从过去朴素的自然观，到现在科学的自然观，人们在建造过程中始终关注着环境问题，关注着建造活动对我们的家园和地球的影响。世界人口的持续增长、经济的日益繁荣所带来的消费增长，及众多新生的工业化国家对有限自然资源的任意开采，这些曾经带动了人类社会繁荣的发展却也将人类文明推至了危险的境地。1973年爆发的第一次能源危机加速了全球的科学家与工程师对环境问题共识的转变过程，尽管这次危机并未带来重大灾难，但日益恶化的环境已经给人类的未来带来了诸多威胁，这其中有大量的威胁都来自建筑工业的发展（图2－54）。

图2－54　建筑对环境的影响

资料来源：［丹］斯蒂芬·艾米特，［荷］约翰·奥利，［荷］彼得·施密德.建筑细部法则［M］.柴瑞，黎明，许健宇，译.北京：中国电力出版社，2006：28

古罗马人发明了混凝土，这种独特的塑性材料成就了罗马时代一系列壮观的建筑物。现代混凝土中加入钢筋这一混合材料后，弥补了其在塑性之外在强度上的短板。这一现代工程最伟大的发明在很短的时间内成为最为流行的建筑材料。钢筋混凝土的发展标志着一个新时代的到来，钢与混凝土的组合构造满足了高速发展的城市建设需求。但是在现代建筑努力实现功能多样性和性能舒适性的同时，大量的建造活动以及建筑设备的使用都对环境产生了诸多不良影响：一方面，对空调设备的依赖不仅消耗了巨大的能源，还加剧了温室效应；另一方面，过分保守的建造方法导致了建筑的工业化进程缓慢，还停留在20世纪的粗放型生产和建造活动中，不仅耗时耗力，大量的现场作业也对环境造成了一定的破坏。这些城市发展中的现实问题如果不加以引导和改正，将会严重影响我们生存环境的可持续发展。

可持续原则对于建筑工业来说，意味着争取消耗最少的能源和资源，尽量少为大自然增加负担，在整个建筑生命周期的各阶段中——从计划建设到使用更新直至最后的拆除，争取为建筑使用者们提高安全感和舒适感［47］。这是一个反复优化的过程，需要完整的团队紧密配合产业联盟，上端要结合材料、产品设计部门，下端要延续到建造施工承包商，连续的流程控制是可持续原则得以贯彻的基本保证。我们要致力于平衡生态的建造方法、建筑使用、再利用以及各个组成部分的协调关系，从建造流程出发可持续原则主要集中于以下几点：

①节约资源：合理地使用可再生资源，避免过度使用不可再生资源，在回收利用中选择性能损耗小、易再加工的材料。

②保护生态系统：减少建筑产品全生命周期中产生的碳排放量，保护大气系统免受温室效应的危害；减少建造、拆除过程中产生的建筑垃圾，避免环境污染。

③保护使用者的健康：在生产和使用过程中，控制生产工艺以及建造完成后的建筑室内环境和卫生状况，避免对人体造成危害。

可持续原则只是对人类、环境以及自然之间的和谐关系的基本描述，要使其真正可以成为指导建造活动的评判标准，还需要针对每个具体的建造环节制定不同的指标，才能形成更具针对性的可持续设计策略，如将建筑的碳排放量化，对室内环境舒适度指标进行精细化的描述，对污染物造成的影响进行标准测量等。可用于系统地评估建筑产品的材料提取、生产和处理过程对全球及区域范围所造成的环境影响的国际评估标准已经有了一定的发展，如“生命周期评估”（LCA）的指标和算法。虽然该方法主要适用于对已知过程及结果的数据进行评估，未知过程或者间接的因果联系并不在其评估范围内，但通过多数案例的系统总结，该方法依然可以给予新建项目的前期设计诸多有益的指导。我们可以将建筑产品的全生命周期分为材料获取、工厂零部件生产、运输、现场建造、使用维护以及拆除六个环节，并根据每个环节的特征建立相应的可持续策略（图2－55）。

图2－55　建筑全生命周期

资料来源：自绘

①材料选择：尽量选择当地可再生、轻质高强的材料；材料选择应符合LCA确立的环境保护4R原则［48］。

②工厂零部件生产：应考虑材料加工工艺对环境和人体健康的影响，选择适合当地经济发展条件的加工工艺，并对材料进行优化。

③运输：选择从当地获取的材料或产品，以避免长途运输。

④现场建造：采用预制装配技术，减少现场工程，提高建造效率，减少环境污染。

⑤使用维护：根据地域环境设计选择符合性能标准的围护体材料和产品；采用清洁能源，减少不可再生能源的消耗和使用过程产生的碳排放；通过可替换的产品系列实现产品的多样性和可修复性，延长产品的使用寿命。

⑥拆除：尽量选择回收系数高的材料，选择预制装配技术，增加零部件的重复使用率，将建筑在拆除中对环境的影响可以降到最低。

从上述策略中，我们可以看到建筑的全生命周期中每个环节之间都是紧密相扣的：材料的选择，从提取到工厂生产再到拆除后回收利用都是贯穿始终的；预制装配技术不仅提高了建造的效率，延长了产品的使用寿命，还在拆除过程中对减少环境破坏起到了重要作用。

