辦公建筑中具有被動式潛力的節點設計分析

王強 馬靜

摘 要：針對辦公建筑高能耗的現象，從空間組織中各節點的設計優化入手，以實現辦公建筑的綠色設計和節能設計。應用類型學和案例分析的研究方法，分析相關實例的空間組織，分別從外部空間、內部空間和圍護界面三個方面提取與辦公建筑空間組織相關的各節點的設計策略。

關鍵詞：辦公建筑；空間組織；綠色建筑；空間節點

作為一類重要的公共建筑，辦公建筑的建筑面積占公共建筑的40%以上，其總能耗也呈此趨勢[1]。由此可見，辦公建筑具有較高的節能潛力且兼具重要的現實意義。如何降低辦公建筑的能耗，實現可持續的發展，一直是綠色建筑領域的熱點議題。為解決由建筑設計欠缺引發的人際交往問題，將建筑空間組織與被動式設計相結合，可以在創造豐富的空間形態的同時，創造舒適的物理環境以滿足人際交往需求。被動式設計被人們普遍認為是建筑師在綠色建筑設計中可以掌控的一個切入點，自20世紀50年代以來，世界諸多氣候區的建筑師做出了相應的建筑實踐，值得借鑒[2]。

一、建筑外部設置可調節微氣候的緩沖空間

根據空間類型及要素，其分為綠化和水體、庭院和冷巷、灰空間等形式。這類空間對于建筑內部的氣候環境有著間接的影響，因此這類空間的環境是一個不容忽視的設計點，可設置可調節微氣候的緩沖空間。

（一）綠化和水體的設計

綠化和水體對微氣候的影響主要體現在溫度、濕度、風速等氣候因子上。

相關研究表明，國內外對于綠化的研究主要包括植物群落類型、布局形式和植物配置結構等與微氣候的關系，這些研究強調了樹木遮陰蔽涼的重要性，提出喬—灌—草的最優植物配置模式。選用葉面積指數大的植物，以喬灌結構為主、帶狀布局的植物群落，對微氣候的調節作用較好[3]。合理設置不同高度的高大植物，會對場地風環境產生不同的影響。具體來說，高低錯落的不同樹木的組合使風導向不同的方向。基于建筑通風需求，可以將低矮的樹木設置在建筑主導風向一側的較遠處，而將高大的樹木設置在建筑近側，以收集不同高度的自然風。基于建筑防風要求，則通過相反的邏輯，將高大的樹木設置在較遠處，低矮的樹木設置在近處，使自然風向建筑上端進行疏導。人造水體具有良好的降溫加濕的作用，在水體的處理上，盡量設置在夏季主導風向的迎風面一側。

（二）庭院和冷巷空間的設計

庭院是在建筑中間開放的外部場所，通過半融入建筑的形式，對建筑內部環境采光、通風等因素都有著較大影響。冷巷是我國南方地區特別是嶺南地區的建筑外部空間形式，指房屋之間相互交錯而成的一種相對狹窄的小巷。單純的院落民居天井通常情況下只起風壓作用，增加了冷巷，就可以有熱壓作用。冷巷的通風效果與朝向有密切關系，嶺南地區主導風向為東南或南，因此冷巷一般為南北向。

針對不同的氣候類型，庭院和冷巷空間有著不同的設計要求。在主要考慮夏季的炎熱地區，可采用進深較淺的庭院和小的通風天井的形式以促進氣流的流動，也可以考慮利用冷巷空間。在主要考慮冬季寒冷氣候的地區，需要盡量保持界面的開闊性，同時加大庭院的進深以保證充足的日照時間。由于冬季氣候寒冷，我國北方的建筑以較大的樓間距和低矮的樓體為特征，內院式的建筑也盡量保持院落的長進深，因此，為吸取太陽輻射熱，需要保證室外空間足夠開敞。

（三）灰空間的設計

在色彩中，灰色代表著具有不明確或不明顯的傾向性的色彩。灰空間在某些意義上，既不屬于室外，也不屬于室內，是一種“第三空間”。從氣候屬性上看，灰空間偏向于室外空間，受到自然風環境和光環境的直接影響并擁有更多的環境接觸面。灰空間對于室內空間的主要影響是可以利用自身形體遮陽形成陰影區，并疏導自然風。室外灰空間主要有架空式、檐下式、雙層外墻式等設計形式。

二、內部空間設計挖掘被動式潛力

辦公建筑的內部空間主要由主要功能空間和輔助空間構成。辦公建筑內部空間各要素的組織設計都具有較大的被動式潛力，探索內部空間各節點的針對性設計策略，能夠大幅度提升辦公建筑的節能效率。

