基于生態(tài)氣候?qū)W的建筑形式策略研究

摘要：為了更好的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，世界各國(guó)相繼提出了“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略。在這一模式影響下，生態(tài)氣候?qū)W的概念被廣泛運(yùn)用于當(dāng)今的建筑語(yǔ)言中，覆蓋諸多方面。本文通過(guò)對(duì)我國(guó)各個(gè)地區(qū)生態(tài)氣候策略的解讀，提出結(jié)合各個(gè)熱工分區(qū)的生態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展 生態(tài)氣候?qū)W 設(shè)計(jì)策略

1 研究背景

自1973年第一次全球性石油危機(jī)以來(lái)，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境成為全世界共同關(guān)注的話題。當(dāng)代建筑在建造的時(shí)候往往過(guò)分依賴當(dāng)代技術(shù)，忽略了自然環(huán)境的影響，而這又需要消耗大量的能源，結(jié)果是當(dāng)代建筑在一定程度上失去了調(diào)控環(huán)境的能力，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量也不是很好，而隨著能源消耗的增加環(huán)境問(wèn)題也在日益惡化。面對(duì)當(dāng)代建筑能耗大、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的特點(diǎn)，如何尋找更優(yōu)化、更合理的發(fā)展方向，如何與地方氣候等自然元素相結(jié)合成為未來(lái)建筑應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2 適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻慕ㄖ问讲呗?/p>

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50176—93）的規(guī)定，我國(guó)可劃分為以下5個(gè)氣候區(qū)（圖1）：即嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。這一分區(qū)反映了建筑熱工設(shè)計(jì)與氣候的關(guān)系，主要體現(xiàn)在氣象基本要素對(duì)建筑物及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱設(shè)計(jì)的影響。

2.1嚴(yán)寒和寒冷氣候地區(qū)的“封閉保溫+太陽(yáng)能利用”設(shè)計(jì)策略

在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，春、夏、秋三季的溫度比較適宜，基本上不需要使用過(guò)多的能源進(jìn)行室內(nèi)溫度和濕度的調(diào)節(jié)，因此，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的設(shè)計(jì)策略應(yīng)著眼于建筑的保溫和采暖。要做好保溫和采暖，不僅要防止熱量的散失，也要主動(dòng)的利用大自然中豐富的可再生能源——太陽(yáng)能，也即“封閉保溫+太陽(yáng)能利用”設(shè)計(jì)策略。

2.1.1 建筑的朝向、形體與布局

建筑的朝向、形體與布局直接關(guān)系到建筑的熱損耗，因此，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，除了要了解當(dāng)?shù)氐暮暧^氣候外，還要充分分析當(dāng)?shù)氐男夂颦h(huán)境，在此基礎(chǔ)上合理安排建筑的朝向、形體與布局。

位于澳大利亞獵人谷瓦塔岡森林的四重地平線住宅（圖2），由建筑師林塞·約翰斯敦設(shè)計(jì)。該住宅的設(shè)計(jì)完全是基于當(dāng)?shù)貧夂驐l件的設(shè)計(jì)策略。建筑體量被覆蓋在一個(gè)獨(dú)立的雙坡屋頂下面，由電鍍金屬制成的鋼結(jié)構(gòu)，模仿了典型的澳大利亞谷倉(cāng)的形式，在夏天室內(nèi)可以保持比室外低10℃，冬天則相反。

2.1.2被動(dòng)式太陽(yáng)能的利用

（1）特朗伯（Trombe）墻

這是法國(guó)學(xué)者Trombe等在1956年提出的一種方案，這種采暖方式（圖 3）主要依靠建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能。就是在直接受益式太陽(yáng)窗（頂部和底部分別開(kāi)有通風(fēng)孔，并設(shè)有可控制的開(kāi)啟活門）后面10cm左右筑起一道涂有深色的選擇性涂層的結(jié)構(gòu)墻。其工作原理是將帶有涂層的結(jié)構(gòu)墻作為儲(chǔ)熱工具。這種儲(chǔ)熱的結(jié)構(gòu)墻的材料一般為混凝土或?qū)嵭拇u墻，這些重質(zhì)量的墻體熱容大、惰性大，因此儲(chǔ)熱多、放熱慢，有利于減緩夜間室內(nèi)溫度的下降。

（2）水墻式集熱蓄熱墻

如果將上述儲(chǔ)熱材料用水代替就成為水墻式集熱蓄熱墻（圖4）。因?yàn)樗谋葻崾腔炷恋?倍，因此用水作儲(chǔ)熱材料也能達(dá)到同樣的效果。但水墻式集熱蓄熱墻運(yùn)行管理相對(duì)麻煩，我國(guó)較少采用。

（3）附加陽(yáng)光間式集熱蓄熱墻

這種太陽(yáng)房是直接受益和集熱墻技術(shù)的混合產(chǎn)物。其工作原理是在建筑物的南向附加一個(gè)玻璃罩著的陽(yáng)光間，陽(yáng)關(guān)間和室內(nèi)空間之間由墻或窗隔開(kāi)，利用這道墻或窗作為集熱構(gòu)件（圖 5）。這種形式的太陽(yáng)房通過(guò)陽(yáng)光間和室內(nèi)空氣的對(duì)流交換達(dá)到采暖的目的。陽(yáng)光間除了集熱保溫的作用外，還可以作為白天休息活動(dòng)場(chǎng)所或溫室花房。這種太陽(yáng)房適用于民用住宅，越來(lái)越受到人們的重視。

