生物氣候型建筑設計方法量化輔證

【摘 要】本文基于我國南亞熱帶氣候區，以筆者運用生物氣候型建筑設計方法完成的居住建筑設計方案為研究對象，結合分析軟件，通過氣候、遮陽、采光以及舒適度等多項分析，試圖論證生物氣候型建筑設計方法在降低建筑能耗、提高舒適度與健康度、以及生態修復方面切實可行。對于優化現今普遍的建筑設計方法具有積極作用。

【關鍵詞】生物氣候型建筑；設計方法；軟件分析；輔證

1、前言

生物氣候型建筑指的是，結合建設地的氣候條件，選用相適應且具有一定生態修復功能的被動式設計策略所設計建造的建筑。此類建筑運行過程中耗能低、能源使用率高，對建筑周邊的微氣候具有調節作用，提供健康的建筑環境。

筆者運用Autodesk Ecotect Analysis 2011分析軟件，分別載入《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》（CSWD）中的廣州、深圳、南寧、梧州（南亞熱帶氣候區代表城市）四地的氣象數據進行分析，得出南亞熱帶氣候區適用的建筑設計策略應為：

被動式太陽能采暖+自然通風+被動式蒸發降溫+設備調節（空調、供暖）。部分地區（氣

溫日較差較大）夏季降溫適用夜間通風策略；全年濕度大的沿海城市不宜采用蒸發降溫。

本文依據此氣候分析結果對設計完成的混合式住宅進行量化分析，并從氣候適應性、被動式建筑設計策略以及舒適度等多方面，與常規的住宅設計進行對比。

2、居住建筑設計方案比較

居住建筑在擁有著13億人口的中國來說是不可或缺的大量性建筑，從某種意義上說，居住建筑不僅是人們安居所需，更是體現社會公平性的重要因素。筆者針對目前國內住房緊張以及居住隔離等現象，運用生物氣候型建筑設計方法及原理，提出混合居住模式的高層住宅構想方案。（圖1）

2.1、設計理念

居住隔離是指由于種族、宗教、職業、生活習慣、文化傳統、財富或是社會階級等原因，導致特征類似的人群聚居在特定空間（范圍）內，與不相類似的人群彼此隔離，甚至歧視、敵對的態度。相關研究指出，現階段我國城市中居住隔離的主要成因，是住房供給市場化下對家庭收入的制約。而相對于外來人口與城市低收入人群而言，戶籍制度與住房保障政策，更是讓民眾望房輕嘆。

圖1 混合式居住建筑整體效果

當前以各個不同的社會階層為基礎所形成的居住隔離尤為突出：

（1）富裕階層通過經濟與擁有社會資源上的差距，形成準入性相當高的生活圈子。

（2）中產階層居住在自為政的單元體里，并被不同的空間形式隔離，鄰里關系淡漠。

（3）外來人口聚居在城郊結合處的廉價房、城中村中，遠離中心城區，地理上形成隔離。城市低收入人群原來聚居的舊城區多數被拆遷改造，安置地多半遠離原來住地，原有的鄰里關系被瓦解。

解決居住隔離問題最終是要形成運行良好的鄰里系統，而鄰里關系的形成是前提。鄰里關系并不是設計師所能創造的，而是由彼此認識的居民共同形成的人際關系網絡。設計師在這其中扮演的角色是居民交流平臺的搭建者。反觀現今常規的住宅設計，就建筑本身而言，除了候梯廳，幾乎不存在居民彼此交流的功能空間。而多作為消防前室的候梯廳能夠聯接的居民數十分有限。高人工維護的地表花園設計被大量地采用在各個居住小區中，這也是居民間唯一存在的交流平臺。

筆者提出的混合式居住方案為由兩邊對稱的“一梯四戶”拼接而成的“兩梯八戶”（圖2），共32層的高層住宅建筑，建筑高度99.500米，單棟總建筑面積3514.67平方米，單棟建筑占地面積1032.879平方米，套型配比及其面積指標見表1。（讀者可根據文中各個平面圖與表中相對應的顏色查看各套型的相關信息。）

