1极端条件下人居环境的设计研究

在极端条件下人工建立人居环境的问题似乎总会激发科学家、哲学家、工程师、建筑师、医生、生态学家、社会学家和心理学家等人浓厚的兴趣。因此，对这一问题的研究具有全面性。就建筑设计而言，人居环境的建设是建筑设计中与人们生活联系最为紧密的部分，研究极端条件下的建筑设计，其目的也在于解决人类在极端条件下的生存环境的保障问题。因此，极端条件下的人居环境设计研究仍然是现阶段极端条件下建筑设计的主要内容。以下将以地球环境中极冷和极热两种极端条件为例，进行人居环境建设设计研究。

1.1低温环境下人居环境设计研究

（1）低温环境面临的挑战

以俄罗斯为例，在规划和建设北部低温地区的居民点时，保护人们免受外界环境的负面影响，改善人居环境的生物气候条件以及住宅建筑的使用条件是城市建设的基本任务。北方地区的自然气候特点、工业建设基础的缓慢发展、缺少必备的交通工具，决定着我们需要特殊地解决住宅建筑和文化生活设施规划与建设问题的方法。在冬季，大部分建设地区的温度高达-60℃，冬季持续时间较长，拥有大面积的沼泽和其他制约农业和工业发展的地域因素；由于极端地区远离其他城市和居民点，所以当地的劳动力极其匮乏；必须保证居民所有社会、日常生活服务质量；同时在大多数情况下，当地用于城市建设和道路设施建设的建筑材料都相当匮乏。此外，考虑到地区服务设施的完善程度（输电线路，石油和天然气管道，道路，铁路等），临时移动居民点的居民经常从一个地方被转移到另一个地方，这无形之中便延长了他们在恶劣条件下的生活时间。

（2）低温环境下建筑设计方法

这些城市建设的基本特点导致住宅建筑有限的使用寿命与地区的综合发展之间的相互矛盾。但是，在地区开发的第一阶段和建造临时移动居民点时，这一切又显得尤为重要。首先，鉴于临时移动居民点较短的使用寿命，在解决其建造问题时，必须理性地、有逻辑性地缩减建设费用。第一，可通过缩减建筑物的构成实现；第二，建筑物应便于搬迁，可重复利用。其次，缺乏劳动力和低温环境对施工过程的阻碍是不容忽视的，我们需要利用现有的技术条件尽可能地简化极端条件下的施工过程，住宅建筑本身在空间构成，功能和布局上具有一定相似的特点，我们可以针对其相似的部分进行简化施工，例如对住宅建筑建设中相似的关键构件进行预制加工，使其在施工中可以直接应用。

（3）低温环境下建筑设计作品及实例

目前，在一些极端条件下人居环境的方案设计中，我们可以看对于解决此类问题的尝试。该设计由平面为六边形的建筑单元拼接组合而成，每个单元既可作为单体使用，同时也可拼接成为大型的居民点。每个六边形的转角处有一处球形的支撑装置，一方面在南极北极极冷地区便于移动，另一方面可用于支撑建筑漂浮在南北极的水上空间中。图2为比利时建造的伊丽莎白公主南极科考站，长、宽、高分别为72.2英尺（22m）、72.2英尺（22m）和27.9英尺（8.5m）。它是南极冰盖上第一座零碳设施，为了避免不必要的能源消耗，设计人员还为这座科考站设计了一套能源管理系统。该系统能够24小时监控科考站内的能源产出以及消耗，并可以按照需求自动安排能源消耗的优先秩序，充分利用它的52KW太阳能发电组和54KW风力发电组。站内每件设备每个电源出口都被排号，根据优先程度供电。图3为法国和意大利联合建造的康科迪亚站，每个鼓状建筑物的直径为60.7英尺（18.5m），高度为39.4英尺（12m）。康科迪亚站为极端条件下长期居住而设计，是少数几个全年都有人居住的南极内陆科考站之一。其鼓状的外形可以保证热能的最充分利用。同时也便于通过相同鼓状建筑的排列扩大规模。图4为英国建造的哈利VI南极科考站，长宽高分别为19.7m、10m和10m，臭氧层空洞就是最先在这里被发现的。哈利科考站的主要任务是对南极地区大气、气象、冰川、地震、地质等进行考察。跟踪大气层的状况需要稳定的观察地点，但是哈利科考站想保持在原位却并不容易，因为布伦特冰架每年要移动半英里，好像一条输送带把它往冰海方向拖动。旧站位移太多后被抛弃，新站更像一辆巨型野营车：当冰架移动后，这些安装有滑雪轮胎的小工作站可以被拖回原位。

