夏熱冬冷地區綠色建筑空間與形體被動式設計方法研究

董浩明（上海建科建筑設計院有限公司， 上海 200032 ）

隨著城市化的快速發展，城市建筑的建造和使用所帶來的污染與能源消耗日益受到關注，成為經濟轉型發展的突破口之一。在建筑設計領域，“綠色建筑”技術也經歷了飛速發展的階段，新技術、新設備、新材料發展層出不窮。但是單憑主動式綠色技術的堆砌，不僅帶來了高昂的設備投入費用，對建筑運營能耗的降低往往未起到質的改觀。在生態文明的發展背景下，綠色建筑應是以建筑師主導，被動式設計為前提和核心，綜合功能、性能、人文健康及技術因素的高質量建造品。

綠色建筑的被動式設計手法是指結合功能需要，在建筑設計布局、空間、形體、表層設計中，通過建筑手法對室外氣候、室內環境的影響進行調節和控制的技術，此類設計通常是建筑前期產生，并無后期運維等長期費用投入。被動式設計要求建筑師充分了解并尊重建筑所在地區自然環境狀況，通過對建筑規劃布局、形體和空間組織、材料的選用、結構方式的選擇等做出氣候適宜性設計，減少對外部能源的輸入和機電設備系統的依賴。與此相應的綠色建筑的主動式計手法，是指對建筑空間進行的必要的主動（制冷、制熱、通風、照明等） 技術，營造舒適熱環境空間，并提高設備能效的技術。

本文主要聚焦于夏熱冬冷地區綠色公共建筑的空間設計與形體設計環節中綠色被動式設計手法及一些關鍵控制技術。

1 建筑空間設計

1.1 空間的組成與分類

建筑使用空間從與自然的關系看，可分為室外、室內、和室內外過渡空間 3 種類型。就室內空間與外界氣候的關系而言，又可分為自然氣候主導的開放性空間和以人工氣候為主的封閉性空間。前者對自然氣候要素具有明顯的選擇性，而后者對自然氣候則往往是排斥的。不同的使用功能對于氣候具有不同的適應性，通過合理設置建筑功能空間與室外氣候的聯系關系可以最大限度地利用自然資源，提高建筑能效。

建筑空間與室外氣候的聯系表現為 4 種不同的基本狀態：融入、過渡、選擇、排斥。應按照不同的建筑具體功能需求設置這 4 種狀態，充分拓展融入和過渡狀態，合理設置選擇狀態，嚴格控制排斥狀態。

空間的舒適性要求與室外氣候的差異是能耗發生的源頭。使用空間因其不同功能而產生氣候性能的等級差異，即對氣候性能要素及其指標要求的嚴格程度，公共建筑空間可據此分為普通性能空間、低性能空間、高性能空間。

1.2 空間的組織與連接

在建筑單體布局中，根據夏熱冬冷地區氣候特征及場地環境要素，對不同能耗性能空間的組織（相互關系、相對位置及連接形式）進行設計，形成既符合使用需求、又利于形成建筑與自然良性關系，實現節約能源的開放系統。設計目的是使得普通性能及高性能建筑空間能在夏季通風排熱，冬季保溫，并減少過渡季空調使用時長及使用時的能耗。

根據不同性能空間及與室外氣候聯系狀態進行設計，遵循“氣候調節- 建筑能耗- 空間形態”相互作用的原理，強化“自然做功”在氣候管理中的效率。此過程是建筑被動式技術系統性設計初期需要考慮的環節，具有明顯的前置性。為保證后期空調系統與空間組織的耦合，建議此環節請空調工程師介入，對合理性進行驗證。設計時應控制單一建筑空間在整體布局中的定位、相對位置，確保合理分區，優化能效表現

（1）保證人工氣候調節僅用于最需要的區域，實現室內環境人工依賴最小化。普通性能空間宜布置在氣候適宜性的位置，多具有良好的自然通風采光；低性能空間多集中布置在朝向或部位不佳的位置，例如衛生間、樓梯間等空間可布置在東、西向以減少西曬對主要使用空間的影響，也可布置在北向以抵擋冬季西北季風。以人工氣候為主的高性能空間需控制外界自然要素的不利影響，往往布置在與自然環境相隔離的位置。利用低性能和普通性能空間的阻隔，使高性能空間獲得更好的環境條件。

