隨風(fēng)而筑

劉智偉 戎武杰

建筑的風(fēng)環(huán)境是綠色建筑的特殊系統(tǒng)，它的組織與設(shè)計直接影響到建筑布局、形態(tài)和功能。室外風(fēng)環(huán)境取決于氣象和地形因素，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境主要取決于新風(fēng)量，兩者都是以人的舒適度為依據(jù)。綠色建筑的通風(fēng)設(shè)計是依風(fēng)的特點(diǎn)來利用自然風(fēng)，重點(diǎn)在于“隨風(fēng)”，即挖掘其可利用的季節(jié)、風(fēng)速等要素。目前對風(fēng)的利用方式最典型和最普遍的就是“煙囪效應(yīng)”，但是都集中于中庭等公共部位的點(diǎn)式局部利用，有一定的局限性。而上海崇明生態(tài)藝術(shù)展示館項(xiàng)目中，設(shè)計師對自然風(fēng)利用的方式、途徑進(jìn)行了更多有意義和針對性的設(shè)計探索。

展示館的目的與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

崇明生態(tài)藝術(shù)展示館位于崇明陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)實(shí)踐區(qū)內(nèi)的4號公園內(nèi)，建筑總面積為5 511m2（圖1，2）。建筑主要有以下兩部分功能：

（1）公共性部分：為展廳、會議、多功能廳及活動室，為公眾提供活動場所，一系列的生態(tài)教育活動與展覽均在此處承辦。

（2）半公共性部分（機(jī)房區(qū)）：作為4.5km2上海崇明國際生態(tài)實(shí)踐社區(qū)的配套服務(wù)中心，需要配套社區(qū)的能源實(shí)時監(jiān)控和智能管理系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)系統(tǒng)等機(jī)房。因此建筑中的機(jī)房占比較高，常規(guī)公共建筑的機(jī)房面積比例通常小于5%，而崇明生態(tài)藝術(shù)展示館建筑機(jī)房面積占比達(dá)到了17.7%。

崇明生態(tài)藝術(shù)展示館綠色定位是實(shí)現(xiàn)國家綠色設(shè)計三星等級，所運(yùn)用的低碳技術(shù)如表1所示。建筑本身也是綠色生態(tài)的重點(diǎn)展示對象，向來客展示各項(xiàng)綠色技術(shù)的應(yīng)用與效果，契合建筑所在的國際生態(tài)實(shí)踐社區(qū)與建筑功能定位。

本文主要是對自然通風(fēng)設(shè)計做重點(diǎn)研究。研究的思路是設(shè)計根據(jù)總體和細(xì)節(jié)構(gòu)思通風(fēng)需要的總體布局、平面細(xì)節(jié)。之后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)上海的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)分析和反饋，提供設(shè)計優(yōu)化的依據(jù)（表2）。建筑室外風(fēng)環(huán)境問題從概念上來講由三個主體組成，即風(fēng)、人、建筑本體。設(shè)計重點(diǎn)關(guān)注建筑周邊人行活動頻繁區(qū)域內(nèi)的風(fēng)環(huán)境狀況。以《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2006）中規(guī)定的風(fēng)舒適度要求：夏季和冬季在建筑物周邊行人區(qū)1.5m處風(fēng)速小于5m/s為評價標(biāo)準(zhǔn)。

從本體出發(fā)的自然通風(fēng)設(shè)計研究

崇明生態(tài)藝術(shù)展示館總體布局上，將建筑沿景觀主軸方向布置，長邊東西向布置，兩個短邊南北向布置，將中央景觀引向公園縱深方向，營造較強(qiáng)的景觀序列空間，輻射整個未來需要建設(shè)的國際生態(tài)實(shí)踐社區(qū)。

建筑呈縱長方體，東西寬約25m，南北長約104m，兩層高，建筑總面積為5 338m2。布局走勢順應(yīng)4號公園景觀空間序列，避免了沿湖面形成橫向界面，而割裂了湖面景觀與公園綠化景觀的聯(lián)系。東西朝向兩側(cè)堆土形成斜坡，作為景觀屏障從視覺上弱化了建筑的整體尺度。另外，設(shè)計設(shè)想斜坡的擋土墻具備局部導(dǎo)風(fēng)功能。在特定的建筑和景觀效果下，建筑本體的通風(fēng)設(shè)計需要解決導(dǎo)風(fēng)和控制自然風(fēng)利用方式的問題。

場地通風(fēng)設(shè)計

（1）場地通風(fēng)布局設(shè)計

在整體的空間分析后，建筑形成特定的空間布局（圖3）。通過建筑與草坡的空間關(guān)系分析，確定了景觀草埔高度為8.1～0.0m之間、傾角約11.0°，長邊平行建筑，短邊擋土墻與建筑成45°。

從總體通風(fēng)角度設(shè)計，就是利用草坡形成兩個方向的導(dǎo)風(fēng)墻，同時在建筑主體與草坡之間保持空間，讓導(dǎo)向的季風(fēng)可以順利地拂過建筑東西場面，形成順暢的風(fēng)場。

