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同济 | 上海图书馆竞赛二等奖!——热力学建筑Studio中期成果

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作者:ZSY
原文链接

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~大家好呀!经过上一篇充满艺术与美的文章让大家换换心情,这次又给大家带来了同济本科独特的课题——四年级自选题!自选题囊括了各个方向、各种风格、各种指导教师任君挑选。这种模式下同学能够根据自己的关注和兴趣点,进行更深入的研究学习。因此对于想出国留学的同学而言,经历过大三对建筑设计有质的飞跃之后,大四自选题就是一次技能全方位展示的实战平台。

本次邀请了ZSY同学来介绍自己和组员的课程设计——此作业仅凭着中期成果就获得了“文化点亮城市”上海重大文化设施国际竞赛(上海图书馆组)二等奖!他们也因此成为该竞赛中最年轻的获奖者!(要知道这个竞赛大部分参赛者都是专业团队以及职业建筑师,竞赛性质为国际竞赛)大家是否好奇该方案背后不为人知的经历和故事呢?

回到这个方案本身,它是一个在强大的理论指导下的设计。它对环境与建筑之间的关系的思考很具有启发性,提供给我们一个探索未来建筑走向的新视角。

话不多说,让我们揭开本期作品的神秘面纱~


前言

热力学建筑原型这个课题是同济本科四年级的自选题。当时,我一心想着要准备申请出国留学的作品集,希望能多参与几个有噱头的课程设计。在众多可选的课题中,这个课题的项目是图书馆,研究光和热,虽然我并不了解这个领域,但是听起来就很高大上,正好满足我的所有期望。所以,很惭愧地说,一开始我是本着比较功利的态度报名的,也很幸运地选上了。选上之后,我就暗下决心一定要做出让自己满意的成果。

近年来,热力学这个话题逐渐成为国内建筑学界的热点。它研究的是建筑形式与能量、物质之间的关系,反思大规模的城市化、现代化对于气候、环境的影响。

随着能源短缺、生态破坏、气候恶化等议题被人们着重关注,现代建筑——不可否认它的建造比历史上以往的建筑要消耗更多的有效能,它在其中将扮演什么样的角色呢?

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图片来源:Slides of Eric Berg

 

谈到建筑与能耗,其实在我们的本科教育中不乏关于绿色节能技术的学习,而这里提出了一种新视角——从能量出发

就如同Friedrich Nietzsche所说:

This world is the will to power-and nothing besides!

让我们重新回顾地球上能量的传递、光合作用等过程,思考建筑如何能够使生态的、建筑的能量最大化:最大化可用的能源摄入、使用以及反馈循环。

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因此这个课题最终希望我们学生以能量的流动循环为出发点,以光作为关键词,提出新的建筑原型,响应气候和环境的变化。

 

寻找关键词

与之前的设计课不太一样的是,L老师和Z老师很重视前期的研究和思考,并不急于让我们开始设计。我们在寒假之前就收到老师布置的作业,要我们九个同学每人选一个案例,在寒假里进行案例分析,还要调研自己家乡的气候环境,还布置了几本英文的理论书的阅读任务。

开学前一周,大家还在享受最后的假期,而我不得不提前进入开学的状态,开始查资料、看书,还学着用Ladybug做了家乡的太阳轨迹模拟。(假期就是学霸们的知识技能充电期)

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开学第一节课汇报之后,老师认为大家的案例分析不够深入,希望大家能抓住光这个主题,用自己的图、自己的方式来重新解读案例,而且每个人要从自己的案例找出几个关键词,以便对以后的设计有启发。

最开始的一个月,我们就致力于案例的研究和相关的学术阅读。我的案例是位于墨西哥的Vasconcelos Library,在与老师的讨论中,我得出了孔隙和分层的关键词


我根据图纸重建数字模型,并制作手工模型,试着从各种角度去解读光是如何被导入建筑的,这个建筑如何从外到内,有不同的孔隙和层次来吸纳或者阻挡光。

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图书馆类型的建筑中对光的考虑是非常重要的。首先从分析基地的气候条件开始,研究在不同的季节、时刻,建筑对光的利用如何对外界变化做出回应?光从建筑外到建筑内部,经过了植物、阅读区、走道、书库以及中庭等多个层次,每个层次有着不同的孔隙率来控制光线进入量,以符合功能需求。

之后大家还分小组把我们选的世界各地的图书馆案例整理起来,关注气候特征、建筑功能、孔隙率等,将案例进行比较分析。

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在案例研究的同时,我们还进行了基地调研。我们的基地位于上海浦东新区,在世纪大道的尽端,基地西北侧为浦东新区行政办公中心,东侧是浦东新区展览馆和银联大厦;南侧为公共绿地,隔锦绣路是世纪公园。场地给我们最直观的感觉就是城市密度极低,城市尺度巨大,而且绿树成荫。