（2）通過合理配置同一功能或性能的區位，實現節能目標。控制同一功能或相同性能空間在建筑中的相對位置關系，同層或分層布置、通高或錯層布置，實現同類空間的節能適宜性配置。

（3）普通性能空間可通過靠近產生富余熱的設備空間以獲取熱量或者通過遠離來滿足降溫需要。普通性能空間要優先利用自然通風與采光，在進深較小的平面中，多將普通性能空間布置在采光效果好的建筑外圍及夏季迎風面，避免布置在背風面和朝向不佳的位置；在進深較大的建筑中，普通性能空間可貫穿形成開敞平面；也可靠近如中庭、邊庭、天井等垂直流通空間以獲得更多自然通風。普通性能空間宜結合院落布置，引入室外氣候要素，或結合氣候條件將院落作為氣候緩沖帶。

1.3 控制空間尺度

在普通性能使用空間中，控制平面尺度的主要參數是進深、開間與空間高度，主要影響因素為自然通風和采光。

（1）在沒有特殊使用功能的要求下，通常采用淺進深布局，可獲得較好的自然通風和采光。當單側采光空間進深不大于 8 m 時，空間可完全依賴自然采光與通風。當進深過大，自然采光削弱，空間照明能耗增加。

（2）當建筑進深過大時，自然通風效果不是很好。可將普通性能空間形成開敞平面，靠溫度不同或氣壓不同促使空氣流動；或通過天井或通風井的布置，積極利用熱壓通風。注意在本氣候區，穿堂風是最佳的自然通風方式。

（3）當空間進深過深時，自然采光不足，可將普通性能空間貫穿在一起形成開敞平面，采用天窗或中庭來輔助加強自然采光；中庭合理采光時，其高寬比一般控制在 3∶1左右。

（4）由于熱空氣上升、冷空氣下沉，對于需要采暖的空間來說低矮空間熱舒適性更優；對于需要制冷的空間來說高大空間熱舒適性更優，熱空氣升到高出可以帶走近地面的熱量。為保證冬季采暖效率，應盡量避免無用過高過大空間，對普通使用空間來說，建筑室內空間高度達到 3 m 即可滿足要求。可采用裸頂，或者不封閉的格柵吊頂來增高室內空間感受。如需采用高空間夏季帶走空間熱量，可考慮設置開啟式的“通風井”，通過熱壓通風帶走熱量。

1.4 設置氣候緩沖腔體

普通性能空間與室外空間間隔組合，中間形成沒有明確具體功能的空間，是室內外氣候交換和過渡的有效媒介，常作為為過渡型空間。中庭、邊庭以及外廊、陽臺等灰空間是其代表性形式。過渡空間獨立布置是無意義的，需要與其他空間組合使用。

建筑氣候緩沖空間位于需要補充人工氣候的使用空間與自然環境之間，其目的是促進建筑外部與內部之間的氣候要素交流，中庭、邊庭以及外廊、陽臺等灰空間是其代表性形式。這類空間不僅要滿足使用者的基本使用需求，還要考慮建筑、人、環境的有機結合，并與多樣的系統、地域、自然環境、技術體系動態復合。

氣候緩沖腔體作為空間組合工具，是承載著空氣介質的龐大載體，使建筑內部產生了氣候梯度。合理設置能增加室內氣候梯度、有效應對外界惡劣氣候對于建筑內部的影響。外環境通過氣候緩沖腔體的過渡對建筑內部空間的使用產生影響，使室內熱環境始終保持一個舒適的狀態，同時降低了建筑因此使用機械設備而消耗的能源。

緩沖腔體封閉性可分為 2 類：封閉性緩沖腔體-中庭、邊庭等；開放性緩沖腔體- 外廊、陽臺等；不直接接觸外部環境的中庭空間是巨大能耗空間，如非功能需要不宜采用。

（1）氣候腔體也可能帶來能耗增加、舒適度降低的負面效果，設計時應通過對中庭的位置、尺度、體形進行優選，并通過模擬分析優化設計獲得最佳效果。

（2）控制中庭空間在建筑中所占比例、高寬比及長寬比等，改變引入建筑的自然采光、太陽輻射以及通風。充分利用中庭熱壓通風，發掘中庭自然采光的節能潛力，減少建筑的照明能耗、采暖能耗以及制冷能耗。