（一）主要功能空間設計

1.常規條件下主要功能空間設計

常規條件是指場地較大且無外部遮擋物的條件，在這種情況下，主要功能空間的設計就有了較高的自由度。

在常規條件下，主要功能空間的設計要點首先是保證良好的朝向，以最大化獲取太陽輻射和自然采光。在北半球，最佳的朝向一般是南向，其次為北向。合理的進深是太陽輻射最大化直射到室內最深處的保障，進深太大會導致室內最深處常年無法接收到太陽直射而增加照明能耗。因此，主要功能空間可選擇利用薄形平面，以優先利用自然通風與采光。薄形平面指的是長面寬、小進深的建筑形式，除了主要功能的布置外，公共空間只選擇窄長的必要廊道作為交通連接。保證合適的樓間距是薄型平面發揮作用的關鍵，要保證薄型平面的底層也能接受到充足的太陽輻射。此外，利用“溫度洋蔥”理論，按照不同功能對于溫度的要求，把不同空間從內向外依次布置。其主要原理是通過設置具有梯度的空間，實現最大限度的節能。

2.不利環境下主要功能空間設計

建筑設計在大多數時候都不能夠保證場地條件充足、朝向和地形有利等，各方面都會受到實際環境條件的限制。具體的限制因素體現在氣候因子上，可分為對最佳采光的遮擋和對氣流的遮擋。

采光受遮擋的原因是多方面的。在城市中通常是周圍的高大建筑物遮擋，或是受地形地貌的起伏和場地構筑物的影響。可采用自適應的空間形式以面對不利的采光：如果南向采光被遮蔽了一部分，導致建筑底層空間沒有良好的采光，可采用階梯式的建筑形體以保證建筑上部的良好采光條件，或是采用底層架空的形式，將主要使用空間進行拔高處理；如果南向采光受到嚴重遮擋，可采用院落式或中庭式的建筑形式加強主要空間的采光，或是采用天窗采光或屋頂太陽房的形式；如果南向采光被完全遮蔽，建筑應該加大其他面的開窗面積以改善采光條件。采光受遮擋的同時，自然風也會受遮擋，使建筑所在場地內的風導向高處或兩側。為盡可能利用良好的自然通風，可通過優化建筑形體實現對自然風的捕捉，采用弧形的外部形態或是倒階梯的建筑形式都能針對性改善不良的通風條件。

（二）輔助空間設計

輔助空間主要指建筑內部的公共空間以及輔助性的功能房間，其中最主要的是公共空間。這類空間又可以稱為過渡性空間或緩沖空間，功能是為公共建筑引導人流向各方向集散，以保證與主要功能空間在功能和空間組織上的聯系。在與氣候環境的關系方面，這類空間由于與外界環境接觸更為緊密，對于室內氣候的影響和調節效益更加顯著，因此在調節建筑物理環境方面發揮著重要的作用。根據空間功能屬性及與外界界面的關系，輔助空間可以分為水平貫穿式、垂直緩沖式、引入式和隔絕式四種類型。

1.水平貫穿式空間設計

在辦公建筑中，水平貫穿式空間主要指聯系水平向交通且將各房間串聯起來的走廊空間。這些走廊一般是通廊，能夠通過聯系不同布局的功能房間，形成南北向或東西向的橫向貫通空間，通過通廊盡頭的透明圍護結構實現與外界的能量交換。也有些走廊是首尾相連式的，形成各方向的環狀空間，通過與一些特定節點或是庭院的外圍護結構的交界形成能量的交換。水平貫穿式空間在被動式設計中所需要關注的設計要點，是保持空氣的流通和適當引入采光。

由于水平貫穿式空間有利于加速氣流在橫向空間的流通，所以這類空間的一大特征是有利于促進風壓通風。在夏季，為保證水平貫穿空間的氣流流通，需要盡量開啟盡端的通風窗口，將氣流通過通風窗口引入室內，由于水平貫穿空間窄且長，氣流加速通過，可以實現通風降溫且排出室內余熱的作用。在冬季，為保證室內溫度的舒適，通風窗口需要關閉，且需要有盡量大的接觸面，以保證白天能夠吸收到足夠的太陽輻射。

2.垂直緩沖式空間設計

在辦公建筑中，垂直緩沖式的空間主要指貫穿建筑各層的高大庭院或井道空間。例如中庭、邊庭和天井空間，都是體現建筑在垂直向上貫穿各層，實現能量從底層地面至屋頂的縱向傳遞的空間。

