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绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理及其若干关键指标研究综述

时间:2022-11-25 10:41:03   作者:GBWindows   来源:行业网站   阅读:274  
内容摘要:绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理及其若干关键指标研究综述AReviewofResearchonArchitecturalClimaticAdaptabilityandKeyIndicatorsofGreenPublic摘要:中国当前绿色公共建筑的理论研究与设计实践注重设备与材料性能的提升,而对建筑空间组织与形体优化...

绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理及其若干关键指标研究综述

A Review of Research on Architectural Climatic Adaptability and Key Indicators of Green Public 

摘要:中国当前绿色公共建筑的理论研究与设计实践注重设备与材料性能的提升,而对建筑空间组织与形体优化及其地域气候适应性的关注有所不足。针对以上问题,本文基于国内外形体空间气候适应性研究的综述,开展机理分析,归纳绿色公共建筑的形体空间描述指标体系,提出场地、形体、空间、界面等方面的若干关键性指标,以作为建筑师主导下绿色公共建筑设计新方法构建的机理研究支撑。

作者单位:连璐,张悦,程晓喜,清华大学建筑学院;

黄献明,袁朵,清华大学建筑设计研究院有限公司

1 研究背景与意义

根据中国建筑节能协会能耗统计专业委员会发布的《中国建筑能耗研究报告(2017)》[1],全国建筑总面积达591.93亿m²,建筑能源消费总量占全国能源消费总量的19.93%,其中公共建筑面积约107.65亿m²,能耗占建筑能耗总量的34%;从单位面积能耗强度看,公共建筑能耗强度在4类建筑中最高,且近年来一直保持增长趋势。因此建筑节能尤其是公共建筑节能成为节能减排的重要任务。

我国当前绿色公共建筑的理论研究与设计实践存在重设备与材料性能的提升、轻空间组织与形体优化等问题。崔愷院士指出,绿色建筑的研究除了在技术手段或绿色建筑评定的层面之外,不能忽略与建筑设计方法的结合[2]。自2017年以来的“十三五”国家重点研发计划绿色建筑领域项目开始注重从建筑设计的维度进行形体空间解析,该方向的研究对于地域气候适应型绿色公共建筑设计的理论创新与实践应用具有重要意义。

2 国内外绿色建筑形体空间气候适应性相关研究的趋势综述

2.1 绿色建筑设计方法

理论研究方面,维克托·奥戈亚(Victor Olgyay)提出“生物气候地方主义”的设计理论,系统地探讨建筑、气候、地域与人体生物感觉及其之间的关系,关注微气候、建筑层面的气候平衡、建筑选址、朝向、形态、气流组织、围护结构性能等参数[3]。巴鲁克·吉沃尼(B. Givoni)从人的舒适度出发考察分析气候条件,提出建筑平面布局、墙体与窗户朝向、遮阳设施等方面的设计策略[4]。吉沃尼将研究领域拓展到城市设计,系统分析气候与城市、建筑的关系,并针对不同气候区提出城市与建筑设计方法与策略[5]。宋晔皓探讨建筑系统结构与生物气候缓冲层的建构问题,从宏观、中观、微观3个层面与聚落空间、建筑实体、建筑细部3个方面具体讨论城市布局、建筑密度、开放空间、建筑造型、朝向、功能、景观、围护结构开口与遮阳、选材的建筑设计要素等[6]。

实践应用方面,哈桑·法赛(Hassan Fathy)主张,人是有机生态系统中的一员,与周围环境相互影响相互改变,建筑则像植物一样处于周围环境的影响之中,并从建筑形态、建筑朝向、空间组织、建筑材料、肌理与颜色、开敞空间设计等影响微气候的7个方面评价和提出设计策略[7]。查尔斯·M·科里亚(Charles M. Correa)结合印度湿热气候与自身设计实践提出“形式追随气候”的口号,主张建筑不能只由结构与功能决定,必须尊重气候[8]。杨经文(Ken Yang)提出生态设计的原则,将生物气候学的设计原则运用于高层集中式的建筑设计中,指出生态设计与生物气候学的设计方法在土地利用、总体布局、建筑形式、朝向、平面形状、立面、开窗、屋顶、绿化等方面与其他设计方法的差异等[9]。

