與居住環(huán)境和諧發(fā)展的高層建筑生態(tài)設(shè)計分析探討與居住環(huán)境和諧發(fā)展的高層建筑生態(tài)設(shè)計分析探討

摘 要：本文結(jié)合筆者多年建筑設(shè)計實踐，探討了現(xiàn)代城市良好居住環(huán)境的宏觀控制策略，并從高層建筑的規(guī)劃與建筑生態(tài)設(shè)計的角度，著重對城市高層建筑營運系統(tǒng)及室內(nèi)環(huán)境二方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以期實現(xiàn)未來城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高層建筑； 居住環(huán)境; 生態(tài)設(shè)計； 營運系統(tǒng)；宏觀控制

Abstract:Union author architectural design many years has carried out the main body of a book ， has discussed modern fine city habitancy environment macro-control tactics， and from the tower plan and the angle building organism's habits design's， be burning weight to service systematically and interior environment of city tower the expound detailedly ， to look forward to realizing a future city sustainable development targets having been in progress in two aspects.

Keywords:Tower; Habitancy environment; Organism's habits design; Service systematically; Macro-control

中圖分類號：TU972+.12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0422（2009）06-0113-03

高層建筑是當(dāng)今所有主要城市普遍存在的建筑形式。高層建筑的布局應(yīng)有一個總體戰(zhàn)略規(guī)劃進(jìn)行指導(dǎo)，規(guī)定環(huán)境管理的原則，強調(diào)在城市活動與其支持系統(tǒng)的綜合之間的相互關(guān)系。戰(zhàn)略規(guī)劃能夠發(fā)展規(guī)模提供依據(jù)，它限制發(fā)展范圍，并且保證新建筑物及其組成部分能與周圍土地利用和運行系統(tǒng)廣泛協(xié)調(diào)。

許多建筑師認(rèn)為，高層建筑的生態(tài)設(shè)計要求應(yīng)該受到迫切的關(guān)注，因為這些地方資源消耗和環(huán)境污染相對嚴(yán)重，生活方式也是對全球自然資源和生態(tài)系統(tǒng)的最大威脅。而且，這些高密度的大型建筑由于與生態(tài)健康和生態(tài)設(shè)計相關(guān)，所以值得傾注更多的研究和努力。

1現(xiàn)代城市生態(tài)環(huán)境宏觀控制策略

對于現(xiàn)代城市良好居住環(huán)境而言，最直接有效的宏觀控制方法應(yīng)從以下二方面進(jìn)行：

1.1有效的利用土地

在高層建筑的功能布局中，強調(diào)土地的綜合利用是十分重要的一個環(huán)節(jié)。亦即在建筑功能布局時，把工作、居住、交通和其他服務(wù)設(shè)施結(jié)合起來綜合予以考慮，把人們能夠就近入學(xué)、就近工作、就近享用各種服務(wù)設(shè)施，縮短人們每天的出行距離，減少能耗。

1.2合適的密度

建設(shè)生態(tài)化城市人居環(huán)境，需要在滿足人們適度舒適的前提下，適當(dāng)提高人口密度，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。與此同時，亦有助于城市中心的復(fù)興，提高城市中心的活力。但是另一方面，又要避免局部地區(qū)過分密集，高層建筑對城市的許多負(fù)面影響大多是由于高層建筑的過分密集造成的。

2高層建筑營運系統(tǒng)的生態(tài)性設(shè)計

對高層建筑而言，從能源和環(huán)境的角度看，其生命周期是指從材料與構(gòu)件生產(chǎn)（含原材料的開采）、規(guī)劃與設(shè)計、建造與運輸、營運與維護(hù)直至拆除與處理（廢棄、再循環(huán)和再利用等）的全循環(huán)過程。高層建筑營運期間所消耗的能源在整個生命周期中占有很高的比例。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，營運過程中能耗最高的是建筑的HVAC系統(tǒng)，其次是人工照明系統(tǒng)；其他因素（如電梯、管道和排放）在建筑營運能耗中只占很小部分。因此我們的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該是選擇一種建筑形式和營運系統(tǒng)，可以盡可能的利用自然采光和通風(fēng)，以減少高層建筑營運期間所需的能源。設(shè)計的第一步是根據(jù)基址氣候條件找到適合的被動設(shè)計方案，并使之最大化。被動設(shè)計本質(zhì)上是不通過電子-機械手段，而是通過建筑特殊的形態(tài)組織達(dá)到的低能耗設(shè)計。以下是一些用于綠色生態(tài)高層建筑中被動模式營運系統(tǒng)最大化的生態(tài)設(shè)計策略。如果不能達(dá)到理想的效果，可以通過主動系統(tǒng)或混合模式系統(tǒng)的輔助作用來加以補充。