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城市热力图分析

 

在与老师的几轮讨论后,我们觉得树是研究光和能量的切入点。一棵树对阳光的利用率可以高达95%,比现有的节能建筑多得多,我们小组三人决定以树作为我们的研究的课题,光合作用(Photosynthesis)这个题目也就此诞生。

热力学机器

我们一边重新捡起高中生物学的书本,开始研究植物的光合作用到底是什么原理,一边开始阅读各种热力学相关的理论书籍。当时我们苦读的是Kiel Moe的Convergence以及William Braham的Thermodynamic Narratives,每次讨论都离不开熵增、热库、循环这些玄学般的词,还学习他们的图解方式,画了一系列不明觉厉的图解。

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太阳能是非常充足的-“Superabundance”,而人们现在只利用了它的很小一部分。建筑捕获能量的机制能否从植物的光合作用中找到可借鉴之处呢?我们希望从植物能量流动循环的原理中提取灵感,运用到建筑形式中去,创造一个全新的热力学机器。

有了这个想法之后,大家都很兴奋。首先我们讨论出了从环境到建筑这个复杂过程的工作流。

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然后对地球上不同气候类型区的植物进行研究分析。

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我们将植物对能量的利用划分为六个步骤,每个步骤对应植物的不同部分,比如叶片负责能量的捕捉和转换,躯干负责能量的运输等等。

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能量是如何在各个层级之间传递的?植物的各个部分和建筑的组成有何相似之处?

 

还比较了不同气候条件下,植物的这些部件的形态变化。

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在不同的气候条件下,从物质的角度去看能量利用系统的不同特点,这些差异与气候适应性相关。

然后我们就去找建筑元素中对应的部分,找来了各种预制对应功能的设备,比如热泵和太阳炉,然后将他们组装在一起,就有了我们第一稿热力学机器。

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从植物到建筑原型拓扑研究

第一次汇报,我们的成果虽然在形式上很吸引眼球,但是经不起推敲。问题出在,我们没有从原理和系统上研究能量的流动循环,只是简单的部件的拼贴。这是我们第一次误入歧途。

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简单的部件拼贴形成的“热力学机器”

再寻关键词

第一阶段汇报之后,我们也发现,现在的节能建筑及节能设备,对于能量的利用是很有限而且不成系统的。于是,我们回到出发点,重新研究植物的特性,在六个步骤之外,总结出三个关键词:孔隙(porosity),分层(layer),通道(channel),通过孔隙捕捉阳光,通过通道传递能量,在不同的层次上对能量有不同方式的运用。

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从能量利用的原理中提取出几何原型,然后进行拓扑研究 

当时我们看了很多GSD热力学课题的作业,还有Francois Roche的很多作品,出了好几稿触手状或是大肠状的原型设计

老师的评价是,我们还是没有真正搞懂原理,过于追求形态。这是我们第二次误入歧途。

眼看离中期评图没剩几天了,我们小组三人陷入了恐慌和迷茫。我们只好硬着头皮再继续研究孔隙、分层、通道,做了各种各样的尝试,想尽办法做出能有驾驭这样系统的原型。

原型诞生

在临近期中的前两次课,其中一个方案引起了老师的注意。在老师的启发下,我们决定做一个上层有各种开孔、下层有风塔状的通道、上下层交叠的原型,热力学机器终于诞生。

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不断地将三个关键词的原型叠加、不断尝试,终于有一个获得老师的青睐~

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从光合作用关键词发展得出的原型

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我们做出了原型,改变各种参数,如孔隙的大小、通道的形态、不同层的厚度等等,同时放下几乎所有其他的事,紧赶慢赶做了一系列手工模型,还很幸运地借用到同济大学H老师的光学实验室,进行一系列光照模拟,然后又在一天内迅速赶出了完整的建筑形体。

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制作了好多个剖模型进行模拟分析

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中期成果就这样在密密麻麻的分析图和模拟照片中完成了。我们的努力和心血没有白费,中期评图我们获得很好的反馈,老师们都觉得这个方案很有潜力。

最令我们意外的是,我们将中期成果整理后,按照课程的原定计划参与上海重大文化设施国际竞赛(上海图书馆组)的竞赛,不仅入围,还脱颖而出获得了二等奖,成为当时最年轻的获奖者。

