不锈钢遮阳体系与建筑物生态气候外立面有机结合

摘要：建筑外墙正在从相对简单地防御气候转变为更为主动地利用气候。介绍了结合遮阳系统的混合式生态气候外墙层在世界各地建筑中的应用情况，并探讨了对其更广泛利用的可能性。

关键词：不锈钢 附加外墙层 遮阳体系 生态气候 被动式 主动式

生态气候建筑（Bioclimatic architecture）充分利用当地气候条件来提高建筑的能效和视效，在夏季保护建筑免遭太阳暴晒，冬季减少热量损失，并利用环境因素（例如太阳、空气、风、植物、水、土壤和天空）给房屋供暖、制冷和照明，加强新鲜空气的流通，充分利用自然光线，确保屋内居住者的舒适。混合式生态气候附加外墙层的设计（Hybrid bioclimatic second-skin designs）是实现这些目标的重要工具，它是在建筑外墙的内部或外部附加一层网或一层非玻璃材料的屏蔽，从而把建筑外墙从相对简单的“抵御气候”的构造转化为更加主动适应和利用气候的“建筑外衣”。

1、混合型附加外墙层

目前有两种附加外墙层：一种是主动的、随着环境变化不断进行调节的电脑控制的系统；另一种是低技术的、被动式的固定系统，包括：1）固定和活动百叶；2）编织物；3）穿孔板；4）绿色外墙屏障（例如植物）。与更精巧复杂的幕墙相比，这些装置以更加合理的价格改变了像混凝土和玻璃建筑这类低成本房屋建筑的外观。

附加墙层的张力支撑系统与内墙平行。轻重量的构架可调节内部绝缘墙和外部混合附加层之间的距离，从而可使建筑物的外形呈现无缝弯曲或者其他几何形状。对于现有房屋建筑，附加外墙层可经济有效地减少能源消耗，同时改善了外观。对于新的建筑，与构造异形承重墙相比，附加外墙层可以更低的成本提供独特的外观，还能提高房屋建筑的安全性。

当使用固定编织网、穿孔板或百叶时，孔径的大小影响着遮阳和房屋内自然照明的水平。因此，为了使设计达到最佳效果，需要四季日光的模型。例如，在阳光角度随季节有明显变化的地区，使用固定百叶可在冬季让阳光照射进屋，而在夏季却把阳光遮挡在外。

在炎热气候条件下，遮阳可产生更大的节能效果。一项编织物附加外墙层的热性能研究表明，它在德国每年可节约用于制冷的1 000万度电能，在迪拜每年节能约2.48亿～2.79亿度电。在较寒冷地区，冬季的保暖可能更加重要，应该根据当地气候来设计和选择最合适的系统。

1.1 主动式附加外墙层

许多种主动式附加外墙层是不锈钢张力系统或构架支撑的活动金属百叶窗、木板条或穿孔板。它们都有电脑控制的机械系统配合房屋的供暖和制冷系统工作，这样可在不同环境下主动做出反应。在夏季炎热时，按照太阳的轨迹来调节遮阳系统，可最大程度地利用太阳辐射或光照，同时让进入屋内的热量达到最小。在冬季暴风雪时，关闭遮阳系统保护内墙，降低了热量损失。最大程度的自然通风也有利于屋内人员的健康和室内温度的控制。

应用主动性附加外墙层的一些建筑最早出现在北美洲，例如1980年在纽约州尼亚加拉大瀑布建成的西方化学中心（Occidental ChemicalCentre），后来它们在欧洲、亚洲和澳大利亚得到了更加广泛的应用。

（1）蒂森克鲁伯公司楼群

TKQ建筑师联盟的JSWD Architekten和Chaix&Morel建筑事务所为蒂森克鲁伯公司在德国埃森设计了7层高的办公楼群。该建筑荣获了“德国可持续建筑”金奖。预计该项目的能源需求比法规要求的标准还低20%-30%。综合性电脑控制的环境系统根据天气变化自动调节室内的自然通风和阳光照射。结合地热进行供暖和冷却，夏天无须使用空调，冬天的供暖需求也大大减少（图1）。

由于使用了316不锈钢的遮阳系统，所有建筑简单的玻璃外形都变得生动起来。其中一栋大楼是该公司的会议和培训中心，安装了穿孔的被动式遮阳装置。另外一栋大楼使用了主动式横向条板遮阳装置。其他两栋大楼则使用了电动长方形、正方形和梯形散热片。横向条和散热片朝外的一面进行了消光喷砂处理，朝内的一面则进行了高抛光处理。调节它们的角度就可确定内部光线和温度水平。

（2）旧金山联邦大楼

旧金山联邦大楼是一幢18层塔楼，建筑面积56205m²，它与4层的辅楼相连，毗邻一个公共广场。大楼建于2007年，是美国第一幢强调自然通风的办公大楼（图2）。由电脑控制通风的附加内墙层根据每日和季节性天气变化进行调节，为大楼进行自然温度控制；大约70%的工作区域使用自然通风而不是空调，大约90%的工作站使用自然照明。