2.1建筑平面與體型系數(shù)

我們必須根據(jù)基址周邊環(huán)境能量和當(dāng)?shù)貧庀筇卣鱽碓O(shè)計高層建筑的形狀以獲得最佳能量。減少采暖能量的需求（例如通過優(yōu)化進(jìn)入熱量）并不僅僅是建筑朝向問題，也受到建筑平面形式和體型系數(shù)的影響。建筑的體形系數(shù)是圍值，因此它不僅僅是一個熱工性能參數(shù)，而且還體現(xiàn)了作為手段的外界面對空間的建構(gòu)面積成線性正比，而對于正多面體而言，表面積與體積呈幾何基數(shù)關(guān)系，此時建筑的體積，即空間的量和維持室內(nèi)氣候的能耗之間不是線性關(guān)系，而是幾何關(guān)系，因此建筑在體積擴大時可以只投入較小的能耗增量而獲得較多的舒適空間增量，這意味著減少體型系數(shù)可以降低舒適空間的平均成本。在常見的平面形式中，圓形平面可以擁有最小的外圍面積，其次是方形（見圖1）。

同時，小的體型系數(shù)往往與空間布局緊湊、功能流線短捷相聯(lián)系，所以小的體型系數(shù)在某種意義上還常常與較高的功能運作效率相聯(lián)系。通過控制體型系數(shù)往往可以一舉三得：節(jié)能、節(jié)材及提高功能運作效率。通?？梢酝ㄟ^以下途徑來減小建筑的體型系數(shù)：①加大建筑進(jìn)深；②規(guī)整建筑體型；③集中建筑體量。圖2分別表明在每個氣候帶，最適宜的建筑比率，正立面最好的是南北朝向。研究表明，建筑可取的邊長長度，即X、Y值最適宜的建筑比率，如圖2所示。

建筑服務(wù)核的布置決定了平面外圍的哪些部分對外開放（例如為了通風(fēng)和更好的視野），合適的位置有利于建筑的熱表現(xiàn)。設(shè)計者在平衡設(shè)計時必須結(jié)合其他因素考慮太陽光路徑和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向（如最佳的視野方向、基址形狀和領(lǐng)近建筑等）。在熱帶地區(qū)，服務(wù)核可以設(shè)在建筑“較熱”的東邊、西邊或兩邊，以作為太陽光緩沖帶。研究表明，在溫帶和寒帶地區(qū)通過雙核外形設(shè)計，窗戶開在南北向，服務(wù)核放在東向或西向，可以大大節(jié)約空調(diào)的能耗。這種方案亦適用于赤道地區(qū)的緯度小于40°的地區(qū)。這種布置通過“空間隔熱”緩沖區(qū)，大大減少了進(jìn)入建筑內(nèi)部空間的熱量，同時也最大限度地防止了建筑內(nèi)部熱量的流失。在各種可能的服務(wù)核布置中（即中心核、雙核或單邊核），雙核是最可取的（見圖3）。圍服務(wù)核的優(yōu)勢在于：

a沒有消防加壓管，降低了最初和營運成本；

b使用空間更具有靈活性；

c電梯間提供自然通風(fēng)，從而節(jié)能；

d太陽光緩沖效應(yīng)和風(fēng)力緩沖效應(yīng)。

2.2朝向的選擇

建筑朝向的被動設(shè)計與建筑的平面形態(tài)、基址上的位置及對太陽光路徑的朝向和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向有關(guān)。例如，根據(jù)熱帶地區(qū)的太陽路徑，建筑形態(tài)應(yīng)該是以東西向為軸線的矩形，以減少建筑開闊面的太陽輻射。這是因為獲得熱量最大的來源是通過窗戶的太陽輻射。

