元宇宙的低碳形态：以气候适...心的重庆元宇宙中心设计解析_徐辉.pdf

31Design Technology设计技术 丨丨 中图分类号中图分类号 TU244 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1003-739X（2023）07-0031-06 收稿日期收稿日期 2022-08-24摘 要摘 要 以“气候适应与空间形态”合一的视野解析重庆元宇宙中心，通过对元宇宙中心设计过程中的空间与气候的映射关系考察，论述以气候适应为核心的元宇宙中心在设计过程中呈现的韧性结构、山地竖向、形态原型及材料构造与气候环境的映射关系；指出该建筑设计借鉴了元宇宙数字技术体系，将元宇宙概念中的“数字映射”转译为建筑设计中“形态映射”关系的过程，并将其应用于气候适应性下元宇宙中心设计的方法，进而揭示了形态映射是如何在元宇宙中心低碳设计的多维互动中引发空间形态和气候适应的建构关系。关键词 关键词 气候适应 韧性结构 山地竖向 形态原型 材料构造AbstractAbstract Analyzing Chongqing meta-universe center from the perspective of adaptation and the space form,based on the architectural design of the space in the process of the mapping relationship with climate,we discuss the mapping relationship between ductile structure,mountain vertical,morphological prototype,material structure and climate environment presented in the design process of the meta-universe center with climate adaptation as the core.We also point out that the architectural design fully draws on the digital technology system of the meta-universe,then we translate the digital mapping technology in the meta-universe theory into the form mapping relation in architectural design,and apply it to the design method of the climate-adaptive meta-universe center,which reveals how morphological mapping initiates the constructive relationship between spatial morphology and climate adaptation in the multi-dimensional interaction of the design of the meta-universe center.KeywordsKeywords Climate adaptation,Ductile structure,Mountain vertical,Morphological prototype,Material structure元宇宙的低碳形态：以气候适应为核心的重庆元宇宙中元宇宙的低碳形态：以气候适应为核心的重庆元宇宙中心设计解析心设计解析The Space Form of the Meta-universe:Architectural Design Analysis of Chongqing Meta-universe Center Based on Climate Adaptation徐 辉|Xu Hui董莉莉|Dong Lili杨子龙|Yang Zilong“两个非空集合A与B间存在着对应关系f，而且对于A中的每一个元素a，B中总有唯一的一个元素b与它对应，这种关系称为从A到B的映射，记作f：AB。”1 高等数学2018版1 元宇宙数字映射技术的启发1 元宇宙数字映射技术的启发元宇宙数字映射（Digital twin）技术是一种将物理实体在信息化平台中进行数字模拟的技术，确保能够实时地在数字世界中呈现出实体的真实状态。为了能更加准确地还原实体，需收集大量的数据源，这是一种超越现实的概念，可以被看成一个或多个重要、彼此相关联的设备数字映射系统2。映射过程的实现依赖于各种传感器，并将数据反馈到同一个信息化平台，元宇宙数字映射根据海量的信息反馈，进行迅速的深度学习和精确模拟3，该过程实现了两个维度之间的信息传递和表达。