可持续原则指导下的建筑构造设计是基于信息的，而不是基于形式的。它并不会规定建筑的既定形式，而是指导建筑如何顺利运转。以灵巧的技术获得建筑与环境之间的动态交互关系是设计的重要目标。灵巧的材料、定制化设计、本地化响应等生态观念自发地形成构件的生产和组织，使得建筑更接近生物有机体，在不断了解自身周边环境中适应条件的变化并改善自身的性能。大自然为我们提供了相当有力的实证，在自然界中，高效、节能、可持续的观点在不同的体系中得以充分诠释。从大自然中学习知识不仅是过去工匠们一贯的做法，也应当继续为当下的建筑师所用（图2－56）。

图2－56　建筑构造可持续原则的基本模式：整个建筑的决定因素包括人类、环境因素，以及固有的建筑核心概念

资料来源：［丹］斯蒂芬·艾米特，［荷］约翰·奥利，［荷］彼得·施密德.建筑细部法则［M］.柴瑞，黎明，许健宇，译.北京：中国电力出版社，2006：28，作者编辑

1.材料的循环利用

材料生命的周而复始，生生不息是生态持续发展的自然规律。弗雷德里克·维斯特（Frederic Vester）在其1985年出版的著作《新的思维边界》（Neuland des Denkens）中提出了八项基本规则，其中一条就是循环利用原理。材料生命周而复始的规律已经在不同的制造领域得到了共识。循环利用在建筑中的体现主要意味着当建筑材料从主体结构中拆除后，经过再加工处理，能够反复利用，而这个过程很少产生有害物质。

具体到建筑构造设计中，可以分为两个层面：第一，尽量采用环保型材料，如木材、黏土等自然材料，这些材料具有天然的可循环利用的优势，而在工业产品中则可以选择回收利用率高的金属材料如钢、铝等；第二，在构造连接的设计中，应该充分考虑便捷的拆除和单独分层的可能，材料的同质性、不同材料的可分离性都是需要关注的重点，这样才可以实现材料的有效拆解和二次利用。

在具体的操作方法上，主要有两种：第一种是在建筑更新过程中将小构件从更大的结构上分离下来，或者在废旧建筑的拆除过程中保留较完整的小构件，其中主要操作对象是瓦和砖。这两种材料本身就是最小的建造单元构件，不论是在维护更新中，还是在建筑整体拆除后，大量构件都能保持完整的形态，是可以反复利用的构件。中国著名的建筑师王澍长期坚持利用旧砖废瓦来实践一种自然的建筑观。王澍将中国浙东传统民居中代表性的“瓦爿墙”构造技术进行了改良，将从各地村落以及废弃工地中收集来的形式各异、色彩多样的砖瓦用在中国美术学院香山校区、宁波历史博物馆等多个实践项目中，既赋予建筑强烈的地域特色，又节约了资源，实现了材料的循环利用（图2－57）。

图2－57　王澍通过废弃材料的循环使用实践了可持续的建造理念

资料来源：自摄

第二种方法则偏重于碾压与重整，通常被称为“重组循环利用”。碾压通常是指通过物理性的粉碎将破瓦片、碎石等材料分裂成更小的碎片，然后用在粗毛石建筑中；或者将压碎的旧砖重组为新砖。重整则可以将破损的建筑构件重新还原成原材料，然后再生产加工成新的构件，比如金属；而有些材料在现代科技的辅助下，甚至可以由特殊的工艺改变原有材料的特性。

日本建筑师坂茂是一位善用环保材料的建筑师，他长期专注于可循环利用的材料尤其是“纸”在建筑中的发展潜力。早在1995年阪神地震时，坂茂首次设计了用于过渡使用的纸棚屋（paper），并由此开始了其长期的“纸建筑”设计生涯。2000年由其设计的汉诺威世界博览会日本馆为了能实现日后建筑材料全部拆除回收利用的目的，采用了纸管这种轻型环保的材料，为了实现快速搭建和拆除，设计了特殊的构造形式和建造方法。纸管之间采用了绑扎这种最简洁的编织构造方式，实现了安装和拆除的最高效率。在建造的时候，纸管先排列成一个平面的网格结构，再在网格结构周围用带子绑扎牢固，然后在纸管周围搭建脚手架来调整纸管的位置，最终形成双耳细颈椭圆土罐的形状。由于建筑荷载较小而采用了地上填砂的框架基础，该建筑最终实现了“传递到地基的力很小而且整个结构能回收利用”的目标（图2－58）。

图2－58　坂茂专注于“纸建筑”的研究与实践，实现了材料的可循环利用

资料来源：姜蕾.卡扣连接构造应用初探：应急建造及其连接构造问题研究［D］.南京：东南大学，2012：64，66，67；http：//www.flick.com

王澍和坂茂两位建筑师的实践在近期获得普利兹克建筑奖的建筑师中显然并不是最“时髦”的，但他们谨慎对待材料使用的态度，和对建造工艺创造性的改进研究为建筑的可持续发展做出了积极的贡献。他们相似的实践方式也说明了一个问题：如果一个系统要保持长久的活力，它必须要具备适应外界变化的能力。这种适应能力并不是通过昂贵的造价和形式创新来实现的，而应当通过合理的技术应用（如构造技术的适用性、灵活性、可变性等）实现。

