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内蒙古边地建筑实践中的被动式通风:以呼和浩特雕塑艺术馆等为例 吕昱达 龙梓熠 阎梓崴 时代建筑2024年第5期
发布时间:2025-08-25
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  本期更多地关注设计中的技术支撑。吕昱达,龙梓熠,阎梓崴以张鹏举的呼和浩特雕塑艺术馆等内蒙古边地建筑实践为对象,探讨了内蒙古特殊气候环境的空间原型及应对策略,以及其中被动式通风的技术逻辑。朱亦民通过剖析洛阳东方博物馆之都研学营地设计,探讨了钢结构装配体系环境敏感领域方面的应用可行性。蒲仪军,李初晓通过分析上海外滩老市府大楼的更新设计策略,讨论了历史建筑保护性修缮与改扩建的底层逻辑。于云龙,孙小晶,潘思如通过对巴西圣保罗艺术广场的设计分析,探讨了公共空间改造的创新路径,指出巴西的城市更新实践在公共空间改造方面呈现出显著的切近性和包容性。苏恒,邹子敬,江立敏剖析了海南省三沙市文体馆设计策略,指出气候适应的被动生成有多种表现方式与实现路径。

  在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标下,建筑作为能源消耗和碳排放的重点领域成为社会关注的焦点。被动式策略作为建筑学本体层面的操作方式,是从根本上解决建筑使用能耗、碳排放同室内舒适度之间矛盾的关键,而风是影响上述矛盾的重要因素。文章以被动式通风为视角,以张鹏举教授的呼和浩特雕塑艺术馆等内蒙古边地建筑实践为对象,在不同维度提取适应内蒙古特殊气候环境的空间原型及应对策略,以期为该地区建筑实践的被动式通风组织提供参考和借鉴。

  引文格式:吕昱达,龙梓熠,阎梓崴.内蒙古边地建筑实践中的被动式通风:以呼和浩特雕塑艺术馆等为例[J].时代建筑,2024(5):72-79.

  内蒙古自治区位于中国北疆,东西、南北跨度极大,独特的地理条件造就了自治区范围内地貌、气候、经济、文化的巨大差异。张鹏举教授扎根内蒙古,长期从事具有当地地域特征的建筑研究与创作。在创作实践中,秉持融自然、低建造、承传统的理念,凝练相应的创作路径和方法,树立了大量典型的地域性作品。气候适应性是地域性建筑的重要方面,张鹏举教授在长期实践中有意识地对建筑的气候适应性进行思考、研究和尝试,以不同气候因素的特征为主导,总结了具有当地典型气候特征的生态策略。

  呼和浩特雕塑艺术馆作为张鹏举教授近期的代表作品,较为集中地体现了其建筑实践在内蒙古独特气候条件下的适应性及生态策略运用。雕塑馆位于呼和浩特市丝绸之路生态长廊(南北长约5.5 km、东西均宽约340 m)北端,丁香南路以东,丝绸之路大道以西,南面生态长廊,北接内蒙古博物院,东望内蒙古美术馆,西临万达广场(图1、图2)。场地位于城市核心区域,周边多为公共、文化类建筑,人流量大,缺少有效的集散空间。基于场地特征,雕塑馆以埋于地下的体量回应城市环境,也为项目提出了一个新的难题:埋于地下的建筑应如何回应当地的生态气候环境?本文便围绕这一议题展开讨论。

  我们希望复兴被动式建筑这个名称,使其成为一个总括性的术语,包括绿色建筑和建成环境中可持续性的所有方面。[1]

  ——大卫·班布里奇(David A. Bainbridge)《被动式太阳能建筑》

  在全球应对环境问题的共识下,绿色建筑、可持续建筑、生态建筑、低碳建筑等概念受到学界的广泛关注和认同。以“绿色建筑”为例:在全寿命期内,节约资源、保护环境、减少污染,为人们提供健康、适用、高效的使用空间,最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑。