（3）中庭面積占比可適宜放大，宜采用長寬比適中（可為 2∶1）的中庭。單純從通風角度，宜盡量增大中庭空間高寬比，通過高聳狹長空間，增強熱壓通風。

（4）中庭頂面應進行得熱與通風設計，頂面應有外遮陽及可排風設計。

（5）中庭剖面形狀宜為矩形，雖然“A”型與“V”型剖面形狀均能獲得較低能耗，但綜合自然采光及熱壓通風，矩形剖面形狀更適宜。

（6）宜在南向、東南向設置陽光房以獲得更多太陽輻射，有利于冬季采暖，但夏季需要做相應遮陽處理。

（7）建筑宜在北向設置封閉陽臺以阻擋冬季寒風對主要使用空間的侵襲。

1.5 控制空間的開放性

合理設置開放空間，控制空間開放度，規避氣候不良影響，有助于降低能耗、提升建筑品質、營造豐富使用空間。開放空間的設置對于最大化利用自然采光、增強自然通風、增進交互溝通均有顯著優勢。也應充分考慮開放空間在冬季帶來的制暖效率低、能耗大、人體舒適度低等負面因素。空間的舒適度定義離不開空間功能屬性、使用人群及使用方式。空間開放性的控制首先應明確這些基本要素，基于此結合空間布局、場地及氣候要素進一步對空間開放程度、開放形式進行設計與控制。

（1）公共空間適宜布置為開放空間，公共空間單次使用時間較短，對舒適度相對寬容；同時作為過渡型空間，提高了周邊普通性能空間能效；此類空間可采用可變表皮或可變體形系數等措施在過渡季減少能耗。有些公共空間使用頻率相對較低，可設置為融入型開放空間，與室外環境進一步融合，提供季節性的使用舒適度，保證春、秋二季公共空間的舒適使用。

（2）辦公空間占比較多且進深較深時，可設置為開放性辦公空間，有助于提高自然采光和通風，同時增強部門間溝通，增強空間靈活性。如某高新區男裝辦公樓項目，通過大空間的布置，增強空間內部自然采光與通風。靈活布局保證夏季通風效應與冬季采暖效率。

（3）地下或半地下空間若為停車或設備間等低能耗空間，可通過天窗、下沉庭院等形式形成融入型開放空間，減少照明與通風能耗。地下或半地下的功能空間，如餐飲、辦公空間等，可通過緊鄰下沉廣場布置形成選擇性開放空間，在冬、夏兩季降低開放性，減少照明能耗；過渡季增強開放性，減少照明與通風能耗，同時營造豐富的室內外使用空間。如某維綠大廈項目，設置地下空間通過采光天井、天窗等進行自然采光，為整個地下空間提供充足的自然采光，改善地下的自然采光效果。

（4）根據空間使用行為，可以利用氣候特色布置功能空間，將季節性公共討論區、流線區、或室內綠植區與融入型室外空間結合布置設置為開放空間，過渡季提供舒適公共環境，冬、夏兩季最大限度減緩熱交換。根據人流分析，宜在人流密集處設置尺度適宜的步行樓梯，鼓勵使用者使用步梯解決豎向交通。

（5）場地周邊如有優質自然資源（如湖泊、人文景觀燈）或舒適室外微氣候（如舒適室外風、光環境等），開放空間可緊鄰布置，將外部優質環境引入室內。

2 建筑形體設計

2.1 控制體型系數

體型系數為建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。從降低建筑能耗的角度出發，應將體型系數控制在一個較低的水平。體型系數的確定還與建筑造型、平面布局、采光通風等條件相關。體型系數過小，將制約建筑師的創造性，可能使建筑造型呆板、平面布局困難，甚至損害建筑功能。

