生物气候型建筑设计方法量化辅证

【摘 要】本文基于我国南亚热带气候区,以笔者运用生物气候型建筑设计方法完成的居住建筑设计方案为研究对象,结合分析软件,通过气候、遮阳、采光以及舒适度等多项分析,试图论证生物气候型建筑设计方法在降低建筑能耗、提高舒适度与健康度、以及生态修复方面切实可行.对于优化现今普遍的建筑设计方法具有积极作用.

【关 键 词】生物气候型建筑；设计方法；软件分析；辅证

1.前言

生物气候型建筑指的是,结合建设地的气候条件,选用相适应且具有一定生态修复功能的被动式设计策略所设计建造的建筑.此类建筑运行过程中耗能低、能源使用率高,对建筑周边的微气候具有调节作用,提供健康的建筑环境.

笔者运用AutodeskEcotectAnalysis2011分析软件,分别载入《中国建筑热环境分析专用气象数据集》（CSWD）中的广州、深圳、南宁、梧州（南亚热带气候区代表城市）四地的气象数据进行分析,得出南亚热带气候区适用的建筑设计策略应为：

被动式太阳能采暖+自然通风+被动式蒸发降温+设备调节（空调、供暖）.部分地区（气

温日较差较大）夏季降温适用夜间通风策略；全年湿度大的沿海城市不宜采用蒸发降温.

本文依据此气候分析结果对设计完成的混合式住宅进行量化分析,并从气候适应性、被动式建筑设计策略以及舒适度等多方面,与常规的住宅设计进行对比.

2.居住建筑设计方案比较

居住建筑在拥有着13亿人口的中国来说是不可或缺的大量性建筑,从某种意义上说,居住建筑不仅是人们安居所需,更是体现社会公平性的重要因素.笔者针对目前国内住房紧张以及居住隔离等现象,运用生物气候型建筑设计方法及原理,提出混合居住模式的高层住宅构想方案.（图1）

2.1、设计理念

居住隔离是指由于种族、宗教、职业、生活习惯、文化传统、财富或是社会阶级等原因,导致特征类似的人群聚居在特定空间（范围）内,与不相类似的人群彼此隔离,甚至歧视、敌对的态度.相关研究指出,现阶段我国城市中居住隔离的主要成因,是住房供给市场化下对家庭收入的制约.而相对于外来人口与城市低收入人群而言,户籍制度与住房保障政策,更是让民众望房轻叹.

图1混合式居住建筑整体效果

当前以各个不同的社会阶层为基础所形成的居住隔离尤为突出：

（1）富裕阶层通过经济与拥有社会资源上的差距,形成准入性相当高的生活圈子.

（2）中产阶层居住在自为政的单元体里,并被不同的空间形式隔离,邻里关系淡漠.

（3）外来人口聚居在城郊结合处的廉价房、城中村中,远离中心城区,地理上形成隔离.城市低收入人群原来聚居的旧城区多数被拆迁改造,安置地多半远离原来住地,原有的邻里关系被瓦解.

解决居住隔离问题最终是要形成运行良好的邻里系统,而邻里关系的形成是前提.邻里关系并不是设计师所能创造的,而是由彼此认识的居民共同形成的人际关系网络.设计师在这其中扮演的角色是居民交流平台的搭建者.反观现今常规的住宅设计,就建筑本身而言,除了候梯厅,几乎不存在居民彼此交流的功能空间.而多作为消防前室的候梯厅能够联接的居民数十分有限.高人工维护的地表花园设计被大量地采用在各个居住小区中,这也是居民间唯一存在的交流平台.