當(dāng)然，熱量獲得隨著時間和角度的不同而不同。建筑朝向的決定將影響后續(xù)的每個設(shè)計決策。每個建筑基址都有其特殊性，因此高層建筑的設(shè)計毫不例外也與基址相關(guān)。在決定如何使基址內(nèi)的新建筑有利于環(huán)境時，必須考慮兩個主要的基址因素：當(dāng)?shù)貧夂蚝突穬?nèi)建筑的環(huán)境影響。當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懣梢允钦娴囊部梢允秦?fù)面的建筑朝向可以通過遮陽帶植物或滲透性墻體加以緩和。通過仔細(xì)研究基本微觀氣候條件，就可以確定最合適的基址和建筑外形，消除不適合的基址區(qū)域（如被污染的和過于遮避的區(qū)域）；通過建筑形式、植被和遮避帶最大限度地開發(fā)基址剩余區(qū)域的潛能。

2.3建筑外界與雙極控制

高層建筑的外界面設(shè)計與一般建筑相比有其特殊性。首先高層建筑擁有得天獨厚的通風(fēng)優(yōu)勢，而且隨著高度的不斷增加，上面的風(fēng)速和風(fēng)壓越來越大，在這種情況下上部直接開窗狂風(fēng)可能吹襲室內(nèi)，形成紊流和噪聲，而且會導(dǎo)致建筑與外界熱交換迅速增加，不利于建筑中的能量保存，熱工能耗增多。此外高層建筑較少受到臨近的建筑遮擋，所以投射在其上的日照包括直射的、漫射的或被低層建筑屋頂反射的輻射，要比照射在多層建筑上的日照輻射強度高，這在冬季是有利的，但在夏季卻是不利的。

另外，氣候是由多重對立要素綜合決定的，各種氣候要素總是在舒適要求的兩極之間擺動變化，建筑隨著氣候的變化，要面臨采暖與制冷、通風(fēng)與防風(fēng)等相互矛盾的要求，因此建筑外墻應(yīng)該結(jié)合被動系統(tǒng)、混合模式和主動系統(tǒng)的優(yōu)化來加以設(shè)計。因此，理想的外墻應(yīng)該是對氣候“用”和“防”的辨證統(tǒng)一，是有利于環(huán)境的過濾器。外墻上應(yīng)該像過濾器一樣提供自然通風(fēng)，控制交叉通風(fēng)，提供對外景觀，予以太陽光保護(hù)，調(diào)節(jié)風(fēng)雨，在寒冷季節(jié)提供保溫，在炎熱的夏天提供通風(fēng)、隔熱，使得與外部環(huán)境有更直接的關(guān)系。雙層立面系統(tǒng)是目前處理高層建筑外界面比較理想的手段。

2.4建筑采光

高層建筑在生態(tài)設(shè)計中的目標(biāo)之一，是優(yōu)化日光的使用，減少人工照明的耗能需求。大部分被動日光技術(shù)都是控制進(jìn)入的直射光線，減少其對視覺舒適度的潛在負(fù)面影響，如眩光；以及通過減少熱量獲取來減少建筑制冷的負(fù)擔(dān)。當(dāng)太陽光有效地分布到建筑各處而沒有眩光的時候，就可以認(rèn)為是很好的室內(nèi)照明了。先進(jìn)的日光采集系統(tǒng)設(shè)計有以下方法：

① 通過將陽光反射至屋頂平面，日光可以到達(dá)比那些靠傳統(tǒng)窗戶或天窗采光更深的工作區(qū)域，但不增加窗戶附近的日光強度；

② 通過利用相對小的進(jìn)光區(qū)域有效傳統(tǒng)日光，可以不對陽光輻射產(chǎn)生嚴(yán)重的制冷負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的；

