以空间形态为核心的公共建筑气候适应性设计方法研究

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2022-04-09 11:10:37  更新时间：2022-04-09 11:10:37

　　绿色建筑的根本目标在于人、自然、建筑和谐关系的重塑。传统乡土建筑都曾在有限的技术条件下展现出调节自然气候的不懈努力和智慧。1940 年代后，借助空调为代表的现代建筑设备技术的普及，在建筑内部营造独立于自然的纯人工气候渐成主流，其观念与方法从西方逐步向全球蔓延。1960 年代的能源危机促动了可持续发展观念下的绿色建筑探索。其中，以设备为核心、以能效评级认证为导向的理念及其技术方法成为绿色建筑领域的一种显学。与此相径庭，以“形式跟随气候” [1] 为主张的研究与实践也悄然探索着与自然辨证相处的策略与路径。艾纳吉 · 阿巴罗斯 (Inaki Abalos)[2] 总结并拓展了气候建筑学领域的研究成果，揭示了主动式、被动式与建筑形态三者在不同时代观念下的权重关系 ( 图 1)。建筑因人的生理和行为需求，在室内外创造局部的气候可控场所。建筑是自然气候的调节器，这种调节系统可能产生必要的建筑用能，也可能不用能。对“能效”的追逐首先应置于用能必要性的前提之下，不用能和少用能才是上策。所谓气候适应机制，就是指通过利用和调节，形成既符合人的舒适需求、又利于形成建筑与自然的良性关系，并实现节约能源的开放系统。这种开放的气候调节机制首先在于其基本空间形态所奠定的基础。绿色公共建筑遵循绿色建筑的一般原则和共性，又因使用者、功能、规模、尺度的类型多样，而产生空间及空间组织的复杂性和差异性，导致其实现绿色化的特定策略与方法。

　　1 气候的差异性与相对性

　　自然气候包括风、光、热、湿等基本要素。不同的要素有其不同的存在和运动方式，并受地理、地表形态和人类活动的干预而相互作用。建筑学语境下，气候的差异性和相对性是气候认知的两个重要特征。

　　1.1 气候的差异性气候的差异性体现在空间与时间两个维度。气候区划为气候的地域空间差异建立了基本架构，我国的严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，是一种大尺度的划分。气候区划提示了地理尺度下气候与建筑之间的资源与约束关系，以及不同地域建筑的气候适应性所面临的主要矛盾。气候的空间差异还反映在宏观到微观的不同尺度层级，并相互影响。地域 -城镇 -地段 -街区 ( 建筑群 )-建筑，构成了地域大气候向场地气候逐渐过渡的层级。从城镇气候到场地气候，因人的主动干预而具有鲜明的二度自然气候特征。气候的层级性认知对于场地环境和建筑群尺度的微气候调节乃至城市尺度的气候影响具有重要的价值。气候在时间维度的差异主要表现在季节和昼夜的周期性转变。季节及昼夜在不同的地域又有时长的差异性，从而表现出复杂多样的具体气候形态。

　　1.2 气候的相对性气候是一种客观存在，但人对气候的感知，乃至与气候相处的方式却是有差异的。这种气候感知差异来自于与地域和民族相关联的文化背景和气候适应能力等方面 1)( 图 2)。南方人和北方人遭遇同样的温度湿度，感知结果大为不同。气候感知因时、因地、因比较而变化，同样的温度标量，在冬季意味着“暖”，在夏季则可能意味着“冷”，这种冷热感知的相对性同样发生于人在不同气候空间的游走过程中。1950 年代发端于美国的室内气候精准控制理念，在其后被证明对健康、舒适和能源节约均无助益 [3]。建筑空间的气候舒适性区间指标应充分考虑因人而异的相对性，而更为有效的手段则是对室内外不同场所的气候过渡进行合理的驾驭。气候是建筑设计的前提，又被设计的结果所影响。在气候与建筑的相互作用中，人应该发挥因势利导的核心能动作用。

