基于風環境影響的東北寒地被動式建筑設計策略探析*

馮子炎，張天一，韋寶畏

（吉林建筑大學建筑與規劃學院，吉林 長春130118）

基于風環境影響的東北寒地被動式建筑設計策略探析*

馮子炎，張天一，韋寶畏

（吉林建筑大學建筑與規劃學院，吉林 長春130118）

針對東北嚴寒地區建筑室外風環境特征，以“被動式建筑設計”理念為指導，分析了室外風環境對建筑群體布局設計和高層建筑設計的影響，提出了建筑點線排列組合、避免下沖氣流、避免風旋、避免風漏斗效應等建筑總體布局設計策略和設置貫通的洞口、立面設計和豎向綠化等高層建筑防風設計策略方面，以期能為東北寒地建筑設計和建筑節能提供有益的參考和借鑒。

寒地；建筑節能；風環境；建筑布局；高層建筑

在能源短缺危機日益顯現和國家大力提倡節能減排的背景下，如何協調人們對建筑室內環境舒適度要求日益提高的要求和盡可能降低建筑能耗的矛盾，是當今每位建筑師必須認真考慮和選擇面對的現實問題。因此，在建筑設計中運用“被動式建筑設計”策略，成為降低建筑能耗，提高建筑室內環境舒適度的一條必由之路。為此，筆者以建筑節能為根本出發點，以“被動式建筑設計”理念為指導，重點探討東北嚴寒地區建筑室外風環境對建筑設計的影響，并就建筑群體布局和高層建筑的防風設計提出相應的策略，以期能為東北寒地的建筑設計與建筑節能提供一定的參考和借鑒。

1 相關概念界定

東北地區是指中國的遼寧、吉林、黑龍江三省以及內蒙古自治區的東部和東北部地區。該地區屬大陸性季風氣候，冬季漫長而嚴寒，年最低氣溫能達-40℃左右，夏季炎熱而干燥，冬夏溫差大，最冷月的平均溫度和最熱月的平均氣溫溫差多在33℃以上，極端溫度差（指極端最低和極端最高）更大，寒暑變化明顯。按照我國現行的《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-93）的規定，該地區屬嚴寒建筑氣候區的范圍。該地區夏季炎熱、冬季嚴寒的氣候特點，致使該地區冬季建筑采暖和夏季建筑降溫所需的能源（煤炭、電力）消耗驚人，給當地居民工作環境的改善和生活質量的提高造成很大影響，而且還造成城市環境污染的日益加劇。

“被動式建筑設計”的概念是由印度理工學院教授Narenda K.Bansal所提出，其內涵系指在適應地區氣候地理特點，盡量不依賴常規能源消耗的前提下，試圖通過建筑朝向和周圍環境的合理配置，內部空間和外部形體、色彩的巧妙設計，以及建筑材料的組合、構造措施恰當，并緊密結合建筑構配件設計一些非常規能源的采集、使用裝置，來達到建筑物冬季采暖、夏季致涼的效果，創造健康舒適的室內熱環境的設計方法。

2 風環境對建筑設計的影響

建筑室外風環境對建筑室內外空間環境的舒適度以及建筑本身的能源消耗都有很大的影響。尤其是東北嚴寒地區冬夏季節建筑室內的防寒保溫與通風散熱都會不同程度受到建筑室外風環境的影響。所以一個好的建筑設計應該充分考慮室外風環境對建筑本身的影響，以創造和優化舒適的室內外微氣候環境作為主要目的之一，同時還要兼顧建筑的節能降耗。一般來說，一個地區的主導風向會直接影響到該地區建筑物的朝向選擇與建筑群體的布置。反過來，建筑群體的布置方式、單體建筑的造型、體量和尺度乃至于附近地區的地形、地貌都會對近地風的風向和速度產生很大的影響。如果出現較大的風流時，在建筑的某些部位會出現更為劇烈的強風，如果這些強風出現在建筑物入口、露臺、通道等人流量密集的場所，則會使人感到十分不舒適，而且會加大建筑的熱損失。

此外，隨著現代城市人口比例不斷的增加和建筑技術的日漸提升，建筑的高度也在不斷攀升，對東北嚴寒地區高層建筑而言，受建筑室外風環境影響而損失掉的能耗約占空調總能耗的40%左右，所以處理好高層建筑設計與室外風環境的關系就顯得十分重要。高層建筑的室外風俗稱“高樓風”［1］。根據伯努利流體力學原理，氣流首先遇到建筑的迎風面而受到阻力，下降風流的部分動能變為靜壓，大氣壓因小于建筑迎風面的壓力從而形成正壓：在側風面、背風面因氣流環繞過程中形成空氣稀薄現象，大氣壓力大于該處壓力從而形成負壓，氣流在這兩種氣壓差的影響下加速并改變流程便產生了高樓風。換句話說，即是高層建筑高聳的尺度改變了自然風的流向，在較大程度上改變了建筑周邊的風場，高樓風便隨之產生了［2］。高層建筑風根據氣流運動方向總體上可以分為分流風以及回流風兩種類型。其中分流風又可分為邊角側風、下沖風、開口部風、穿堂風等?；亓黠L則可分為迎風面逆風和風影區渦流。高樓風是由原來的風通過氣壓差的原理加速而產生的，一般會產生強烈的下沖風和邊角側風等，給處于高樓底部的行人造成很大的威脅，尤其是在嚴寒地區會給人帶來極為不舒適的感覺，還有穿堂風、邊角風等都會增加高層建筑的能耗。

