基于浮力效應的建筑頂部開口設計研究

宋曄皓

0 引言

在實現雙碳目標的背景下，如何降低建筑的能源、資源消耗，提升建筑自身的產能水平，成為建筑設計的重要關注點。針對大型公共建筑，單純依靠增加光伏、降低建筑能耗，很難真正實現“零碳”的目標[1]，被動式設計策略因其資源消耗少，對性能影響大，成為無法忽視的重要手段。利用建筑頂部開口改善自然通風的被動式設計策略，由于可以充分利用熱壓和風壓的效益，改善內部氣流流動狀態，是常見的被動設計策略[2]，國內外已有相關實踐。

本文回顧了建筑頂部開口改善室內自然通風的建筑策略的發展，并結合運行實測與模擬分析，探索建筑頂部開口原型的重要意義。

1 建筑頂部開口改善通風設計策略的發展

科學史專家弗拉基米爾·揚科維奇（Vladimir Jankovic）將18 世紀視為理解建筑自然通風的轉折點[3]，人們開始了解何時以及如何控制外部空氣進入建筑環境，也得益于醫務工作者的不斷探索得出結論：寬敞的室內和大量清新的微風有助于降低疾病傳染的風險，并利于促進恢復與愈合。例如，1803 年對愛爾蘭軍團醫院的規定，“醫院應該寬敞通暢，處于健康狀態”[4]。

19-20 世紀各類改善室內環境的建筑技術與機械裝置逐步涌現，建筑師開始關注利用建筑垂直方向來組織自然通風。例如，1909 年建成的格拉斯哥藝術學院項目，在設計階段，建筑師考慮了供暖、制冷和新風設備的一體化方法[5]。勒·柯布西耶曾經提出為高層建筑設想的空氣系統“中和屏障”（mur neutralisants）：通過雙層空腔在建筑的垂直方向進行空氣的流通與循環[6]。這種原型成為在20 世紀后期逐步成熟的雙層表皮、特隆布墻等原型的開端。

隨著1970 年代能源危機之后綠色建筑的飛速發展，建筑自然通風成為被動式設計策略的重要組成部分。隨著城市密度的提升，由于街道尺寸和形態的限制，利用風壓的建筑立面自然通風效率很難進一步提升，因此依靠屋頂通風塔等結構促進建筑內部通風的策略相繼被提出[8]。例如，英國新國會大廈利用建筑頂部開口設計了復雜的機械系統引導空氣系統，空氣由頂部進入建筑后通過熱泵系統調節空氣溫度，并進入每一層辦公室的內部，凈循環后由頂部回收至廢氣管，通過建筑最高處的開口排出[9]。

此外，建筑地方性與傳統民居中的傳統智慧被充分挖掘，例如哈桑·法賽（Hassan Fathy）在埃及民居利用頂部開口的煙囪效應的自然通風策略，與傳統增大立面窗面積促進通風的策略有極大不同，更多地依托當地傳統捕風窗將遠離地面的溫度較低、含沙量較少、風速較高的氣流導入室內，并作為提升建筑內部及庭院區域空氣流速的主要方式[10]。

2 建筑頂部開口通風的分析與驗證

在不同建筑空間中，雖然建筑頂部開口促進內部自然通風基本原理相同，但在解決的核心問題、使用的外部環境、運用策略等方面都存在明顯差異。通過選取實際運行中的建筑空間，對比天窗開閉、機械通風開閉、側門開口開閉下的換氣效率，定量化對比出了頂部開口促進自然通風的基礎換氣效率潛力的方式，隨后對實際場景進行建模，通過CFD 模擬對實際換氣過程進行模擬，梳理了影響這種通風效益的核心因素，得出如下研究結論：首先，證實建筑頂部開口促進自然通風這一基礎原型可以作為有效的建筑設計策略支撐低碳建筑設計；其次，因通風效益主要依靠空氣的流動，不能簡單地依靠頂部開口實現，而需通過對流路徑的設計，保障空氣流動的通暢和各處氣壓的均衡來實現；最后，建筑頂部開口促進自然通風需要在深入分析項目所在地的環境特征、使用需求和其他相關問題的基礎上，得出這一策略的側重點。

團隊設計的北京動物園水禽館（圖1）、貴安新區清華THE 示范樓（圖2）、岳陽縣三中風雨操場、清華旭輝可持續示范樓（圖3）等項目，均為建筑頂部開口促進自然通風原型的系列實驗。以建設運維成本極為低廉的岳陽縣三中風雨操場為例，2019 年8 月，在建筑處于非舒適階段的時間，筆者團隊對建筑內部環境進行了實測研究，相關數據顯示：建筑門口、高出的開口均有一定流速的空氣流動，這說明設計之初設想的依靠建筑頂部開口提升大空間室內氣流擾動的設想得以初步實現，保障了建筑室內的空氣換氣率。而中部區域空氣流動則相對靜止，運動場區域并無明顯的吹風感，說明該策略對改善使用者的熱舒適度影響較弱（圖4、5）。

1 北京動物園水禽館

2 貴安新區清華THE示范樓

3 清華旭輝可持續示范樓

4 岳陽縣三中風雨操場

5 岳陽縣三中風雨操場通風示意

3 結論

在建筑設計采用頂部開口來促進自然通風時，應仔細評估這種策略的使用需求和場景：促進空氣流動、提升使用舒適、改善換氣水平等不同的需求，可能對應著完全不同的建筑設計策略，這雖然在概念方案的表達和展示中都以適宜性箭頭存在，但是對實際使用結果卻有著巨大的影響，需要基于設計科學的研究與分析確定，并在全過程保障其實施效益。□