外形設計對節(jié)能型小型建筑體形系數(shù)影響分析

陳黎明 巫秀萍

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的推廣實施，節(jié)能減排已成為建筑設計必須考慮的問題。政府相關(guān)部門也已頒布一系列的文件和規(guī)范[1，2]，對建筑節(jié)能提出詳細的設計要求。而在建筑節(jié)能設計中，建筑物體形系數(shù)是目前常用的控制指標。目前有關(guān)建筑節(jié)能設計的文獻資料很多[3-6]，其主要集中在節(jié)能設計中主要指標影響的定性分析，而關(guān)于某個指標其影響因素的定量分析尚沒有涉及，也沒有如別墅等小型建筑其外形尺寸在節(jié)能設計中的影響分析相關(guān)研究成果。

為分析外形設計對建筑體形系數(shù)的影響，本文通過不同形狀所對應的體形系數(shù)對比分析，探討節(jié)能設計中在體形系數(shù)限制條件下是否可通過外形優(yōu)化設計滿足要求，以期為別墅等小型建筑的節(jié)能設計提供參考。

1 建筑體形系數(shù)的節(jié)能設計要求

《民用建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定[1]，建筑體形系數(shù)宜控制在0.30及0.30以下，否則對屋頂和外墻等圍護應加強保溫。圍護的保溫要求提高，建筑的造價也將增加。

建筑體形系數(shù)的定義是:建筑與空氣接觸的外圍護面積與其所圍的體積之比。眾所周知，建筑物外形尺寸較大時，體形系數(shù)就可以比較小。這也很容易理解:若把10個別墅合并成一行成聯(lián)排別墅，就省下了9堵側(cè)墻，而其體積沒變，那么建筑體形系數(shù)就變小了。大型建筑一般容易達到小于0.3這個目標。但對小型建筑，例如別墅，一般很難達到。在此可舉一例說明:

某5層建筑，長L=40 m，寬B=10 m，層高均為3.3 m，高H=3.3×5=16.5 m。其體形系數(shù)為:

同樣長寬的建筑，若為6層，則:長L=40 m，寬B=10 m，層高均為3.3 m，高 H=3.3×6=19.8 m。其體形系數(shù)為:

或者長40 m，高16.5 m的建筑，把寬度加到12 m時，其體形系數(shù)為:

從以上計算舉例可以看出，若房屋的長度、寬度均相同，總高度越高，建筑體形系數(shù)越小。當長寬高尺寸均增加，都可減小建筑的體形系數(shù)。因此，對大型建筑一般容易達到體形系數(shù)小于0.3這個節(jié)能設計指標。但對小型建筑，例如別墅，就很難達到。

2 建筑外形對體形系數(shù)的影響分析

別墅類的小型建筑是否一定達不到體形系數(shù)小于0.3這個目標也不盡然。本文試提供幾種體形系數(shù)等于0.3的小型住宅(別墅或農(nóng)村住宅)的外形設計方案。

1)矩形建筑。

從幾何學基本知識上可知，當矩形的長和寬相等時，相同邊長所圍的面積最大。矩形的建筑系數(shù)計算公式:

因此，對小型建筑可以把長寬設計得接近。從上面的計算實例中知道，占地面積400 m2的建筑，在長寬比為4時，高度要達到6層(近20 m)體形系數(shù)才能達到0.3，若長寬相同時則不需要。例如，對3層樓，高10 m的別墅，長寬高均是20 m時，其建筑體形系數(shù):

當然，別墅住宅一般是供一家人住的，這個別墅每層建筑面積達400 m2，3層總建筑面積達1200 m2，作為別墅面積過大。而且寬度20 m對住宅而言比較大，對房間采光有點影響。所以建議在別墅中加個采光天井，假設在房子的東南面加一個100 m2左右的大廳(高度10 m)，或者說是100 m2的封閉式院子。有了這個大廳或院子則既解決了房子采光問題，還使總建筑面積降到1000 m2。若想建筑面積再小，則可將其設計成兩套別墅(雙拼別墅)，面積上就比較合適。

按上面所說，同樣滿足體形系數(shù)不大于0.3，樓層增高，可減小底面積。例如對5層樓(設高度為15 m)的住宅，經(jīng)計算，長和寬可減小到17.2 m，便可滿足這個要求:

此時，房屋總建筑面積達1479 m2。也就是說，盡管建筑占地面積小了點，但總的建筑面積卻增加了。

2)圓柱形建筑。

一般別墅的總建筑面積希望能比剛才的矩形方案更小，若如此，體形系數(shù)是否就達不到小于0.3。從剛才的算例可知道，如果3層的矩形外形別墅尺寸小于20 m×20 m時，其體形系數(shù)確實不能小于0.3。所以既要蓋建筑面積更小的建筑，又要達到體形系數(shù)小于0.3，必須在建筑外形上動腦筋。

從幾何學中知道，圓是同樣長度線段所圍面積最大的形狀。所以，圓柱形的建筑是首先可以選擇的。圓柱形建筑體形系數(shù)的計算公式:

所以，高度H為10 m(3層樓高)的圓柱形建筑，體形系數(shù)要達到小于0.3，從計算公式可得，其半徑R應不小于10 m，或直徑D應不小于20 m。

這時三層的總建筑面積變成了940 m2，略小于1000 m2。20 m直徑，同樣可以加采光天井;有了采光井后，總的建筑面積還可更小。與長寬各20 m的矩形房屋比，圓柱形建筑中由于房間的分割往往不是方的，與人們的習慣以及家具形狀不太一致，所以建筑平面布置較困難，而且面積的利用率也較低一些。

3)半球體形建筑。

圓柱形建筑并不是外表面各與所圍體積之比最小的形狀，從幾何學上可以知道，球體形才是外表面與各所圍體積之比最小的形狀。所以可以設計半球體形狀別墅。

半球體形狀(蒙古包式)的建筑，體形系數(shù)公式:

簡化后:

所以，R≥10 m，就使直徑應大于20 m時，建筑體形系數(shù)才小于 0.3。

與圓柱形房屋比較，其占地面積直徑一樣，只是二樓、三樓的面積變小了，以每層層高約為3.3 m計算，二樓的半徑為9.4 m，三樓的半徑只有7.5 m，總建筑面積約769 m2。半球體建筑的建造難度增大很多，空間布置也較困難，但外觀別致。

4)加屋頂建筑。

眾所周知，球體是表面積與所圍體積比最小的形狀，球體的直徑需要20 m，那么何種外形既能使房屋的尺寸更小而同時又滿足體形系數(shù)小于0.3。筆者發(fā)現(xiàn)在房屋上再加個錐形屋頂或者半球形屋頂時，其房屋體形系數(shù)相較原來矩形要小。

例如在長寬均為18 m、高10 m的矩形房子上，加個頂高為3 m的四方錐體房頂，其體形系數(shù):

若將錐體房頂?shù)母叨仍僭黾樱潴w形系數(shù)還能更小。

而在矩形房屋上再加一個半球體屋頂，也一樣能減小建筑的體形系數(shù)。例如在長寬均為17 m，高為10 m的矩形房屋上再加一個直徑為15 m的半球體屋頂，這時其體形系數(shù)為:

當然，這時房屋成了有個大圓頂?shù)牧_馬式建筑，而且屋頂最高處高度達到17.5 m。

在建筑設計中這些屋頂下的建筑空間也可利用起來，自然其建筑面積也增加了。

以上提供的是幾個體形系數(shù)約為0.3的小型建筑的外形設計，這些尺寸也是小型建筑的極限尺寸，可供別墅等建筑設計參考。當然這些建筑的外形也可供大型建筑設計參考，以設計出體形系數(shù)特別小的節(jié)能建筑。

3 結(jié)語

本文通過多種建筑外形設計算例說明，要使節(jié)能型小型建筑達到體形系數(shù)不大于0.3的指標要求，并非不可實現(xiàn)，只需在建筑外形上進行優(yōu)化設計，則可以設計出既節(jié)能、外觀又別致的小型建筑。

[1]JGJ 26-95，民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住建筑部分)[S].

[2]DB 33/1015-2003，居住建筑節(jié)能設計標準[S].

[3]李 鋒.淺談節(jié)能在建筑單體設計中應注意的問題[J].山西建筑，2007，33(23):245-246.

[4]陳 聰.住宅節(jié)能設計中的體型系數(shù)[J].建設科技，2009(18):86-88.

[5]詹 林，余曉平.夏熱冬冷地區(qū)板式住宅體型系數(shù)分析[J].住宅科技，2007(7):11-15.

[6]叢 林.提高住宅建筑節(jié)能技術(shù)探討[J].江蘇煤炭，2004(3):67-68.