笔者提出的混合式居住方案为由两边对称的“一梯四户”拼接而成的“两梯八户”（图2）,共32层的高层住宅建筑,建筑高度99.500米,单栋总建筑面积3514.67平方米,单栋建筑占地面积1032.879平方米,套型配比及其面积指标见表1.（读者可根据文中各个平面图与表中相对应的颜色查看各套型的相关信息.）

2.2、设计方案

设计以每四层为一个单元,进行竖向的单元层叠（图3）.将花园引入单元中使其成为具有居民交流与共享功能的空中“绿色空间”.居室围绕着交流空间三面布置,与电梯井相结合,颇有四合院的格局（图2）.这样的交流空间较于地表花园缩小了联接范围（方案中联接14户）,与居室的联接更为紧密（图4、图5）,更有利于邻里关系的形成.再者,立体绿化将“绿色空间”引向空中,更贴近居室之余,也将调节微气候、修复城市生态环境的功能带上了城市的高空.此举带来的生态效益,是原来停留在地平面的绿化设计无法达到的.

表1套型配比及其面积指标

套型

建筑面积（m2）

套内使用面积（m2）

阳台面积（m2）

数量（套）

占比（单栋）

一室户型

59.32

50.24

4.07

108

47.37%

二室户型A

66.97

55.84

7.58

32

14.35%

二室户型B

75.26

64.38

4.05

28

12.28%

三室户型

85.58

74.01

5.84

32

14.35%

四室户型

141.27

120.80

13.76

28

12.28%

注：1、表中建筑面积包含一半的阳台面积,套内使用面积不包含阳台面积.

图2标准层1平面图

（淡蓝色：一室户型；淡：二室户型A.序号：1-起居室；2-餐厅；3-卧室；4-厨房；5-卫生间；6-阳台；7-交往空间[扩大消防前室]；8-共享空间[露台]；9-立体绿化.）图3南（北）立面图

（淡蓝色示功能单元,洋红色示立体绿化）

图41-1剖面图（交流示意）

图52-2剖面图（交流示意）

3.量化比较

本文选取《中国建筑热环境分析专用气象数据集》（CSWD）中的广州气象资料作为本次研究的气象数据.选取（图6）较为常见的住宅设计作为比较对象,并做出以下分析比较：

3.1采光与通风

采光与通风作为住宅建筑设计质量的基本衡量项,是保证居住者身心健康最基本的条件,住宅建筑均应满足这一要求.根据《建筑采光设计标准》GB/T50033——2001的相关规定,广州位于光气候分区III区,光气候系数K等于1.居住建筑采光系数最低值要求起居室、卧室等主要使用空间为1,卫生间等辅助空间为0.5.以此为标准对两项建筑方案进行自然采光模拟,计算面选取为当前层楼板上表面标高加0.90M处（图8）.图中从冷色调至暖色调所代表的数值依次升高,设定采光系数下限为1（蓝色区域）,不满足的区域会被自动去除（图中无图例填充的空白处）.

图6对比住宅平面图（10-入户阳台）

图7标准层2、3、4平面图（序号参图2）

从图8中可以看出,方案建筑中各户型除卫生间与过道的自然采光系数不足1以外,其他功能空间均能满足规范要求.交流空间、楼梯间采光良好.比较建筑户内采光状况与方案建筑大致相同,但可看出,其楼梯间窗户远端自然采光不佳.日间使用仍需人工照明辅助.值得一提的是,现今有些高层住宅设计中,设计封闭楼梯间,甚至连电梯前室也无自然采光.本文提及的两项设计较之可省日间人工照明与正压送风设备的能耗与成本.

通风方面,方案建筑南北布房,与比较建筑相比,户型内穿堂风难以实现,但户型进深均为6米、7米,进深尺寸不大,通风状况并不会太差.另外,方案建筑户型虽缺少穿堂风组织,但通过中庭与露台的组织,可形成围绕户型的气流,即从标准层1的交流空间采光口进风,利用“烟囱效应”中庭拔风,在标准层4设出风口.利用此举,夏季降低户型中庭一侧外墙外表面的温度,减少户型得热,同时提高交流空间的夏季舒适度.