　　2 空间形态设计是公共建筑实现气候适应的核心环节

　　人对空间环境的客观需要是营造活动的原始动因。人对建筑空间的舒适性要求与纯自然气候有着不同程度的差异。建筑形态是建筑空间和物质要素的组织化结果，从基本格局上建立了空间环境与自然气候的性能调节关系，被动式措施则进一步增强了这种调节效果。在必要的情况下，主动式技术措施用于弥补前两种手段的不足。现代以来，公共建筑设计中前两种措施逐渐被忽视，转而走向更多依赖主动式设备调节。过度着眼于设备技术的“能效”追逐，却掩盖了建筑整体高能耗的事实，这正是导致建筑能耗大幅攀升的重要缘由 [4]。不同气候区划意味着不同的适应性内涵与策略。不同的空间场所及其组合形态形成了自然气候与建筑室内外空间的连续、过渡或阻隔，由此构成了气候环境与建筑空间环境的基本关系。在这种关系的建构中，以空间组织为核心的整体形态设计和被动式气候调节手段必须被重新确立，并得到优化和发展。可以说，绿色建筑设计新方法的核心内涵之一就在于通过基本的形态设计进行气候调节，从而实现建筑空间环境的舒适性和低能耗双重目标。这种新方法的根本内涵在于通过空间与气候的关系重构，强化“自然做功”在气候管理中的效率，将建筑用能的“源头减量”作为优先原则，而非仅仅依赖甚至过度依赖以设备为主体的能效“末端控制” [5]。

　　3 基于微气候调节的场地总体形态

　　公共建筑与地域气候的适应性机制首先体现在其场地及周边环境的层面，这种机制取决于地形地貌、场地及周边既有建筑、拟建建筑与地区气候和地段微气候之间的相互联系与作用。公共建筑在该层级的设计以建筑 ( 群 ) 对所处地段及场地微气候的适应与优化为基本原则和目标。通过利用、引导、调节、规避等设计策略对风光热湿等气候要素进行有意识的引导或排斥、增强或弱化，从而避免负面微气候的产生，进而实现气候区划背景下的微气候优化。基于上述原则，可以从建筑选址、建筑总体形态布局、地形利用与地貌重塑等方面，形成场地总体形态的气候适应性设计架构。

　　3.1 建筑场地的气候学分析城镇建设改变了气候下垫面的既有形态，热力分布、风环境、日照环境在城镇的不同地段呈现出不均匀分布。在山地湖塘等复杂环境下，地形的平面和高程变化都会产生日照、温度、风环境等微气候差异。公共建筑因其不同的功能类型对地段气候要素具有不同程度的要求。因此，基于地段微气候差异的区位分析对公共建筑的选址具有前提性意义，这为建筑选址的趋利避害奠定基础。在不具备选址可能性的情况下，对场地所在地段的气候区位分析也会对场地的布局产生影响，因而成为场地规划布局的重要环节 ( 图 3)。

　　3.2 适应并调节气候的建筑总体形态布局经历长期演化积淀的传统城镇建筑曾展现出适应并调节地方气候的丰富经验。寒冷地区建筑群因日照需要而采取较大间距，并以错动的形态降低强风的穿越 ;建筑单体严格约束体型系数，以尽量少的外包裹面避免热损失。在炎热的南方地区，建筑群倾向选择高密度集聚的形态，并辅之以冷巷和庭院，从而通过阴影和风廊，创造出更多的凉爽场所 ;建筑个体倾向于选择舒展的形体和通透的空间，以利于通风散热。在夏热冬冷地区则是上述两种形态类型的取舍与平衡，并着力于针对冬夏两季反转的应变之策 ( 图 4)。公共建筑的场地规划布局正可以借助传统经验的传承和再创造，通过非耗能的方式实现对地段微气候的利用、调节和优化。其中，置身于既有环境中的场地空间组合形态的把握是为首要。形体组合一方面参与场地微气候的调节，同时也为建筑内部空间的气候性能化设计创造条件。方位朝向的选择、基本建筑形体的决策、间距密度的配置等措施使场地的气候适应性进一步得以落实，并可通过性能模拟和运算生成展开场地微气候的评估与优化 ( 图 5)。

　　3.3 基于生物气候机理的地形利用与地貌重塑场地微气候随地形地貌的变化而产生不同程度的变化。冷空气沉积于谷底 ;主导风跟随山谷的走向 ;自然风在开阔地增强，而在树木阵列后减弱 ;水体有助于调节气候变化幅度，并可吸热增湿 ;覆土可助益内部空间冬暖夏凉。这些基本的生物气候认知一方面提示在公共建筑设计中，利用地形地貌进行场地总体布局的基本依循，另一方面也揭示了结合建筑布局，展开地形地貌重塑的微气候优化潜力。庭院纳荫、临水设榭、覆土造穴、树阵阻风等都是场地布局中在地面上下部展开地貌重塑的不同手法，可在与不同地域气候条件和建筑功能的联系中善加选择和创造 ( 图 6)。