立足于元宇宙数字映射技术体系，将建筑设计同样看作一个对现实世界进行空间抽象的“映射”过程，在功能空间需求与诸多的现实世界空间制约因素之间，寻找最适宜的解决思路。其中涉及到以建筑学为主体，涵盖地理、生态、气候、物理、计算机科学及新兴AI技术等多学科交叉内容，并通过特定的地域建筑创作，如韧性结构、场地竖向、形态原型及材料构造等方面进行形态映射，最终完DOI:10.13942/ki.hzjz.2023.07.02832HA 07/2023成在适应气候环境下的建筑空间形态。2 基于气候适应的空间形态映射2 基于气候适应的空间形态映射人类生产建造活动是环境演变的重要因素，当前高强度的城市开发模式促使建筑工程表现出对自然气候和生态环境的漠视。建筑空间与生态自然环境的联系被逐步隔断。在这种背景下，建筑设计不得不重新关注自然气候的特征及其演进机制，寻求建筑空间与自然气候、功能使用和生态环境的协调，探索一种可操作的适应气候环境的设计策略，倡导一种适应气候环境的建筑空间营造。印度建筑师查尔斯柯里亚（Charles Correa）在论及气候与建筑的关系时谈到：“气候在根本上影响着我们的建筑物和我们的城乡直接影响建筑物外表是由阳光照射的角度、遮阳设施、能量节约问题等等决定的”4。在进行建造的过程，不应当只关注对建筑物本身布局、设施功能的考查，当把“气候适应”理念引入到现代建筑设计的过程中5，便认知到地域空间演化的机制是一个极为复杂的过程。借鉴元宇宙数字映射技术，将其中“数字映射”转译为建筑设计中“形态映射”的过程，其根本内涵在于通过空间与气候的关系重构，不过度依赖以人工能耗设备为主体的主动能效控制，而是强化“被动式节能”在气候调节中的效率，将建筑用能的“源头减量”作为优先原则6，气候适应性形态能有效利用气候资源，再阶段降低运行能耗、提高舒适度7，以期达到建筑空间对气候环境的适应性，这不仅指该空间在特定气候环境下能很好地持续运行，而且还能够被动式持续的生长与发展。重庆元宇宙中心工程位于重庆市，建设用地为永川区和畅大道与兴业大道包围的扇形区域，总用地面积约10hm2。该工程以永川云谷科技生态城为依托，汇聚元宇宙的基础研发、数字资产及内容场景，逐步开放元宇宙应用场景，构建重庆数字文创的全产业链，为西部数字文创产业的可持续发展注入新动能（图1）。该工程设计尝试借鉴元宇宙的数字映射理论，融合元宇宙的复杂功能需求，以气候适应为原则，展开重庆元宇宙中心空间形态的生成。重庆地区属亚热带季风性湿润气候，冬暖夏热，多雾多雨；且地处四川盆地东南部，地貌以丘陵与山地为主，从而形成典型的湿热气候环境。在这种背景下，历经千年演进的巴渝传统建筑采用轻盈通透的材料构造、架空悬挑的结构形式、通风遮阳的围护界面及出檐设施回应其独特的气候环境特征，塑造了具有强烈地域特色的山地建筑空间。其建筑营造的复杂程度及生态敏感性远超出其他平原地区。在此次的重庆元宇宙中心工程设计中，立足于重庆特有的地域气候条件，充分借鉴元宇宙数字技术体系，将元宇宙理论中的“数字映射”技术转译为建筑设计中“形态映射”关系的过程，强调对自然环境的尊重，图1 项目的产业发展布局与空间解析图2 重庆元宇宙中心鸟瞰布局及模型研究图3 不同风廊模式下规划布局对比分析33Design Technology设计技术 丨丨 减小生态破坏，根据场地气候条件提出设计策略，从韧性结构、山地竖向、形态原型、材料构造四个方面分析形态映射关系，创造适应气候环境的建筑空间，塑造可持续发展的人居环境。3 韧性结构与气候环境的映射关系3 韧性结构与气候环境的映射关系重庆元宇宙中心工程集数字研发、生产、制作、展示、文创、居住等多功能于一体的综合产业基地。场地由两条城市主干道围合，形成扇形区域，交通通达便利，自然生态基底较好。从气候适应的角度，该工程进行韧性结构设计时会在优化既有地貌形态，塑造良好宜人的微气候环境，而园区中不同的功能类型结构也对气候环境有不同程度的需求。在进行总体布局时，依照气候学原理分析，综合考虑场地因素，通过地质单元和气候单元两个方面的韧性结构设计，减弱或消除建筑空间对气候环境造成的负向影响。地质单元包括原始地貌、土壤植被、场地基础设施等。在经济技术可行的基础上，进行韧性结构设计，合理分析场地限制条件，利用现有地形进行微气候环境调节。在现场勘测过程中，注意到北部区域存在高差极大的绿地山坡，坡度大于45，通过GIS分析，评估出工程成本极高。出于对原始地貌的最小化干预理念及土石方平衡策略，设计中将北部坡地进行完全保留，作为山地绿地系统，这样建设用地则集中在相对平缓的场地范围中；同时建设场地中部位置有城市高压走廊，极大地制约了土地利用效率。设计中强调因地制宜，因势利导，在该区域塑造东西走向的自然绿廊，加强区域内的绿廊结构（图2）。西南侧利用向心式结构增加组团建筑的功能效率，同时圆环廊道作为多义性空间增加南北两区建筑空间与功能的连续性，并与场地绿地系统有机呼应。元宇宙中心工程设计综合考虑各类气候单元（日照、风向、温度、湿度），以匹配不同建筑功能体，并进行韧性结构的多组学模拟调试，塑造气候适应的最佳范型（图3）。