如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部

作者 Empresa de Desarrollo Urbano EDU + Salmaan Craig

在哥伦比亚的首都麦德林（Medellin），城市发展公司（Empresa de Desarrollo Urbano / Urban Development Company）在建造新总部。它结合了当地城市再生的最佳热力性能。这个新的EDU总部是集公共公司，私营部门和来自哈佛毕业设计学院，在哥伦比亚首都安家的SalmaanCraig教授一起的三方合作。

建在圣安东尼奥公园前EDU 总部旧址上，该项目旨在为麦德林可持续发展的公共建筑打造一个信奉着"呼吸的建筑"的准则的基准。

作为材料、热能设计和建筑物理学的专家，Craig教授 (工程博士) 自愿为该计划的实现贡献力量。下面，他解释了这座建筑概念中热力学的难点。

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这个设计，通过预制的外墙系统、太阳能电池板、太阳能烟囱、温度校准、热浮力，以及不使用空调，代表了对麦德林可持续建筑创新的严肃承诺。

如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部 - 40 的图像 48 — Bosquejo preliminar. Image Courtesy of EDU

这个项目的目的是将创新作为一种工具，于改造和振兴麦德林市中心，通过建筑功能和公共活动的良好组合创建社会安全领土。在这种动力下，该项目旨在刺激城市中心的转变，以促进可持续的栖息环境并保障公共自由。这是一个关于社会城市化和可持续发展文化的双重策略。

其概念基于"呼吸的建筑"，思考了关于"简单的材料，智能几何"的问题。高质量预制元素构成的外部表皮允许外部的烟囱直接吸入室外的冷空气，生成和影响热质量。热力学的概念，譬如对流和热力，由于温度从冷到热的改变而产生不断流动的空气，在员工工作区中制造舒适的气流。

该大楼位于Rio中心的Macro项目的发展战略区内。大楼总面积 2,983㎡，包括1,968㎡的公共区。其纤细的四角形体量从平台抬高 37 米，与拆除的现有建筑物的具有同样周长。

建筑物有两层地下室，里面的多功能区包括水仓储、停车场、机房室、回收利用、垃圾、维护和储存室。一楼是为满足社区需要而设置的支付中心、前台、项目展览馆、社区服务和归档区。

新的总部有十层，平均层高为 3.70 米，分布情况如下：从二楼到四楼是办公室，五楼是公共区，厨房和露台；六楼到八楼是办公室，九楼是综合管理办公室，十层除了电梯维修室，还分布着多功能区和工作区。

如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部 - 表皮, 视窗 — Estado de construcción en Abril de 2016. Image Courtesy of EDU

新的通风，新的体验

我们对热量的感知远比我们想象的更加复杂。舒适标准在建筑内定义了可接受的范围，并随着我们对热感觉的了解逐步形成。对后者，大多数人可以在过冷或者过热之时达成共识。但在中间的情况下，预测感觉及可忍受和觉得舒适的程度则更为复杂。生理、心理、文化和气候因素存在大量的不确定性来打破这个平衡。

首先，热舒适标准的目标是来定义适用于所有建筑、气候、时刻及人们的温度普遍范围。这些都是在当时使用可用的现代建筑和空调技术开发的。他们一起创建了国际风格。制定新的舒适标准将迎来重要改变：热感觉将识别重要的细微差别，例如我们适应季节性变化而存在的倾向，或如果我们知道我们可以开窗的话，我们能够忍受更高的温度。

所谓目标舒适的范围可作为关于被动设计对话的起始点或死胡同。麦德林是一个好例子：这里全年变化不大，典型的一天中，树荫下的温度起伏于 18ºC和 28ºC 之间。

在麦德林的大多数人若是被问到，会本能反应中高的温度有些过热，因此需要空调。然而，根据新的标准，只要保证充足的空气流动，这个温度就很适合办公室。这引发了一个重要的问题：如果我们不能设计不需要空调的"春城（City of EternalSpring）"的建筑物，我们可以在那里能做？

自然通风的最大挑战之一就是风的频率、方向和强度难以预测。在麦德林，风向相对稳定，但只达到一年所需的风力的 40%。幸运的是，在过去的十年，通过理解和整合了一种更可靠的力：浮力,而取得了进展。此种通风不需要风力激活，而是通过住客的余热、电脑和其他建筑内部的热收益获得。

每个人都在某刻吹过气球。我们设计我们的建筑，就是利用了这种效应：烟囱连接所有的办公楼层。室内的空气被住户和计算机设备升温，通过烟囱自然上升。因为热空气上升到顶部而导致新鲜空气从窗口进入建筑物内部。

风力驱动的空气流通，新鲜空气从两侧被推入。而浮力驱动的通风，新鲜的空气取自两侧。因此他们的方式是不同的，浮力驱动也更可靠。天热的时候，当建筑占用较高时，未必有足够的风来吹入室内。然而，浮力驱动的通风不同：占用率的提高也带动着动力的提高。换句话说，浮力是一种可以在设计中得到的力量。在良好的设计里，即使没有风，我们也可以保持"微风"。

如何确定烟囱和窗口的大小呢？如果开口大小不对，将会缺乏空气流动，并且室内会过热。这曾经是一个难题，尤其是对多层建筑而言，但新的研究提供了新的见解：我们现在有遵循最重要的物理原则的简单数学模型。现在，设计团队可以从设计过程一开始就轻松地决定浮力驱动通风是否可行。

这个视频展示了基于这些数学模型的一个“APP”。它被开发以便 EDU 设计团队可以合理设计窗口和烟囱的大小，以及在建筑物的寿命期间进行必要的调整。

这个表格显示在每层楼分别适合的开口大小，以确保他们都有相同量的新鲜空气。如果人均新鲜空气速度增加，则开口增大，而（相对于外部）的室内温度下降。通过适当调整开口，我们能保持平均室内温度不超过室外两度（+ 2 ℃），生成人均新鲜空气正常量的三至四倍。