③ 仔細(xì)設(shè)計阻擋陽光直射的系統(tǒng)，可以減少陽光直射導(dǎo)致的眩光和溫度不適。設(shè)計的難度在于每天和全年陽光位置及獲得的不斷變化。自然采光的建筑無論設(shè)計得多好，只有在日光有效利用和代替人工照明的情況下才能節(jié)約能源。當(dāng)然，進(jìn)行采光設(shè)計時，可以在人工照明節(jié)能和少量增加陽光熱量獲得之間尋求平衡。我們可以完善座位和工作平面規(guī)劃，通過更好的窗戶和立面設(shè)計來減少眩光，獲得自然采光。研究表明，太陽光的適當(dāng)獲得和開闊視野可以提供一種舒適感。然而，為保證一個安全、舒適的工作環(huán)境，使用者應(yīng)該可以控制光線的數(shù)量和質(zhì)量；設(shè)計者需綜合考慮能耗、背景光線、屋頂燈和窗戶的自然采光等因素，并為使用者提供最好的視覺環(huán)境。

2.5使用自然通風(fēng)

基址環(huán)境一個重要的能源就是風(fēng)。在需要良好通風(fēng)或風(fēng)力支持下的舒適通風(fēng)時，通過優(yōu)化當(dāng)?shù)厝旰兔刻觳煌瑫r段的風(fēng)力條件，我們可以利用規(guī)劃建筑的平面形態(tài)和外墻以達(dá)到自然通風(fēng)和更有效的制冷。在最簡單的層面上，自然通風(fēng)確保了新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)。大型項目可以利用混合模式系統(tǒng)的\"煙囪效應(yīng)\"，新鮮空氣可以進(jìn)入到低樓層，在與冰冷的水泥地板相接觸后進(jìn)一步降溫。隨著空氣升溫，它也升溫并最終在屋頂排出。合理的自然通風(fēng)設(shè)計可以降低成本和節(jié)約能量。此外，減少對機械通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的需求可以提供一個健康的建筑環(huán)境。使用自然通風(fēng)的能耗要比使用空調(diào)的能耗減少一半，而且減少了維護(hù)，以及建筑綜合癥的發(fā)生，二氧化碳的排放量也減少了。因此，在可能的條件下，不要設(shè)計全封閉的建筑，以減少對空調(diào)系統(tǒng)的依賴。

通過利用封閉的中央庭院或中庭來引入新鮮空氣進(jìn)入建筑內(nèi)部并提供“預(yù)熱”，這樣可以減少能耗。另外，使用這種中庭的設(shè)計有利于自然通風(fēng)，因為中庭的設(shè)計將改變進(jìn)深過深的建筑形式，而在室外立面上開窗，形成良好的的交叉通風(fēng)。然而，并非所有的建筑都是完全自然通風(fēng)，實際上冬季應(yīng)該注意避免過度通風(fēng)和由于過度新鮮空氣降溫導(dǎo)致的能量損失。所以，在高層建筑中，混合模式替代通風(fēng)系統(tǒng)可以作為一種冬季保存能量的方式。

2.6被動制冷

被動制冷適用于各種簡單的制冷技術(shù)，使建筑室內(nèi)溫度能通過自然能源的使用而降低。在炎熱潮濕的赤道地區(qū)，生物氣候的設(shè)計技術(shù)涉及建筑設(shè)計和材料的選擇，以最小量的制冷能耗來換取更舒適的環(huán)境。這要求最小化建筑的熱量獲得，減少建筑外層太陽光熱量的獲得和太陽光通過窗戶的滲透，通過自然通風(fēng)和其他技術(shù)來提供舒適環(huán)境。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用一些設(shè)計元素（例如建筑的布局、朝向、窗戶細(xì)部、遮陽裝置、通風(fēng)、隔熱和外墻的熱系數(shù)）能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度達(dá)到一個比室外平均溫度更舒適的水平。對于夏季炎熱的項目基址而言，被動制冷系統(tǒng)應(yīng)用的一個前提是當(dāng)?shù)氐慕ㄖ餁夂蛟O(shè)計，兩種方法相輔相成。建筑通過利用各種自然散熱口，如周圍空氣、上層空氣、水和地層下的土壤，這種被動系統(tǒng)來降溫。每種降溫資源都有多種使用方法，從而產(chǎn)生各種降溫系統(tǒng)。以下是各種被動降溫方法：