大楼的东南外墙装有孔径1.5 mm的固定折叠式316不锈钢遮阳板（进行了灰色消光处理），完全遮住了玻璃窗，比美国总务管理局规定的能效标准还节能50%，预计每年节能费用为50万美元。

（3）41号库珀大楼

建于2009年的41号库珀大楼是位于曼哈顿库珀联盟学院的工程教学大楼，这是纽约市第一幢荣获美国绿色建筑委员会颁发的LEED白金证书的教学楼（图3），面积为16258 m²。

半透光的304不锈钢穿孔板布置在玻璃和铝制窗墙的外面。穿孔的直径为3.2mm，不锈钢板50%～90%的面积上都布满了穿孔，所以不论打开还是关闭，屋内人都能看到窗外的景色。该幢大楼的电脑控制环境系统调节着这些不锈钢穿孔板的角度，从而在夏季减少了向内的热辐射，冬季则对内墙起着挡风和保暖的作用，并让自然光进入。虽然大楼外形比较传统，但这种附加外墙层造成的光影使它具有了一种引人注目的雕塑般的效果。

与同样类型的标准建筑比较，具有雕塑效果的遮阳装置、自然通风、屋顶种植植物以及具有辐射热量和冷却功能的天花板使大楼节能40%，大约75%的内部空间都用自然光照明。

1.2 被动式附加外墙层

当大楼要求的是最低程度的维护或供电不太可靠时，被动式附加外墙层系统就是很理想的装置。它们与大楼内部的温度管理系统并没有固定的连接。位于阿联酋阿布扎比的首都门大厦是个典型的例子，大厦的整个南侧用不锈钢遮阳网罩住，阳光热能减少了30%以上（图4）。

（1）亚利桑那州立大学的新闻和大众传播学院

图5是位于洛杉矶由Ehrlich Architects建筑事务所设计的亚利桑那州立大学沃尔特·克朗凯特新闻和大众传播学院。这幢学院大楼使用了不同的颜色和结构来增强视觉效果，采用了316不锈钢制成的编织遮阳篷，从而减少了太阳照射的热量，让自然光进入室内，为玻璃墙增加了美感。

这幢大楼西侧大片墙上的64扇窗户被223m2的不锈钢编织遮阳网覆盖。透光的不锈钢遮阳网使楼内的人仍然能看到凤凰城的市中心。这幢大楼荣获美国“能源与环境设计先锋奖（LEED）”银奖，并获得“2009年世界建筑节奖（2009 World Architecture Festival Award）”。

（2）沙特器官移植中心

位于沙特阿拉伯利雅得市的撒尔曼王子器官移植和透析中心由Omrania&Associates建筑事务所设计。该中心是一幢由厚砖墙建成的建筑，设计目标是最大限度地降低制冷需求。这幢建筑建于1998年，在建设过程中，就把316不锈钢编织遮阳网安装在内凹的窗户之外（图6）。

（3）广州第二儿童活动中心

2006年完成建设的广州第二儿童活动中心（图7），由美国Steffian Bradley Architects（SBA）建筑事务所设计，建筑面积为42 735m²。316不锈钢遮阳网使这座用水泥和玻璃建成的房屋具有了引人注目的、无缝的复合外曲面。

这幢建筑从一层高的柱网向上构建，保持了街道的流通。建筑的布局考虑了主导风向和开阔地的走向，上部楼层可自然通风，从而让公共空间无须空调。明亮的曲面遮阳网保护着线型的内墙，同时又可以最大程度地获取自然光，形成与众不同的建筑风格，在炎热的夏季也最大程度地降低了对空调能源的需求。

（4）斯德哥尔摩会议中心

位于港口区域的斯德哥尔摩滨水会议中心是一幢节能的多层建筑。沿等高线布置的带状附加外墙层由柔和反光的不锈钢制成，与玻璃主墙成一定倾角，选用了3500个Z形的2205双相不锈钢组件（图8，半反光糙面精整），长度3～16 m不等。这幢大楼2011年初建成，荣获瑞典绿色建筑奖（Swedish green building certification）。

1.3 植物型被动外墙层

植物型外墙层是低技术的选择，它被动地随季节进行调节，夏天为建筑窗户遮挡阳光，冬天植物叶落后，又方便阳光照射进室内。欧洲和澳大利亚的研究表明，植物型外墙具有显著降低能源需求的潜力。当建筑外墙被植物完全覆盖后，还可以减少噪音和电磁污染，增加绿色空间，改善空气质量，抵消碳税。植物型外墙的成功与否取决于是否选择到合适的藤本植物。支撑结构不应该靠油漆来抗腐蚀，因为重新刷漆会损害植物屏障。

（1）墨尔本市府2号楼

建于2006年、位于澳大利亚墨尔本的1O层市府2号楼获得多个奖项，也是澳大利亚第一幢满足绿色建筑六星级标准（Green BuildingCouncil of Australia’s（GBCA’s）Green Star‘6’rating）的商业大楼。与市府1号楼相比，市府2号楼节约电力85%，节约天然气87%，节水72%，CO₂排放量减少了大约60%。