2.2 绿色建筑评价体系

1990年代始,世界各国涌现了多项绿色建筑评价体系,如英国建筑研究所环境评价法BREEAM、美国绿色建筑评估体系LEED、日本建筑环境综合性能评价认证体系CASBEE、德国可持续建筑评价体系DGNB等。目前,世界上大部分绿色建筑评价体系基于关键指标法,通过基础研究、相关标准、专家访谈、社会调查等方法提炼指标,采用层次分析法确定指标权重,得到最终结论。例如:美国LEED与英国BREEAM通过对关键性指标进行赋值与评价,评价目标建筑的可持续发展程度,如建筑开发密度、建筑外围护结构的热工性能等;日本CASBEE提出建筑环境效率的概念,通过计算建筑环境质量与建筑环境负荷的比值评价目标建筑的可持续发展程度;德国DGNB考虑经济性、人文性,从环境、经济、社会文化与功能、技术、建设、区位等6个方面评价目标建筑的可持续发展程度,提出面积使用率、使用功能可改性与适用性等指标。

中国的绿色建筑评价体系的建构发展迅速。2001年9月《中国生态住宅技术评估手册》[10]出版。2003年8月中国《绿色奥运建筑评估体系》[11]出版,在规划、设计、施工、验收与运行管理4个阶段对奥运建筑提出具体的规范与要求,并将各项指标分为建筑环境质量与环境代价2类,进行定量与权重分配。其中,建筑设计部分主要涉及建筑规模、容积与面积控制、单个观众席的折合面积与造价、室内热环境、自然采光、日照量、自然通风效果等。2006年3月《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)[12]颁布,明确了绿色建筑的定义、评价指标与评价方法,确立了我国以“四节一环保”为核心内容的绿色建筑发展理念与评价体系,对影响建筑环境负荷的关键性指标进行赋值与评价。《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014与GB/T 50378-2019)覆盖了设计、施工、验收、评价4个阶段,其中与形体空间相关的指标共计42项,涉及节地与土地利用、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与绿色建材4个章节下的20项条目[13-14]。在此基础上,绿色建筑评价地方标准、行业标准与针对不同建筑类型与领域的绿色建筑评价标准也相继出台,扩展了评价体系的适用对象。

3 绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理与关键指标

中国《绿色建筑评价标准》在发挥巨大行业影响力和贡献的同时,也出现一定的问题和不足。第一,评价体系较为偏重设备与材料性能的提升,关注空间组织与形体优化不足。第二,评价对象主要针对空间形体结果,关注设计方法和过程不足。第三,强调综合性普适性要求,缺乏对特定地域的环境与气候条件差异的深入评价,针对地域性设置的相关条文较少,地域气候适应性考虑不足。

针对以上问题以及基于前述国内外相关研究趋势归纳,本文以建筑形体空间为关注点,分析地域环境与气候条件对建筑形体空间产生影响的机理、方式、范围及形体空间的适应方式,进而从场地、形体、空间、界面等方面对形体空间进行解析,构建绿色公共建筑的形体空间描述指标体系与设计方法指引。

3.1 绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理

刘加平院士指出,“建筑的产生,原本就是人类为了抵御自然气候的严酷而改善生存条件的‘遮蔽所’(shelter),使其间的微气候适合人类的生存”[15]。对建筑内微气候造成主要影响的外界气候要素包括温湿度、日照、风。

人体对外界各气候要素的感受存在一定的舒适范围,而不同季节、不同气候区自然气候的变化曲线不同,其与舒适区的位置关系不同,相应的建筑与气候的适应机理也不同。

1 绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理示意

(1)对过热气候的调节适应(图1蓝色箭头)。要点为通过开敞散热、遮阳隔热将过热气候曲线往舒适区范围内“下拽”,以达到缩短过热非过渡季,同时降低最热气候值以减少空调能耗的目标;

(2)对过冷气候的调节适应(图1橙色箭头)。要点为通过紧密保温、增加得热将过冷气候曲线往舒适区范围内“上拉”,以达到缩短过冷非过渡季,同时提高最冷气候值以减少供暖能耗(或空调能耗)的目标;

(3)对过渡季气候的调节适应(图1绿色箭头)。过渡季指春秋两季外界气候处于人体舒适区范围内的时间,要点为通过建筑的冷热调节延长过渡季,并在其间通过引导自然通风加强与外界气候的互动;

(4)扩展舒适区范围(图1粉色箭头)。这里是指根据人的停留时长、人在其中的行为等标准将建筑内的不同空间进行区分,走廊、门厅、楼梯等空间的气候舒适范围不必如办公室、教室等功能房间一样,可上下扩展一定范围。

根据以上绿色公共建筑的形体空间气候适应性机理,本文从场地、形体、空间、界面4个维度提出形体空间密度、复合绿化率、外表接触系数、最佳太阳朝向面积比、迎风面积比、缓冲空间面积比、外区面积比、空间透风度、窗墙面积比、外遮阳系数、可开启面积比等11个描述指标。