图8自然采光分布图

图9最热月（6-9月）日均直射辐射分布图

图10建筑体量遮阳示意图

3.2、适应气候的被动式设计

在南亚热带气候条件下,建筑全年运行中最大的矛盾是夏季过热问题,其次需要解决的是冬季舒适性.在笔者提出的方案中,解决主要矛盾夏季过热的被动式措施有以下三点：

（1）基于笔者运用AutodeskEcotectAnalysis2011软件得到的气候分析结论,在建筑东、西两侧会引起建筑过热的朝向布置辅助用房,以降低太阳直射辐射对主要使用空间的影响（图2、图7）.图9中,设定直射辐射量下限为200Wh,不满足的区域会被自动去除（无图例填充处）.由于利用了楼梯间与电梯井遮挡东、西向的直射辐射,方案建筑中,各户型的外墙接收到的东、西向太阳直射辐射量均不足200Wh；而比较建筑缺少这一考虑使得户型中的卧室外墙直接遭受直射辐射的烘烤.两种设计对于室内得热量的影响不言而喻.

（2）利用建筑自遮阳遮蔽、降低窗户与外墙接收的直射辐射.图10为8月30日（气象资料中全年平均最热日）典型时间段两项设计南向的遮阳效果比较,方案建筑的遮蔽情况明显优于比较建筑,比较建筑除了阳台挑板可以进行自遮阳,凸窗近乎无遮阳状态.图9中,方案建筑充分考虑了建筑的体量遮阳,南向户型内绝大部分区域最热月日均直射辐射量不足200Wh；而比较建筑的南向户型中,仅有朝北的卧室直射辐射量低于200Wh,南向的卧室、起居室等空间深受直射辐射的影响.

（3）均匀布置的立体绿化设计进一步降低太阳直射辐射的不利影响,同时利用植物蒸腾作用与呼吸作用,进行降温与吸收一定量的碳排放.

综合以上三点被动式设计,对两栋建筑作太阳辐射得热量分析比较：

图11为两栋建筑夏季（6、7、8、9月）被动式得热组成分析,图中为太阳直射辐射得热,红色为导热得热（即围护结构得热）,蓝色为区域间得热.从图中可以看出,方案建筑中占比最大的得热方式是导热得热,达51.2%,其次是占24%太阳直射辐射得热；而比较建筑中占比54.2%的是太阳直射辐射得热,导热得热为34.5%.且方案建筑总体得热量低于比较建筑,峰值差值接近100Wh/m2（此数值仅供方案阶段参考）.

表2为全年最热日（平均）太阳辐射逐时得热量,表中选取两栋建筑标准层的西南户型（过热影响最大的位置）作为分析对象,采用相同的热工设计,已去除得热量为零的时间段.8月30日为气象资料中全年最热日（平均）.

可见方案建筑基于气候主要矛盾的被动式设计能有效降低最热月太阳辐射的过热影响,从而降低建筑的得热量,有利于缩短夏季制冷时间与降低空调降温能耗.

图11全年最热月（6、7、8、9月）得热组成分析图

表2房间全年最热日（平均）太阳辐射逐时得热量

太阳辐射逐时得热量——8月30日（单位：Wh）

时间

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

总计

方案建筑

65

152

221

292

370

394

540

559

272

357

104

28

3355

比较建筑

144

336

487

642

815

869

1556

1772

600

1802

228

61

9312

注：得热量还包括导热得热、通风得热等多项,此表数据仅为太阳辐射得热量.

4.结语

通过上述量化对比可以看得到,基于气候分析基础,针对当地气候特征运用适应性的被动式设计策略,能够有效地减缓建筑与气候的主要矛盾,提升建筑在极端气候环境下的舒适度与能源效率.而适应气候正是生物气候型建筑的核心所在.笔者希望通过这一案例的介绍,能够引起设计师在建筑创作时对气候因素的重视,改变忽视气候与地域因素的设计模式.