（1）上海市，建筑體型系數對空調和采暖能耗的影響沒有北方地區明顯，但也有一定影響。設計人員應綜合多方因素考慮建筑體型，建筑宜采用規整體型，避免凹凸變化，建筑層高應合理。通常在上海地區，條式建筑的體型系數不宜大于 0.35，點式建筑的體型系數不宜大于 0.40。

（2）在辦公建筑研究中，建筑形式與其能耗有著相對應的關系，在方形、圓形、矩形、三角形的形式中，建筑均選擇常規淺進深。當其均擁有相同底面積、核心筒面積、建筑體積及相同的室內空調系統時，在保持淺進深的同時，建筑外輪廓接觸面積越小，其能耗性能越強。

2.2 控制形體風環境

（1）形體的平整度、凹凸等會影響形體各面的風壓，一方面影響室內風壓通風效果，另一方面影響室外風環境。設計時平面宜采用規則形狀，避免過于凹凸平面；形體表皮宜平滑均質。

（2）建筑體量組合應遵循“疏導夏季風、阻擋冬季風”的原則，庭院式的形體組合在上海市能獲得較好風環境。體形組合在夏季主導風向上宜根據夏季主導風向分散布局，形成“風道”引導夏季風穿過場地；在冬季風主導風向上宜緊密布局，阻擋冬季來風。主要街巷、道路與夏季主導風向成 0°～30°夾角。形體組合應注意通過場地設計避免風速過高，影響室外活動區舒適度。

（3）當建筑較為密集時，可策略性地分布不同高度的建筑物，利用高度輪廓帶來的氣壓差異引導氣流。同時，此區域內建筑群的整體高度趨勢應朝著盛行風的方向逐級降低，以促進空氣流動。在片區主導風向上風位的街塊應避免采用垂直于主導風向的大面寬板式建筑。

2.3 形體自遮陽設計

通過形體局部變化達到自遮陽效果。減少透過玻璃的直射陽光使室內過熱，防止直射陽光造成的強烈眩光。設計時應通過模擬驗算確保室內自然采光效果。如某集團莘莊綜合樓項目，南部通過形體挑出形成自遮陽效果，通過模擬計算，建筑形體挑出長度在夏季有效降低建筑熱輻射；冬季由于太陽高度角變化，不影響室內采光。

2.4 形體避讓基地既有高大喬木

通過形體布局，設計中盡可能維持場地的原有地形地貌、高大喬木，減少對原有生態環境的破壞，尊重場域特征。如湖南省醴陵一中新建教學樓項目，南部通過形體轉折避讓場地內已有高大喬木，建筑建成即“綠”，教室被場地樹木環繞。

2.5 可變體型系數設計

可變體型系數設計是指對建筑固有的外圍護結構進行優化。不同季節，建筑自身的體型系數可進行變化的被動式設計，以達到建筑對自身耗能的有效調節、控制。

通過設置陽臺、中庭、邊庭或者其他功能房間把建筑凹進的部分重新填充，形成過渡空間，減小建筑的外表面積，增大建筑體積。從而實現建筑體型系數的變化。在冬、夏二季，凹進的空間封閉，建筑體型系數變小，凹進空間形成熱緩沖空間提高建筑能效；過渡季，凹進空間開啟，建筑體型系數變大，有助于建筑熱流失，減少空調能耗。

3 結 語

長期以來，我國一直處于低舒適度、低耗能的建筑體系中；隨著“碳中和” “碳達峰”等理念的提出，勢必帶來綠色建筑新一輪的發展與變革。這不僅關系到人們生活水平的提高，也關乎人類未來的可持續發展。

建筑設計的全過程中，建筑師應具有跨越專業領域的整體視角，充分平衡設計輸入條件與建筑成果需求之間的關系。不可否認，面對復雜的氣候條件與各異的功能需求，需要采用的各種設計手法和技術手段，可能是互相矛盾的，因此必須綜合權衡，為每一個項目構建最優的整體技術體系。

綠色建筑的被動式設計無論是在資金層面、技術支持層面，還是在所能帶給使用者的舒適性層面，都符合我國基本國情，而且其發展擁有巨大潛能。所以建筑師，要將綠色建筑原理融入創意構思和方案生成過程中，真正地因地制宜，通過控制建筑空間與形態設計關鍵要素，使建筑成為“表里如一”的綠色建筑。