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1極端條件下人居環(huán)境的設(shè)計(jì)研究

在極端條件下人工建立人居環(huán)境的問(wèn)題似乎總會(huì)激發(fā)科學(xué)家、哲學(xué)家、工程師、建筑師、醫(yī)生、生態(tài)學(xué)家、社會(huì)學(xué)家和心理學(xué)家等人濃厚的興趣。因此，對(duì)這一問(wèn)題的研究具有全面性。就建筑設(shè)計(jì)而言，人居環(huán)境的建設(shè)是建筑設(shè)計(jì)中與人們生活聯(lián)系最為緊密的部分，研究極端條件下的建筑設(shè)計(jì)，其目的也在于解決人類在極端條件下的生存環(huán)境的保障問(wèn)題。因此，極端條件下的人居環(huán)境設(shè)計(jì)研究仍然是現(xiàn)階段極端條件下建筑設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。以下將以地球環(huán)境中極冷和極熱兩種極端條件為例，進(jìn)行人居環(huán)境建設(shè)設(shè)計(jì)研究。

1.1低溫環(huán)境下人居環(huán)境設(shè)計(jì)研究

（1）低溫環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)

以俄羅斯為例，在規(guī)劃和建設(shè)北部低溫地區(qū)的居民點(diǎn)時(shí)，保護(hù)人們免受外界環(huán)境的負(fù)面影響，改善人居環(huán)境的生物氣候條件以及住宅建筑的使用條件是城市建設(shè)的基本任務(wù)。北方地區(qū)的自然氣候特點(diǎn)、工業(yè)建設(shè)基礎(chǔ)的緩慢發(fā)展、缺少必備的交通工具，決定著我們需要特殊地解決住宅建筑和文化生活設(shè)施規(guī)劃與建設(shè)問(wèn)題的方法。在冬季，大部分建設(shè)地區(qū)的溫度高達(dá)-60℃，冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，擁有大面積的沼澤和其他制約農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展的地域因素；由于極端地區(qū)遠(yuǎn)離其他城市和居民點(diǎn)，所以當(dāng)?shù)氐膭趧?dòng)力極其匱乏；必須保證居民所有社會(huì)、日常生活服務(wù)質(zhì)量；同時(shí)在大多數(shù)情況下，當(dāng)?shù)赜糜诔鞘薪ㄔO(shè)和道路設(shè)施建設(shè)的建筑材料都相當(dāng)匱乏。此外，考慮到地區(qū)服務(wù)設(shè)施的完善程度（輸電線路，石油和天然氣管道，道路，鐵路等），臨時(shí)移動(dòng)居民點(diǎn)的居民經(jīng)常從一個(gè)地方被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方，這無(wú)形之中便延長(zhǎng)了他們?cè)趷毫訔l件下的生活時(shí)間。

（2）低溫環(huán)境下建筑設(shè)計(jì)方法

這些城市建設(shè)的基本特點(diǎn)導(dǎo)致住宅建筑有限的使用壽命與地區(qū)的綜合發(fā)展之間的相互矛盾。但是，在地區(qū)開(kāi)發(fā)的第一階段和建造臨時(shí)移動(dòng)居民點(diǎn)時(shí)，這一切又顯得尤為重要。首先，鑒于臨時(shí)移動(dòng)居民點(diǎn)較短的使用壽命，在解決其建造問(wèn)題時(shí)，必須理性地、有邏輯性地縮減建設(shè)費(fèi)用。第一，可通過(guò)縮減建筑物的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)；第二，建筑物應(yīng)便于搬遷，可重復(fù)利用。其次，缺乏勞動(dòng)力和低溫環(huán)境對(duì)施工過(guò)程的阻礙是不容忽視的，我們需要利用現(xiàn)有的技術(shù)條件盡可能地簡(jiǎn)化極端條件下的施工過(guò)程，住宅建筑本身在空間構(gòu)成，功能和布局上具有一定相似的特點(diǎn)，我們可以針對(duì)其相似的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化施工，例如對(duì)住宅建筑建設(shè)中相似的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制加工，使其在施工中可以直接應(yīng)用。