托馬斯·赫爾佐格（Thomas Herzog）設(shè)計(jì)了一棟位于雷根斯堡的住宅（圖6），該住宅以簡(jiǎn)潔的造型獲得了功能、技術(shù)、生態(tài)與美學(xué)的高度統(tǒng)一。建筑的屋頂以傾斜的、向南向的玻璃頂形式一直延伸到地面，有利于這一側(cè)的陽(yáng)臺(tái)與溫室，可以直接獲得太陽(yáng)的光和熱，尤其在冬季，可以有效的改善室內(nèi)的熱舒適環(huán)境。

2.2夏熱冬暖以及溫和地區(qū)的“通風(fēng)+遮陽(yáng)”設(shè)計(jì)策略

夏熱冬暖及溫和地區(qū)由于冬季溫度比較溫和，因此，可以不考慮其冬季的采暖，而主要考慮夏季的通風(fēng)和遮陽(yáng)，即“通風(fēng)+遮陽(yáng)”設(shè)計(jì)策略。

2.2.1建筑的自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量并獲得熱舒適的重要設(shè)計(jì)手段，在夏熱冬暖、溫和地區(qū)夏天的大部分時(shí)間內(nèi)需要依靠建筑的自然通風(fēng)來(lái)獲得較為舒適的熱環(huán)境。建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的效果，主要取決于風(fēng)速和流量，是熱壓和風(fēng)壓兩種作用的結(jié)果，風(fēng)壓通風(fēng)效果主要取決于外部風(fēng)環(huán)境以及進(jìn)出風(fēng)口的氣壓差，因此通風(fēng)效果不穩(wěn)定，而熱壓通風(fēng)是利用煙囪效應(yīng)原理進(jìn)行的通風(fēng)，其效果取決于進(jìn)出風(fēng)口的溫度差，其通風(fēng)效果比較穩(wěn)定，可以作為風(fēng)壓通風(fēng)的有效補(bǔ)充，既適用于建筑的平面設(shè)計(jì)也適用于建筑剖面設(shè)計(jì)。

柯里亞設(shè)計(jì)的位于印度孟買的干城章嘉公寓（圖7）利用兩層高的空中庭院將海風(fēng)引入室內(nèi)，通過(guò)建筑的躍層和夾層空間將風(fēng)分流吹向起居室和臥室，起到了良好的通風(fēng)降溫效果。

2.2.2建筑的遮陽(yáng)

在夏季需要降溫的夏熱冬暖地區(qū)和溫帶地區(qū)，遮陽(yáng)顯得十分重要，以避免過(guò)多的太陽(yáng)光熱輻射進(jìn)人室內(nèi)，有效地控制室外空氣溫度對(duì)室內(nèi)的不利影響。

在夏熱冬暖地區(qū)和溫帶地區(qū)的夏季，太陽(yáng)的人射角度較高，因而房屋的頂部遮陽(yáng)可以很好地控制房屋接收過(guò)多的太陽(yáng)輻射熱；對(duì)于南向（南半球?yàn)楸毕颍┓块g的遮陽(yáng)則需要水平遮陽(yáng)裝置，而對(duì)于東西向較低角度的陽(yáng)光，就需要豎向的或水平與豎向相結(jié)合的遮陽(yáng)裝置才能滿足遮擋的效果。

在楊經(jīng)文設(shè)計(jì)的自住住宅（圖8）中，其屋頂上設(shè)置了一個(gè)拱形的百葉混凝土傘狀屋頂，覆蓋了住宅原有屋頂?shù)氖彝饪臻g，傾斜的百葉可阻擋強(qiáng)烈的太陽(yáng)光入射，因而在屋頂形成一個(gè)溫度緩沖區(qū)，減少熱輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境的不利影響，同時(shí)又建立一個(gè)適合熱帶地區(qū)的獨(dú)特建筑形式。

2.3夏熱冬冷地區(qū)的“活動(dòng)通風(fēng)+活動(dòng)遮陽(yáng)+活動(dòng)保溫”設(shè)計(jì)策略

夏熱冬冷地區(qū)由于其氣候條件比較特殊，因此，其設(shè)計(jì)策略也比較復(fù)雜。在這些地區(qū)的建筑節(jié)能，既要做好夏天的隔熱與通風(fēng)，又要做好冬天的保溫與采暖。也即“活動(dòng)通風(fēng)+活動(dòng)遮陽(yáng)+活動(dòng)保溫”的設(shè)計(jì)策略。

由dRMM設(shè)計(jì)的位于英格蘭的薩福克郡的別墅，采用整體滑動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使墻壁和屋頂進(jìn)行整體移動(dòng)，以適應(yīng)不同季節(jié)和時(shí)段的不同的采暖、保溫和采光需要（圖9）。起到了很好的節(jié)能和調(diào)節(jié)室內(nèi)熱舒適度的效果。這一活動(dòng)外墻的調(diào)節(jié)能力很大，可根據(jù)季節(jié)和時(shí)段的需要調(diào)節(jié)外墻的形式，充分改變室內(nèi)熱環(huán)境和通風(fēng)狀況。

3 結(jié)論

氣候與資源，尤其是能源資源，是自然環(huán)境系統(tǒng)作用于建筑并影響建造方式選擇的兩個(gè)重要因素。在環(huán)境問(wèn)題給人類施加的巨大壓力下，隨著可持續(xù)發(fā)展思想日益得到重視，不考慮氣候因素，高能源消耗的建筑設(shè)計(jì)觀應(yīng)徹底改變。要應(yīng)對(duì)當(dāng)今所面臨的環(huán)境問(wèn)題，建筑設(shè)計(jì)必須要尊重生態(tài)環(huán)境，關(guān)注氣候條件，向生態(tài)氣候?qū)W建筑方向發(fā)展。

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