建筑集中布局在建设用地的南北两翼，其中北部区域为规整方形用地，南部区域由于受到原始地形和城乡高压走廊的限制，呈不规则多边形。为保证土地利用效率的最大化，结合不同功能建筑对气候条件不同程度的需图4 项目的总体布局及规划结构图5 原始地面标高及高差分析图6 分层筑台和立体车库系统34HA 07/2023求，采取相应的布局形式。例如对于日照、主导风向等有较高需求的高层公寓、研发办公等建筑类型，依据山地筑台院落的空间原型在北部区域进行调试。对温度、湿度等条件需求较高的建筑则顺应南部场地形状走势，采用集中式布局的空间模式（图4）。南北建筑组团之间通过生态连廊加强联系，建筑单体、连廊、地形高差之间塑造了十余个尺度多元的绿地空间，提升了场地内生态环境，更是对局部地区的微气候环境起到重要循环调节作用。4 山地竖向与气候环境的映射关系4 山地竖向与气候环境的映射关系重庆的山地空间本身包含了复杂的生态系统，地形地貌构成了山地的基本结构和功能，由此形成特殊山地气候生态环境，影响着山地生物的功能分布8。在城镇化快速发展的背景下，由于人工生态系统强烈地干预了自然生态系统9，引发的气候环境问题越来越突出。重庆元宇宙中心设计过程中，为避免对山地气候环境造成的破坏，采取多组学的策略寻求与山地环境的和谐共生。在工程的建设过程中，山地竖向标高成为了关键问题，竖向高差会直接改变场所内的微气候环境；同时不同坡度、坡向的场地条件及其与周边交通的关系，均会影响建筑的气候环境属性和最终呈现的形态特征10。因此针对场地内的原始地形高差采取了因地制宜的处理手段，并在建筑形体的处理上呼应山地竖向结构，将原本不利的地形限制转换为有利的设计条件，形成现代山地建筑的地域特征。其次，对场地内的地貌走势和地形高差采用数据化分析，地貌特征呈中部高，两侧低的趋势，高差极值接近14m（图5）。进而依据场地中地形坡度情况和变化趋势，进行合理的挖方和填方，形成适应地形地貌的分层组合式台地空间，在北侧结合场地标高进一步形成分层立体式车库系统（图6）。创造分层筑台、高低错落的山地竖向空间形态，提升对气候环境条件的适应性。在完成接地空间的竖向设计基础上，采用空间拟形策略进一步强化建筑空间的山地特征，塑造建筑物与场地地形及山水环境之间的有机契合程度。通过建筑与不同标高台地的结合，形成高度起伏变化的环境层次（图7）。一方面建筑形体逐渐随高度上升不断收缩，强化体量来增加风廊，模拟山体构型，强调与环境结构之间的联系。另一方面灵活组织建筑内部空间的竖向关系，裙房部分利用连廊整体串联，增加各栋建筑的联系。并进一步将建筑屋顶表面做多层退台处理，形成立体绿园，增加绿色低碳单元，改善局部气候微环境（图8）。5 形态原型与气候环境的映射关系5 形态原型与气候环境的映射关系由于近年来新型材料的发展与工程技术的积累，工程建造逐步解决了在复杂山地环境进行建设活动的技术难题。但是对顺应自然、环境最小干预的重视却大不如前。元宇宙中心的形态原型强调了山地建筑与自然基底之间的相互关系。形态原型的特征决定了山地建筑对山体地表的改动程度及其本身的结构模式，它表现了山地建筑克服地形障碍、获取使用空间的不同策略11。这种形态原型798图7 适应地貌竖向的建筑空间关系图8 建筑竖向形体的生成过程与机制图9 建筑架空形态构造及模型研究35Design Technology设计技术 丨丨 源于重庆地区的历史营造传统，重庆地区的传统建筑很少出现平原地区那样纵横交错的轴线、对称布局及方正标准的院落空间，在与地形结合表达上自由灵活、形式多样。“干栏”“吊脚”等传统民居原型正是适应地形地貌和自然气候的空间表达。元宇宙中心部分底界面直接嵌入地形，其余建筑底界面局部以支柱架空，利用支撑结构使建筑基底面与基地表面局部脱开（图9），并保留山地原有植被，增强场地内风向流动，减缓了温热潮湿环境对建筑结构体的破坏。这种设计手法利用“烟囱效应”，很好地适应了重庆地区的湿热潮湿环境。这种空间原型也来源于传统靠崖式样民居，一端置于坡坎崖壁上，而另一端以落柱立于坡崖下端，通过调整支柱的关系来适应自然气候环境12。重庆传统建筑与山地融合的形态原型方式与现代“生态建筑”所倡导的理念相似，为当下山地公共建筑设计提供可借鉴的文化资源。总体来说，元宇宙中心在形态原型上充分借鉴了传统民居的气候适应经验，采用“架空”“悬挑”“退台”“井院”等形态原型，创造出适应自然气候的空间形式。除此以外，场地内还设置了丰富的廊道空间（图10），提供了步行活动中遮阳及避雨的需求，同样通过柱子支撑荷载，减小体形系数，对场地地表的影响较小13，创造了适宜的公共户外环境，提高主要活动空间舒适度，达到优化气候环境的目的。6 材料构造与气候环境的映射关系6 材料构造与气候环境的映射关系当代山地建筑设计虽有更多新材料与新技术可供选择。然而对建筑环境而言却是一把双刃剑。一方面现代山地建筑需凸显时代要素，借助新材料及新技术来体现适应气候环境的传统构造模式，另一方面要尽量避免由于新材料和新技术的不当使用所造成的环境破环。在元宇宙中心设计中，按照不同的建筑结构分类，突出不同材料的性能，遵循对当地气候条件的适应。