地下建筑自然采光通风设计

【摘 要】地下建筑是建筑空间发展的新趋势,因特殊的地理位置,其自然采光通风设计尤其重要.本文重点阐述了地下建筑设计引入生态理念的意义,通过分析比较,对地下建筑的自然采光、通风设计进行了探讨.

【关 键 词】地下建筑；自然采光；通风；建筑设计

随着经济发展,城市化速度加快,建筑用地日益紧张,已成为制约城市进一步发展的关键因素之一.在这种情况下人们的眼光逐渐由地上转向地下,以寻求一个更加广阔的发展空问.

建筑是人类文明的固化载体.不断升级的人类与不可再生的土地资源直接对撞,使得地下建筑得以开发,同时,地下建筑也架构起人类地上地下新的立体生存空问.既节约了耕地,又能满足人类生活的多样性、丰富性,且符合绿色低碳的理念.迄今为止,这还是一个尚未被充分认识与开发的广阔领域.地下建筑是指建造在岩层或土层中的建筑.它是现代城市高速发展的产物,起到缓解城市居所紧张的作用,地下建筑还为人类开拓出新的生活方式.在积极探讨人类面临或即将面临的困难时,更应对人与自然的和谐共处、建筑的本质进行严肃思考.从这一意义来讲,地下建筑设计理念的探讨是非常有价值、有必要的.

地下建筑与地上建筑的环境因素比较.任何建筑物体都置身于具体的自然环境之中,因地域不同、季节不同呈现出不同的环境特色.在一般情形下,地下建筑与地上建筑分别表现出不同的特点,如表1所示.

地下建筑与地上建筑的环境因素比较

环境因素

建筑类别地上建筑地下建筑

自然采光较好差

隔音差好

保温隔热受地域、季节影响大,温差大效果好

自然通风较好较差

给排水需配给排水设备需配给排水设备

通过比较可以看出,地下建筑除采光、通风有些局限外,其他项目内容甚至优于地上建筑.所以,采光、通风设计的优劣,是评价一个地下建筑设计成功与否的重要因素之一.

建筑的采光一般分为自然采光与人工照明两种.在地下建筑中,通常采用人工照明的手法,虽然解决了照明问题,不过费用较高,还难以达到自然光带给人的良好感受.如果能通过建筑设计和采光技术手段,将自然光引入地下建筑,不但可以节约一大笔人工照明费,而且还能创造出舒适的自然环境,如同置身于地上建筑中.常见的地下建筑自然采光方式,主要分为直接式采光与间接式采光两大类.直接式采光是指将自然光直接引入地下的设计方法,主要应用于浅层的地下建筑中.直接式采光通常是在建筑大厅或中庭的顶棚处,设置与地面直接连通的天窗.直接式采光所营造的空间氛围在地下建筑中也是最接近自然的.对于层数少、平面体量相对较大的地下建筑,需要一个开敞空间来改善地下建筑方位感.著名的法国卢浮宫的玻璃金字塔,设计师贝聿铭大胆构思,采用古老的金字塔形式,将透明玻璃金字塔和周围三个小玻璃金字塔作为地下建筑的采光天窗.即使在1h内有15000名参观者进入自然采光的大厅与回廊中,仍然可以尽情地享受地下宫殿的迷人艺术,毫无不适之感.该设计近乎完美地运用了自然光,创造性地解决了地下建筑的自然采光难题.

间接式采光是利用一些辅助设备将自然光输送到地下建筑中,常在深一些的地下建筑中采用.常用的方法有镜面反射、光导纤维等几种方式.镜面反射采光是利用平面镜、曲面镜和透镜等,将自然光通过一次或多次反射到地下建筑中,从而解决了地下建筑采光的问题.如美国明尼苏达州立大学的土木采矿工程大楼,这栋建筑95％的部分处于地面以下,为了能将阳光引入其中,设计师采用潜望镜的原理,将自然光传送到地下33．5m处.光导纤维采光是利用光纤维传到地下建筑的一种采光方式.它充分利用光的全反射原理,光线几乎全部在纤芯里传播,基本上没有任何损耗.清华大学的超低耗楼就使用了一种被称为“向Et葵”的光纤维采光技术,在对地下室进行采光时,取得了很好的效果.光导纤维虽然较高,但由于其采光效率高,占用空间小,且能灵活弯曲,因此,在一些光环境要求较高的地下建筑中被广泛采用.

在封闭性强、空气质量差的建筑物中,人们会出现不适的症状.为了改善地下建筑室内的环境质量,目前大多采用机械通风的方式,稀释空气污染物,以保持室内空气洁净.不过,这导致地下建筑在通风时,必须耗费大量的能量.如1座两层6500多m的人防工程,其中地下1层经常使用,其通风除湿机械的功率约为150kW,仅此一项,1个月就消耗电费上万元.过高的使用成本限制了人们对地下建筑的利用.在提倡可持续发展的今天,地下建筑如何通过自然通风的方式来节能,也是一个亟需研究、解决的问题.自然通风是指在风压和热压作用下的空气运动,根据自然通风的形成原理,设计时需要考虑设置直通到顶的中庭、天井、烟囱及进风、排风口,来促进并控制建筑物内部的自然通风.对于大进深的地下建筑,为其设计自然通风时,从建筑的一端到另一端传统的穿堂风设计,往往无法实现自然通风的效果.例如,英国考文垂大学的图书馆就分别设计了4个通风天井进行送风,废气则通过中庭和分设在建筑四周的排气烟囱排出,这是一个靠热力驱动的置换式的通风设计.设计中,通过减少进气口与出气口之间的距离,加之良好的通风细节设计,从而实现了无需机械通风的可持续性自然通风.

地下建筑具有良好的热稳定性,与地面形成一定的温度差,即夏季比外界温度低,冬季比室外温度高,它们之间的温度差能够促使地下建筑的热空气上升,冷空气下沉,形成自然通风.掌握自然通风的规律,可以有效地控制自然通风,以达到自然通风与节能的目的.对不允许兴建高耸通风烟囱的建筑,为了达到通风的效果,可利用机械设备辅助实现自然通风,如美国芝加哥图书馆就采用了这两种通风形式相结合的方式.实践证明,地下建筑采用可调控的混合式机械装置与自然通风相结合的系统,节能效果非常好.

拓展生存空间,回归生态建筑,使人类更加贴近自然.当改善环境、保护环境成为全球共同的声音,可持续发展成为所有领域的主旋律时,作为建筑业界人士,对占世界总耗能三分之一的建筑产业,更应积极探讨节能、绿色、低碳、可持续性的建筑设计方法.