  [2]从定义来看,绿色建筑的研究范围是宏观层面的建筑领域,囊括建筑全生命周期内的各阶段及所有专业;相较之下,被动式建筑则直接指向建筑学本体。

  “本体”一词源于本体论(ontology),派生于希腊语的“onto”(存在)和“logia”(箴言录),是关于存在本身的学问,探究终极的存在,也就是事物内部的根本属性、质的规定性和本源。“遮风挡雨”“趋利避害”是建筑产生的本源,是人类为了保障自身安全和舒适对自然环境的被动适应。从这个角度来看,建筑的产生及其对环境的适应本就包含了“被动”的含义,“被动式”似乎也不新鲜,并随着时代需求的变化而发展迭代。被动式建筑是指建筑设计适应地域气候与自然环境,从而维持和改善室内环境的舒适度。

  [3]建筑的被动式设计指的是建筑空间本体拥有较强的自我调节能力与气候适应性,不依赖主动式调节设备,就能营造出利于使用者身心健康,且与环境相适应的室内外环境 。

  [4]被动式建筑或策略研究和解决的是建筑学本体范畴的问题和矛盾,换言之,就是在建筑学本体中明确绿色、可持续、低碳等目标的存在,并将其置于与功能、形式、空间、秩序、舒适等要素同等重要的位置。相较于主动式策略和技术,被动式设计策略因其资源消耗少,对性能影响大,成为无法忽视的重要手段。[5]1.2 建筑的被动式通风风是被动式建筑需要利用的重要资源。人类对于自然风的利用伴随着建筑的诞生和发展延续至今。人类文明早期,建筑对风的利用主要为通风或避风,即让风进入或不进入室内;而被动式通风则关注对自然风的组织,即对其入口、出口、路径、速度、压力及其所产生的温度、湿度变化等的控制。通过对风环境的控制可以在一定程度上调控室内舒适度,减少建筑在不同季节的冷、热损失,减少主动式技术的介入,实现降低建筑使用能耗和碳排放量的目的。

  风压差和热压差是被动式通风的基本动因,与其对应,被动式通风在原理上可分为风压通风和热压通风。通常情况下,建筑的被动式通风是风压和热压共同作用的结果,这就涉及两种通风形式的协同优化,使风精确地按照设计的方式流经建筑的不同位置。

  由地域性形态及土壤条件产生的人类类型与其特性密切相关,这一特性是人在历史中存在并探索其场所的方法。——黑格尔

  特定、具体的地点是建筑产生和存在的基础。地域性是建筑固有的属性,它体现在建筑与当地自然环境、传统文化、经济状况以及社会架构之间所形成的独特关联中。

  [7]自然生态是被动式策略存在的客观基础,具体到通风,特定的气候条件造就了以通风为目标的特殊建筑空间和形式,进而在一定程度上形成了鲜明的地域生态特征。

  [8]具有鲜明地域性特征的通风手段和智慧通常存在于传统建筑中,为当代建筑被动式通风的组织提供了经验层面的支持,在一定程度上延续并发展了与气候条件相关的建筑地域性。中国传统建筑以单体组成的院落空间为重要特征,888集团官网入口以此为基础形成了围绕院落空间展开的自然通风组织。华南理工大学曾志辉在其博士论文中以岭南地区气候条件为基础分析和总结了广府传统民居的通风手段,并将其与当代需求结合运用于建筑实践之中;[9]迪玛·斯图伊(Dima Stouhi)对西亚和北非地区传统建筑运用风塔适应当地炎热气候、组织自然通风的方式进行了研究,并以风塔为手段提供可被当代建筑借鉴的被动式通风策略(图3、图4)。

  窑洞、蒙古包和院落式住宅是内蒙古地区广泛存在的传统建筑。窑洞是利用黄土高原地形凿洞而居的建筑形式,分为靠崖式、下沉式和独立式三种基本类型。

  [11]黄土较好的蓄热性能形成了窑洞室内冬暖夏凉的舒适环境,不同形式的窑洞以入口处断面作为建筑与自然风的接驳面,将风引入室内,改善室内物理环境。蒙古包是草原游牧民族特有的传统居住建筑,具有形态、结构、建造简单的特点,顶部开口的存在,使其可根据气候变化调整室内通风情况。院落式住宅是中国典型的住宅形式,内蒙古中部地区受中原、晋商文化的影响形成了以院落为中心的住宅形式,以院落为核心展开功能、空间的组织,院落也为较封闭的建筑提供了组织自然通风的可能性。

  [12]以内蒙古传统建筑自然通风智慧为参考,我们可从中简单提取出适宜当地气候的组织通风的空间原型:“接驳面”原型,顶部拔风——“烟囱”原型,和“院落”原型(图5)。