2.提倡适度技术

密斯曾说过“每个建筑都有自己特定的社会文化性质——并不是所有的建筑都是教堂”［49］。可持续发展要以本土资源为基础，寻求建立在那些为本地人口直接利益服务的资源上，并力求使之最大化，它强调独立性甚于依赖性；在工业化技术盛行的现代，采用“适度的技术”同样重要。适度技术的核心概念是生态发展策略和实践。正如其名称所暗示的，适度技术的提出是为了“填补资本密集、不适宜的外来技术与低廉的、但通常没有效率的传统技术之间的鸿沟”［50］。适度技术具有以下一些典型的特征：成本低廉；使用当地的材料；劳动密集；规模小；技术相对简单，没有经过特殊培训的人容易理解和建造；尽可能使用可再生资源，如风能、太阳能等。当下，世界各地经济发展依然是不均衡的，大量地域面临经济和资源紧缺的问题，生土、砖、木材等传统材料与工艺依然有着广泛的应用前景。

图2－59　传统窑洞建造技术的改良

资料来源：王军.西北民居［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：271，272

生土建筑是一种经济实用的地域建筑，至今，世界上仍有1/3的人口居住在亚黏土建造的房屋中，而在发展中国家，这个比例要提高到1/2以上。对于贫困的地区，亚黏土是一种就地取材、廉价的材料，几乎可以被无限次重复利用，而不产生任何危害。而在欧洲一些发达地区，再度关注亚黏土是因为它具有良好的蓄热能力，可以缓和室内温度波动，并且在需要的时候吸收或者释放水蒸气，为室内创造舒适的生活环境。亚黏土在建筑由传统向现代转变的过程中，引起了建筑产品的革新，并成为现代建筑工业蓬勃发展市场的重要组成部分之一。

除了材料的改良研究，在地域建筑现代化的过程中，传统的黏土建造工艺也得到了改良。我国西北的窑洞建筑有着悠久的历史，冬暖夏凉、物理性能好、施工简单，在适应当地气候、保护生态、节能减排上有着较好的优势。但传统窑洞也存在抗震性能差、内部通风不畅、采光不足、缺乏现代化设施等问题。而在暴雨季节，窑洞在有孔洞或缝隙处会发生土层剥落的现象，严重时甚至引起屋顶塌方。针对这些缺点，新的窑洞建设，结合地方特色进行了适宜的生态改造，使其更加适应现代化功能需求（图2－59）。为提高生土建筑的抗压、抗拉、抗震、耐久、热工以及现代化功能需求，西安建筑科技大学针对传统夯土墙、土坯墙进行了技术优化研究，通过大量的实验研发了一种新型墙体——混凝土密肋与草坯结合的新型墙体。这种墙体在抗震、保温、隔热等方面都优于传统砖墙，并在陕南灾后重建项目中得到广泛应用（图2－60）。

图2－60　西安建筑科技大学对传统生土墙构造工艺的改进

资料来源：王军.西北民居［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：271，272

传统的马来（Malay）住宅是一种基于干阑式木构的地域建筑，由于其所处的热带地域，常年炎热潮湿，因此建筑采用了底层架空、高耸的坡顶以及深远的出檐来应对当地的气候；可变的多功能空间，也为家庭需要提供了预留体系，这种传统但有效的构造技术在当地的新建建筑中一直得以保存和延续。由尤瑟夫·B.曼尼维杰伊（Yousef B.Mangunwijaya）在印度尼西亚日惹设计的A字形结构住宅，展示了和当地住宅高度的相似性，简洁而轻巧的架空构造、高耸的屋顶，都是当地传统建筑建造技术的精华。2006年在日惹由艾科·普拉沃托（Eko Prawoto）和曼妮维杰伊设计建成的Stiok Srengenge住宅通过加入更多的现代元素，进一步提升了建造的品质。为了增加屋顶的坡度，又不使暴露的结构显得过于沉重。建筑师将屋架分为大小两部分，简洁的三角屋架经过适当的变形以及加入金属构件后显得更加轻盈。金属构件不仅加强了结构的强度，也巧妙地区分了屋顶与支撑柱，强调了结构逻辑的清晰性。外墙同样和屋顶保持一段间隙，既保证了房间内充分的空气流动，也保证了垂直构成（柱、墙）与水平构成（屋顶）的建构逻辑。底层外墙抹白，和二层红色砌筑砖块对比鲜明，强调了建筑空间的主次地位（图2－61）。

图2－61　曼尼维杰伊对印度尼西亚传统建造技术的现代演绎

资料来源：Chris Abel.Architecture and Identity：Responses to Cultural and Technological Change［M］.2nd ed.New York：Architectural Press，2000：204；http：//www.flick.com

