基于生态气候学的建筑形式策略研究

2022-05-08 10:05:03 | 浏览次数：

摘要：为了更好的节约能源、保护环境，世界各国相继提出了“可持续发展”战略。在这一模式影响下，生态气候学的概念被广泛运用于当今的建筑语言中，覆盖诸多方面。本文通过对我国各个地区生态气候策略的解读，提出结合各个热工分区的生态学设计策略。

关键词：可持续发展生态气候学设计策略

1 研究背景

自1973年第一次全球性石油危机以来，节约能源和保护环境成为全世界共同关注的话题。当代建筑在建造的时候往往过分依赖当代技术，忽略了自然环境的影响，而这又需要消耗大量的能源，结果是当代建筑在一定程度上失去了调控环境的能力，室内环境质量也不是很好，而随着能源消耗的增加环境问题也在日益恶化。面对当代建筑能耗大、对环境产生污染的特点，如何寻找更优化、更合理的发展方向，如何与地方气候等自然元素相结合成为未来建筑应用领域的发展方向。

2 适应当地气候的建筑形式策略

根据《民用建筑热工设计标准》（GB50176—93）的规定，我国可划分为以下5个气候区（图1）：即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。这一分区反映了建筑热工设计与气候的关系，主要体现在气象基本要素对建筑物及围护结构的保温隔热设计的影响。

2.1严寒和寒冷气候地区的“封闭保温+太阳能利用”设计策略

在严寒和寒冷地区，春、夏、秋三季的温度比较适宜，基本上不需要使用过多的能源进行室内温度和湿度的调节，因此，严寒和寒冷地区的设计策略应着眼于建筑的保温和采暖。要做好保温和采暖，不仅要防止热量的散失，也要主动的利用大自然中丰富的可再生能源——太阳能，也即“封闭保温+太阳能利用”设计策略。

2.1.1 建筑的朝向、形体与布局

建筑的朝向、形体与布局直接关系到建筑的热损耗，因此，在严寒和寒冷地区，除了要了解当地的宏观气候外，还要充分分析当地的小气候环境，在此基础上合理安排建筑的朝向、形体与布局。

位于澳大利亚猎人谷瓦塔冈森林的四重地平线住宅（图2），由建筑师林塞·约翰斯敦设计。该住宅的设计完全是基于当地气候条件的设计策略。建筑体量被覆盖在一个独立的双坡屋顶下面，由电镀金属制成的钢结构，模仿了典型的澳大利亚谷仓的形式，在夏天室内可以保持比室外低10℃，冬天则相反。

2.1.2被动式太阳能的利用

（1）特朗伯（Trombe）墙

这是法国学者Trombe等在1956年提出的一种方案，这种采暖方式（图 3）主要依靠建筑外维护结构的蓄热性能。就是在直接受益式太阳窗（顶部和底部分别开有通风孔，并设有可控制的开启活门）后面10cm左右筑起一道涂有深色的选择性涂层的结构墙。其工作原理是将带有涂层的结构墙作为储热工具。这种储热的结构墙的材料一般为混凝土或实心砖墙，这些重质量的墙体热容大、惰性大，因此储热多、放热慢，有利于减缓夜间室内温度的下降。

（2）水墙式集热蓄热墙

如果将上述储热材料用水代替就成为水墙式集热蓄热墙（图4）。因为水的比热是混凝土的2倍，因此用水作储热材料也能达到同样的效果。但水墙式集热蓄热墙运行管理相对麻烦，我国较少采用。

（3）附加阳光间式集热蓄热墙

这种太阳房是直接受益和集热墙技术的混合产物。其工作原理是在建筑物的南向附加一个玻璃罩着的阳光间，阳关间和室内空间之间由墙或窗隔开，利用这道墙或窗作为集热构件（图 5）。这种形式的太阳房通过阳光间和室内空气的对流交换达到采暖的目的。阳光间除了集热保温的作用外，还可以作为白天休息活动场所或温室花房。这种太阳房适用于民用住宅，越来越受到人们的重视。