3.2 场地

(1)控制形体空间密度,调节场地微环境

场地层面,主要考虑建筑群体对场地微气候的作用,在机理上聚焦场地微环境及热岛效应,其成因可分为地点热源放热、二次放热与散热不畅等[16]。因此重点剖析梳理与放热相关的场地建设强度指标。2004年,贝格豪泽·庞特(M. Berghauser Pont)与豪普特(P. Haupt)提出空间伴侣(Spacemate)体系[17],避免了使用单项建筑密度指标描述建筑和城市环境密度状态的局限性。该体系由容积率、建筑覆盖率、平均层数与开放空间率4个指标组成。其中,容积率与建筑覆盖率(即建筑密度)一般作为土地开发强度的重要指标;建筑覆盖率与平均高度分别反映建筑在水平方向与垂直方向的聚集度;开放空间率指未被建筑或构筑物占据的空地面积总和与总建筑面积之比,表征单位建筑面积对应的开放空间规模。基于以上研究综述,本文提出形体空间密度指标,综合分析建筑群体密度状态对场地微环境和热岛效应的影响。

2 形体空间密度指标示意

(2)提高复合绿化率,减缓热岛效应

相关研究表明,植被和水体够有效降低场地平均温度,缓解热岛效应[18-20]。目前我国常用绿化评价指标如绿地率、绿化覆盖率和人均公共绿地面积等,主要用于衡量城市绿地的平面绿量。1987 年,日本学者青木阳二提出“绿视率”的概念[21],并于2004年成为日本绿色景观评价体系的常规指标[22]。该指标评价人的视野中绿色所占的比重,可以用于衡量立体绿化的程度。基于以上研究综述,本文提出复合绿化率指标,综合分析垂直绿化、屋顶绿化、水平实土绿化与水体对热岛效应的缓解作用。

3 复合绿化率指标示意

3.3 形体

(1)控制外表接触系数,调节不同地域气候下的建筑散热

体形系数是建筑表皮设计与控制的重要指标,体现了建筑形体的复杂程度,一般认为,体形系数越小,外围护结构的传热损失越少,建筑物与外界能量交换越少。针对体形系数的优化包括夏春海综合考虑建筑热性能与形体几何关系的共同作用,引入考虑温差传热与太阳辐射影响的权重因子对建筑不同朝向的围护结构面积进行修正,提出围护结构热性能的综合评价指标热体形系数[23];赵鹏等提出名义最佳建筑体形系数与实际最佳建筑体形系数的概念,分析体形系数的理解与计算误区,提出以表征单位建筑面积所对应的围护结构面积的指标形体系数以代替体形系数[24];鲁迪·奥恩哈克(Rudy Uytenhaak)关注高密度城市环境的空间品质,提出表征单位建筑面积所对应的立面面积的指标立面系数,反映建筑实体与外部环境之间可能发生渗透的程度[25];邓巧明考虑第五立面露天平台或天窗等对空间品质与舒适度的影响,提出外部接触系数以修正立面系数。基于以上研究综述,本文提出描述建筑散热状况的指标外表接触系数,综合考虑建筑立面、屋顶与架空底面与室外大气的接触,同时消除高大空间中建筑层高对于原有体形系数指标的干扰影响[26]。

4 外表接触系数指标示意

(2)控制最佳太阳朝向面积比,调节不同地域气候下的建筑得热

建筑的朝向与得热密切相关,增大建筑朝阳面积有利于太阳辐射得热。学者综合考虑不同地域气候下建筑各朝向墙面与室内空间可获得的日照时间、日照面积、有利于地区气温特点的太阳辐射等主要因素,通过对有关数据进行实测统计和分析计算得出该地区建筑的最佳朝向或适宜朝向[27],分析计算不同地区建筑在不同朝向时的能耗,得出建筑朝向对能耗有显著影响的结论[28-29]。基于以上研究综述,本文提出最佳太阳朝向面积比指标,描述形体与朝向对建筑得热的影响作用。

5 最佳太阳朝向面积比指标示意

(3)减小建筑迎风面积比,改善建筑通风

场地环境的界面粗糙度反映形体空间对大气流动的影响程度[30]。《城市居住区热环境设计标准》(JGJ286-2013)定义迎风面积比为迎风面积与最大可能迎风面积之比,通风阻塞比为各气候区居住区的建筑密度与居住区的平均迎风面积比的乘积[31]。此外,学者提出迎风面积指数[32-33]、迎风面积密度[34]等参数以描述特定风向下空间形态对空气流通的影响作用,并综合考虑建筑朝向对自然通风的影响,计算得出建筑最佳来流入射角[35]。基于以上研究综述,本文选取迎风面积比指标,描述形体与朝向对建筑通风的影响作用。