3 結合風環境的建筑設計策略

筆者認為：要營造出一個良好的建筑室外風環境，就必須通盤考慮進行因地制宜的建筑總體布局設計。對高層建筑設計而言，關鍵是減小風在高層建筑表面的流速，進而減小高樓風的不利影響，從而達到建筑節能和增強室內外環境舒適度的目的。下面就東北寒地建筑群體布局設計和高層建筑防風設計策略做一番探討。

3.1 建筑總體布局設計策略

3.1.1 建筑點線排列組合

在進行寒地建筑設計時，首先要根據日照角度和太陽輻射方向去布置建筑的最佳朝向，然后再考慮當地的主導風向，但是一般建筑的朝向會與主導風向之間形成一定的夾角。如果只考慮一棟建筑的風環境問題的話，自然是建筑本身與主導風向之間形成垂直關系效果最好。但如果總體考慮建筑群體，這樣布置方式就很難適用。通常把建筑群體布置成一個合理的角度，以便讓其中大部分建筑都可獲得較為滿意的風環境。在進行建筑群體布置時要注意點線型建筑的搭配組合，一般把點形建筑放在朝向較好的方向，而將線形建筑布置在點形建筑的后面，這種布置方式有利于建筑群體之間的空氣流通和爭取良好的日照。以吉林省省會長春市某居住小區規劃設計為例，因為長春地區氣候屬溫帶大陸性季風氣候，夏季短暫而濕熱，冬季漫長而干冷少雨。年均氣5.8℃，夏季最高氣溫34.6℃，冬季最低氣溫可以達到-36.4℃，全年盛行風向為西南風，冬季主要影響風向為西北風。因此在住宅群體布局設計中不應將住宅相對長的一邊與夏季主導風向垂直，這會在一定程度阻擋建筑的通風散熱，同時影響后排建筑的通風。一般說來，可將點式住宅群體布置在面臨夏季主導風向的位置，這樣有利于自然通風，同時盡量讓線形住宅布置在冬季主導風向來臨方向以阻擋住寒風（如圖1所示）。

圖1 建筑群體布局示意圖（作者自繪）

3.1.2 避免下沖氣流

如果在組合建筑群體時，建筑物之間的高度和間隔都相近時，就不會產生下沖氣流等現象。若是一棟建筑的高度遠遠超過其它建筑的高度時，它將會形成巨大的下沖氣流。當許多棟建筑組合時，如果在朝向地區主導風向的地塊留下空地時，這種布局會給其他的建筑群體帶來不利的影響，會造成一定的下沖氣流，這些強氣流與周圍水平方向上的風流形成渦流以及高速風，風壓效果因此加大，也同時造成熱損失加大，不利于降低建筑能耗，因此，這種建筑群體的布置方式也應盡量被避免。如圖2所示。

圖2 下下沖氣流效果示意圖

3.1.3 避免風旋

當一起布置高層建筑與低層建筑時，當建筑群受到冬季季風的沖擊時，這種布局方式會形成較為大的湍流，也就是人們所說的 “風旋”（如圖3所示）。這種風旋現象也會使風壓加大，從而增大建筑的能耗損失。因此，在建筑群體布局設計時，就應該避免由于建筑阻擋而造成不良風環境的問題，盡可能將相對低的建筑沿夏季主導風向布置在建筑群周邊，而相對高的高層建筑物應遠離地區主導風向，避免遮擋自然風的流向，并將其布置在冬季主導風向，從而實現對冷風的有效阻擋，在一定程度上減少建筑室內熱量的散失。

圖3 風旋效果示意圖

3.1.4 避免風漏斗效應

在規劃各棟建筑的位置時，若將高度相近的建筑物布置在道路的兩側，同時再布置一些寬度是高度的2～3倍的長條形建筑后，這種布局會形成風漏斗效應（如圖4所示）。風漏斗效應可將周圍風流聚攏高速通過街道口，一般會將周邊風速提高30%，從而加劇建筑熱能損失，所以應盡可能避免這種布局方式。另外，可在建筑物前面設置綠化，主要是種植一些喬木、灌木等，在保證正常通風條件下可對風速起到一定的延緩作用，從而降低東北嚴寒地區建筑的能耗。