2.2、設計方案

設計以每四層為一個單元，進行豎向的單元層疊（圖3）。將花園引入單元中使其成為具有居民交流與共享功能的空中“綠色空間”。居室圍繞著交流空間三面布置，與電梯井相結合，頗有四合院的格局（圖2）。這樣的交流空間較于地表花園縮小了聯接范圍（方案中聯接14戶），與居室的聯接更為緊密（圖4、圖5），更有利于鄰里關系的形成。再者，立體綠化將“綠色空間”引向空中，更貼近居室之余，也將調節微氣候、修復城市生態環境的功能帶上了城市的高空。此舉帶來的生態效益，是原來停留在地平面的綠化設計無法達到的。

表1 套型配比及其面積指標

套型

建筑面積（m2）

套內使用面積（m2）

陽臺面積（m2）

數量（套）

占比（單棟）

一室戶型

59.32

50.24

4.07

108

47.37%

二室戶型A

66.97

55.84

7.58

32

14.35%

二室戶型B

75.26

64.38

4.05

28

12.28%

三室戶型

85.58

74.01

5.84

32

14.35%

四室戶型

141.27

120.80

13.76

28

12.28%

注：1、表中建筑面積包含一半的陽臺面積，套內使用面積不包含陽臺面積。

2、四室戶型實為一室戶型與三室戶型組合而成，二者可靈活轉換。

圖2 標準層1平面圖

（淡藍色：一室戶型；淡黃色：二室戶型A。序號：1-起居室；2-餐廳；3-臥室；4-廚房；5-衛生間；6-陽臺；7-交往空間[擴大消防前室]；8-共享空間[露臺]；9-立體綠化。）

圖3 南（北）立面圖

（淡藍色示功能單元，洋紅色示立體綠化）

圖4 1-1剖面圖（交流示意）

圖5 2-2剖面圖（交流示意）

3、量化比較

本文選取《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》（CSWD）中的廣州氣象資料作為本次研究的氣象數據。選取（圖6）較為常見的住宅設計作為比較對象，并做出以下分析比較：

3.1 采光與通風

采光與通風作為住宅建筑設計質量的基本衡量項，是保證居住者身心健康最基本的條件，住宅建筑均應滿足這一要求。根據《建筑采光設計標準》GB/T 50033——2001的相關規定，廣州位于光氣候分區III區，光氣候系數K=1。居住建筑采光系數最低值要求起居室、臥室等主要使用空間為1，衛生間等輔助空間為0.5。以此為標準對兩項建筑方案進 行自然采光模擬，計算面選取為當前層樓板上表面標高加0.90M處（圖8）。圖中從冷色調至暖色調所代表的數值依次升高，設定采光系數下限為1（藍色區域），不滿足的區域會被自動去除（圖中無圖例填充的空白處）。

圖6 對比住宅平面圖（10-入戶陽臺）

圖7 標準層2、3、4平面圖（序號參圖2）

從圖8中可以看出，方案建筑中各戶型除衛生間與過道的自然采光系數不足1以外，其他功能空間均能滿足規范要求。交流空間、樓梯間采光良好。比較建筑戶內采光狀況與方案建筑大致相同，但可看出，其樓梯間窗戶遠端自然采光不佳。日間使用仍需人工照明輔助。值得一提的是，現今有些高層住宅設計中，設計封閉樓梯間，甚至連電梯前室也無自然采光。本文提及的兩項設計較之可省日間人工照明與正壓送風設備的能耗與成本。

通風方面，方案建筑南北布房，與比較建筑相比，戶型內穿堂風難以實現，但戶型進深均為6米、7米，進深尺寸不大，通風狀況并不會太差。另外，方案建筑戶型雖缺少穿堂風組織，但通過中庭與露臺的組織，可形成圍繞戶型的氣流，即從標準層1的交流空間采光口進風，利用“煙囪效應”中庭拔風，在標準層4設出風口。利用此舉，夏季降低戶型中庭一側外墻外表面的溫度，減少戶型得熱，同時提高交流空間的夏季舒適度。

