基于人居環(huán)境的住宅自然采光策略淺析

李 蒙，沈上滿，楊 悅

(1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311;2.第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安 710000)

二戰(zhàn)后(1945年)，希臘著名城市規(guī)劃學(xué)家道薩迪亞斯等人創(chuàng)立了人類聚居科學(xué)理論，由此誕生了人居環(huán)境科學(xué)。該學(xué)科主要研究如何讓人與自然、建筑與環(huán)境之間達(dá)到和諧的狀態(tài)以及可持續(xù)的發(fā)展。近年來，伴隨著科技的持續(xù)發(fā)展，人類的居住環(huán)境質(zhì)量反而沒有得到顯著改善，而自然資源的消耗卻日益增加。據(jù)資料顯示，城鄉(xiāng)建設(shè)和住宅收益占全球經(jīng)濟(jì)總量的10%，卻消耗了多達(dá)30%的自然資源。除此之外，建筑能源利用率低、浪費(fèi)較嚴(yán)重。尤其在我國，建筑單位面積采暖能耗是發(fā)達(dá)國家的3 倍之多。這就亟需既能夠適應(yīng)環(huán)境、能耗低、污染小，又能有效提高人居環(huán)境質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)。

自然光是住宅可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)非常吸引人的切入點(diǎn)，合理運(yùn)用自然采光能夠有效提高居住質(zhì)量，并降低能耗。本文通過分析自然采光的特點(diǎn)，結(jié)合具體的住宅設(shè)計(jì)實(shí)例，探討自然采光在營造高質(zhì)量居住環(huán)境方面的重要作用。

1 自然采光與住宅的舒適性

住宅需要一個(gè)保證人們進(jìn)行正?；顒?dòng)的照明環(huán)境。一個(gè)高質(zhì)量的居住環(huán)境需要保證人們視覺的舒適性。視覺舒適程度與光線質(zhì)量和照明量兩個(gè)方面有關(guān)。這兩個(gè)因素若選擇不適當(dāng)就能引起壓力過大、頭疼、眼睛疲勞等常見的問題。由此可見，良好的采光設(shè)計(jì)對于人居質(zhì)量有著重要的意義。

高質(zhì)量的人居環(huán)境與采光的舒適性要求密切相關(guān)。作為與人的活動(dòng)密切相關(guān)的住宅，舒適性通常意味著明亮、溫暖。地區(qū)氣候的迥異也使得不同氣候地區(qū)住宅建筑的自然采光大不相同。炎熱干旱地區(qū)運(yùn)用自然光是為了減少熱量，避免眩光，為人們創(chuàng)造舒適的環(huán)境并躲避太陽的強(qiáng)烈照射。炎熱潮濕地區(qū)的氣候則需要大量的通風(fēng)，并對直射自然光進(jìn)行控制。而寒冷地區(qū)則必須與強(qiáng)烈的季節(jié)性溫差相適應(yīng)。

著名建筑師賴特設(shè)計(jì)的雅各布2號(hào)住宅(圖1)便是作為吸收太陽能的半圓體體量來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。微彎的平面和巨大的南向玻璃窗考慮了冬季的照明和采暖，而巨大的懸挑屋頂則控制著夏季的直射陽光。地面和北墻都設(shè)計(jì)了龐大的蓄熱體。當(dāng)冬季來臨的時(shí)候，通過白天的陽光蓄熱，在夜晚的時(shí)候再釋放出來。建筑的北側(cè)伸入到山體之中，以獲取更多的熱量積蓄。夏季，可通過穿堂風(fēng)降低室內(nèi)溫度。類似的建筑形式卻以不同的方式運(yùn)用在布魯?shù)略O(shè)計(jì)的位于美國菲尼克斯州的特于爾住宅上(圖2)。在炎熱干旱地區(qū)，如何控制直射陽光是需要考慮的最主要問題。半圓形平面被旋轉(zhuǎn)了180°角，將巨大的玻璃窗避開太陽的直射而引向遠(yuǎn)處的景致。窗戶朝向北面以躲開直射陽光，并安裝了百葉窗來進(jìn)一步遮護(hù)。在夏季，隨著太陽運(yùn)行到住宅的北部，百葉窗就可以阻止陽光的進(jìn)入。布魯?shù)聦⑿顭狍w設(shè)置在建筑的南側(cè)而非北側(cè)。它吸收熱量以防止室內(nèi)溫度過高。雅各布2號(hào)住宅考慮的是如何引入陽光來創(chuàng)造舒適的環(huán)境，而特于爾住宅則在盡力避免陽光。