  5. 内蒙古传统建筑通风空间原型(“接驳面”原型、顶部拔风――“烟囱”原型、“院落”原型)

  作为内蒙古边地建筑师的代表,通过大量的探索、试验,提出了系列适应内蒙古气候条件的被动式通风策略。下文通过一系列建筑作品,分析、研究其在内蒙古边地建筑实践中运用的被动式通风策略。

  首先,本文以时间为轴线年间较为典型的设计实践作品——内蒙古工业大学建筑馆一、二、三期,以及呼和浩特雕塑艺术馆。四个作品包含了既有建筑改建、扩建和新建,也涵盖了不同的建筑类型、空间形式。通过解读其中运用的被动式通风策略,分析张鹏举教授在内蒙古边地建筑实践中运用的被动式通风策略,及其进阶、迭代过程。

  其次,通过CFD模拟对四个作品中被动式通风策略的有效性进行分析与验证。按照《民用建筑设计统一标准(GB 50352-2019)》中之分类,呼和浩特属于严寒地区,冬季寒冷,春、秋过渡季节风大,夏季呈现出炎热且干燥的特征,故该地区建筑对于被动式通风的需求主要集中于夏季。[13]根据气象数据集,将呼和浩特的夏季气候条件设定为:室外计算温度26.6℃,室外平均风速1.5 m/s,最多风向E。[14]

  另外,本文对风环境的评价主要集中于风速,需对风速的有效性区间进行界定。宋德萱教授在《节能建筑设计与技术》中从使用者的主观感知将室内风速分为五档,其中,0.25~0.5 m/s和0.5~1.0 m/s使用者感知舒适;[15]依据建筑通风评价的相关标准,在自然通风情况下,室内人员活动处的风速应在0.3~0.8 m/s之间。[16]

  据此,结合四个项目教学、办公、展览的功能特性,将风速有效区间限定为0.25~0.8 m/s。3.1 内蒙古工业大学建筑馆一期内蒙古工业大学建筑馆一期改造自校园中一座建于20世纪60年代末的铸工车间,该车间由一座“L”形建筑和一座矩形建筑组成(图6)。[17]

  建筑馆一期的被动式通风采用“院落”原型+“烟囱”原型的策略。原有体量围合成的庭院,以及厂房高大、开放的空间,为组织被动式通风提供了有利条件。同时,旧管道、高耸的烟囱及厂房的天窗成为组织通风的潜在路径,也是该项目被动式通风策略的主要特征。

  6. 内蒙古工业大学建筑馆一期首先,旧天窗、高耸的烟囱在垂直方向提升了出风口的高度,增强了热压效应;其次,遍布厂房的地下通道将室内外空间连通,降低了进风口的高度,进一步加强拔风效果。新鲜空气从室外管道流入,经过地下通道由底部进入室内,经循环后由建筑顶部的电控天窗排出;或通过管道使不同空间与烟囱连通,局部加强了拔风效果,最终由高于建筑的烟囱口排到室外。这样的通风方式不仅保证了空气的新鲜,也利用了土壤的蓄热能力使新鲜空气在进入室内之前得到预冷或预热,起到调节室内温度的作用,减少了主动式技术的介入,达到节能、减排的目的(图7)。

  从建筑馆一期一层平面风速标量、矢量图中可知:室内风速在东向迎风面开窗处及主入口处较大;室内不同位置形成数个涡旋,涡旋中心风速明显降低;封闭空间由于通风口较少或东西方向进深较大而风速较低;开敞空间风速较均匀。从二层平面风速标量、矢量图中可知:最大风速依然位于迎风面开窗处;但东部“烟囱”处风速较高,且流向烟囱内部,热压通风效果明显;局部封闭空间由于通风口较少或东西向进深大,风速较低;室内涡旋中心风速明显降低,其余部分风速均匀。从三层平面风速标量、矢量图中可知:风速在东端南向开窗、开门处较大;风速较低处除局部封闭小房间外,其余均位于三层通高处,但并非使用者活动高度(表1)。

