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ASTUDYOFSELF-ORGANIZINGMORPHOLOGYOFAGROUPOFBUILDINGSINCOLDREGIONS
作者
梅洪元王飞马维娜
MeiHongyuanWangFeiMaWeina
国家自然科学基金项目()
原文刊载于《建筑学报》年第5期
摘要探讨了寒地建筑群体形态自组织适寒的作用机制，从结构单元分形衍生、群构网络拓扑形变及群落肌理地景演化3个角度建构了寒地建筑群体形态适寒的基本模式。关键词群体形态；自组织；适寒设计
1寒地建筑群体形态自组织适寒的作用机制
在生命系统中，由独立个体自发形成的生物群体具有高度的适应性与灵活性，能够根据环境的改变迅速做出调整，从而保持群体的稳定性与协调性；同时，群体所具备的生物功能远远超越了个体的行为能力之和。例如，大雁迁徙时会排布成人字形，由最为强健的个体轮流领飞，降低了气流对后面大雁的冲击，并且前排大雁的翅膀在滑动过程中会产生微弱的上升气流，后雁紧跟前雁的膀尖可以利用气流滑行，减少翅膀扇动，节省体能，这样一个跟着一个就形成了规整的雁形阵，这种生物群体形态有助于降低整体耗能，保护薄弱个体，并增强群体的防御力。个体生物为适应环境而自发形成有规律的群体，将环境的外部压力转化为内部秩序，从而增加个体存活和种族延续的概率，这是生物群体自组织的体现。在自组织系统中，形成秩序的组织力不来源于任何个体，而是来源于群体对环境的适应，在与环境的相互作用中，所有个体产生了集体的协同效应，使群体具有高度的适应性。在自然界中，一切生物的形态都受到客观规律的支配，环境作用的结果使之必然具有最适应自然的形态，生命系统中不断重现的有序性体现了形态组织的内在规律，这种过程对建筑设计是一种启发：建筑群体形态的生成应是“环境选择”的结果，群体形态的秩序不仅取决于功能的连接，更要体现环境的作用。建筑群体是复杂的系统，既包括单体形态、空间形态，又包括其间的相互作用，组织建筑群体形态应师法于自然，将建筑群体与环境视为统一的开放系统，以环境作为设计依据，通过有机的群体形态组织，使建筑与环境之间产生能量交换，将外部环境的限制转化为建筑形态的内部秩序，以群体形态的协同互利形成群集智能的高度适应。
我国寒冷地区四季分明、冬季漫长、昼夜温差大、极端气温较低，低温、寒风、积雪等严酷的气候环境是寒地建筑设计的制约条件。现代人工环境技术使建筑极大地摆脱了自然气候的影响，但是，人工环境技术以能源消耗为代价，忽视寒地气候环境的建筑群体形态会造成能源的过度耗费，同时，不契合寒地地理特征的建筑群体形态难以融入寒地自然环境的固有肌理，造成生态规律的破坏，致使地域风格的丧失。
寒地建筑应犹如生命体般扎根本土环境。寒地建筑群体形态应是建构城市生态和创造环境微气候过程中合乎自然法则的反映，是适应寒地地域气候和地理特征的理性表达，寒地建筑的地域性也正是产生于此。对于寒冷地区，在建筑群体形态设计中，应将气候条件及地域景观作为控制形体生成及群构布局的重要因素，建立自然条件制约与建筑群体形态应变的关联机制，以寒地气候及景观肌理为依据，依照有机体生长的内在机制建构寒地建筑群体形态的生成逻辑，通过建筑群体形态的自主演化形成群构单元的灵活适应，实现建筑群体与自然环境之间的能量交换，从而使建筑群体具有自组织系统的基本属性，能够自发地、积极地并且灵活高效地适应寒地复杂环境的限制，通过“避自然之害，取自然之利”实现建筑与环境的融合，使建筑具有“生于寒地、长于阳光”的蓬勃生命力。
2寒地建筑群体形态自组织适寒模式