圖1 雅各布2號(hào)住宅

圖2 特于爾住宅

在炎熱潮濕的氣候環(huán)境中存在著各種自然采光的方法。澤西·德威設(shè)計(jì)的棕櫚住宅坐落在美國加州南部，就像特于爾住宅一樣，盡可能地避免陽光的直射。住宅窗戶的大小和位置都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，從而避免了陽光的直射并最大限度地引入自然風(fēng)，以期達(dá)到降溫的目的。巨大的懸挑屋頂可以一整年避免陽光的直射，窗戶位置則朝著主導(dǎo)風(fēng)向。該建筑在一層安排工作室，起居室則布置在二層，頂層設(shè)計(jì)了一間書房。這座住宅的形狀經(jīng)過精心設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)了對自然光的控制和非直射照明。

2 強(qiáng)化人與環(huán)境的聯(lián)系

自然光是決定人與建筑之間的關(guān)鍵因素，影響著室內(nèi)外的聯(lián)系、建筑與自然的交流。賴特在《自然住宅》中提出:“當(dāng)大自然借助玻璃使花園變?yōu)榻ㄖㄖ優(yōu)榛▓@時(shí)，在室內(nèi)就可以清晰地感受到晨曦之美，天空和大地共同成為室內(nèi)日常生活的一部分?！捎谑褂貌ＡУ木壒?，墻變成了窗戶，而我們熟悉的，嵌在墻洞中的窗戶則消失了。”通過窗戶，人們可以感受到光的溫暖、風(fēng)的輕拂和各種聲音。格倫·穆爾庫設(shè)計(jì)的兩座住宅向人們展示自然光是如何完成人與自然的溝通。

圖3 賓吉波音特住宅

圖4 賓吉波音特住宅平、剖面

賓吉波音特住宅和帕丁頓住宅是為同一業(yè)主設(shè)計(jì)的。其中賓吉波音特住宅是穆爾庫設(shè)計(jì)中最親切而雅致的作品之一。這棟建筑是為一個(gè)家庭去悉尼西部的海岸地區(qū)度假而設(shè)計(jì)的。該地區(qū)地表荒涼，小湖泊、草地和裸露的巖石組成了近郊的地貌(圖3)。而地平線和開闊的景色則是主要的風(fēng)景。這棟住宅旨在把握在這種環(huán)境中野營的特殊感受。這座直線形的房子位于一條東西軸線上，北臨一片小湖泊，并可遠(yuǎn)眺海岸，建筑的各個(gè)體量之間通過牢固的節(jié)點(diǎn)連接，足以抗拒大風(fēng)，同時(shí)建筑朝向北面，陽光照射充足(圖4)。建筑北面的大型玻璃窗使主人可以享受到海岸輕拂的微風(fēng)和北面和煦的陽光，欣賞對面湖泊的風(fēng)景，傾聽海浪和風(fēng)聲交織的美妙旋律。曲線形的屋頂和南面墻上的通風(fēng)窗使交織在一起的光線通過凸起的頂棚反射到下面的服務(wù)區(qū)。來自北面房間輕柔的光線通過高窗射入到走廊和南面服務(wù)區(qū)域。光線的引入和高窗的運(yùn)用強(qiáng)化了建筑內(nèi)部的空間感，并在視覺上將室內(nèi)外連通起來。

與南面柔和的光線不同的是，北面的自然光活躍跳動(dòng)。陽光透過安置在北面的水平遮陽設(shè)施所形成的復(fù)雜的光影圖案把人們的注意力吸引到建筑內(nèi)部空間。不同的風(fēng)景都被細(xì)心框定在住宅的不同地方，包括客廳外開闊的景觀，北面的山坡以及東西幾個(gè)入口進(jìn)入建筑時(shí)形成的空間層次感，創(chuàng)造出充滿質(zhì)感的人與自然的美妙聯(lián)系(圖5)。

圖5 賓吉波音特住宅露天平臺(tái)

穆爾庫設(shè)計(jì)的另一座住宅帕丁頓住宅(圖6)臨近悉尼。住宅采用錯(cuò)層式結(jié)構(gòu)，有三個(gè)主要空間:在后花園齊平處是一片大的起居空間和廚房，在與街道持平處是入口和客房臥室，而起居室和花園上方則是主臥室(圖7)。盡管城市的場所往往受到約束，但帕丁頓住宅的規(guī)模和外形仍然營造出各種不同的光環(huán)境。因?yàn)榭可?，錯(cuò)層次建筑可以敞開空間，吸收東北方向的自然光。主要的客廳和臥室都 靠近建筑后部，面朝清晨和正午的太陽。在與入口水平面齊平處，主臥室和客房之間設(shè)有一扇天窗。光線可以通過這個(gè)天窗照射到室內(nèi)深處。水平天窗過濾的光線越過隔離墻投射到每間臥室里。此外，經(jīng)過過濾的柔和光線通過通風(fēng)口進(jìn)入客廳。在樓上，在主臥室設(shè)置有外伸屋檐，冬季自然光可以深深地投射進(jìn)室內(nèi)，而夏天又可以用來遮陽。在一天不同時(shí)段和一年不同季節(jié)，直射和折射的光線交替照射著建筑。