  根据风速有效性区间的限定,运用像素法分别对各层平面图的有效风环境比例进行计算,达标比例分别为:一层39.16%、二层30.28%、三层21.87%。需要说明的是,计算结果不包括使用者无法到达的空间,如共享空间二、三层高度;另外,建筑西北端楼梯下的空间设计为北向保温及储藏空间,无开窗,故也未纳入计算范围。

  通过风速达标率可以看出:一层公共、开放空间达标率较高,低于有效风速区域主要集中于建筑西端及独立教学空间;二层公共、开放空间达标率有所降低,低于有效风速下限的区域集中于建筑西端及独立教学、办公空间;三层除东侧迎风空间外,其他部分风速较低。

  通过分析,可初步提出建筑馆一期被动式通风优化策略:1)增加主导风向末端(西端)空间的开放性;2)适当增大迎风面窗扇开启面积;3)调整开启扇至使用者活动高度;4)针对室外烟囱未有效形成报告厅拔风的问题,本文进一步分析了报告厅及烟囱剖面的气温状况(图8、图9)。从图中可知,报告厅与烟囱之间未能形成拔风作用,主要为烟囱顶部与报告厅底部温差过小所致,故可在烟囱上加设玻璃顶加热顶部空气,增加烟囱顶部与报告厅底部的热压差,同时避免烟囱与报告厅之间的连接管道过于曲折,致使风速减弱;此外可调整烟囱开口至背风面,避免风压差引起的空气倒灌。

  内蒙古工业大学建筑馆一期改造完成后,在张鹏举教授的主持下,其北侧扩建了一座高五层、用于建筑学专业设计教室的教学楼(图10)。教学楼平面呈矩形,根据标准层式教学楼的功能与空间特征,在一期“院落”原型+“烟囱”原型的基础上进行了迭代,将“院落”原型转变为“中介空间”原型,将一期开放空间的单一烟囱原型进阶为复合烟囱原型。

  10. 内蒙古工业大学建筑馆二期方案将平面横纵分解为6个空间单元,各单元之间拉开距离,形成通风的“中介空间”,使新鲜空气由南北向的空当穿过建筑,形成穿堂风;同时,将南侧空当上下连通,形成多个各层独立的“复合烟囱”空间,通过控制各层出风口的高度,使风由各层流入,最终从各自独立的“烟囱”排到室外;另外,针对四、五层热压差不足的问题,将其“烟囱”突出屋面,局部加强了热压作用(图11)。

  从建筑馆二期一层平面风速标量、矢量图中可知:室内风速在东西两端开口处较大;总体来看,东侧迎风空间及公共空间风速较大,西侧封闭的教室风速较小。三层平面由于两个南北向走廊南端分别设置了四层的通风井,使南端走廊与室外隔离,致使风速较小;四层平面风速分布及产生原因与三层相近。五层平面风速在东、西、南、北端开窗处较大,教室较其他楼层风速明显上升(表2)。

  各层平面风速达标率分别为:一层18.02%、二层16.69%、三层11.36%、四层9.14%、五层28.43%。需要说明的是,计算结果不包括使用者无法到达的空间,如封闭的通风井上空;封闭的储藏空间也未纳入计算范围。

  通过风速达标率可以看出:风速达标率一、二、五层较高,三、四层较低;东侧大于西侧;公共空间大于教室。究其原因:建筑沿主导风向进深较大;一、二层开放程度较高,且南北向两条走廊直接对外;三、四层开放程度较低,且南北向走廊南端植入其他楼层通风井致使与室外隔离;五层各教室顶部分别布置了独立的拔风井,故达标率较高。

  通过分析,可初步提出建筑馆二期被动式通风优化策略:1)适当增加迎风面积及开窗面积,如各教室东、西墙与室外接驳处;2)适当增加各封闭空间与公共空间的开口;3)在各教室的东西两侧墙体增设与各层风井的通风洞口,加强封闭空间的拔风效果;4)针对建筑馆二期主要的被动式通风策略——各层独立的“复合烟囱”,本文对其剖面的气温状况进行了模拟和分析(图12、图13)。从图中可知,独立“烟囱”顶部与各层空间形成了较为明显的温差,但温度断层较为明显,未能有效形成拔风效果,需进一步加强进风口面积和独立空间与风井的连通。