6 迎风面积比指标示意

3.4 空间

(1)设置适宜缓冲空间,进行分区控制和人行为引导

缓冲空间通常指在建筑内、外侧或内外之间形成的气候缓冲层,其在一定程度上实现外部环境气候与内部建筑空间之间的缓冲过渡,在相关学者的研究中也有模糊性空间、过渡空间、中介空间、灰空间等不同侧重的名称和定义,通常可包括建筑门厅、走廊、中庭、天井、下沉庭院、露天平台、屋顶平台等。一方面,缓冲空间可以综合利用多种被动式设计策略进行调节,实现改善环境、节约能源的目的[36-37],同时有效遮挡太阳辐射,控制室内温度,提供舒适的休闲场所[38];另一方面,缓冲空间对功能布局和人的行为具有引导作用,进而可进行主动式设备的布局优化和运行调节,降低建筑能耗,对于公共建筑节能尤其具有积极作用。基于上述研究综述,本文提出缓冲空间面积比指标,描述缓冲空间的设计对于改善环境和降低能耗所发挥的作用。

7 缓冲空间面积比指标示意

(2)增加外区面积比,提升建筑被动调节潜力

建筑主体使用空间的内区和外区区分与建筑能耗控制高度相关。公共建筑的室内空间性能通常依靠人工照明、机械通风甚至空调调节,而建筑周边的空间可以获得良好的自然采光、通风,因此《绿色建筑评价标准》简化界定外区为距离建筑外围护结构5m范围内的区域,并对内区采光系数满足要求的面积比例做出要求。相似的研究还包括尼克·贝克(Nick Baker)与科恩·斯蒂莫斯(Koen Steemers)定义被动区为距离建筑外墙5.5m或室内空间净高2倍的进深区域,建筑中庭周边为室内空间净高1~1.5倍的进深区域[39]。基于以上研究综述,本文提出外区面积比指标,来反映建筑采用被动节能技术的潜力。该比例越高,建筑与自然环境互动潜力越大,最大限度利用自然环境满足室内舒适度要求的可能性越大。

8 外区面积比指标示意

(3)增加空间透风度,改善建筑自然通风能力

建筑内部自然通风方式分为风压通风、热压通风,多数情况下,两种通风方式共同作用。在模拟建筑内部自然通风状况时,建筑室内空间划分与隔墙常被忽略,大多数建筑能耗模拟软件缺乏通风计算模块,房间与外界及各房间之间的通风换气量只能根据经验进行估算。章宇峰提出多区域网络模型,将建筑内部各空间视为不同节点,从宏观上反映建筑内部空气流动特征[40]。学者研究中庭、天井等腔体通过热压效应对建筑内部自然通风状况的改善作用,发现通过合理设置腔体高宽比例等参数,可以获得良好的自然通风[41-44]。基于以上研究综述,本文提出空间透风度指标,从内部空间设计的角度观察其对建筑自然通风的改善。

9 空间透风度指标示意

3.5 界面

(1)控制窗墙面积比,调节不同地域气候下的建筑得热

外窗与玻璃幕墙的太阳辐射得热对建筑能耗具有较大影响,简毅文等以上海地区的居住建筑为研究对象,研究分析不同朝向下窗墙比对建筑全年供暖能耗、全年空调能耗以及全年供暖、空调总能耗的影响规律,发现东(西)、北向窗墙比的加大会导致建筑全年供暖、空调总能耗的增加,夏季采用外窗遮阳与有效夜间通风的条件下,南向窗墙比的加大有利于建筑全年供暖、空调总能耗的降低[45];陈震等以南京地区的办公建筑为研究对象,研究分析常见窗型与不同建筑朝向的组合关系,根据节能50%的要求计算各朝向的窗墙比取值,发现当建筑处于正南向时合理的窗墙比取值最大,随着偏东或偏西角度的偏转取值越来越小[46]。基于上述研究综述,本文选取描述太阳辐射得热率的指标窗墙面积比,综合考虑其对建筑得热的调节作用。