1.2高温环境下人居环境设计研究

（1）高温环境面临的挑战

在炎热的极端地区开展建设工作，比如，沙漠中，与北方地区拥有一些相似的需求。但无论在哪一种情况下，我们都面临着一个共同的问题，即如何保护在极端的外界环境中生存的人类。尽管外界的环境很恶劣，例如：过多的太阳辐射，灰尘，流沙等，但近些年来我们却发现开发沙漠地区具有巨大的工业发展潜力，要知道这里蕴藏了丰富的金属矿藏。一系列问题又随之而来。我们如何解决工业和住宅建筑的建设问题。与北方地区一样，这里建筑材料、低热传导性和热稳定性的建筑材料极其匮乏。

（2）高温环境下建筑设计方法

减少高温高热环境对建筑物的影响是在炎热的沙漠地区设计和建造建筑物及建筑物综合体的主要任务之一。为此，我们必须慎重考虑建筑物的朝向、绝缘性能、通风条件、建筑物的高度和密度等因素。这不仅需要统一密闭环境中的建筑物与内部绿化区和灌溉园区，以及与墙壁中较小的通风口构造相协调，还需要利用各种设备保护人类免受太阳光和热风的伤害，获取和冷却有利气流。同样在开展建设的过程中，构件化的建设手段也是必不可少的。

（3）高温环境下建筑设计作品及实例在高温条件下，可以利用两种动态建筑构造中的任意一种：简单的可变形太阳防护伞或太阳风能和生物能源设备。此外，苏丹摩天水塔建筑可谓沙漠建筑中的一个代表作，在面积广阔的苏丹沙漠，淡水成为最宝贵的资源之一，获取淡水的难度超乎人们想象。有意思的是，沙漠地下深处也隐藏着世界上最大的地下湖，如果能够有效加以利用，当地居民的生活便会发生翻天覆地的变化。波兰建筑事务所H3AR提出了一种解决之道，即建造外形好似当地猴面包树的水塔群并利用地下泵抽水。水塔内建有一个水处理厂、一所医院、一所学校以及一个食物储藏中心。

1.3极端条件下空间结构创新

可变形的空间结构是一种针对极端条件建设而提出的构件化、标准化、模数化的设计手段，即“三化”。类似于国内建筑设计中模数化的设计形式，其目的同样在于简化设计施工的过程，所不同的是，可变形空间结构在对建筑结构构件进行预制，以便减轻施工过程的复杂性，但这只是可变形空间结构的一般功能，其更重要的功能体现于可变形的设计。在极端条件下，劳动力资源匮乏、交通的不便利是对建筑建设至关重要的制约因素，然而可变形的设计大幅地减小了这些因素的影响。首先，可变形减小了空间结构的体积规模，易于运输；其次，可变形也在施工中省去了传统结构构件拼装组合的过程，易于安装；最后，由于极端条件下，建筑使用寿命较短，可变形空间结构使得这些建筑易于拆迁，重复利用，即“三易”——易运输、易安装、易拆迁。在劳动力不足的极端条件下，这项技术的意义则更为深远。在永久性建设中使用可变形的空间结构将会起到事半功倍的效果。换句话说，借助于可变形的空间结构，我们能够在较短时间内建造出不同功能的建筑物。运用可变形和可移动的原则建造永久居民点是最为明智的选择。它完全能满足那些不得不从一个地方移居到另一个地方的居民不同的劳动、生活和娱乐需求。