  2018年,张鹏举教授继续主持设计了建筑馆三期——内蒙古工业大学建筑创新实验中心的设计(图14)。实验中心平面呈方形,高五层,是用于建筑学专业实验的大空间教学楼。根据大进深的建筑特点,在建筑馆二期通风策略的基础上进一步迭代,形成“中介空间”原型+“错层”原型+“复合烟囱”原型的被动式通风策略(图15)。

  首先,将建筑沿南北向断开并拉开距离,形成东西两侧实验室单元的通风中介;其次,针对东、西两侧实验室单元进深大、无法有效组织风压通风的情况,对其进行错层处理,形成南高北低的空间形态,增加同一空间南北两侧热压效应以弥补大进深空间风压作用的不足;其次,于中介空间南端依次植入3组独立的两倍层高的“烟囱”,分别与二、三、四层实验室连通,通过热压效应进一步强化大进深单元的通风效果;另外,“烟囱”高度、位置相错,使各风井顶部都能受到南向阳光直射并获取热量,为热压效应提供了额外的负压动力。经过一系列操作,最终形成风由各层实验空间北面进入,上升至较高的南向空间,最终由各自独立的“烟囱”排出(图16)。

  从±0.000 m标高平面风速标量、矢量图中可知:室内风速在入口处、公共空间及实验室东侧较大,西侧实验室及中心服务空间处较小。3.010 m、5.200 m标高平面风速分布与±0.000 m标高大致相似。8.210 m标高平面风速总体上呈现出东高西低、南高北低、公共空间高封闭空间低的特征。10.400 m标高平面的风速与8.210m标高大致趋同,由于连接通风井,实验室南侧风速较大。18.600 m标高平面的风速与上述各层分布大致相同(表3)。

  从各层风速矢量图中发现,除东侧开窗承担进风任务外,其他方向的窗户多数扮演出风口角色,未能实现设计的进风任务,究其原因,可能是建筑水平方向的风压效果大于垂直方向热压效应所致。计算各层平面风速达标率分别为:27.18%、9.08%、25.84%、10.26%、20.49%、21.62%、28.16%、23.01%。

  从达标率可以看出:室内风速及达标率呈东高西低、南高北低;公共空间大于封闭空间。究其原因:建筑迎风侧开窗面积较大,东侧室内风速较高且部分高于有效范围;建筑沿主导风向具有一定进深,且被公共空间一分为二,影响了西侧实验室空气的流入,导致风速低于有效区间;南侧开放程度大于北侧,且南侧实验室与拔风井直接连通。

  通过分析,可初步提出建筑馆三期被动式通风优化策略:1)适当减少迎风面开窗面积,使东侧实验室风速降低至有效区间;2)增加西侧实验室尤其是迎风面的开窗面积,提升室内风速至有效区间;3)为顶层西侧实验室增设独立的拔风井,提高其热压动力;4)针对建筑馆三期主要的被动式通风策略——各层独立的“复合烟囱”及风由西、南、北向开窗流出的问题,本文对其剖面的气温状况进行了模拟和分析(图17、图18)。从图中可知,独立“烟囱”顶部与各层空间形成了较为明显的温差,但除最高烟囱温度变化均匀,产生了较为明显的拔风效果外,其他烟囱温度断层较为明显,没有形成明显的拔风效果,需根据不同位置的风压差进一步调整各层开窗,规避风压效果大于热压的问题,室内空气才能够按照设计方向由各层开窗流入,从烟囱排出。

  2023年,张鹏举教授主持了呼和浩特雕塑艺术馆的设计(图19)。基于对城市环境的宏观判断,项目采用了体量消隐的总体策略,其作用在于:1)消隐的体量有助于增加场地面积,在城市各重要节点之间形成有效的空间过渡,是解决高密度城市环境问题的有效手段;2)项目位于生态长廊内部,消隐的体量能较好地与景观融为一体,不至阻碍生态景观的视觉和流线;屋顶绿化与公园在高度和形式上过渡自然,使建筑成为既有景观的延续(图20);3)对于雕塑馆的文化属性而言,消隐的体量有助于屏蔽城市的喧嚣,结合下沉广场为展陈空间提供了纯净的天空作为背景(图21、图25);参观流线随着场地入口缓慢下降,形成了积极、内向、自然的仪式性空间,设计意图在不知不觉中呈现;4)建设用地内部原存一处深约6  m的凹陷,恰与建筑层高相近,为建筑体量的消隐提供了条件,减少土方量,节约建造成本。