适度技术的应用是对传统建造技艺的继承与更新，其中蕴含的生态效应就如同古人顺应自然的态度一样不着痕迹。

3.推广被动式节能构造技术

如果说材料的选择反映了谨慎利用有限资源的态度，那么材料组织方式的合理性则会借由建筑性能的表现和系统的能源消耗来体现。随着建筑体量的与日俱增，室内环境的控制也越来越依赖机电设备，自从19世纪末期以来，与机电相关的造价大幅度增长，达到了总造价的35%。虽然借助现代化的空调系统，人们获得了舒适的室内环境，但由此引发的能源和环境问题已经严重威胁到未来的全球资源储备以及气候的稳定性。建筑师与工程师开始关注如何通过技术手段减少建筑建造与使用过程中的能源消耗与碳排放问题，其中包括了主动和被动的节能技术。

主动节能技术主要由设备工程师通过机电设备如太阳能光电光热设备、地源热泵设备等实现对自然能源的转化，从而减少传统的对矿物资源的消耗；被动式节能技术主要由建筑师通过合理的建筑规划、构造设计实现建筑物本身依靠自然的方式收集和储存能量，使建筑与周围环境之间形成良性的循环，在不需要或很少依靠耗能机械设备提供支持的条件下也能形成舒适的人居环境，从而达到节能效果。主动式与被动式节能技术是密切联系、相辅相成的，但建筑师应当优先选择并充分利用“被动式”节能技术，尽量在不使用设备的情况下实现有效的节能效果，因为“被动式”节能技术更加经济，也更利于实现人与环境的和谐关系。

在机电设备发明以前，工匠在实践中已经积累了很多成熟的被动式构造做法。虽然现代建筑的形态发生了巨大的变化，但围护体所需要解决的问题始终没有变化（针对不同气候条件的保温、隔热、被动式太阳能利用、通风、遮阳等），很多传统的技术依然适用，只不过进行了工艺上的革新。

（1）保温隔热构造

对于墙体的一些基本保温隔热构造原理，古代工匠们的发现已经得到了科学的验证，比如采用重质的蓄热材料、空气间层等。现代的保温墙体经过系统的热工学计算有了更合理的组织，它们一般由多个负担不同功能的“层”组成，如内外防火板、空气间层、中间夹层等。夹层材料通常为保温材料（聚氨酯颗粒、聚苯乙烯颗粒等）、粉煤灰和混凝土组成。空气间层内流动的空气可以带走空心墙内累积的热量以加强墙体的隔热效果。同时，根据朝向的不同，墙体上的窗户也经过特殊的构造设计，如南向的窗户会采用内层中空双层玻璃与外层贴膜反射玻璃的组合构造，以加强夏季的隔热效果（图2－62）。

图2－62　外围护体的被动式节能构造原理与技术

资料来源：自绘；Edward Allen，Joseph Iano.Fundamentals of Building Construction［M］.Toronto：John Wiley ＆ Sons，Inc，2009：394(www.daowen.com)

双层玻璃幕墙构造是兼顾现代大体量建筑采光、通风、隔热等综合热工性能发展而成的新型双层墙体：随着能源危机的出现，建筑师和工程师注意到了大面积的单层玻璃容易产生高能耗，于是有了增加空气间层以提高幕墙热工性能的设想。双层玻璃幕墙和传统的双层墙在构造原理上是相同的，只是材质更轻，可变透明度的玻璃产品取代了重质材料。双层玻璃的间距通常在50cm左右，外侧幕墙一般会留有通风口，内层的幕墙可以局部或者完全开启。在夏天，外侧通风口打开，在热压的作用下，空气从下侧进入，向上流动最后通过上部通风口排出，空气的流动带走了中间层的温度，并为室内提供了新风，起到自然通风的作用；冬天正好相反，外层通风口关闭，内侧幕墙打开，双层幕墙形成了小型的温室，减少了热量的损失（图2－63）。

图2－63　双层玻璃幕墙构造原理和应用

资料来源：自绘；http：//www.flick.com

（2）被动式太阳能构造

为了实现不借助设备和复杂的控制系统对太阳能进行收集、贮藏和再分配，建筑师巧妙利用建筑的基本要素，如窗、墙、楼板等形成了一系列行之有效的“被动式太阳能”设计方法。每一个“被动式太阳能”采暖系统通常由两个构成要素，朝南的玻璃采集器和由砌块、岩石或水等保温材料组成的能量储存构件。被动式太阳能系统通常有三种基本形式：①直接获取式；②图洛姆保温墙；③太阳室。白天通过玻璃的长波辐射被房间内的保温材料吸收，晚上，保温材料储存的热量可以继续维持房间内的温度。

