贯穿整个建筑史的乡土建筑，在气候环境和地方文化的熏染下，经过长年试错，衍生出集气候资源、原生材料和建筑技术于一体的气候适应性建筑。 [1] 千百年来，受自然力作用，以及场所环境和建筑物的关系复杂而多变的影响，每种解决方式都是对气候、文化和技术的综合回应。伴随技术的进步，无论在理论研究领域，还是在建筑设计实践层面，气候适应性建筑一直都是建筑师关注的焦点和探索的前沿。 [2]
此外，在气候变化的阴霾笼罩下，节能减排成为人们日益重视的问题。习近平总书记提出的“双碳”目标更是将建筑行业的深度减排提升为应对气候变化目标的核心议题。碳排放作为环境影响指标融入了更多跨学科的内涵，建筑师将节能、节水、节地、节材等环境友好的可持续指标与建筑设计流程有机关联，赋予建筑学语境下的碳排放路径，给气候适应性建筑带来知识领域、技术应用和设计方法的改变。 [3]
1 碳中和视角下气候适应性建筑理念的生成
物竞天择，适者生存。气候适应性是一切生物都具备的天然属性。在建筑学领域，气候适应性并不是所有建筑都具备的基本性能。气候适应性建筑需要将空间和质量作为室内外气候环境的介质，通过建筑形式、平面、结构、表皮、组件和材料的整体设计来响应气候，实现能量的相互交换，并满足人体舒适度需求。 [4]
与此同时，碳中和理念从时间和空间两个维度扩展了气候适应性建筑的内涵。从宏观场地环境到微观建筑构件，从建材生产到拆除处理，从建筑设计到工程技术，建筑的全生命周期碳排放量均需纳入考量范畴。 [5] 碳中和视角下的气候适应性建筑需要融入碳足迹理论，将碳排放控制指标进行分解，并与气候适应性指标相关联，从建筑形体、日照朝向、通风采光、开窗遮阳、屋顶绿化，到结构材料、雨水收集、废热回用、能源设备等各个设计层面推进碳中和策略。 [6]
由于气候资源与舒适度要求之间并不总是保持一致，往往需要采取额外的碳补偿策略，并结合多种技术手段，通过能源节约、分配、缓冲、回收和存储等方式实现建筑的碳平衡。碳中和成功的关键取决于被动式设计策略与可再生能源策略的高效结合。 [7] 基于碳中和的气候适应性建筑设计机制应当对选址、光照、通风进行整体思考，并贯穿整个设计过程，通过一切可行的被动式气候资源利用措施使建筑运行碳降至最低，并运用可再生能源装置满足剩余的室内的加热、冷却、通风和照明需求，最终实现零碳排放量 [8] （图1）。建筑师主导的设计过程应当遵循一个涉及各个层级的整合设计框架，从建筑材料、表皮细节到空间形式，乃至更大尺度的场所环境都将是整个设计过程的重要组成部分，综合各方面因素以更有效的回应碳中和理念。 [9]
3 碳中和导向的气候适应性建筑设计策略
然而，将建筑系统整合为一个绿色、舒适、高效的设计空间，并不能依赖一种拼贴式的操作，它关乎整体的各个部分，必须经过综合权衡，才能形成在多维度下运作的设计策略。首先，气候适应性建筑的设计策略应遵循系统规律，整体的组织结构必须优先于细节要素 [11] 。其次，设计策略还应与气候在微观尺度上的层级特征、人的气候感知进程相呼应。鉴于设计过程的复杂性，本文构建了基于建筑生形、空间调节、表皮优化、技术整合与材料选配等“五维一体”的气候适应性设计策略，从整体到局部的各个层级，全面推进建筑设计进程（图2）。
1 碳中和作为气候条件与建筑设计策略之间的制约条件
2 碳中和导向的气候适应性建筑设计策略框架
3.1 建筑生形
建筑生形是指通过建筑构形适应性地调节、控制室内外物理环境，以提高舒适度、减少能耗的设计方法与技术策略。 [12] 它激活了建筑与气候资源之间的敏感性，以建筑形态来调适气候环境与人体舒适之间的平衡。在减少建筑运行碳层面，建筑构形是首要的调控手段，对最终的结果呈现起着决定性作用。建筑的体形设计不仅参与场地微气候的调节，而且也为建筑内部的气候性能化调控创造条件。设计通过朝向方位的选择、基本形态的决策、体形系数的控制等方式，组织建筑的能量流动。依据气候适应性设计特征，建筑生形可以分为热性能体形调控与风性能体形调控两种技术方法。