垂直緩沖式空間主要利用了熱壓通風的原理，通過底層界面和中庭頂部界面的溫度差，空氣遇冷體積收縮密度增加，氣流自下而上流動，將底層較低的溫度通過氣流傳遞到上面各層，以降低夏季的室內溫度，而頂部的玻璃界面可以吸收到自然光，進一步加熱了頂部空氣，增強了熱壓通風效應。在冬季，垂直緩沖空間可以形成一個溫室，吸收白天的自然采光以提升室內溫度。垂直緩沖空間的不同形狀對于溫室效應和熱壓通風效應的加強有著不同的體現：上窄下寬的正梯形有利于增強熱壓通風，而上寬下窄的倒梯形有利于加強溫室效應以帶來更多的采光。因此，正梯形的垂直緩沖空間和進深小且高大的垂直緩沖空間更加適應主要滿足夏季需求的地區，而倒梯形的垂直緩沖空間和進深較大的垂直緩沖空間更加適應主要滿足冬季需求的地區。

3.引入式空間設計

引入式空間主要指用于引導人流集聚與疏散的廳式空間，它是將人流從入口處集聚，并通過門廳空間連接水平貫穿的廊道或垂直的交通空間，將人流引導至建筑各處的空間。在空間形態上，引入式空間的主要形式是高大入口空間與上述的水平貫穿空間或垂直緩沖空間的結合。

為提升被動式設計的綜合效益，公共建筑在過渡性輔助空間的設計上不止會采取一種過渡性空間形式。引入式空間中的能量流動綜合了水平貫穿式和垂直緩沖式的形式，對于氣流的引導既存在風壓作用下的通風形式，又存在熱壓作用下的通風形式，分別體現在其中的入口人流引入空間和與之相連接的貫穿走廊。目前許多辦公建筑都會采取這樣的引入式空間，但是在能量過渡邏輯上缺乏系統性的思維，導致其被動式效應不佳。

4.隔絕式空間設計

隔絕式空間的空間邏輯體現的主要是對于外界自然環境的抵御性。隔絕式空間分為遮蔽式空間和包裹式空間。遮蔽式空間是通過建筑形體或者構筑物將建筑部分空間進行遮蔽，以避免受到強烈的采光的影響，根據遮蔽的面積大小又可進一步分為部分遮蔽式和整體遮蔽式。包裹式空間是將獨立于建筑主要功能形體外的部分輔助空間進行包裹，以實現對于自然風環境的抵御，這類空間通常采用大面積的透明圍護結構以吸收自然采光，根據與主要空間的接觸面的大小可分為部分包裹式和整體包裹式。

隔絕式空間對于建筑內部自然和氣候環境的調節具有顯著的效果，能為建筑內部提供相對舒適的人工環境，并直接影響到建筑主要功能的物理環境。

三、圍護界面設計適應空間模式

圍護界面的設計往往是獨立于建筑空間，針對自身構造上的不同組合以滿足傳熱系數、熱惰性指標等的要求，同時通過減少滲透率以滿足自身的熱工性能，實現建筑的節能設計。圍護界面通常既與室內空間產生關聯，又與外部環境有著密不可分的聯系。按照具體表現形式，可分為開放型維護界面和聯通型圍護界面。

開放型圍護界面是指圍護界面各要素盡量對外界敞開，包括透明圍護結構擁有較大的可開啟窗扇面積和非透明圍護結構設置洞口等形式，增加與外界環境的交流。在不同的季節，應對不同的使用場景，開放型圍護界面可以進行靈活調節，其中最主要的方式就是調整界面的開閉，即冬季用于蓄熱儲熱的較為封閉的空間，夏季可以形成遮陽通風的開放或半開放空間。

傳統的圍護界面為避免與外界的過度接觸，往往與外界接觸面積較小，除了外圍護結構性能不佳造成的滲透之外，平時僅通過必要的開窗通風保持與外界的氣流交換。而順應自然氣候環境，利用自然風和自然光對室內氣候進行疏導，需要能夠與外界聯通的圍護界面。所謂的聯通型圍護界面，就是結合建筑內部空間對氣候的疏導，將其進一步與外界進行聯系，通過通風塔或導風構件聯通氣流，實現建筑內外能量轉換的圍護界面形式。

四、結語

針對外部環境、內部空間、圍護界面這三類不同的空間形式分類，利用類型學的研究方法細化各類要素或空間節點，并提出各節點具有針對性的設計策略。這三類空間節點要素之間存在互相影響、相互制約的關系，要想使建筑整體最大化發揮自身的被動式設計的作用，不可能僅憑一項要素的完備設計就一勞永逸，而是需要各要素的協同而發揮整體性作用。

參考文獻：

[1]中國建筑節能協會.中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節能（中英文），2021（2）：1-6.

[2]STEELE J.Ecological Architecture： A Critical History[M].London：Thames & Hudson，2005.

[3]許晨，黃奕婷，遲曉立.基于建筑與綠化因素對城市居住區微氣候影響綜述[J].現代園藝，2022（23）：35-37.

作者簡介：

王強，河南工業大學土木建筑學院碩士研究生。研究方向：建筑設計及其理論。

馬靜，博士，河南工業大學土木建筑學院教授，碩士研究生導師。研究方向：建筑設計及其理論。