（3）低溫環(huán)境下建筑設(shè)計(jì)作品及實(shí)例

目前，在一些極端條件下人居環(huán)境的方案設(shè)計(jì)中，我們可以看對(duì)于解決此類問(wèn)題的嘗試。該設(shè)計(jì)由平面為六邊形的建筑單元拼接組合而成，每個(gè)單元既可作為單體使用，同時(shí)也可拼接成為大型的居民點(diǎn)。每個(gè)六邊形的轉(zhuǎn)角處有一處球形的支撐裝置，一方面在南極北極極冷地區(qū)便于移動(dòng)，另一方面可用于支撐建筑漂浮在南北極的水上空間中。圖2為比利時(shí)建造的伊麗莎白公主南極科考站，長(zhǎng)、寬、高分別為72.2英尺（22m）、72.2英尺（22m）和27.9英尺（8.5m）。它是南極冰蓋上第一座零碳設(shè)施，為了避免不必要的能源消耗，設(shè)計(jì)人員還為這座科考站設(shè)計(jì)了一套能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠24小時(shí)監(jiān)控科考站內(nèi)的能源產(chǎn)出以及消耗，并可以按照需求自動(dòng)安排能源消耗的優(yōu)先秩序，充分利用它的52KW太陽(yáng)能發(fā)電組和54KW風(fēng)力發(fā)電組。站內(nèi)每件設(shè)備每個(gè)電源出口都被排號(hào)，根據(jù)優(yōu)先程度供電。圖3為法國(guó)和意大利聯(lián)合建造的康科迪亞站，每個(gè)鼓狀建筑物的直徑為60.7英尺（18.5m），高度為39.4英尺（12m）?？悼频蟻喺緸闃O端條件下長(zhǎng)期居住而設(shè)計(jì)，是少數(shù)幾個(gè)全年都有人居住的南極內(nèi)陸科考站之一。其鼓狀的外形可以保證熱能的最充分利用。同時(shí)也便于通過(guò)相同鼓狀建筑的排列擴(kuò)大規(guī)模。圖4為英國(guó)建造的哈利VI南極科考站，長(zhǎng)寬高分別為19.7m、10m和10m，臭氧層空洞就是最先在這里被發(fā)現(xiàn)的。哈利科考站的主要任務(wù)是對(duì)南極地區(qū)大氣、氣象、冰川、地震、地質(zhì)等進(jìn)行考察。跟蹤大氣層的狀況需要穩(wěn)定的觀察地點(diǎn)，但是哈利科考站想保持在原位卻并不容易，因?yàn)椴紓愄乇苊磕暌苿?dòng)半英里，好像一條輸送帶把它往冰海方向拖動(dòng)。舊站位移太多后被拋棄，新站更像一輛巨型野營(yíng)車：當(dāng)冰架移動(dòng)后，這些安裝有滑雪輪胎的小工作站可以被拖回原位。

1.2高溫環(huán)境下人居環(huán)境設(shè)計(jì)研究

（1）高溫環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)

在炎熱的極端地區(qū)開(kāi)展建設(shè)工作，比如，沙漠中，與北方地區(qū)擁有一些相似的需求。但無(wú)論在哪一種情況下，我們都面臨著一個(gè)共同的問(wèn)題，即如何保護(hù)在極端的外界環(huán)境中生存的人類。盡管外界的環(huán)境很惡劣，例如：過(guò)多的太陽(yáng)輻射，灰塵，流沙等，但近些年來(lái)我們卻發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)沙漠地區(qū)具有巨大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?，要知道這里蘊(yùn)藏了豐富的金屬礦藏。一系列問(wèn)題又隨之而來(lái)。我們?nèi)绾谓鉀Q工業(yè)和住宅建筑的建設(shè)問(wèn)題。與北方地區(qū)一樣，這里建筑材料、低熱傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性的建筑材料極其匱乏。

（2）高溫環(huán)境下建筑設(shè)計(jì)方法

減少高溫高熱環(huán)境對(duì)建筑物的影響是在炎熱的沙漠地區(qū)設(shè)計(jì)和建造建筑物及建筑物綜合體的主要任務(wù)之一。為此，我們必須慎重考慮建筑物的朝向、絕緣性能、通風(fēng)條件、建筑物的高度和密度等因素。這不僅需要統(tǒng)一密閉環(huán)境中的建筑物與內(nèi)部綠化區(qū)和灌溉園區(qū)，以及與墻壁中較小的通風(fēng)口構(gòu)造相協(xié)調(diào)，還需要利用各種設(shè)備保護(hù)人類免受太陽(yáng)光和熱風(fēng)的傷害，獲取和冷卻有利氣流。同樣在開(kāi)展建設(shè)的過(guò)程中，構(gòu)件化的建設(shè)手段也是必不可少的。