　　4 基于气候和能量管理的空间分类与形态组织

　　公共建筑空间形态的组织不仅是对功能和行为的一种组织布局，也是对内部空间各区域气候性能及其实现方式所进行的全局性安排，是对不同空间能耗状态及等级的前置性预设。因此，在驾驭功能关系的同时，要根据其与室外气候要素联系的程度和方式展开布局，其基本原则在于空间气候性能的整体优先和能耗的整体控制。

　　4.1 气候与能量管理语境下的空间分类基于“气候 -空间 -能耗”的关联方式和程度，可以从空间对气候的要素选择差异和程度差异、空间性能与能耗的等级差异、空间的开放度等方面对建筑空间进行类型划分。这种新的类型分析与认知是探寻气候适应性空间形态组织的重要基础。

　　4.2 基于整体气候性能的空间形态组织整体优先、利用优先、有效控制和差异处置是气候适应型空间形态组织的基本原则。即从适宜的气候性能与能耗控制的平衡关系出发，通过建筑空间的系统化组织，最大程度地实现对自然气候的整体利用，有效控制自然气候的不利影响，进而实现建筑总体低能耗目标。据此可探寻其空间形态组织的基本策略与方法 ：

　　1) 使普通性能空间置于气候优先位置。根据气候性能要求的程度差异，严格约束高性能空间的规模，建构普通性能空间、低性能空间、高性能空间之间的适宜性配置与组织关系。普通性能空间通常占据各类公共建筑使用空间的最大比例，其空间应布置在利于气候适应性设计的部位。对自然通风和自然光要求较高的空间常置于建筑的外围。对性能要求较低的空间则时常置于朝向或部位不佳的位置 ( 图 8)。 2) 充分拓展融入自然的低能耗空间潜力。根据建筑空间与室外气候关系的分类，开拓融入型、过渡型等具有零能耗和低能耗特征的空间潜力，大力强化选择型空间的气候适应性设计，严格约束与自然气候相排斥的高能耗空间，形成与不同能耗等级相对应的空间组织架构。融入型空间可以承载许多行为活动而无需耗能 ;过渡型空间可以作为室内外气候交换和过渡的有效媒介 ;排斥型空间通常以封闭形态而占据建筑的内部纵深(图9)。 3) 优先利用自然采光与通风。建筑内部空间形态的确立应根据空间与自然采光的关系和建筑内部风廊的整体轨迹进行综合驾驭。自然光和自然风的获取与控制极大程度地牵引着建筑空间形态组织的整体格局 ( 图 10)。

　　5 单一空间的气候针对性设计

　　单一空间是建筑空间组织的基本单元，也是建筑能量管理的基本单元。公共建筑的气候适应性最终要在单一空间的层面得到落实。这里重点讨论建筑使用空间中与室外气候联系密切的普通性能空间。作为公共建筑中占比最大的空间类型，普通性能空间的气候适应性设计对于推进公共建筑性能提升和降低能耗具有关键性意义。

　　5.1 “量 -形 -性 -质 -时”统筹设计单一空间的气候适应性设计可以从量、形、质、性、时 5 个方面进行把握。“量” 是指空间的规模尺度，通常表述为平面面积、三维尺寸和容积等可度量指标，空间尺度与其所承载的人群活动和设施规模相对应。 “形”是指空间的几何特征及其内部次一级的空间构形。“性”即空间所支持的功能属性，并与使用者行为和心理密切关联。“质” 不仅是指视觉触觉等品质，还应包含两种彼此关联的绿色品质 ：即舒适度相关的空间性能品质，及能耗品质。“时”是指空间及其所承载活动的时态特征。建筑生命周期内，不同空间的使用频率不同，并随时间而发生周期性或随机性变化。这 5 个方面中，与气候适应性直接关联的是空间的“质”，也是绿色建筑的一个关键点。在满足功能属性的前提下，量的配置与形的设计都是为了“质” 的实现。空间容量控制对能量管理具有基础性意义 ;形的设计则是体现气候适宜性的核心策略。“时”作为绿色思维的一个必要维度，提示了空间量、形、性的动态性和质的相对性。量、形、性、时，彼此影响互动，且无一不与“质”的确立密切相关。

　　5.2 集成化、多功能空间利用公共建筑普遍具有功能要素多样且因时而变的特点，空间的应变能力成为绿色设计的重要内涵之一，其基本策略有两条 ：其一，通过结构、设备与建筑的集成化设计，为公共建筑空间的灵活划分和动态调整奠定基础。体育场馆的赛后利用、会展类建筑的后期利用已经提供了大量的经验与教训。集成化设计同时也为结构、设备与使用空间的相互叠合利用开拓了新的潜力。其二，项目策划和设计过程中，应提倡并充分发挥多功能空间的价值。多功能空间的实质就是通过空间的功能集成和分时利用，压缩用能空间的总量。因此需要研究不同功能属性与空间的量、形、质、时之间的相互适应关系，探寻多功能空间的气候动态调节的技术方法 ( 图 14)。