热性能体形调控是指利用建筑体形的优化来获取或屏蔽太阳辐射热的技术手段，主要表现为根据太阳高度角与方位角调整建筑体形，达到改善室内外热环境的目的。南京紫东国际招商中心办公楼就通过运用热性能体形调控，来探索节能与形式语言之间的关系。建筑南立面正对展示大厅，需要设置内外通透的玻璃幕墙。为了减少夏季的太阳辐射热量，设计师对建筑进行了夏至日和冬至日的遮阳分析与计算，将建筑南面体量整体凹入2.6 m，形成形体自遮阳的形式，减少了约5%的建筑制冷能耗（图3）。
风性能体形调控则强调建筑体形对抑制或促进室内外自然通风效果的影响。建筑可以根据气候环境设计阻风或导风形体，优化室内外风环境。崇明体育训练基地一期项目的建筑群布局关注气候响应，将室外风环境作为基本参数进行系统的性能模拟与优化。设计采取因势利导的策略，在三栋建筑之间创造一种柔性的弧形界面，该界面成为场地夏季主导风的通廊。同时，在建筑底层采取架空的格局，形成自然风向内部庭院渗透的模式，使建筑的风性能体形调控能够在夏季降低15%的建筑能耗（图4）。
3 建筑通过凹入体量的形体自遮阳实现热性能体形调控
4 建筑通过塑造弧形的导风形体实现风性能体形调控
3.2 空间调节
空间调节是针对建筑内部不同空间的功能和环境性能需求，以有效的空间组织与设计，实现建筑的气候适应性调控。 [13] 在空间组织中，功能空间对温度、光线等性能的不同需求，决定了空间布局的差异性。空间调节强调合理配置建筑内部空间的气候梯度，将对环境有严格调控需求的区域与非严格调控区域协同布局，以保证室内空间的舒适性，而其中天井、冷巷、中庭、热压竖向区等气候缓冲带的设置，则能使气候适应性设计得以进一步落实。
在海南生态智慧新城数字市政厅项目中，设计师基于整体碳排放的思考，对半室外开放区域（非空调区）与室内功能区域（空调区）采取了不同的设计策略。其中 ：所有的开放区域利用半室外通高中庭、平台等方式作为建筑自遮阳、自然通风的气候调节手段 ；室内功能区利用局部覆土、天光与遮阳系统，提高能源使用效率，减少空调使用时间，实现节能减排。在建筑的不同功能区内，设计立体的“巷道—庭院”复合系统，以便最大限度地利用天然采光和自然通风，并在遮阳设施的配合下调节室内气候（图5）。
5 建筑通过“巷道—庭院”的复合系统实现半室外开放区域与室内功能区域的空间气候调节
3.3 表皮优化
表皮优化是在特定的气候环境条件下，通过对表皮形态、材料、构造与组织方式的优化，捕获自然能量，调控内部气候性能的设计策略与技术手段。 [14] 表皮优化强调被动式调节手段，通过材料、形态、空间与构造类型上的设计，促使绿色建筑的自主性回归。 [15] 在不同的外部气候条件下，采光与遮阳、保温与散热、通风与隔声等需求往往使设计面临各种矛盾。依循表皮与复杂气候环境的作用机制，表皮适应性主要表现为生态介质表皮、光热平衡遮阳、被动式气候调节腔层等方法路径，其中表皮尺寸、形状、位置和构件组合等设计变量的选择，都直接影响最终的建筑性能。
生态介质表皮是利用人工建造的立体空间，栽种适宜的植物形成绿色界面，具有改善空气质量，调节温湿度等多种生态性能。ADI Reisen总部办公楼巧妙地运用了生态介质表皮，利用植物的整体性生态覆盖，实现了建筑构件与气候的交互。在立面上，植被生长在金属框架与木质表皮缝隙空间内的花盆中，17种不同的温带常绿蔓藤植物随着季节变化改变着建筑的外观，同时起到隔热与减弱炫光的作用。绿色屏障形成了气候缓冲区，极大节约了室内降温所需的能源（图6）。
光热平衡遮阳则通过表皮遮阳系统，选择性地获取由日光带来的光与热，并取得舒适度和能耗平衡的设计技术。UNStudio设计的荷兰教育局与税务局办公综合体是欧洲可持续的办公建筑之一。由于其建筑面需要在自然采光与太阳辐射之间寻求平衡，建筑师采用光热平衡遮阳来解决这一矛盾。建筑表皮的白色翅片导向板能够遮阳、导风及改变日光渗透率，将大量的太阳辐射热阻隔，减少了人们的制冷需求，将建筑的碳排放量降至最低（图7）。