元宇宙中心设计对于主体结构的材料选择较特殊，通过调查研究，重庆地区常用混凝土的总碱含量普遍超标。考虑到重庆冬暖夏热的气候特征，为减缓对建筑结构的潜在破图10 适应气候环境的步行廊道系统图12 遮阳杆件与智慧幕墙系统的组合立面图11 元宇宙双碳环廊内景设计图36HA 07/2023坏因素，根据项目需求制订适应重庆地区混凝土工程常用水泥及外加剂的碱含量控制标准，进行集料碱活性检14，选取对高温和湿热具有更高耐久性的改良钢筋混凝土结构形式。对于围护结构，建筑表皮是建筑形式的最直观展现，不同质感、色彩和纹理的材料表面特征具有不同的表现力15。为突出工程本身的定位特征，强调未来感与科技感，建筑立面大比例（高达70%）采用“U”形玻璃与高透光玻璃幕墙相结合的方式，以达到轻盈悬浮的效果（图11）。对于玻璃幕墙带来的夏季阳光直射问题，技术上均采用双层通风幕墙系统，即内外幕墙层之间形成相对封闭的空间，空气通过下部的进风口进入此空间，又从上部排风口离开，这个空间称为热通道，热通道内的空气一直处于流动状态，并与内层幕墙的外表面不断地进行热量交换，对提高幕墙系统的保温、隔热、隔声功能起很大的作用。元宇宙中心的幕墙遮阳体系中的构件同样来源于传统干栏民居的技术启发。从传统民居中的板式幕帘提取原型，在双层玻璃幕墙的中间设置动态的百叶遮阳系统以及可操作窗户。当双层表皮积聚一定的热量，建筑控制系统会自动调整遮阳百叶角度避免太阳直接辐射16，达到室内环境与室外气候最大限度的交互作用17，控制光照与自然风实现自然调节。结合外立面幕墙分隔，利用竖直遮阳杆件丰富外观层次，不同表面材料之间的组合产生出节奏、韵律、虚实对比等视觉效果（图12）。运用地域材料、提取地域符号、对传统建筑形式再萃取，将传统建筑模式与现代功能紧密结合，实现建筑对生态环境的实时应变，达到对自然气候的适应性目标。结语结语面对双碳战略背景下自然气候环境的制约，建筑设计中必须从单纯的风格造型研究转向到对气候环境的适应性探索。在数字映射技术的启发下，重庆元宇宙中心的设计从山地传统民居中提取原型要素，以气候环境的客观条件作为媒介，从建设过程中的韧性结构、山地竖向、形态原型、材料构造的基本步骤中进行形态映射的考察。基于这四类要素分别呈现出与气候适应的映射关系，说明在建筑设计过程中，空间环境的生成与气候因素的相互制约作用18，并由此可得出气候适应型建筑设计的方法需从环境与建筑空间要素的相互影响机制入手，揭示形态映射在建筑设计的多维互动中引发的空间形态与气候适应的建构关系。资料来源：资料来源：文中图片均为作者自摄或自绘。注释注释 元宇宙始于1992年国外科幻作品雪崩，是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，其基于扩展现实技术提供沉浸式体验，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和编辑。引自：吕鹏.“元宇宙”技术促进人的自由全面发展J.产业经济评论,2022（1）:20-27.气候适应性概念来自于生物学领域，生物气候适应性是指在外界气候条件变化的情况下，保持自身状态在一定范围内的稳定，实现对气候环境变化的适应性。重庆市出台“数字文创17条”产业政策，设立元宇宙产业基金，有效激发产业生态活力。参考文献参考文献1 朱玉明，侯兰宝，主编.高等数学.武汉：华中师范大学出版社，2018：4.2 Zhuang，Cunbo Miao，Tian Liu，Jianhua Xiong，Hui.The connotation of digital twin，and the construction and application method of shop-floor digital twinJ.Robotics and computer-integrated manufacturing.2021（68）：1.3 Va n d erHor n，E r ic，Ma h a d eva n，&Sankaran.（2021）.Digital Twin：Generalization，characterization and implementation.Decision support systems，145：1.4 朱馥艺，刘先觉.生态原点：气候建筑J.新建筑，2000（3）：69-71.5 Cannon，W.B Physiological regulation of normal states：some tentative postulates concerning biological homeostaticsMParis Medicales，1926：41.6 黄海静，温燕，基于被动式生态视角下的山地建筑设计策略研究，第三届山地人居环境可持续发展国际学术研讨会.2012：520-527.6 毕雪皎，杨崴，陈译民.气候适应性形态可变建筑的生命周期性能评价J.建筑学报，2020（S1）：27-32.8 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