　　6 性能导向的外围护结构与空间分隔

　　建筑外围护结构和室内分隔是实现空间围合必要的物质手段，也是绿色建筑气候适应性设计的必要环节。公共建筑功能类型多样，并被赋予更多的人文期待。随着绿色美学观的普及，其外围护结构和室内分隔应大力倡导与空间形态设计相向而行的性能化导向。

　　6.1 外围护结构作为气候调节的装置外围护结构以被动式措施对室外气候要素进行选择性导入，使建筑内部成为性能可调节的开放系统。与倡导隔离的“气密性建筑” 2) 相反，气候驱动的外围护结构应成为捕获自然能量、调控内部气候性能的有效装置，而不是一种封闭的外壳，或仅仅作为造型手段。在不同的外部气候条件下，纳阳或纳凉、采光与遮阳、保温与散热、隔声与通风往往使设计陷入矛盾与冲突之中。气候调节的不同取向要求设计须根据地域的差异抓住主要矛盾，做出恰当的权重判断。另一方面，应对不同取向的性能化设计，使外围护结构的用材和构造趋于复杂，并时常遭遇安全、耐久、防火等问题与冲突。具有多功能集成和灵活应变能力的外围护结构的集成化设计和产品研发势在必行。与建筑施工效率和建造的经济成本相联系，这一现实需求同时也开辟了集成化、智能化、装配式、互动式外墙体系的新领域 ( 图 15)。

　　6.2 室内分隔作为内部性能优化的介质公共建筑内部空间的分隔类型多样，其不仅是划分内部空间领域，强化场所品质的重要元素，也是优化室内空间气候性能的重要介质。室内隔墙的阻隔功能通常用于必要的防火分区，界定不同的功能分区，并可作为不同能量管理单元的分隔。但在使用功能可以彼此交互或兼容的状态下，封闭的隔墙并不可取，而应依据分隔所针对的具体对象选择适宜的材料和构造手法，收到既分又导的双重功效。例如，镂空隔断可以相对划分不同领域，而不会阻断通风和采光 ;半透明玻璃可以阻断视线干扰，又可传导光线 ;内部陈设与建筑的一体化设计更可能发挥提升内部空间性能的优化作用。公共建筑的室内分隔设计不应简单地理解为装修设计，而是要作为气候适应性设计和能量管理的有机组成。在把握其分区和阻隔功能的同时，充分发掘其导风导光的可能潜力 ( 图 16)。

　　7 结语

　　气候适应型绿色公共建筑设计新方法从气候与建筑的相互影响机制入手，探索以空间形态为核心，以要素集成和过程协同为特征的科学方法。其首先强调的是通过对自然气候的利用和调节，充分挖掘少用能甚至不用能的场所潜力 ;其二，在方法策略上，将空间形态设计置于绿色设计的上位，继而发挥被动式构造的积极作用，其次才是作为补充的设备体系 ;其三，在物质要素上，强调以空间复合利用和性能优化为指向的建筑、结构、设备诸要素的集成化设计 ;其四，在过程管理上，强调气候评估、形态驾驭、性能评估、技术集成、施工建造、使用运维等诸环节的全程控制与协同 ;其五，要大力推进直接服务于设计实践的性能评估工具的研发创新，大力推进基于计算机技术的性能模拟与形态生成工具的有机链接与融合，大力推进服务于多要素集成、多工种配合、远距离协作、全程化管理的协同平台的研发创新。值得关注的是，绿色建筑的推进必须见人见物。“人”是首要的决定性因素。人的影响力首先在于绿色价值观的建立和绿色生活方式的养成，这将在根本上铸成新一代绿色建筑美学，进而影响到标准编制、设计创作和技术路径的选择与创新。

　　参考文献

　　[1] 查尔斯 · 科里亚 . 建筑形式遵循气候 [J]. 李孝美 , 杨淑蓉 , 译 . 世界建筑 , 1982(1):54-58.

　　[2] 李麟学 . 热力学建筑原型—环境调控的形式法则 [J]. 时代建筑 , 2018(3): 36-41.

　　《以空间形态为核心的公共建筑气候适应性设计方法研究》来源：《建筑学报》，作者：韩冬青; 顾震弘; 吴国栋