6 建筑运用生态介质表皮形成气候缓冲区
7 建筑光热平衡遮阳系统的作用机制
在气候适应性建筑中，高性能的建筑表皮与建筑结构、被动式设计策略能够最大限度地减少建筑物的运行碳，然后通过主动式技术系统收集可再生能源和废弃能源来解决剩余的能源需求。技术整合表现为多重主动式技术系统的协同合作，采取分布式能源系统和水系统，以及集成热能、电能、风能和雨水，以满足建筑供暖、照明及灌溉等需求。 [16] 尽管这些主动式技术策略都是极其重要的解决方案，但脱碳之路的成功必须取决于各项技术系统的整合效应。按照不同的能效模型，脱碳策略的优先级排序 ：现场可再生能源先于非现场可再生能源，现场废弃能源先于非现场碳补偿能源。
零排放社区项目通过被动式设计策略与主动式技术的整合设计来确保最佳可持续发展模式的实现。84块太阳能光伏电板与建筑屋顶有机结合，形成光伏建筑一体化（BIPV）。光伏电板季节性地旋转，在保证光热效率的同时，能够有效遮挡夏季的太阳辐射，其每月高1 900 kWh的产电量能够满足建筑60%的用电量；屋顶的四个风力发电机每月1 200 kWh的电量足以满足剩余的用电需求；建筑水系统被设计为完全自给自足式，116 m2的屋顶每月可收集雨水约6 380 L，所有的饮用水皆由收集到的雨水提供。太阳能、风能及雨水等场地内可再生能源的集成运用是建筑实现零碳的重要保障（图8）。
8 建筑整合太阳能光伏电板、风力发电机与雨水回收等技术系统实现净零碳排放
材料选配是指在材料设计和选择的过程中，设计师通过探索本土及原生材料、关注建筑材料的耐久性、充分利用可回收材料等方式，降低隐含碳的针对性设计策略。 [17] 建筑材料从原材料提取、加工、制造整个生产过程，以及被运送到建筑工地进行装配，最终转化为建筑元素所排放的二氧化碳称为“隐含碳”。从全生命周期的角度来看，隐含碳可以用来衡量建筑材料和相关系统对气候环境碳排放的影响。不同类型的建筑隐含碳占全生命周期碳排放的比例存在差异，其中普通建筑占比为6%～20%，低能耗建筑占比为26%～57%，碳中和建筑占比高达74%～100%。 [18] 由此可知，建筑材料的选配在碳排放环节起着至关重要的作用，应予以足够的重视。
木材作为一种原生的“负碳型”环保建材，对助力碳中和起着十分重要的作用。加拿大零能耗住宅SoLo集低能耗系统、绿色材料及装配式构造方法等诸多特性。该类型建筑选取木材作为主要结构与表皮材料，在极端气候条件下，建筑最外侧采用重型木质框架充当屏蔽层，内层则为高性能的木质保温层，形成热边界，以确保能效和舒适的室内温度。通过综合计算，SoLo的木结构在木材的采伐、加工和运输全过程的净碳排放量为-0.9 t/m3，为实现零碳建筑做出了卓越的贡献（图9）。
9 建筑采用木材（固碳材料）作为结构与表皮材料
4 结语
本文从气候适应性建筑理念的阐释入手，分析其平衡机制，通过对各种零能耗建筑设计案例的综合分析，探索碳中和视角下气候适应性设计模式的基本层级，从而全面、系统地推进设计进程。其一，将碳平衡作为气候适应性建筑的衡量目标与效果导向，充分挖掘自然气候资源，提升室内环境舒适度；其二，在物质要素上，大力推进以减少运行碳和隐含碳为核心指向的建筑诸要素优化设计；其三，在方法策略上，将被动式设计策略置于气候适应性建筑的上位，然后才是作为主动式技术的可再生能源设备体系，并充分发挥本土材料、可再生材料的积极作用；其四，在设计策略上，强调建筑生形、空间调节、表皮优化、技术整合和材料选配等逐个层面的全程控制与整合设计。建筑师需要掌握气候适应性建筑的基本原理，理解建筑所在场域的气候环境，以碳平衡为诉求，综合权衡各层面设计要素，运用集成化设计策略回应碳中和理念。 [19]
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