直接获取热量是被动式系统中最有效的方式，当房间进深过大时，可以通过高侧窗和天窗的方式使背面的房间也能直接获得太阳能。图洛姆保温墙是以费利克斯·图洛姆（Felix Trombe）教授的名字命名的。1966年，图洛姆在法国研制出了这种构造技术。其原理是利用温室有效地吸收太阳辐射，并储存在太阳一侧的墙面中（墙面通常刷有深色涂料）。白天在墙内蓄积的热量一般到晚上才开始传导到室内墙体的表面，具有明显的“时滞”性，如果保温材料充足，整个墙体在晚上都能充当散热器。图洛姆保温墙经常结合直接采暖的方式使用，多数带窗洞的图洛姆保温墙都满砌至楼顶，但有时也砌成矮墙，这样，上午可以增加热的吸收，下午还能防止过热，晚上又能提供足够的热量。宾夕法尼亚费城附近的谢利·里奇女子侦察中心是运用图洛姆保温墙获取太阳能成功的案例之一。由于居住的女子侦查员通常在白天和黄昏活动，所以图洛姆保温墙只由10cm厚的砖砌成，以便使得热量很快在下午和傍晚传到室内。木格栅被用来支撑砖和玻璃，外墙上增加了可伸缩的遮阳篷避免室内过强的光照。

通常，图洛姆保温墙由混凝土、砖石或黏土建成，但是容水器在随后也被用于作为图洛姆保温墙的一种特殊构造。水是一种很好的蓄热材料，在所有的材料中水具有最高的热容量，同时还有很高的热吸收率。史蒂夫·拜尔（Steve Baer）在新墨西哥的自宅设计中，就巧妙地利用220ml容量的水桶垒成图洛姆保温墙（图2－64）。圆桶靠玻璃一侧涂成黑色，增加吸热效率，朝室内则涂成白色，利于热辐射。建筑师还设计可以活动的隔热百叶窗，夏季用于阻挡热量，冬季白天放倒可以作为反射器，提高图洛姆保温墙的工作效率，晚上则关闭保留室内的热量。当把水直接集成在墙体中，就可以形成更整体的蓄水墙。

图2－64　图洛姆保温墙的原理与实际应用

资料来源：［美］诺伯特·莱希纳.建筑师技术设计指南：采暖·降温·照明［M］.张利，译.北京：中国建筑工业出版社，2004：153－155

墙体的节能构造做法同样适用于屋顶。如早期屋顶采用稻草或泥土覆盖，能获得较好的保温隔热效果，尤其是在气候炎热干旱的地区，采用大量的泥土或者石块可以形成对温度的有效阻隔，而将屋顶做成圆形则可更好地改善室内环境：一方面，圆形屋顶遮蔽了整个房屋，减少了直接辐射热；另一方面圆顶开阔的上层空间使得气流分层，居住者可以住在气温较低的下层。同时在圆顶凿孔，可以让热气流迅速的流出。

图2－65　传统建筑屋顶的节能构造

资料来源：自绘；http：//www.flick.com

（3）自然通风构造

在炎热潮湿的地方，高屋顶的形式依然适用，比如东方大量采用的坡屋顶，原理和圆形屋顶类似，并且悬挑的屋檐还可以起到有效的遮阳效果，不过为了加强湿气的排出，通风显得更加重要。中国传统的瓦屋面的构造设有通风间层，配合轻盈的框架结构，提高自然通风的循环次数，可以迅速排除室内的湿气（图2－65）。当现代建筑的形式日趋多元后，被动式通风的研究与构造设计也更加系统，根据气候条件的特点，建筑师可以选择不同的构造方式实现建筑内部空间的自然风循环。

空气流动的原因主要有两种：温度的差异或者气压的差异，前者会产生热压自然通风，而后者则产生风压自然通风。根据热压原理，冷空气下沉，暖空气向上运动，在建筑的底部开洞引进冷空气，在顶部开窗排出暖空气，从而实现室内空气的对流，这种方法适合在寒冷的冬季避免大量的冷风直接进入室内的情况下实现室内的自然通风。“烟囱效应”就是典型的应用风压通风产生拔风效果，进而加速空气的流动，实现建筑内快速散热通风的原理，捕风塔正是借由此原理产生的特殊通风构造形式（图2－66）。

图2－66　大体量建筑中自然通风原理与应用

资料来源：自绘；http：//www.flick.com

对于建筑中越来越多的大空间来说，通风的问题往往比其他问题更难解决，而诉诸于空调设施将会造成巨大的能源耗费，众多建筑师为此通过大量的实验和研究来寻求更自然的设计方法。高技派的代表理查德·罗杰斯在设计中充分尊重空气在建筑中自然流动的规律，并积极地利用各种技术将之实现。为了创造空气在建筑中最佳的流动模式，他积极地运用计算机软件进行流体动力学分析，建立自然通风系统的建筑模型。精确的运算促成了多种不同驱动方式的自然通风设计，由此产生了诸多合理的流线型屋顶。屋顶的流动性不仅利于通风，甚至引导风向，促进室内的自然风循环，而无需高能耗的机械冷却系统。