  但覆埋必然导致建筑与自然环境的隔离,失去了组织被动式通风的条件,不仅无法满足各功能对室内物理环境指标的要求,还会导致建筑能耗的主动升高,与当今低碳、节能、可持续的发展趋势不符,同时也影响使用者的身心健康,削弱参观者的体验感。针对上述问题,项目采用了创造、增加自然风“接驳面”原型+“院落”原型的被动式通风策略。

  首先,沿南北方向将覆埋的体量一切为二,形成下沉引导,同时在建筑的东西两侧设置下沉广场,使两个体量的长向立面直接与自然风接驳(图22);其次,在建筑的不同区域植入了尺度、形态不一的室外庭院,进一步扫清了风流入室内的障碍(图23、图24);另外,根据冬夏主导风向,优化和调整接驳界面,在不同季节实现对风的“挡”与“顺”。

  呼和浩特雕塑艺术馆为单层建筑,根据地形起伏,室内存在1.5 m高差,故对其风环境的分析可拆分为±0.000 m标高平面和–1.500 m标高平面。从±0.000 m标高平面风速标量、矢量图中可知:室内风速总体分布较为均匀,在建筑不同位置的迎风面风速较大,部分封闭空间及主导风向末端空间风速较小。–1.500m标高平面风速表现为公共空间及报告厅室内外接驳面处风速较大,封闭空间风速较小(表4)。

  以像素法计算各标高平面的风速达标率,分别为:±0.00 0m平面18.63 %、–1.500 m平面31.29 %。究其原因,建筑中部、东侧南北向的下沉广场为覆埋建筑创造了主导风向接驳面;同时,不同位置的院落为大进深空间提供了组织被动式通风的有利条件。由此初步提出优化策略:1)可适当调整通风廊道的方向,使其偏向主导风向,使风更顺利地通过下沉广场进入室内;2)局部调整院落的位置,尽量将其置于需要通风空间的东侧,增加建筑迎风面积。由于雕塑艺术馆为单层建筑,空间高度有限,热压效应无法有效发挥作用,故在此不对其剖面方向的温度进行分析。

  在内蒙古边地建筑实践中的被动式通风策略的介绍和分析可以看出,其在实践过程中对于被动式通风进行了主动、有意识的尝试和探索,并根据项目的特点和需求对被动式通风空间原型、策略进行了充实和迭代,如内蒙古工业大学建筑馆一期至三期,“烟囱”原型由最初的被动使用到主动调整,从“单一烟囱”发展为“复合烟囱”,提升了策略的灵活性和适应性;再如,从建筑馆一期至呼和浩特雕塑艺术馆,从“院落”原型发展为“接驳面”+“院落”原型的复合通风方式,增加了建筑与自然风接触的机会。窥豹一斑,在长期的实践过程中,张鹏举教授在不同维度提出和总结了一系列适于内蒙古地域气候的被动式通风空间原型和策略:平面策略——减法引风,剖面策略——加法引风。

  平面空间原型与策略(图26):延续了“接驳面”与“院落”原型,针对公共建筑进深大的特征进行了不同方式的调整和组合,通过减法增加不同体量、层数的建筑与自然风的接驳面,以使平面变得“透气”。26. 被动式通风平面策略示意图――“减法”

  剖面空间原型与策略(图27):以“烟囱”原型为主线,根据不同的剖面形式对“烟囱”进行了优化,通过“加法”将“烟囱”原型进行多种形式的复合,以规避中性面对于热压通风组织的不利影响,加强不同剖面形式下建筑热压通风的效能。

  在内蒙古边地的系列建筑实践为对象,介绍、分析了其中运用的被动式通风策略,并进行了初步验证。本研究以被动式通风为单一目标,对其作品进行模拟、分析并提出初步优化策略。然而,建筑学、建筑设计是一个多重目标下、不同层面矛盾的集合体,以任何单一目标为评判标准都不免失之片面。在实际项目中,建筑师需要面对和平衡不同层面、角度、人群的需求,被动式通风不会成为唯一的评判和评价标准。在这种复杂的局面下,当代建筑师应以时代需求为导向,立足特定的地域、气候、人文环境,探索绿色、节能、减排、被动式策略同建筑学的多重目标相统一的有效手段和途径。

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