10 窗墙面积比指标示

(2)控制外遮阳系数,调节不同地域气候下的建筑得热

窗口外遮阳是改善建筑夏季室内热环境、降低空调能耗的一个重要措施,但太阳辐射对于冬季室内热环境却非常有利,理想的遮阳形式及遮阳板构造尺寸应能同时满足冬、夏季不同时刻室内热环境对太阳辐射热的不同要求[47-48]。建筑遮阳计算是复杂的动态过程,任俊等通过建立计算模型,根据动态模拟软件的计算结果进行处理,得出简化的外遮阳系数与外遮阳设施对太阳辐射得热影响的关系并验证其合理性[49]。基于以上研究综述,本文提出外遮阳系数指标,综合考虑各朝向遮阳对太阳辐射得热的影响。

11 外遮阳系数指标示意

(3)增加建筑可开启面积比,实现良好自然通风

《绿色建筑评价标准》对建筑的通风开口面积与外窗、玻璃幕墙的可开启与有效通风换气比例提出明确要求,以实现良好的通风效果。建筑的通风开口结合主导风向,借助风压与热压的双重作用,可以最大限度的将自然风引入建筑内部,影响建筑内部的风速及分布,充分利用自然通风减少空调使用时间,降低建筑能耗。基于以上研究综述,本文提出描述自然风引入效率的指标可开启面积比,从界面设计的角度观察其对建筑自然通风的改善作用。

12 可开启面积比指标示意

4 结语:形体空间气候适应性机理与指标对绿色公共建筑设计的指引

建筑形体空间与地域气候以及建筑能耗之间的相关性分析,旨在从场地、形体、空间、界面的建筑设计维度上,充分考虑地域环境与气候条件,对于如京津冀、长三角、珠三角、东北、华中等不同地域,建筑形体空间受地域环境与气候条件的影响与适应方式不同,对能耗产生的影响也不同。本文的机理研究,在结合当前中国绿色公共建筑数据库数据构建、以及开展形体空间和地域气候之间耦合的定量分析之后,对于提出地域气候适应型绿色公共建筑设计新方法,具有理论贡献与实践应用价值。□

注释

1)图示所采用项目案例为雄安市民服务中心企业临时办公区。该项目具有临时性和一定的示范意义,设计方案之初明确了可生长、轻介入的原则,选用“十字”单元组合模式并采用装配化、工厂化的箱式建造体系。

2)图示所采用项目案例为金港文化中心。该项目周边地块为高容积率的写字楼,因此明确“城市绿洲”的理念,维持低密度、开放性,最大化保留场地原有水系,采用蓄水屋面+屋面种植+墙面绿化+场地绿化的综合绿化手段补偿建设工程对自然的侵占。

3)图示所采用项目案例为龙湖顺达近零能耗主题馆。该项目位于河北省保定市高碑店市,属寒冷气候区,通过以完整体量包裹不同功能空间的方式减少与外界接触散热。

4)图示所采用项目案例为深圳建科大楼。该项目位于广东省深圳市,属夏热冬暖气候区,通过分散、扩展功能空间增加与外界接触散热。

5)图示所采用项目案例为2019年中国北京世界园艺博览会中国馆。该项目总平面呈弧线型,并采用双坡屋顶有效增加接收太阳辐射面积。

6)图示所采用项目案例为武汉航发金融创新基地总部大楼。该项目紧邻曲线型景观绿化带与自然湖泊,顺应场地边界布局建筑体量,并结合模块间的错动获得良好的自然通风。

7)图示所采用项目案例为中国建筑设计研究院创新科研示范中心。该项目除门厅、走廊、地下室等缓冲空间外,还设置了连续的半开敞式中庭,并利用体量错动形成的屋顶平台,引导绿色健康生活。

8)图示所采用项目案例为江苏建筑职业技术学院图书馆。该项目整体呈上大下小的形态,由下至上逐渐扩展,并设置多个中庭,最大限度利用自然环境满足室内舒适度要求。

9)图示所采用项目案例为海口市民游客中心。该项目呈带状向湖面开敞,结合内部错落、松散、开敞的空间布局,获得良好的自然通风。

10)图示所采用项目案例为东北大学浑南校区图书馆。该项目位于辽宁省沈阳市,属严寒气候区,采用完整方正的体量,在满足自然采光要求的前提下,控制各向窗墙比,减少冬季散热,并采用内收式窗台增大自然光入射量。

11)图示所采用项目案例为华南理工大学广州国际校区一期工程C地块。该项目位于广东省广州市,属夏热冬冷气候区,采用局部架空、遮阳百叶、屋顶花园、采光中庭、生态天井等方式改善自然通风与采光,营造舒适宜人的建筑环境。


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