每层楼将会有三个窗口可以打开，间隔的开窗位置给予新鲜空气从少污染到更安静的建筑一隅均匀分布。我们现在的想法是把图表放在每个窗口，告诉用户他们应该打开多大的窗口-这取决于这层楼这一天有多少人。

下午，当在树荫下的室外温度可能超过 28℃要怎么办？要处理这种情况，我们利用环境两个方面：第一，烟囱面向西方，所以在下午，我们利用了"太阳能驱动"。

这将增加达三分之一的新鲜空气速度。其次，我们使用隔热保温材料：目之所及的混凝土内核在夜晚降温，白天保持着其相对较低的温度。这些会吸收来自住户的热辐射，在大部分时间里使他们感觉比外面凉爽。

我们将这座建筑视为一个实验室。它对浮力设计和舒适程度进行实验。使用者大多是EDU的建筑师和城市规划师。他们将亲身体验的浮力通风的理论和实际应用。他们会觉察到到成功和失败的地方，发现如何提高设计以及如何将这个概念应用于整个城市不同类型的建筑中。

这不只是为了EDU而实验。我们打算在网上实况转播这栋建筑的表现。大多数客户和建筑师还没有对分享这种信息做好准备，因为它会暴露设计和运行中的疏漏。但是，如果没有人知道建筑如何真实地表现，我们，作为一个行业，如何共同地从我们的成功和失败中学习呢？

如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部 - 28 的图像 48 — Moldaje de GRC (Glass Reinforced Concrete) e instalación in situ. Image Courtesy of EDU

如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部 - 表皮 — Estado de construcción en Abril de 2016. Image Courtesy of EDU

GRC（玻璃纤维增强混凝土）成型和现场安装

视频说明

热感觉： 这里去年我在我的课堂中重做的一个旧实验的视频。Santiago GonzálezSerna是哥伦比亚的志愿者。这个实验至少要追溯到十七世纪的哲学家，对如何感知身体以及如何认知世界感兴趣的约翰·洛克（John Locke）。在Santiago的前面，有三桶水。一桶热，一桶冷，一桶室温。他将两只手分别放在冷水桶和热水桶中。当适应了各自的温度之后，把手拿出来，这样一只手是冷的，一只是热的。然后将两只手都放入室温水的桶里。当我问让他猜这桶水的温度时，他答不出来。他的感觉是明显矛盾的：“我说不上来，因为我滚烫的手感觉冷，但我冰冷的手感觉热。”这告诉我们什么？我们判断温度的时候，一切都来自于感觉-以比较的方式。无论你认为水是热或者冷，这都取决于你刚刚经历的温度。我们就是实在的比较生物。

多层浮力通风： 我开发这个“APP”帮助EDU的团队设计每层楼的烟囱和窗户。浮力是由人和计算机设备的热产生的。在较高的楼层，立面上因此产生的吸力按比例减少。所以窗户开口需要加大来提供相同量的新鲜空气。参见：Andrew Acred 和 Gary R. Hunt，"多层中庭建筑中的烟囱通风：一种无量纲设计方法，"建筑和环境 72 （2014 年 2 月）： 44-52，doi: 10.1016 / j.buildenv.2013.10.007

标注

^{^[1]}Richard J. de Dear and Gail S. Brager, “Thermal Comfort in Naturally Ventilated Buildings: Revisions to ASHRAE Standard 55,” Energy and Buildings 34, no. 6 (2002): 549–61.

^{^[2]}Vea usted mismo aquí. Elija el método “adaptive comfort”

^{^[3]}Andrew Acred and Gary R. Hunt, “Stack Ventilation in Multi-Storey Atrium Buildings: A Dimensionless Design Approach,” Building and Environment 72 (February 2014): 44–52, doi:10.1016/j.buildenv.2013.10.007; Torwong Chenvidyakarn, Buoyancy Effects on Natural Ventilation (Cambridge ; New York: Cambridge University Press, 2013).

建筑师
EDU - Empresa de Desarrollo Urbano de Medellín
地址
Carrera 49 #44-94, Medellín, Antioquia, Colombia
Dirección de diseño
John Octavio Ortiz Lopera
Equipo de diseño
Víctor Hugo García Restrepo, Gustavo Andrés Ramírez Mejía, César Augusto Rodríguez Díaz, Catalina Ochoa Rodríguez, Julián Esteban Gómez Carvajal, José Arturo Agudelo, Aurlin Cuesta Serna
Entidad promotora
Empresa de Desarrollo Urbano (EDU) + Alcaldía de Medellín
Termodinánica
Salmaan Craig
Consultor de diseños técnicos
Juan Fernando Ocampo Echavarría
Diseño estructural
Rafael Álvarez R., Ramiro Londoño Ángel, Carlos Mario Gómez Rojas
Constructora
Constructora Conconcreto
Asesor bioclimático
Taller de Ingeniería y Diseño Conconcreto
Asesor acústico
Daniel Duplat
Directora social
Gloria Estela López
Interventoria de diseños técnicos
Espacios Diseño Construcción S.A.S.
Gerente General Empresa de Desarrollo Urbano
Jaime Bermúdez Mesa (actual), César Augusto Hernández Correa (2016), Margarita Maria Ángel Bernal (2012-2015)
建筑面积
3660.0 m2
项目年份
2016
摄影师
Alejandro Arango, Courtesy of EDU, Courtesy of Saalman Craig

^{^[4]}La dosis recomendada para los nuevos edificios suele ser de 10 litros por segundo por persona (dependiendo del tipo de actividad y el nivel particular)