托马斯·赫尔佐格（Thomas Herzog）设计了一栋位于雷根斯堡的住宅（图6），该住宅以简洁的造型获得了功能、技术、生态与美学的高度统一。建筑的屋顶以倾斜的、向南向的玻璃顶形式一直延伸到地面，有利于这一侧的阳台与温室，可以直接获得太阳的光和热，尤其在冬季，可以有效的改善室内的热舒适环境。

2.2夏热冬暖以及温和地区的“通风+遮阳”设计策略

夏热冬暖及温和地区由于冬季温度比较温和，因此，可以不考虑其冬季的采暖，而主要考虑夏季的通风和遮阳，即“通风+遮阳”设计策略。

2.2.1建筑的自然通风

自然通风是调节室内空气质量并获得热舒适的重要设计手段，在夏热冬暖、温和地区夏天的大部分时间内需要依靠建筑的自然通风来获得较为舒适的热环境。建筑室内自然通风的效果，主要取决于风速和流量，是热压和风压两种作用的结果，风压通风效果主要取决于外部风环境以及进出风口的气压差，因此通风效果不稳定，而热压通风是利用烟囱效应原理进行的通风，其效果取决于进出风口的温度差，其通风效果比较稳定，可以作为风压通风的有效补充，既适用于建筑的平面设计也适用于建筑剖面设计。

柯里亚设计的位于印度孟买的干城章嘉公寓（图7）利用两层高的空中庭院将海风引入室内，通过建筑的跃层和夹层空间将风分流吹向起居室和卧室，起到了良好的通风降温效果。

2.2.2建筑的遮阳

在夏季需要降温的夏热冬暖地区和温带地区，遮阳显得十分重要，以避免过多的太阳光热辐射进人室内，有效地控制室外空气温度对室内的不利影响。

在夏热冬暖地区和温带地区的夏季，太阳的人射角度较高，因而房屋的顶部遮阳可以很好地控制房屋接收过多的太阳辐射热；对于南向（南半球为北向）房间的遮阳则需要水平遮阳装置，而对于东西向较低角度的阳光，就需要竖向的或水平与竖向相结合的遮阳装置才能满足遮挡的效果。

在杨经文设计的自住住宅（图8）中，其屋顶上设置了一个拱形的百叶混凝土伞状屋顶，覆盖了住宅原有屋顶的室外空间，倾斜的百叶可阻挡强烈的太阳光入射，因而在屋顶形成一个温度缓冲区，减少热辐射对室内环境的不利影响，同时又建立一个适合热带地区的独特建筑形式。

2.3夏热冬冷地区的“活动通风+活动遮阳+活动保温”设计策略

夏热冬冷地区由于其气候条件比较特殊，因此，其设计策略也比较复杂。在这些地区的建筑节能，既要做好夏天的隔热与通风，又要做好冬天的保温与采暖。也即“活动通风+活动遮阳+活动保温”的设计策略。

由dRMM设计的位于英格兰的萨福克郡的别墅，采用整体滑动式结构，可以使墙壁和屋顶进行整体移动，以适应不同季节和时段的不同的采暖、保温和采光需要（图9）。起到了很好的节能和调节室内热舒适度的效果。这一活动外墙的调节能力很大，可根据季节和时段的需要调节外墙的形式，充分改变室内热环境和通风状况。

3 结论

气候与资源，尤其是能源资源，是自然环境系统作用于建筑并影响建造方式选择的两个重要因素。在环境问题给人类施加的巨大压力下，随着可持续发展思想日益得到重视，不考虑气候因素，高能源消耗的建筑设计观应彻底改变。要应对当今所面临的环境问题，建筑设计必须要尊重生态环境，关注气候条件，向生态气候学建筑方向发展。

参考文献：

[1]单黛娜（法），栗德祥（中）.法国当代百名建筑师作品选. 北京：中国建筑工业出版社， 1999.