由其设计的威尔斯新议会大厦（National Assembly for Wales，Wales，Cardiff，1998—2005），经过计算机确定的屋顶流线形式如同柔和的云彩一样（图2－67），建筑内的气流可以自由地通过、回转，使得室内的温度和湿度始终处于一个适宜的范围。而流线型的凹陷处被建筑师作为炎热的夏日的蓄水池，覆盖了建筑的大部分屋顶面积，降低夏天过高的室温。屋顶的通风出口则设计了带风扇的出风构造，起到强大的拔风效果，加快室内空气的流动速度。在法国波尔多法院（Bordeaux Law Courts，France，Bordeaux，1992—1998）的设计中，罗杰斯巧妙地将“烟囱效应”和建筑使用功能结合在一起，设计了酷似酒桶的巨大的圆锥形屋顶。为抵抗当地炎热的气候同时获得良好的空气循环，罗杰斯将每个独立的审判庭处理成为封闭的酒桶形，周边不设窗，只通过屋顶的天窗采光。新鲜的空气从地下经水池降温后，从房间下方的通风孔进入室内。被阳光加热的空气升温后向上流动，从屋顶自然排出，良好的室内自然通风形成了舒适室内环境的同时还降低了建筑能耗（图2－67）。

图2－67　罗杰斯为建筑大空间特定设计的自然通风构造

资料来源：大师系列丛书编辑部.理查德·罗杰斯的作品与思想［M］.北京：中国电力出版社，2005：93－94

由于每一个单项节能构造技术的设计原理不尽相同，因此，并不是将所有的技术简单地拼凑在一起就可以实现所有的节能效果，如何组合和应用不同的技术还需要建筑师根据场所和环境特征结合建筑具体的功能进行整合设计。借助环境对建筑的作用，并将人的生理与心理需求与建筑性能需求、形式设计整合起来，是考验建筑师对建造技术综合应用能力的标尺。著名的现代主义建筑师赖特，就走在了那个时代的前列。由他设计的雅各布二世住宅不仅形式优美，还表现出了良好的生态整体性：在南向使用大面积玻璃获得阳光，利用北面保温土坡保护了建筑北面；采用重质材料保温蓄热，在夜间可以保持温度。深远的屋顶挑檐形成水平遮阳，石质的外墙用蛭石填充，并留有空洞，既有保温效果又可以排除墙体内的湿气（图2－68）。巧妙的节能设计与形式表达获得了良好的统一，建筑与环境水乳交融。继赖特之后，出现了更多尊重自然的建筑师，如罗杰斯、皮亚诺、福斯特、杨经文等，他们坚持贯彻可持续的建造原则，赋予建筑“不是自然的形式而是形式的自然”。

图2－68　雅各布二世住宅被动式构造设计

资料来源：［美］诺伯特·莱希纳.建筑师技术设计指南：采暖·降温·照明［M］.张利，译.北京：中国建筑工业出版社，2004：145

4.建造方式的“轻质化”

通过“被动式节能的构造设计”我们可以减少建筑在使用过程中的能源消耗和碳排放，由此产生的生态效应是非常明显的，因为建筑使用阶段的能源消耗与碳排放在整个生命周期中占有80%以上的分量。虽然建造活动中的能源消耗与碳排放占整个生命周期内的分量不高，但仍不可忽视。由于建造活动的短暂性，能源消耗和碳排放会集中在一个时间段内达到高峰，这对于大量建设中的城市会产生不小的影响。

建造活动中构件的运输、现场安装都会消耗能源并产生碳排放以及一定的粉尘污染。建造工艺的选择是关键影响因素，轻质材料在建造过程中对环境的影响肯定小于重质材料。但随着建筑体量的增加，采用重质材料几乎是不可避免的。在这种情况下，建筑师就需要在综合考量中尽可能选择“轻”的建造工艺。这里的“轻”不仅是指重量上的轻，更蕴含着减少能源损耗、碳以及污染物排放量的“轻”。

使用轻型建造材料以及相关装配工艺是一种最直接的“轻”的态度。19世纪英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clark Maxwell，1831—1879）和A.G.米歇尔（A.G.Michell）创立了轻型建筑理论，随后出现了众多轻型建筑的倡导者和先驱，“轻型建筑——时代的需求”的口号也成为现代建筑发展的新精神。鲁道夫·德尔纳什（Rudolf Doernach）曾对当今社会人均占有建筑材料量做过统计——人均20t。而根据地区的不同，差异会很大，如在发达国家达到了人均60t，而在一些落后地区，人均还不到1t，但是混凝土材料占了其中的90%。生态学的绿色理念提出了“科学的建造房屋”的要求，轻型建筑不仅可以帮助建筑师限定材料的类型，还可以降低建造和维修过程中的能量消耗。轻质化对建造效率提升和成本节约的效果是显著的。19世纪后期，各种轻型材料建造技术的发展为建筑产业带来了新的前景。在1865年，G.E.伍德沃德（G.E.Woodward）曾经写道：“如今，一个男人能够毫不费力地完成过去需要20个人的工作量……新型木结构轻骨构架能够节约比榫卯连接框架少40%的费用。”