圖4 風漏斗效果示意圖

3.2 高層建筑防風設計策略

3.2.1 貫通的洞口

在高層建筑設計時，可以控制體形來達到減少高樓風影響的目的。在考慮建筑體塊間的關系時，可在體塊中留下一個貫通的洞口，這樣可改變建筑迎風面各方向風的流向，而預留的空洞方便了高樓風順利通過，避免自然風直接撞擊上建筑迎風面而分解產生下沖風和兩側風向，從而減弱高樓風對建筑物底部和兩側的不良影響。在高層建筑中間做貫通洞口處理的經典案例為丹下健三設計的NEC大廈。在設計之初，讓該高層建筑適應室外風環境是其形體生成的主要依據。他在建筑中間設計了一個橫向貫通的洞口（如圖5所示），從而打破了摩天樓在迎風面的封閉性，緩解了下沖氣流，也大大減少了建筑背風面風影區的面積。貫通風洞為其下部建筑空間提供了良好的自然采光和通風，為其中的使用者提供優越的工作和生活環境。

圖5 貫通的洞口示意圖（作者自繪）

3.2.2 立面設計

高層建筑在結構方面要求很高，通過改變建筑結構去改善室外風在環境通常情況下不太現實。而對高層建筑外立面進行相應的處理就相對可取，［3］如增設一些凸凹陽臺、遮陽板和不規則開口等就可達到阻滯建筑表面高速風的目的，使氣流在遇到不同開洞及不規則立面形式時，在水平方向上的作用力得以降低，從而達到有效降低建筑能耗的目的。對東北嚴寒地區的高層建筑設計而言，可在北面和西北面這些冬季寒風盛行方向減少開窗以降低熱能耗損失；在設計建筑主入口時，應避免其尺寸過大；在設計建筑立面時應盡量避免尖銳豎向角的出現，防止形成強力的下沖氣流；在建筑轉角處可設置導風板，以提高建筑表面的摩擦力從而減緩邊角風的風速，同時也能將氣流導入建筑內部，有利于建筑室內通風。此外，還可以在高層建筑表面設置防風網。據有關測試防風網能過濾掉70%的高樓風，可見其防風作用十分顯著。

3.2.3 豎向綠化

在東北寒地高層建筑中引入綠化植物等軟質景觀，可形成多維度的綠化環保系統，從而起到延緩高層建筑上部水平方向上強氣流的作用 （如圖6所示）。特別是高層建筑下部軟質景觀的布置有利于減弱高樓下沖風的風量及速度。在炎熱的夏季，嵌入建筑表面的綠化設施可通過蒸發作用對外來的熱空氣進行過濾以降低空氣溫度，同時也為室內蒸發散熱提供水分。冬季時節，植物綠化可通過參差不齊的表面減緩高樓風的運行速度、減小嚴寒氣流造成建筑物內部熱量的流失。同時，豎向綠化的嵌入也在一定程度上阻礙了建筑外表面的高速風流，進一步降低了建筑的風荷載。

圖6 高層建筑豎向綠化示意圖

4 結語

綜上，通過對東北嚴寒地區氣候特征的分析，探討了基于室外風環境影響下的東北寒地被動式建筑設計的策略問題。具體包括室外風環境對建筑群體布局和高層建筑節能設計的影響，并提出了相應的設計策略。在建筑總體布局方面，提出了建筑點線排列組合、避免下沖氣流、避免風旋、避免風漏斗效應等策略；在高層建筑防風設計方面，提出了貫通的洞口、立面設計和豎向綠化等策略，以期能為東北寒地建筑設計及其建筑節能提供有益的參考和借鑒。

［1］ 張方一.案例分析地區居住建筑地方風格與自然環境關系［N］.江蘇商報·建筑界，2013：212.

［2］ 謝振宇，楊訥.改善室外風環境的高建筑形態優化策略［J］.建筑學報，2013（2）：76-81.

［3］ 劉志利.淺析規劃環境影響評價［J］.內蒙古科技與經濟，2012（9）：3.

圖3 翻襯管結構及材料

5）作業實施。襯管首端經輸送臺垂直穿過導入管后，開始向導入管中注水?？刂扑俣仁挂r管勻速地進入工作段，邊外翻邊前進。翻轉使襯管飽含樹脂的無紡氈面向外，朝向舊管道內壁。當襯管翻尾端進入導入管時用卡箍將尾端卡死，并在卡箍上接通加熱管。

6）加熱固化。襯管尾端接近出口時，將加熱管穿過管道，開啟循環水泵，加熱使水溫達到70℃，保持此溫度6h以上，待樹脂固化停止加熱，襯管即成為剛性承壓管道，待水溫自然冷卻后排掉。

7）襯管端口處理。沿作業段兩端法蘭外緣切掉多余的襯管，用快速密封膠封閉襯管和舊管內壁的結合面。

8）竣工驗收。作業完畢后，用內窺儀器對襯管內壁進行檢查，然后進行壓力測試。

TU2

吉林省大學生創新創業計劃資助項目（編號：201410191005）。