在我国寒地建筑设计发展过程中，已经积累了一些群体形态的设计方法，例如通过阳光院落化解风寒，利用竖向屏障阻挡风袭，以及控制空间梯度引导风向等。这些群体形态特质已成为寒地建筑根植地域环境的基本模式，但传统方式多以封闭抵御为主，建筑成为了环境的人工屏障，阻隔了人与自然的和谐互动，忽视了建筑群体作为城市载体应具备的开放性与包容性；同时单一缺少灵活性的形式，形成的匀质空间破坏了自然生态的内在规律。在技术不断革新的今天，寒地建筑应以更加精准的形态反映环境的作用力，从被动抵御走向积极适应，增强灵活性与多变性，在保证抵御力的基础上以更加亲和自然的方式有机地融于寒地环境；突破固守封闭，以更加开放包容的方式与环境互动；打破形式单一，以更加灵活多变的形式赋予建筑符合时代特征的社会面向。在建筑群体形态设计中，应在传统适寒模式的基础上，应用自组织系统的基本思想，从自然作用中寻找建筑自身的秩序性，通过建筑形态突变及非线性变形等方法，增加建筑的自主性，减少人工干预，使建筑群体以更为自由的形态积极地参与到环境中，通过群体空间的有机组合创造舒适宜人的微环境，将建筑、自然与人和谐地融为一体。
2.1结构单元的分形衍生
自组织系统最重要的共性就是层次性和不可分割性，其形态表征可以用分形来描述，例如子细胞组成细胞，细胞组成器官，器官又组成身体，并且在不同层级尺度上的因子具有形态上的相似性；另外，由分形所构成的系统内部具有密切的关联性，可以通过灵活应变实现对外界环境的高度适应。自然界中，分形无处不在，例如叶脉、树枝和闪电的形态，分形揭示了自然生长的内在规律。在寒地建筑群体形态设计中，利用分形原理有机组织建筑形态及空间形态不仅可以实现建筑群体对寒地极端气候环境的灵活适应，也可以使建筑如生命体般自然地融入寒地复杂地貌(表1)。
表1结构单元的分形衍生
由BIG、WHR及Arup联合设计的丹麦NYT医院项目体现了通过结构单元的分形衍生实现建筑对寒地自然环境积极适应的设计思想。NYT医院位于哥本哈根北部，基地是丹麦最大森林中的一处狩猎场，内部丘陵起伏、植被茂密、池塘遍布，该项目建成后医院建筑，面积达12.4万平方米。在方案设计中，所面临的困难不仅在于丹麦冬季寒冷的极端气候和基地复杂的自然地貌，也来源于项目庞大的功能空间。在建筑群体形态处理上，为应对寒冷气候的不利影响，设计师采用了围合式的形态结构形成院落缓冲空间，并以此气候防护单元为原型不断复制，依据使用功能的需求，形成基本结构一致，但形态略有不同的独立单元。通过内部公共空间位置的合理设置，使每个单元之间产生有机的连接点，将所有连接点进行叠合，不仅形成了不同单元之间可以共享的交流空间，也使各个独立单元可以有机衔接，形成8个环环相扣、不可分割的整体。产生向外扩张的生长趋势，并且在建筑群体中心形成了由防护单元层层包围的核心庭院，冬季寒风在经过外部防护单元到达中心时能量已不断衰减，大大减少了气候对户外环境的不利影响。同时，通过建筑底部架空等处理方式，使所有院落空间得以与外部环境产生能量交换，形成视觉穿透，实现自然通风，创造良好景观。另外，建筑群体起伏的屋面绿化也反映了环境的初始地形。在该方案中，通过结构单元分形衍生所形成的建筑群体形态，灵活地适应了寒冷气候的不利影响，避免了过大体量对自然地形的破坏，有机地融入了复杂环境，并将自然因素纳入建筑，为患者创造了利于康复的舒适环境。
在由BIG设计的爱沙尼亚塔林新市政厅方案中，也采用了结构单元分形衍生的建筑群体形态组织方法。塔林市政厅建筑面积2.8万平方米，建筑师希望通过更加开放、亲和的建筑形态来体现全民参与的民主制度，摆脱以往政府建筑封闭、孤立的政权形象。市政厅由各个职能部门组成，在设计中，建筑师以规整的矩形作为不同职能部门的基本功能单元，采用有机的形体交接，形成了类似海绵的多孔组织，一方面在建筑群体中创造了丰富的庭院空间，有效形成气候缓冲层，有助于阻隔寒冷气候并实现室内外能量交换，另一方面也为建筑带来了全景视野，可以为使用者提供良好的景观环境。另外，建筑师依照当地的日照情况将建筑形体进行不同角度的切削，并利用天窗构造或材料特性等方法，对日光进行透射与反射，既保证了冬季院落不受建筑阴影覆盖，也增加了进入室内的自然光线。在此设计中，建筑师将基本形体按照自然环境的作用，有规律的组织，形成自相似的形态单元，组合后的建筑群体积极地适应了当地寒冷气候的作用，并以开放、包容的形态吸引市民，人们在屋顶的咖啡花园中可以俯瞰塔林的全景，这样一座市政厅不仅服务于公职人员，更成为了城市中的一处开放空间，服务于所有市民。