现在，包括传统木材和各种新型金属、塑料等轻质高强的材料都得到了越来越广泛的应用。由于全球人口膨胀，住房不足成为世界工业化城市面临的问题，多层木框架结构房屋则成为解决高额土地费用和建造费用的方法。特别是3～5层的木框架房屋在施工速度和材料花费低的优点上为经济住宅提供了可能性。在北美有85%的多层住宅和95%的低层住宅采用轻型木结构体系。现代装配式轻型木框架建筑不仅采用小截面木材构件组成更轻的框架，还在传统的榫卯构造技术上发展出销连接、齿板连接等更快捷的连接方式。钢材是一种和木材结构性能高度相似的工业化产品，第二次世界大战后大量膨胀的钢铁企业为寻求出路开始进军住宅领域，随着“冷桥”和钢材腐蚀等技术难题的解决，钢结构在轻型建筑产品领域得到了迅速发展。轻型钢结构建筑涵盖了冷弯薄型钢、轻钢焊接和高频焊接型钢、薄钢板、薄钢管等丰富的产品系列，并大量采用轻型围护隔断材料，主要采用焊接和栓接为构造技术，是一种高度装配化的轻型建造系统。

塑料作为一种新型轻质高强材料，自从在实验室中被合成后，不仅在汽车、飞机等制造领域得到了广泛应用，还被广泛应用于现代建筑制造业中，继包装业后，建筑工程已经是塑料的第二大消费源。塑料的轻质高强、耐久性、安装简易性和成本低廉的优点，使其在建筑工程中占有重要的地位，大到建筑屋顶、幕墙、地板、门、窗，小到绝缘材料和嵌缝材料都大量应用了塑料制品（图2－69）。相比较玻璃，塑料保留了多变的透明度、更高的强度、良好的热稳定性和形稳定性，且耐腐蚀。聚碳酸酯、丙烯酸树脂以及玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）等塑料制品已经开始代替木材、钢材、玻璃等材料成为建筑墙体、屋面、隔声绝缘、装饰、门窗等部件的更优选择。得益于塑料在工程领域的发展，由此产生的膜结构技术，更是当代大跨度建筑发展的一个重要方向。

图2－69　建筑产品中越来越多的轻质材料

资料来源：［西］迪米切斯·考斯特.建筑师材料语言：塑料［M］.孙殿明，译.北京：电子工业出版社，2012：18－25

作为现代膜结构技术进步的重要推动者，建筑师弗雷·奥托（Frei Otto）坚决抵制一切笨重、坚固和固结于地面的建筑形式，他深入了解自然有机体的构造机制，并将研究成果融入大跨度建筑构造的设计中，力求设计合理性，不仅实现了经济的建造方式，还体现了“轻”的自然本质。奥托的设计从一系列轻型的帐篷开始，这些设计为其带来了很高的赞誉和广泛的关注（图2－70）。这些作品为了当时建筑界从未有过的新建筑形式，它们采用了链拉构造，结构很轻，几乎能呈现出漂浮的状态，并且可以很容易拆除。之后，奥托耗费了大量的时间用于研究自然的结构以及工程学中的力学原理，并在实验中用这些原理来优化结构的形式，寻找减小材料用量的方法。为了方便直观地评估结构的效率，奥托自己建立了一个系统，通过形式、承载能力以及质量需求量等要素对结构的作用和效率进行了分类总结，使得“轻型”的理念得以科学化。经过大量的实验研究，奥托将网壳结构、悬挂结构等经过优化的结构形式应用到工程实践中，取得了令人瞩目的成就。

图2－70　奥托的轻型膜结构建筑实践

资料来源：［德］温菲德尔·奈丁格，艾琳·梅森那，爱伯哈德·莫勒，等.轻型建筑与自然设计：弗雷·奥托作品全集［M］.柳美玉，杨璐，译.北京：中国建筑工业出版社，2010：177，179，180，210，249

奥托不仅专注于膜结构的研究，还将轻型建造的理念用于其他类型的建筑中。在1975年建成的曼海姆多功能大厅的屋顶设计中，奥托创造性地使用了“网格外壳”结构，实现了轻盈的大跨结构。通过反复的实验和计算，奥托和他的设计团队确定了这个独特的网壳结构的构造方式，木条制作的格子通过弯曲和扭转交叉点使得格子在它伸展的区域弯曲两次，并用一个外壳来保证木条的夹角固定后不会改变。设计人员通过加固交叉点和增加对角方向的牵引单元减少了房顶的形变。考虑到木条能够轻松的弯曲，因此木条的硬度不能太高，截面的最大尺寸只能在5cm×5cm大小，但这样的尺寸并不能确保木条可以承受85m跨度的稳定受力。于是，奥托设计了双层的格子构造，两层格子在建造时通过可调节的孔紧密地连接在一起，在完工的时候为双层格子施加足够的剪应力来固定它们。最终网壳采用了美洲西海岸的树木，格子被放入了50cm的网格中，木条被带螺纹的螺栓固定，安装在交界处的盘装弹簧使得木料之间可以通过摩擦传导受力。轻质的网壳结构和精妙的构造连接设计使得9 500m2的屋顶只用了60个工作日就完成了建造，这个由英国工程师和斯图加特测绘专家广泛合作的结晶被誉为当时“世界上最复杂的屋顶”（图2－71）。

图2－71　曼海姆多功能大厅屋顶构造

资料来源：［德］温菲德尔·奈丁格，艾琳·梅森那，爱伯哈德·莫勒，等.轻型建筑与自然设计：弗雷·奥托作品全集［M］.柳美玉，杨璐，译.北京：中国建筑工业出版社，2010：281

