熱、空氣與生命:熱力學與都市的功用

文:ROEWU architecture

本文摘自田園城市出版之《建築氣象學:氣候現形》

工業城市

法國哲學家米歇・塞爾曾經在一篇討論英國藝術家約瑟夫威連・泰納的文章中指出,泰納的作品不只表現了藝術家以顏料主觀表達光線的效果,同時也是對當時社會全面轉型的精準描繪。這個源自於科學及工程應用領域的轉型也深刻地改變了社會與文化,其影響直到今天我們都還能感受得到。不同於一些離開都市與工業,在大自然中尋求慰解的浪漫主義藝術家們,泰納後來成為描繪熱力學的藝術大師。因為對當時的社會來說,鐵路、工廠、煤礦與鍋爐的熱力學運用幾乎是全新的知識,最後也導致了十九世紀的社會劇變,以及都會文化的擴張,而泰納幾乎是唯一感受到這個趨勢所具有之重要性的藝術家,並將其所引起的社會轉型繪入他的畫中。

研究塞爾的學者史帝芬・布朗也寫道:

泰納進行他最知名綃畫作品的方法是以被翻騰雲海般色塊包圍的兩個光源——通常是一冷一熱——來呈現熱力學驅動的新工業模式。

當時對空間熱力學現象的逐漸理解確實對建築也產生了影響,最一開始的例子便是科學家羅勃・虎克等人根據熱力學工程設計出了倫敦國會;到了十九世紀,這股發展逐漸進入精密的營建熱力學領域,同時又恰逢當時公共建築的興起(或改善)——特別是如學校、醫院或監獄等十九世紀特有的項目。然而,這些精密的熱力學技術應用卻在二十世紀因為電力、機械空調與冷氣而被遺忘。現今,雖然逐漸有開始重新認識這些技術的趨勢,但它們源自十八世紀、並最後導致了工業革命的基礎熱力學實驗卻總是被忽略。

不論如何,今日我們仍然看到,對熱力學的關切已經超越單純的機械原理,而擴展到對建築與都市的設計。由於氣候變遷的議題逐漸迫切,建築物的熱控制——包括材質、室內與週邊空氣——愈益發重要。現今許多地區的建築規範對熱效應管理的要求,已經超過任何關於對建築物的尺度、空間、幾何形狀或美學的要求。包括換氣、熱傳導的規範,熱泵、熱交換器、熱質量、夜間空氣冷卻系統等這些朝向節能減碳的設計,都仰賴對建築物之熱力學特性的充份理解。此外,對建築與都市設計更重要的可能是熱力學如何影響建築空間與形式的設計,如此一來,建築物就會成為調節室內外微氣候的熱力學工具。

這些建築物內部熱力學管理的想法被啟動後,也讓我們看到它們擴展到都市建築設計上所產生的可見與不可見影響力。這樣的影響分成兩方面:首先是,過去只限定在室內應用的技術開始漸漸擴展、運用於外部空間,例如諾曼・福斯特建築師事務所為阿布達比馬斯達爾市的規劃就是在戶外廣場加上排氣通道。第二部分則是,在被動狀態下逐漸增加的室內公共空間,因為室內舒適程度還是較高。也就是,將設計建築時原本只是用來增加舒適性與能源使用效率為目標的空間,移作公共空間之用。這種現象在天氣炎熱的熱帶或亞熱帶地區更為明顯,例如楊經文設計的新加坡國家圖書館,其戶外空間原來是建築冷卻策略的一環,卻從街道平面到上方的空中花園都成了重要的公共空間,如此也模糊了室內與戶外、公共與私人的界線。另一個可說是最著名的例子是福斯特建築師事務所設計的香港上海匯豐銀行,常有數百位外籍傭工趁著休假聚集在大樓下方蔭涼處。

因此雖然我們能把這個後工業城市視為熱力學城市,但其意義與泰納、以及後來塞爾所描述的工業城市非常不同;在後工業城市裡的熱流並非機械熱能或流體外洩到公共空間的偶發不幸事件,而是針對熱能與流體的規劃管理。熱力學管理成為空間形成的標準化工具,在設計上愈來愈接近決定形式的可見結構與材質受重視的程度。

若每個人都更能察知這套系統,那麼對建築物與都市裡微妙氣候變異的下意識或實際體感理解,進而產生出對該系統的運用模式和生活型態將更加明顯。如同前面的例子所提到的,一個空間的冷熱條件可能使它轉化、延伸成公共領域,天氣熱的時候,人們就會因身體的直接感受而趨向聚集於較涼的空間中(也許只是簡單的遮蔭或人造氣流、揮發冷卻等方法);相對應的必然結果就是空無一人的廣場——這種現象雖然全世界都有,但特別常見於熱帶與亞熱帶地區——這些地區雖然有公共空間,卻常因為不符合大眾舒適性的要求而很少被使用。