圖8 自然采光分布圖

圖9 最熱月（6-9月）日均直射輻射分布圖

圖10 建筑體量遮陽示意圖

3.2、適應氣候的被動式設計

在南亞熱帶氣候條件下，建筑全年運行中最大的矛盾是夏季過熱問題，其次需要解決的是冬季舒適性。在筆者提出的方案中，解決主要矛盾夏季過熱的被動式措施有以下三點：

（1）基于筆者運用Autodesk Ecotect Analysis 2011軟件得到的氣候分析結論，在建筑東、西兩側會引起建筑過熱的朝向布置輔助用房，以降低太陽直射輻射對主要使用空間的影響（圖2、圖7）。圖9中，設定直射輻射量下限為200Wh ，不滿足的區域會被自動去除（無圖例填充處）。由于利用了樓梯間與電梯井遮擋東、西向的直射輻射，方案建筑中，各戶型的外墻接收到的東、西向太陽直射輻射量均不足200Wh ；而比較建筑缺少這一考慮使得戶型中的臥室外墻直接遭受直射輻射的烘烤。兩種設計對于室內得熱量的影響不言而喻。

（2）利用建筑自遮陽遮蔽、降低窗戶與外墻接收的直射輻射。圖10為8月30日（氣象資料中全年平均最熱日）典型時間段兩項設計南向的遮陽效果比較，方案建筑的遮蔽情況明顯優于比較建筑，比較建筑除了陽臺挑板可以進行自遮陽，凸窗近乎無遮陽狀態。圖9中，方案建筑充分考慮了建筑的體量遮陽，南向戶型內絕大部分區域最熱月日均直射輻射量不足200Wh ；而比較建筑的南向戶型中，僅有朝北的臥室直射輻射量低于200Wh ，南向的臥室、起居室等空間深受直射輻射的影響。

（3）均勻布置的立體綠化設計進一步降低太陽直射輻射的不利影響，同時利用植物蒸騰作用與呼吸作用，進行降溫與吸收一定量的碳排放。

綜合以上三點被動式設計，對兩棟建筑作太陽輻射得熱量分析比較：

圖11為兩棟建筑夏季（6、7、8、9月）被動式得熱組成分析，圖中黃色為太陽直射輻射得熱，紅色為導熱得熱（即圍護結構得熱），藍色為區域間得熱。從圖中可以看出，方案建筑中占比最大的得熱方式是導熱得熱，達51.2%，其次是占24%太陽直射輻射得熱；而比較建筑中占比54.2%的是太陽直射輻射得熱，導熱得熱為34.5%。且方案建筑總體得熱量低于比較建筑，峰值差值接近100Wh/m2（此數值僅供方案階段參考）。

表2為全年最熱日（平均）太陽輻射逐時得熱量，表中選取兩棟建筑標準層的西南戶型（過熱影響最大的位置）作為分析對象，采用相同的熱工設計，已去除得熱量為零的時間段。8月30日為氣象資料中全年最熱日（平均）。

可見方案建筑基于氣候主要矛盾的被動式設計能有效降低最熱月太陽輻射的過熱影響，從而降低建筑的得熱量，有利于縮短夏季制冷時間與降低空調降溫能耗。

圖11 全年最熱月（6、7、8、9月）得熱組成分析圖

表2 房間全年最熱日（平均）太陽輻射逐時得熱量

太陽輻射逐時得熱量——8月30日（單位：Wh）

時間

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

總計

方案建筑

65

152

221

292

370

394

540

559

272

357

104

28

3355

比較建筑

144

336

487

642

815

869

1556

1772

600

1802

228

61

9312

注：得熱量還包括導熱得熱、通風得熱等多項，此表數據僅為太陽輻射得熱量。

4、結語

通過上述量化對比可以看得到，基于氣候分析基礎，針對當地氣候特征運用適應性的被動式設計策略，能夠有效地減緩建筑與氣候的主要矛盾，提升建筑在極端氣候環境下的舒適度與能源效率。而適應氣候正是生物氣候型建筑的核心所在。筆者希望通過這一案例的介紹，能夠引起設計師在建筑創作時對氣候因素的重視，改變忽視氣候與地域因素的設計模式。

參考文獻：

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