（3）高溫環(huán)境下建筑設(shè)計(jì)作品及實(shí)例在高溫條件下，可以利用兩種動(dòng)態(tài)建筑構(gòu)造中的任意一種：簡(jiǎn)單的可變形太陽(yáng)防護(hù)傘或太陽(yáng)風(fēng)能和生物能源設(shè)備。此外，蘇丹摩天水塔建筑可謂沙漠建筑中的一個(gè)代表作，在面積廣闊的蘇丹沙漠，淡水成為最寶貴的資源之一，獲取淡水的難度超乎人們想象。有意思的是，沙漠地下深處也隱藏著世界上最大的地下湖，如果能夠有效加以利用，當(dāng)?shù)鼐用竦纳畋銜?huì)發(fā)生翻天覆地的變化。波蘭建筑事務(wù)所H3AR提出了一種解決之道，即建造外形好似當(dāng)?shù)睾锩姘鼧?shù)的水塔群并利用地下泵抽水。水塔內(nèi)建有一個(gè)水處理廠、一所醫(yī)院、一所學(xué)校以及一個(gè)食物儲(chǔ)藏中心。

1.3極端條件下空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

可變形的空間結(jié)構(gòu)是一種針對(duì)極端條件建設(shè)而提出的構(gòu)件化、標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的設(shè)計(jì)手段，即“三化”。類似于國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)中模數(shù)化的設(shè)計(jì)形式，其目的同樣在于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)施工的過(guò)程，所不同的是，可變形空間結(jié)構(gòu)在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制，以便減輕施工過(guò)程的復(fù)雜性，但這只是可變形空間結(jié)構(gòu)的一般功能，其更重要的功能體現(xiàn)于可變形的設(shè)計(jì)。在極端條件下，勞動(dòng)力資源匱乏、交通的不便利是對(duì)建筑建設(shè)至關(guān)重要的制約因素，然而可變形的設(shè)計(jì)大幅地減小了這些因素的影響。首先，可變形減小了空間結(jié)構(gòu)的體積規(guī)模，易于運(yùn)輸；其次，可變形也在施工中省去了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝組合的過(guò)程，易于安裝；最后，由于極端條件下，建筑使用壽命較短，可變形空間結(jié)構(gòu)使得這些建筑易于拆遷，重復(fù)利用，即“三易”——易運(yùn)輸、易安裝、易拆遷。在勞動(dòng)力不足的極端條件下，這項(xiàng)技術(shù)的意義則更為深遠(yuǎn)。在永久性建設(shè)中使用可變形的空間結(jié)構(gòu)將會(huì)起到事半功倍的效果。換句話說(shuō)，借助于可變形的空間結(jié)構(gòu)，我們能夠在較短時(shí)間內(nèi)建造出不同功能的建筑物。運(yùn)用可變形和可移動(dòng)的原則建造永久居民點(diǎn)是最為明智的選擇。它完全能滿足那些不得不從一個(gè)地方移居到另一個(gè)地方的居民不同的勞動(dòng)、生活和娛樂(lè)需求。

2極端條件下建筑設(shè)計(jì)理念

“一項(xiàng)基礎(chǔ)，兩項(xiàng)原則”目前看來(lái)，出于各種原因，例如采礦業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展，科學(xué)研究等，即使是在高山地區(qū)或地震多發(fā)帶等極端條件地區(qū)，建造工程設(shè)施和住宅也是十分必要的。而且在這些地區(qū)進(jìn)行建筑設(shè)施建設(shè)必須有一定的原則遵循。首先，為了建立安全舒適的生活環(huán)境，使建筑物與其在極端條件下的使用特點(diǎn)相協(xié)調(diào)是我們進(jìn)行極端條件建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其次，由于極端條件下基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源匱乏，我們又應(yīng)以節(jié)能和利用信息技術(shù)為原則。

2.1以極端條件建筑與環(huán)境協(xié)調(diào)性為基礎(chǔ)