圖6 帕丁頓住宅外觀

圖7 帕丁頓住宅平、剖面

兩個(gè)位于不同水平面的露天平臺(tái)是從起居空間向外延伸形成的，第一個(gè)露天平臺(tái)緊靠住宅，并有一部分與臥室陽臺(tái)連接。這一露天平臺(tái)裝有一個(gè)可調(diào)節(jié)遮陽篷，留下一片清涼陰影和點(diǎn)點(diǎn)光斑。第二個(gè)露天平臺(tái)的水平位置比客廳高出幾步臺(tái)階。這是一個(gè)由矮墻和植物圍合的大型室外空間，可坐觀太陽和天氣變化。而第三個(gè)室外空間是一個(gè)靠近主臥室的小型半封閉陽臺(tái)，由垂直翼墻和大型懸垂屋檐圍合而成。在每一個(gè)戶外空間都有不同的自然體驗(yàn)，從明亮、開放的空間到陰涼的樹蔭。即便在擁擠的城市環(huán)境中，穆爾庫仍然讓住宅空間開敞以接受自然的觸摸，而自然采光則強(qiáng)調(diào)著人與自然的密切聯(lián)系。

3 自然采光與住宅節(jié)能

自然采光的運(yùn)用是一種獲得高效照明的手段。但如果進(jìn)行進(jìn)一步研究的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)它具有更為廣泛的節(jié)能潛力，包括被動(dòng)式太陽能等可再生清潔能源的運(yùn)用。而對于住宅來說，節(jié)能的策略主要體現(xiàn)在太陽能的被動(dòng)式運(yùn)用。被動(dòng)式太陽能是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建材和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，儲(chǔ)存太陽能，從而解決住宅的采暖問題。坐落在加州蘭斯海的布魯塞爾住宅就是采用被動(dòng)式太陽能的住宅典型實(shí)例(圖8)。它由奧比·G·鮑曼設(shè)計(jì)。外形由當(dāng)?shù)氐娜照諚l件、氣候和場地共同確定。即使這片濱海地區(qū)經(jīng)常被陰云所籠罩，但自然采光的運(yùn)用卻使得其達(dá)到了非常好的節(jié)能效果。

圖8 布魯塞爾住宅外觀

該場地坐落在一片昂貴的草地上，地形輕微起伏，可俯瞰太平洋。由土層覆蓋的下凹結(jié)構(gòu)向北伸展，屋頂鋪種著草皮。兩側(cè)的臥室從南側(cè)中心處的起居室分別伸向北方和東方。每一方向的側(cè)翼上安設(shè)的天窗都可以獲得照明和欣賞天空的景觀效果。與有覆蓋層、頂部采光的側(cè)翼不同的是，起居室?guī)в写竺娣e的南向窗戶，既引入場地的自然景致，又保證了自然光的獲取。混凝土板鋪砌的地板上以磚作為面層，為被動(dòng)式采暖提供蓄熱體。安裝在陽臺(tái)南側(cè)的太陽能板可用于燒水以及地板的輻射取暖，而在陰天的氣候條件下，燃?xì)獾臒彷椛湎到y(tǒng)又將作為被動(dòng)取暖系統(tǒng)的補(bǔ)充。內(nèi)部百葉窗可以進(jìn)行微調(diào)，以納入或阻止陽光的直射。由于草皮屋頂掩蓋了整個(gè)建筑物，所以南側(cè)部分好像是從場地里生長出來的一樣。一座室外陽臺(tái)凹陷在起居室外的場地里，形成了一個(gè)自然光充足、具有私密性的空間。建筑的形式和體量都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，自然采光得以實(shí)現(xiàn)，從而滿足了住宅節(jié)能的效果。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對住宅人居環(huán)境質(zhì)量的要求也將會(huì)日益提高。在當(dāng)前能源緊缺的情況下，在住宅設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)既符合可持續(xù)發(fā)展的原則，又要利于人居環(huán)境質(zhì)量的提高。作為一種適宜技術(shù)，自然采光有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。我們可以預(yù)見，自然采光將在營造高質(zhì)量居住環(huán)境上發(fā)揮更加巨大的作用。

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