2.2群构网络的拓扑形变
在自组织系统中，实现灵活适应的因素不依赖于任何个体行为，而是所有个体在外界环境刺激下形成的集体应变。例如鱼群，海水中游动的鱼群纷乱而有序，个体鱼类是简单物种，不具备进行复杂行为的脑神经，但鱼群却有灵活的反馈机制，可迅速调整游向和聚散程度来躲避猎食者的进攻，这种群体形态的灵活应变来自于“短程通讯”效应，即每个独立个体的微小行为变化会影响与之相邻的个体产生协同应变，以此类推，个体所组成的群体就具有了高度的适应性。在寒地建筑群体形态设计中，采用群构网络拓扑变形的设计方法可以使群体形态产生“短程通讯”的效应，拓扑形变是指连续不间断的形变，当群体中的某一部分为应对环境而做出变形时，其他部分可以顺势与之协同，从而增加建筑群体的整体性与连续性(表2)。
表2群构网络的拓扑形变
由BIG设计的于年竣工的8字住宅采用了建筑群体拓扑形变的设计方法。项目位于丹麦哥本哈根，包括公寓、办公、商业等功能，建筑面积6.1万平方米。设计采用了围合式的基本布局，但由于功能复杂、规模较大并且基地狭长，顺应街道围合出的院落空间纵深过大，不仅影响空间感受也容易造成局地疾风，不适于丹麦寒冷的冬季气候，如果将一个组团拆分成两个，虽然可以缓解此问题，但所有的公共空间也必须被拆分，同样属性的空间要在每个独立组团中分别设置，降低了空间的使用效率。因此，设计师采取了拓扑变形的设计方法，将两个长边向内拉伸至相交，使建筑变成“8”字形，既保证了形体的连续性，又将原来狭长的院落自然分割成两个尺度适宜的空间，在相交的节点处设置公共空间，便于两侧组团共享，提高了空间使用效率也增加了两个组团间的联系性，在此基础上，依照当地日照及季风规律，降低西南角，抬高东北角，使得阳光和空气得以灌入院落，为建筑创造了良好的微环境。由拓扑形变得到的建筑形态具有高度的连续性，设计者将一条公众步道从街道标高拉伸至屋顶，人们可以散步或骑车从屋顶花园到城市街道，不仅增添了空间趣味，也使建筑以更加开放的姿态融于城市环境。
在BIG的Koutalaki滑雪度假村设计方案中，也体现了通过群构网络拓扑形变实现建筑群体与寒地环境协同共生的设计思想。Koutalaki滑雪村位于芬兰拉普兰，建筑面积5.6万平方米，建成后将为滑雪游客提供住宿和休闲服务。基地位于山顶的一处缓坡上，首先，为了抵御寒冷并使度假村可以提供全方位的景观观赏视角，设计者采用了圆环式的形态组织方法，围合出了阻挡寒风的中心院落，同时使建筑的各个角度都可以俯瞰周围风景。其次，为顺应山地环境，设计者在圆环上选取了4个点向下拉伸，使建筑形成了4座小山似的形态，有机地回应了地形，并且通过形态旋转的方式将4个形体独立；产生的开口使建筑具有开放性，可以吸纳周围的景观并实现自然通风，然后继续延长每部分形体，变形后的建筑群体内侧更具向心性，而外侧则更加发散，可以更好地与周围环境结合。在此基础上，结合建筑的使用功能，整体拉高和降低局部，并保证建筑形体的连续性不被打破，最后，降低南侧的2个体量，保证建筑与阳光的最大接触面积，并使中心院落避开建筑阴影区。经过一系列变形后的建筑群体形成了4道高低错落的缓坡，冬季降雪时可以自然形成雪道，游客通过电梯直登屋顶，沿着建筑雪道滑行是一种全新的体验，并且度假村的中心庭院与原有建筑中的滑冰场有机联系在一起，增加了建筑群体在功能上的密切性。在此案例中，建筑形态的一系列变形是通过拓扑形变得到的，这样的建筑群体形态组织方式不仅实现了建筑对寒地气候的积极适应，同时也创造了可以居住又可以滑雪的人造山峰，起伏连续的建筑形态成为了自然风景的有机延伸，实现了人工景观与自然景观的独特融合。