奥托毕生的轻型建造实践体现出其严谨、科学、尊重自然的设计理念。奥托认为轻型结构的概念涵盖了在有限的自然资源条件下如何从自然界中创造生命基础的含义，它超越了实用主义建筑或者工艺改善方法的范畴。在这一点上，奥托已经将轻型结构构造体系上升到了哲学体系的层面。仅仅从经济角度出发所做出的一些目光短浅的决定将会为建筑的“轻质化”发展形成阻碍，引用奥托的话来说，“对建筑最小化的探寻过程同时也是对于材料本质的探寻过程”［51］。轻巧纤细的结构将更好地揭示出其中的传力途径，这一点即便是对重质材料也是成立的。

在城市化进程中，钢筋混凝土依然是一种主流的建造技术，绝大部分的环境噪音与污染也来自混凝土现场作业。虽然在20世纪中期已经有了预制混凝土技术，但对抗震性能和缝隙处理的保守态度使得更多的时候，现浇工艺依然是建筑师的首要选择。随着建筑产业化运动的推进，集约化建造模式的转变需要这种大量性的建造工艺向预制装配工艺发展——一种更省材、省力、省时间的“轻”的建造技术。相比较现浇工艺，预制装配技术不仅装配精确、快速，建造过程中产生的碳排放和粉尘污染也得到了有效的控制，对环境造成的破坏影响降到了最低。

和奥托一样，意大利的皮埃尔·路易吉·奈尔维（Pier Luigi Nervi）也是一位精于结构设计的工程师及建筑师，他长期专注于混凝土结构的可塑性研究，并赋予这种“笨重”的材料轻盈的形式。他拒绝简单地复制通用的正交体系的框架形式，而是利用合理的受力机制为结构构件减重。一方面，奈尔维避免在大跨度单层建筑中使用“笨重”的大型支撑结构，而是通过构建一个由大量单体组成的承重体系，每个构件在这个体系中都准确地按照力的传递法则工作；另一方面，奈尔维大量应用预制构件保证构件尺寸的精确与建造的效率。

罗马小体育馆是奈尔维的经典代表作品，充分体现了建造技术与艺术的完美结合。球形穹顶如倒扣的荷叶由36个“Y”形斜撑承托，形成了体育馆优雅的曲线外形（图2－72）。为抵抗60m薄壳结构产生的巨大推力，设计师巧妙地设计了与球形穹顶曲线方向一致的Y形斜撑；为了加强斜撑的稳定性，建筑师增加了一圈混凝土连梁，在视觉上则成为建筑的“腰带”，使得立面的比例关系更和谐。球形穹顶下缘与斜撑支点间的部分向上拱起，既避免了结构上产生不利弯矩的状态，又校正了因视错觉产生的边缘下陷感，丰富了建筑轮廓，与“Y”形斜撑相呼应。为了方便建造，穹顶没有采用全现浇的工艺，球形穹顶由1　620块预制钢丝网水泥棱形槽板拼装而成；在处理穹顶预制槽板直接接缝构造问题时，采用了现浇混凝土构造方法，自然形成了穹顶的“肋”，减轻了屋顶自重的同时，保证了结构的承载力，还产生了优美的艺术形式。预制混凝土菱形槽板与肋共同形成了顶棚优美的图案，图案由穹顶中心向四周逐渐扩大形成渐变效果，如同盛开的花朵，极具艺术美感。

图2－72　轻盈的罗马小体育馆

资料来源：http：//www.flick.com

由皮亚诺设计完成的圣尼克拉（San Nicola）体育场（1987—1990）也秉承了“轻”的建造原则。这个完全由钢筋混凝土完成的露天体育场和罗马小体育馆一样有着轻盈的结构和优美的外形。体育场特殊的结构包括310个香蕉外形的倒T形预制柱，它们支撑着第二层观众席，并形成了26个巨大的花瓣形看台。几乎所有的构件都是在现场附近的工厂预制完成，包括了梁柱、花瓣形的看台，乃至看台上的座椅。预制装配技术不仅提高了建造的效率与品质，也减少了建造活动对环境的影响（图2－73）。

图2－73　圣尼克拉体育场轻巧的预制构件以及装配组织

资料来源：［美］彼得·布坎南.伦佐·皮亚诺建筑工作室作品集［M］.张华，译.北京：机械工业出版社，2002：196，197，

不论是通过材料还是通过合理的建造设计，“轻”的趋势已经在当代建筑实践中越来越明显，它既是建筑可持续发展的需求，也是愉悦人类身心感受的需求。这个过程也使得建筑师和结构工程师以及材料科学家更紧密地联系在一起，它需要多个学科在边缘以及叠合处进行不断的尝试，勇于打破固有的建筑形式与结构的分隔。

构造原则是一种长久以来在大量的建造经验中累积而成的潜移默化的基本法则和衡量标尺。虽然它既非建筑师在设计中需要严格执行的行为规范，也不是可以直接成为生产力的物质手段，但它对于建筑构造系统的设计有着重要的指导意义。并且，在它的影响下，建筑构成要素的具体表现随着社会文化与技术的进步也发生了显著的改变。