在我們漸漸體認到需要掌控建築物內部熱條件的同時,也能觀察到兩件事。首先,如前述,建築師與設計師開始將室內設計的手法帶到戶外空間;第二,同時也可能更值得注意的是,對熱差異的管理,會致使室內與戶外的熱力學條件產生更大差異。這是因為,正是熱條件的差異才導致空氣與流體在建築物內部與周圍移動;最直接的例子就煙囪效應利用溫差製造出穿過排氣管的通風,且排氣管頂與底部的溫度差異愈大,氣流的速度就愈快。

如此一來,一棟建築物裡必定有些地方要熱到無法讓人停留,才可能製造氣體的流動。這類例子有像是Adrian Smith +Gordon Gill建築師事務所對阿布達比馬斯達爾市國際再生能源組織總部大樓的提案,排氣管的頂部就刻意設計成不可使用的空間。不過針對溫度差異的設計不必走極端,重點是要有分殊化。分殊化的意思是,根據建築使用者或大眾對舒適性變化的敏感程度,發展出差異化的場所利用並延伸出不同公共空間使用。水池邊的區域原本就是用來冷卻進入建築物內的空氣,但因為比較涼而舒適,所以比較多人駐留在該區進行社交互動。另一個例子是位在香港上海匯豐銀行的排氣通道底部,由於那是個較蔭涼的地方,同時因為建築內部的公共空間常被私有化、導致在市區中少有類似的空間,所以這裡就變成民眾平常聚集的好去處。

這些對最近幾個建築案例的簡短介紹,顯示出建築設計對熱力學的掌握愈來愈受肯定,也嚴謹地發展出根據在地微氣候條件的管理而營造出分殊化空間:並非最適化,而是依據微氣候條件逐步決定空間的使用。

活動誘發性與感知

「活動誘發性」這個槪念最初來自於生態學,首次由詹姆斯・吉布森從認知心理學脈絡提出來探討人類的行為。他認為環境條件是誘因,環境所提供的訊息會誘發人類感覺與認知:例如食物觸動味覺,樓梯引導人往上,椅子則誘發人想坐下來休息。

在形式與功能之間寬鬆的關聯性中,最讓我們感興趣之處就在吉布森強調的環境誘發性。這個關聯性不是一對一的,而是一對多的關係。例如在不同的脈絡下,一座樓梯也可能誘發讓人坐下來休息,也就是在不同時間與不同社會情境下,一種環境設置可能誘發多重感知。

這樣多樣且往復的互動關係,與傳統因果關係非常不同。因果關係通常是線性的,且通常是「因」引發出來;同時傳統因果關係也將我們帶回牛頓物理的物件導向機械原理。但熱力學如何影響我們對都市的認知與利用?是不是該重新思考熱能條件、空間佔用及使用的關係,甚至延伸到我們如何根據這些狀況開創都市生活型態?如果我們對城市環境的探討是根據身體與感官經驗,接下來會如何?

在賽爾的著作《五感》中,作者尋找可以徹底重建我們理解感官的方法:不再是與五官分離的理性,而是揉混的經驗。是不是有可能創造出打破感官界線的環境或建築,甚至強化始終被忽視的觸覺、視覺與聽覺的溫感?

環境熱力學誘發性

功能性規劃思維會限定空間中的活動——因為它依據的是規劃程序而不是人的感官反應,屬於線性的因果關係。我們則反過來探討大氣條件在不同時空中持續的改變,提出一系列可以誘發不同活動發生的設計項目,例如為處於亞熱帶氣候的台灣所設計的「熱城市」就是透過一連串與地景相接的遮蔭,提供空間中各種不同程度的舒適性,同時也誘發不同的活動。

當建築師有更多模擬科技可用,也會讓模型的調整與調節更容易,熱力學可成為城市與建築構想的途徑,不只是考慮實體的形式、也在於城市與建築的運作上——不再是現代主義將都市與建築定位為「生活的機器」那樣的思維,而是可預期但分散的機制,可創造適合人類活動的多樣化氣候誘發性。這些活動不是被指定的,而是因為群眾的願望、大氣條件與科技之間互動而產生。

泰納以「地形學藝術家」的身分開啟他的事業,精準地描繪出指標性建築;身在熱力學影響逐漸升高的時代,他反而以朦朧但真實的手法畫出工業城市變動的氣氛。如今熱力學對後工業都市核心有更普遍且重要的角色,或許我們有機會經由建築將重點從精準的形式描繪轉移到以建築做為工具來紀錄甚至操控大氣效應。這個過程中最重要的是將建築內部與週邊的熱能視覺化並加以運作的能力;如今,可運用的科技愈來愈快速、也愈來愈易取得,但重點並不在於科技本身,而是它如何協助理解我們對空間與城市持續變動的認知、體會建築形式與熱力學之間相互的作用,同時為我們提供對大氣條件日常生活的關聯更多資訊、以達致更細膩的理解。

封面照片來源:眼底城事編輯室


《建築氣象學:氣候現形》
Weather Formations: An Architectural Meteorology

作者:ROEWU architecture  
譯者:吳介禎
出版社:田園城市
出版日期:2016/01


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