2.3群落肌理的地景演化
寒地自然景观有着独特的形态特征，例如我国北方山脉多为粗犷有力，而南方山脉则柔美秀丽，这些自然形态的形成一方面受地质作用的影响，另一方面与寒冷气候的长期作用有着直接的关系，环境中的特殊地貌如实地反映了风向、风势及日照等气候因素的作用规律，是最适应自然的景观形态。在寒地建筑群体形态设计中，应从自然地貌中寻找隐藏的秩序，依照自然规律使建筑形态有机生长，减少人为干预，化解匀质线性等不符合自然规律的人工形态，使建筑如地景般生于大地又消隐于自然(表3)。
表3群落肌理的地景演化
在由BIG设计的挪威特吕西尔度假酒店方案中，体现了建筑群体形态地景化处理的设计思想。特吕西尔是挪威最大的滑雪胜地，三面环山，冬季降雪丰富，具有良好的自然景观。在建筑群体形态设计中，建筑师还原积雪位置确定了适于布置建筑的地形网络。在此基础上，以自然形成的雪堆形态作为每个建筑单体的基本原型，并且依照适于滑雪的坡度组织建筑的高低起伏，再通过形态扭转等方式使建筑具有围合感，变形后的建筑形态不仅延长了南向受光面的长度，也形成了类似于峡谷似的气候防护空间，最后将局部建筑底部架空，使人们可以不受阻挡，任意穿梭于园区，增加了交通可达性，减少了寒冷冬季的户外行走时间。在此设计中，自然流畅的建筑形体不仅实现了对寒地气候的积极适应，也为游客创造了不同的滑雪方式，人们不必从酒店走向雪道，而是在住处就可以直接通上屋顶进行滑雪，并且，有机和谐的建筑群体犹如寒风拂过雪面留下的痕迹，自然地融入了场地肌理，人工建筑却似自然地景。
BIG为阿塞拜疆Zira岛提供的规划设计方案也体现了建筑群体形态地景化设计的思想。阿塞拜疆位于南高加索东部，海拔较高并且全年多风，其首都巴库意为“风城”。Zira岛与巴库同处于一个新月形海湾，是一座天然形成的小岛，业主将在这座小岛上建设规模达万平方米的商业综合体，为了降低对小岛自然生态的破坏，一方面需要使巨大规模的建筑体量与小岛环境融合，另一方面也要考虑建筑能耗对环境的影响。在建筑群体形态设计中，设计者从独特的自然环境中吸取了灵感，有意将建筑形态塑造为阿塞拜疆最著名的7座山峰的形式，在此基础上，调整形态使之适应气候环境。设计者首先根据岛上的植被及地形情况确定了适于建设的基地范围，然后对岛屿上的风环境进行模拟，划分出不同区域的风力等级，针对不同风力作用，通过平滑梯度顺应风向；错落梯度诱导风势以及屏障梯度阻挡风袭等形态组织方法，将建筑塑造为相应的适风形态，并且依据建筑间的局部风环境确定了广场及公共空间的位置，气旋涡流强的地方进行稠密种植，降低风速，气流平稳的部分设置为休闲空间。其次，根据日照规律，在建筑受光作用最强的地方设置太阳能热板，并顺应建筑走向设计雨水收集系统，最后将一条陡峭的公路盘旋在建筑间，连接座山峰，引导着人们游览。在此方案中，通过建筑群体形态的有机组织不仅实现了建筑的低能耗，为人们创造了舒适的使用空间，也使建筑群体和谐地融于地形，流畅的天际线与巴库城市的海岸线形成了呼应，阿塞拜疆的7座山峰从远处清晰可见，地景化的建筑处理为城市创造了一处生机勃勃的标志性建筑。
3结语
适寒设计并非只是单纯的节能设计，它是通过对建筑形态的塑造，使建筑能够适应、调节与补偿寒地气候的作用，创造良好的局地微环境。在寒地建筑群体形态设计中，遵从自然法则，在自然作用的规律中寻找建筑组织的隐秩序，不仅可以使建筑积极地适应寒地环境，也可以使建筑以更加开放的姿态面向大众，为寒地居民创造健康舒适的生活氛围，寒地建筑的原真性与地域性也正是体现于此。
参考文献
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