在極端條件地區(qū)，氣象和地理?xiàng)l件決定著建設(shè)工程的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)踐和科學(xué)研究總結(jié)出抵御自然災(zāi)害的方法（地震，雪崩和崩塌等）都是在制定施工方法、選擇建筑結(jié)構(gòu)和確定建筑規(guī)劃決議時(shí)必須考慮的因素。自然災(zāi)害可以打破人類生活和工作的節(jié)奏，為防患于未然，我們需要做好充足的前期準(zhǔn)備。顯然，運(yùn)用移動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)在極端地區(qū)的建設(shè)工作是最為合理的，換句話說(shuō)，應(yīng)該利用高機(jī)動(dòng)性的可移動(dòng)建筑（最好配備節(jié)能系統(tǒng)）。這種建筑物適應(yīng)于生活在不同地區(qū)的居民的不同需求，即使在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，它也具有頑強(qiáng)的生命力。

2.2以節(jié)能為原則

節(jié)能，節(jié)約資源，節(jié)省建筑材料，節(jié)約使用建筑物本身等問(wèn)題迫使現(xiàn)代建筑師利用可再生能源或新型潔凈技術(shù)設(shè)計(jì)出節(jié)能型建筑物。利用新技術(shù)在極端條件下建造建筑物的新的建筑學(xué)發(fā)展方向與人類對(duì)周圍環(huán)境價(jià)值的重新評(píng)估、保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)密切相關(guān)。在許多國(guó)家，這一發(fā)展方向被細(xì)化成新的建筑概念，即“自治建筑”，它是人類自己組織生活的一種表現(xiàn)。由于絕大多數(shù)居民生活在農(nóng)村，這里居民點(diǎn)規(guī)模較小且彼此距離較遠(yuǎn)，建造同工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)相同的能源系統(tǒng)變得毫無(wú)意義。因此，利用可再生資源建造低產(chǎn)量的自治能源站不僅可以滿足本地用戶的需求，它還具有一些其他明顯的優(yōu)勢(shì)（保證這里的電力和熱能供應(yīng)是一個(gè)巨大的社會(huì)問(wèn)題）。在電力自主家庭推廣生態(tài)原則具有可觀的前瞻性和遠(yuǎn)見(jiàn)性。它使建筑學(xué)潛力的無(wú)限增大，更好地滿足社會(huì)的需求成為了可能。

2.3以利用信息技術(shù)為原則

利用信息技術(shù)原則，可以削弱基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)城市直線空間形態(tài)的影響，換句話說(shuō)，在不建造復(fù)雜交通干線和能源網(wǎng)的情況下，只要有效利用能源和環(huán)保技術(shù)、衛(wèi)星通訊和因特網(wǎng)，城市便可以快速發(fā)展。這時(shí)，建筑類型學(xué)中出現(xiàn)了新的一員——以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的新型建筑物。在極端地區(qū)的分布機(jī)制中，信息調(diào)度與技術(shù)中心是基礎(chǔ)設(shè)施中的一種。但從城市建設(shè)的層面看，信息調(diào)度與技術(shù)中心則是未來(lái)新型建筑物中的一種，即建筑綜合體——技術(shù)管理中心。它們之間可以相隔很遠(yuǎn)的距離，這里也不需要過(guò)多的工作人員，這對(duì)于極端條件而言是十分重要的。結(jié)語(yǔ)在極端條件下開(kāi)展建設(shè)工作促使許多非傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造方法的產(chǎn)生。如今，特殊的人居環(huán)境，不同的人類世界觀，正在淡化技術(shù)與建筑學(xué)之間的界限。我想，將來(lái)一定會(huì)出現(xiàn)一支新的建筑學(xué)方向——技術(shù)建筑學(xué)。該領(lǐng)域的研究探索將使利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)成果開(kāi)發(fā)適合人類生存的極端地區(qū)成為可能。技術(shù)建筑學(xué)如同消費(fèi)者，它需要所有最新的技術(shù)成果和科學(xué)發(fā)明。同時(shí)，解決在極端條件下建筑設(shè)計(jì)的問(wèn)題，需要我們調(diào)整現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法。在極端條件下建立人居環(huán)境不僅使建筑物更加滿足社會(huì)的需求，而且還縮減了建設(shè)開(kāi)支，提高了人類生活的舒適性和安全性。

作者：韓林飛蘭棋單位：北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院