① 舒適通風(fēng)：主要是在白天提供直接通風(fēng)的舒適感；

② 夜間通風(fēng)降溫：通過夜間通風(fēng)降低建筑內(nèi)部的溫度，而在白天關(guān)閉建筑，從而降低室內(nèi)白天的溫度；

③ 輻射降溫：在夜晚通過屋頂散熱，或利用特殊的屋頂散熱器，用白天的冷能儲藏，將獲得的冷能量傳送到建筑內(nèi)部；

④ 直接蒸發(fā)降溫：機械或非機械蒸發(fā)空氣降溫，而將濕冷的空氣引入室內(nèi)；

⑤ 間接蒸發(fā)降溫：通過屋頂?shù)恼舭l(fā)降溫，例如屋頂水池降低室內(nèi)溫度而不增加濕度；

⑥ 外部空間降溫：應(yīng)用于外部空間的降溫技術(shù)，如建筑旁的院子。

3高層建筑室內(nèi)環(huán)境的生態(tài)設(shè)計

作為建筑重要組成部分的室內(nèi)環(huán)境，雖處于比建筑更低的層次，但它與建筑本身之間、與自然環(huán)境之間以及室內(nèi)諸要素之間都是一種相輔相成的整體關(guān)系，不可割裂。符合生態(tài)原則的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計，必須處理好室內(nèi)與自然環(huán)境之間的關(guān)系問題，建筑室內(nèi)環(huán)境作為整體環(huán)境的一部分，作為地球總生態(tài)鏈中的一環(huán)，它必須與其他各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計主要著眼點有兩方面：一是提供有益健康的室內(nèi)環(huán)境，并為使用者創(chuàng)造高質(zhì)量的生活環(huán)境；二是保護(hù)環(huán)境，減少消耗。因此生態(tài)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計應(yīng)該在節(jié)能、環(huán)保等方面進(jìn)行周密的考慮。

高層建筑的室內(nèi)生態(tài)設(shè)計同一般建筑相比除了室內(nèi)熱舒適度、室內(nèi)聲環(huán)境、室內(nèi)空氣質(zhì)量等要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以外，可以采用過渡空間與中庭的處理方法作為內(nèi)外部的過渡空間。這些空中花園以有機形式平衡了建筑硬件和組成部分的無機性，從而達(dá)到更平衡的生態(tài)系統(tǒng)。除了為建筑提供遮陽，這些中庭還有多種用途：作為緊急疏散區(qū)域、種植和園林、用于未來擴大（例如將來增加土地使用率）的靈活過渡區(qū)域、將來空間的增加（洗手間、廚房等等）。中庭還可以給高層建筑使用者一個更人性化的環(huán)境，使他們走出封閉的辦公區(qū)域可以直接體驗外部環(huán)境欣賞景色。這些過渡空間可以保護(hù)建筑的“熱”邊或形成一個重要的景觀。不管是布置在建筑中央或是周邊，這種多層過渡空間都與傳統(tǒng)過渡角色功能相當(dāng)。這種空間實際上是在半封閉條件下“對外開放的空間”。

4結(jié)語

綜上所述，高層建筑的“生態(tài)性”具有實現(xiàn)的意義。對于高層建筑的生態(tài)設(shè)計，我們應(yīng)該從城市的宏觀層面、建筑本身的營運系統(tǒng)的中觀層面、建筑室內(nèi)環(huán)境的微觀層面進(jìn)行綜合考慮，使建筑與外界環(huán)境統(tǒng)一成為一個有機的、互動的整體，實現(xiàn)建筑與現(xiàn)代城市未來的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李華東.高技術(shù)生態(tài)建筑[M].天津：天津大學(xué)出版社，2002.

[2] 呂愛民.應(yīng)變建筑-大陸性氣候的生態(tài)策略[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2003.

[3] 董位，王建國.可持續(xù)發(fā)展的城市與建筑設(shè)計[M].南京，東南大學(xué)出版社，1999.

[4] 綠色建筑.西安建筑科技大學(xué)綠色建筑研究中心.北京，中國計劃出版社，1999.

[5] 曹偉.生態(tài)建筑.生態(tài)建材.發(fā)展戰(zhàn)略.[J]新建筑，2005.5.