原型深化

中期过后,我们进入原型的深化的阶段,节奏逐渐放缓。首先我们再次梳理了建筑和植物使用能源的六个步骤、六个组成部分之间的对应关系。

我们开始赋予之前的热力学原型更多建筑学上的意义,进行尺度的变化(从采光井的尺度到塔楼的尺度),以及风塔倾斜方向的调整,使整个体量更加具有能量流动的态势,也更符合热力学原理。我们也借用了风环境模拟的软件,进行一系列模拟计算,最终优选出一个方案。

经过模拟之后选择了最终方案

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都市之中的一个“机器”

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大大小小、形态各异的“风塔”

精彩长图-旋转手机欣赏~

与此同时,我们进入一个新的话题,就是研究表皮的材料模块的构造和设计。我们延续风塔和开孔结合的形式,将表面的开孔也分为内外两层,并赋予轻微的转动,在置入建筑体量的时候,我们将下部的开孔和扭转放大,上部则缩小,希望能通过这种变化,一方面控制不同功能区域的光环境,另一方面增强风塔的拔风效果。

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表皮尺度上的环境性能研究

这个推进的过程十分顺利。为了真正理解这种材料的构造,我们还用硅胶做了磨具,倒了1:1的混凝土模块,用3d打印做了1:20的构造模型。

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1:1混凝土模块

 

1:20 3D打印模型

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利用1:20模型进行模拟分析

最后阶段就是大量的模型和图纸的制作,冲刺终期评图。最后看着满满一桌的模型和一墙的图纸,还是很有成就感的。比较遗憾的是,由于这次11万平方的建筑面积实在过于巨大,我们没能很好地理清建筑内部空间的关系。我们有简单的设想,如人在风搭下会有不同的空间感受、大型的风塔下会形成公共活动区域、上层管束状的空间会成为漫游式的阅读区域等等,但是这些设想没能很好地呈现在平面和剖面上。这也成为在评图中饱受质疑的地方。

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表皮的孔隙率如同植物一般,从气候出发、应对不同的功能需求有着相应的变化

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逻辑推理与怪诞形式

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剖面展现出了其对能量议题的回应,以及随之带来的空间特质

感言

在整理课程成果的过程中,我仿佛又重新经历了一次这个设计。很难想象我们从一开始的一知半解,到后来能有这么多成果中间经历了什么。我的心态也改变很多,从一开始带着功利心有目的地参与,到后来真正觉得感兴趣,并且全身心地投入其中。课程之后,我觉得我对建筑的形式又有了新的认知,就是可以通过对某些原理的研究,抽象出新的建筑形式。这种形式不再只局限在美学或者空间上,而是具有物理上的性能以及背后的形式逻辑。这种形式不是凭空而来,也不是从几何原型的拓扑研究出发。即便最后的成果在形态上有些不合常理,但是它是基于科学的,是有实际意义的。这也成为我之后作品集的一个思考点,就是逻辑推导与怪诞形式之间的矛盾,思考科学与美学之间的关系

还要特别感谢L老师和Z老师对我们的帮助。两位老师都特别认真负责,每次都很耐心地跟我们讨论,给我们很多启发。

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从能量与物质出发的原型探究落在了场地上,具有一种“热力学美感”

 

小编点评: 这份作品初看形式确实很让人眼前一亮,同时也引发好奇——这个奇特但有逻辑感的形式是如何生成的?看完设计者写的介绍之后,不禁为这个科学严谨且具有生态关怀的作品点赞。它将理论与设计融合得很好,整个过程中有着理论的严谨与客观性,也有设计的灵感与主观性。

我们都知道做设计不能陷入僵化的思维,也知道当今环境问题日益严峻,但我们到底该如何做才是真正用设计回应这个议题呢?该作品是一个极佳的例子,启发了我们将思路拓展得更宽一些,就像从物质和能量的角度来看待生态系统一般,我们或也可尝试从物质和能量的角度来思考建筑与环境的关系。

关于热力学建筑设计作品,我们公众号之前曾经发过一篇文章老师让你考虑气候,你只会用Ecotect?,里面介绍了ROEWU建筑事务所的气候环境相关的项目作品,其中将天井、拔风、光照控制、空气流动等手法运用的淋漓尽致,大家有兴趣的话欢迎前往阅读。


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4条评论
ShonaWHY
ShonaWHY 2018-01-07 22:44:02 回复

从概念只提取了形式然后加以所谓热力学的建筑表达?这样的话思路有些本末倒置…并无法真正起到热力学功能性吧,不过撇开课题作为设计来说是相当出色的

坦谈
坦谈 2018-01-07 13:03:13 回复

老师的评价很到位,没有搞懂原理你们

冇
2018-01-03 16:26:20 回复

每次看到同济的方案都感觉很惊艳

道路前面
道路前面 2017-12-29 19:39:18 回复

嘿厉害

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作者:ZSY
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