在墨尔本市，一般大楼能源消耗的50%来自空调。建筑设计公司（Architect Design Inc）利用被动式遮阳板、自然通风和传导式天花板冷却来降低大楼的能源需求。在市府2号楼的北侧（接受阳光照射最多的一侧），外挑1m的阳台为窗户遮挡了高角度的太阳，沿阳台侧面蔓延的绿色屏障最大限度地屏蔽了低角度太阳的热量，过滤了炫目的光线，既能让楼内人亲近大自然，同时也提供了隐秘空间。

这幢大楼每层都有316不锈钢编织网和带有花盆的张力缆系统支撑着植物屏障，一直延伸到楼顶平台，形成了类似藤架的遮阳篷，其节能效果和屋顶种植植物相仿。

（2）慕尼黑理工大学宿舍楼

如图9所示，位于德国加尔丁的慕尼黑理工大学宿舍楼由总部位于慕尼黑的Fink+Jocher建筑事务所设计，这幢大楼建有环绕通道，而不是传统的阳台，以鼓励住在楼里的学生交流和互动。与传统的阳台栏杆比较，316不锈钢的编织物附加外墙层更加安全，并可支撑绿色屏障。Kissler+Effgen Architects建筑事务所在设计建造位于德国法兰克福的圣乔治哲学与神学研究生院教学楼时，也采用了这种理念。

1.4 景观墙

景观墙与植物型外墙层理念相同，也可使室外空间更加舒适，更注重个人隐私，更引人入胜。拉斯维加斯市中心城市胜地发展规划的中心建筑物阿里亚酒店使用了316不锈钢编织物外墙层，它沿弗兰克·大道呈波浪状，形成一堵很有魅力的外墙，很好地为游泳者提供了隐秘空间（图10）。瑞士再保险公司在其慕尼黑总部三座公司大厦间安装了一个“浮动篱笆”（图11）。一层是开放的，以利于人们通行，其上长满了紫藤和五叶地锦，蔓延在距离地面6.5～17 m高的地方。

2、不锈钢的选择

“不锈钢”这个术语指的是具有不同的耐腐蚀性、强度和可成形性的一大类合金。最常见的不锈钢是304/304L型和316/316L型不锈钢，在较窄的范围应用的是2 205型不锈钢，但建筑也使用了许多其他钢号的不锈钢。与常见的建筑用金属相比，不锈钢具有更强的耐腐蚀性，特别是在暴露于污染和氯盐（例如除冰盐或沿海岸的盐分）的环境中。有许多篇文章和行业协会的宣传册可帮助人们选择合适的不锈钢。

附加外墙层至少部分阻挡了雨水对大楼的冲刷，特别是建筑物外墙的内面。人在室内常常能看到这些部位。受到遮蔽的建筑表面可能积累更多的腐蚀性污染物、盐和细微颗粒物，这增加了腐蚀的可能性，除非对其定期清洗。应该小心地选择紧密编织物和支撑缆的钢号，为了防止可能发生氯化物缝隙腐蚀，应选择耐腐蚀性能更强的不锈钢钢号。

一般而言，304/304L型不锈钢适用于气候温和、城市污染较低的地区。建议316/316L型不锈钢用于以下暴露环境中：1）低到中等程度的腐蚀性海岸环境和除冰盐环境；2）中等程度的工业区；3）城市污染较高的地区。除非定期清洗，316/316L不锈钢并不能对富含氯盐或污染物累积环境下的应用提供足够的耐腐蚀性，在诸如受到遮蔽或更严酷环境中仍可能发生腐蚀。

在腐蚀性环境或受到遮蔽的情况中，2205双相不锈钢一般是最经济高效的选择。可能暴露于易受氯盐缝隙腐蚀的支撑缆和编织物可使用904L和317LMN不锈钢，它们具有同2205不锈钢相同的耐腐蚀性。在看上去比较严峻的环境下，应该采纳不锈钢耐腐蚀专家的建议。

平均而言，世界上不锈钢大约60%的原料来自回收的废钢。另外，建筑、房屋和建设项目使用的至少92%的不锈钢都可在服务年限结束时回收，炼成新的不锈钢。世界上针对各种材料（如沥青、金属、砖瓦和混凝土）的径流进行了无数的研究，结果表明不锈钢的径流水平极低（通常低于探测限），对植物或环境没有毒害。

3、结论

成功的可持续生态气候设计需要选择合适的建筑材料，以达到建筑或项目的寿命，并要充分考虑暴露于污染、腐蚀性盐和进行人工或雨水清洗的可能性。不锈钢是容易获得的耐腐蚀性能最好的建筑金属材料，因此不锈钢现在广泛用于从遮阳板到景观墙等用途。如果对不锈钢合金及其表面进行合理恰当的选择，它们就能在整个房屋寿命期间都表现出引人注目的优良性能。

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