2极端条件下建筑设计理念

“一项基础，两项原则”目前看来，出于各种原因，例如采矿业和农业发展，科学研究等，即使是在高山地区或地震多发带等极端条件地区，建造工程设施和住宅也是十分必要的。而且在这些地区进行建筑设施建设必须有一定的原则遵循。首先，为了建立安全舒适的生活环境，使建筑物与其在极端条件下的使用特点相协调是我们进行极端条件建筑设计的基础。其次，由于极端条件下基础设施和人力资源匮乏，我们又应以节能和利用信息技术为原则。

2.1以极端条件建筑与环境协调性为基础

在极端条件地区，气象和地理条件决定着建设工程的特点。通过实践和科学研究总结出抵御自然灾害的方法（地震，雪崩和崩塌等）都是在制定施工方法、选择建筑结构和确定建筑规划决议时必须考虑的因素。自然灾害可以打破人类生活和工作的节奏，为防患于未然，我们需要做好充足的前期准备。显然，运用移动的方法实现在极端地区的建设工作是最为合理的，换句话说，应该利用高机动性的可移动建筑（最好配备节能系统）。这种建筑物适应于生活在不同地区的居民的不同需求，即使在自然灾害发生时，它也具有顽强的生命力。

2.2以节能为原则

节能，节约资源，节省建筑材料，节约使用建筑物本身等问题迫使现代建筑师利用可再生能源或新型洁净技术设计出节能型建筑物。利用新技术在极端条件下建造建筑物的新的建筑学发展方向与人类对周围环境价值的重新评估、保护生态环境意识的增强密切相关。在许多国家，这一发展方向被细化成新的建筑概念，即“自治建筑”，它是人类自己组织生活的一种表现。由于绝大多数居民生活在农村，这里居民点规模较小且彼此距离较远，建造同工业发达地区相同的能源系统变得毫无意义。因此，利用可再生资源建造低产量的自治能源站不仅可以满足本地用户的需求，它还具有一些其他明显的优势（保证这里的电力和热能供应是一个巨大的社会问题）。在电力自主家庭推广生态原则具有可观的前瞻性和远见性。它使建筑学潜力的无限增大，更好地满足社会的需求成为了可能。

2.3以利用信息技术为原则

利用信息技术原则，可以削弱基础设施对城市直线空间形态的影响，换句话说，在不建造复杂交通干线和能源网的情况下，只要有效利用能源和环保技术、卫星通讯和因特网，城市便可以快速发展。这时，建筑类型学中出现了新的一员——以信息技术为基础的新型建筑物。在极端地区的分布机制中，信息调度与技术中心是基础设施中的一种。但从城市建设的层面看，信息调度与技术中心则是未来新型建筑物中的一种，即建筑综合体——技术管理中心。它们之间可以相隔很远的距离，这里也不需要过多的工作人员，这对于极端条件而言是十分重要的。结语在极端条件下开展建设工作促使许多非传统的设计和建造方法的产生。如今，特殊的人居环境，不同的人类世界观，正在淡化技术与建筑学之间的界限。我想，将来一定会出现一支新的建筑学方向——技术建筑学。该领域的研究探索将使利用现有的科学技术成果开发适合人类生存的极端地区成为可能。技术建筑学如同消费者，它需要所有最新的技术成果和科学发明。同时，解决在极端条件下建筑设计的问题，需要我们调整现有的设计方法。在极端条件下建立人居环境不仅使建筑物更加满足社会的需求，而且还缩减了建设开支，提高了人类生活的舒适性和安全性。

作者：韩林飞兰棋单位：北京交通大学建筑与艺术学院