筑能耗大成为关注焦点，尤其在北方寒冷地区表现甚为明显。北欧和西欧的国家很早就开始在降低建筑冬季的取暖能耗上下功夫，并对建筑能耗做了一系列逐步升级的法律规定，如德国的建筑能耗标准就经历了WSVO1984、WSVO1995、EnEV 2004 以及此后的07、09、13 和16 各种升级版本，节能建筑根据其能耗等级被划分为低能耗建筑、3 升房、被动式建筑、零能耗建筑等。

要满足这些节能法规的要求、达到相应的节能等级，必须对外围护结构采取一系列相应的措施，其中最为关键的是改善外墙和门窗的热工性能。玻璃门窗的保温性能远不如墙体材料，要防止冬季室内的热量过多地通过建筑外围护结构散失，必须限制开窗面积并调整建筑的体型系数。建筑的节能等级越高，对窗墙比的规定就越严格，盛行于20 世纪八九十年代的玻璃幕墙也被禁止使用。这样一来，建筑又呈现出较为厚实的外部特征，建筑的形体也受到了限制（图3、4）。

图3 第一幢被动式节能建筑（Kranichstein,Darmstadt）

图4 一幢普通的被动式节能建筑（德国）

3 从被动式到主动式

人们总是向往充满阳光的室内环境，要满足这一愿望势必要增大开窗面积，同时还必须满足节能法对建筑的能耗要求，提高门窗的保温性能就成了建筑工业努力的目标。21 世纪以来，门窗的保温性能越来越好，节能窗从早期的双层玻璃发展到三层甚至四层玻璃，窗框材料和节点构造都有了很大的发展，由于采用断热构造，其保温性能得以极大提升。目前采用四层玻璃的窗户总体U 值可以达到0.4 左右，已经和实体墙的U 值相差不远了（图5）。

图5 德国帕森窗技术公司生产的4 层中空玻璃窗

同时，太阳能光电光热技术经过近40 年的发展，在产品性能提高的同时其价格则大大减低，原来较为昂贵的太阳能技术和产品可以大量地运用到建筑工程中去，建筑的节能技术也不再局限于被动式节能，而是逐渐向主动式产能过渡。

被动式建筑，其建筑形体和外围护结构窗墙比都有较为严格的要求，而主动式建筑，更加关注建筑整体的能量平衡，从而给予建筑更多利用综合性节能措施的可能性，建筑的表现空间更大。2014 年建成于德国法兰克福的主动式城市集合住宅（建筑师：HHS 建筑与规划事务所），作为这一发展趋势的实践先驱，充分展示了建筑外围护结构的反转：建筑不再拘泥于对门窗开启面积的限制，而是专注于如何将透明的表皮利用起来，通过被动式太阳能利用和主动式产能相结合达到预期的建筑能量平衡（图6）。

正能量房4.0 是同济大学和德国达姆施塔特大学在2018 年中国国际太阳能竞赛中的联合参赛项目，也是目前我国唯一一幢遵循主动式原则建成的建筑。项目位于我国太阳能资源较为丰富的德州市，是一幢建筑面积约200 m2的二层住宅。主体建筑南侧完全采用与楼层等高的落地推拉门窗作为外围护结构，外侧设置由单层推拉玻璃扇围合而成的缓冲区，以达到冬季太阳光热被动式利用的最大化。北侧采用同样的落地门窗，面积与南侧相比减小一半，外侧设置兼有交通功能的缓冲区以降低冬季建筑热损失。建筑在冬季不需采暖，夏季极端炎热期使用冷辐射吊顶制冷，能量来自于由屋面铺设的双面太阳能光伏板发电。能够做到这一点得益于采用了保温隔热性能极佳的门窗产品以及外墙保温材料。这样的设计使得建筑室内通透明亮，用户舒适度极高（图7）。

4 以产能为导向的外围护结构一体化发展趋势

自从建筑外围护结构的围护功能与其承重功能分离以来，经过了早期的全面“放开”阶段和受节能法规约束的被迫收敛阶段，建筑正在朝主动式产能方向发展，建筑通透性重新回升，但与之前单纯的通透大不相同。未来的外围护结构，既要使室内光线充足，有极佳的保温隔热性能，同时还要尽可能生产清洁能量，通过产能功能与立面模块的量化整合优化，使窗的功能得以拓展。

图6 德国法兰克福主动式城市集合住宅

图7 正能量房4.0

在保证通透性的情况下，降低能耗和扩大建筑产能的途径之一是借助玻璃镀膜技术的发展。例如，柏林新近建成的“立方”办公商业综合楼，其外立面的玻璃镀膜已经可以完美地做到给建筑降温（图8），产能型产品的开发与实现应该也不会遥远。同时，窗构造技术将随着产品的不断升级以及新的发现而改进，可控一体化遮阳可与太阳能发电功能相结合，玻璃窗体的空腔功能亦将被进一步发掘。

图8 柏林立方（Cube Berlin）外立面

5 结语

外围护结构的功能和构造方式在很大程度上决定了建筑的发展，从农耕时代单层厚重、工业化时期单层轻薄、后工业化时期多层厚重，到今天正在转向多层通透，发展趋势逐步与能耗紧密关联起来，节能和产能功能在外围护结构的属性中占比越来越高。发展低能耗、产能高、通透性好和可持续的建筑外围护结构，是与建筑相关的各行各业的共同努力目标。