（2）基于室外風(fēng)環(huán)境的堆土設(shè)計優(yōu)化

針對由場地條件推演而來的建筑布局，輔以建筑師導(dǎo)風(fēng)墻的構(gòu)思，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行分析來優(yōu)化布局細(xì)節(jié)。首先，驗(yàn)證建筑師設(shè)想的草坡對場地的風(fēng)環(huán)境是否有利，構(gòu)建夏季和冬季不同的工況條件分析。1）夏季工況分析：通過分析表3可以得出，在夏季和過渡季節(jié)的東南風(fēng)的條件下，主入口處草坡豎壁兜風(fēng)，會改善主入口區(qū)域的夏季風(fēng)環(huán)境（圖4）；2）冬季工況分析：通過分析表4可以得出在冬季工況，設(shè)置草坡可降低東北風(fēng)對建筑入口的影響，配合喬木種植將極大改善主次入口的室外風(fēng)環(huán)境的舒適度（圖5）。

（3）場地風(fēng)環(huán)境設(shè)計的必要性

經(jīng)過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)建筑在不利朝向下，設(shè)想的草坡對改善風(fēng)環(huán)境有很大的作用，特別是在建筑的主次入口處，夏季風(fēng)速提高，改善觀展者室外排隊(duì)時的舒適度。同時，草坡基本實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)的功能，其中草坡側(cè)墻的導(dǎo)風(fēng)功能則是實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境控制的首要條件。

建筑內(nèi)部通風(fēng)設(shè)計研究

崇明生態(tài)藝術(shù)展示館的建筑布局決定了建筑南向和西向立面單位面積太陽輻射量較大，尤其西立面在夏季接受的太陽輻射量大，設(shè)計需要有針對性地進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計。

（1）內(nèi)部空間特點(diǎn)及物理模型

建筑空間特點(diǎn)是南北向尺度大，東西向較小。建筑兩層，在中部設(shè)置了一個中庭，并有坡道聯(lián)系上下層。上層以展覽為主，為保證展示所需足夠的墻面及避免眩光，僅在每層底部設(shè)置水平小窗。為促進(jìn)通風(fēng)效果，一是設(shè)置了高出屋面的通風(fēng)塔，通過側(cè)面可控百葉加強(qiáng)拔風(fēng)；二是以一、二層之間的展示步道墻體上的洞口改善室內(nèi)通風(fēng)；三是使建筑二層端部立面可開啟，實(shí)現(xiàn)長縱深平面的通風(fēng)。

對基于設(shè)計效果而采用的通風(fēng)措施，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對一些影響因素進(jìn)行模擬分析，以期得到改善通風(fēng)的設(shè)計方法。首先，根據(jù)建筑設(shè)計模型來建立物理模型和網(wǎng)格劃分；然后，在不影響室內(nèi)通風(fēng)分析的條件下，對室內(nèi)分隔及功能布局進(jìn)行合理簡化。依據(jù)模型開窗進(jìn)行設(shè)置，在頂部高起的天窗側(cè)面設(shè)開啟通風(fēng)百葉，雙層幕墻下部設(shè)開啟下懸窗，外層幕墻為3mm厚多孔板，穿孔率50%（圖6）。

（2）通風(fēng)塔自然通風(fēng)設(shè)計

設(shè)計考慮到展覽空間南部設(shè)有中庭，設(shè)置高出屋面的通風(fēng)構(gòu)造，可以增加中庭的拔風(fēng)效果。通風(fēng)塔的可開啟窗底部距離屋面高度（b）現(xiàn)為0.5m，通風(fēng)塔高（a）為1.0m，東西側(cè)各設(shè)置5扇下懸外開啟窗扇。中部屋頂高出屋面的總高度（c）為2.0m，南北通長。一般情況下，通風(fēng)口高出屋面越多，拔風(fēng)效果越好（圖7）。

為了解決通風(fēng)窗出屋面高度對通風(fēng)的影響，保持其它因素不變，對b進(jìn)行調(diào)整。三個工況下，其模型條件如表5所示可以看出，單純增高頂部通風(fēng)窗的通風(fēng)口高度對通風(fēng)改善效果作用較為明顯，每增高0.8m，建筑通風(fēng)換氣次數(shù)約增加0.4～0.6。根據(jù)技術(shù)分析及結(jié)合整體造型考慮，建筑設(shè)計應(yīng)充分考慮通風(fēng)塔的拔風(fēng)效果，b值取0.9m為宜。

（3）隔墻開洞對自然通風(fēng)的影響

一、二層展廳垂直方向通過中部坡道連通。設(shè)計結(jié)合室內(nèi)效果和設(shè)計意圖，在坡道兩側(cè)設(shè)置大小不一的洞口，希望通風(fēng)塔的拔風(fēng)效果擴(kuò)散到展廳中部，改善該區(qū)域的自然通風(fēng)效果（圖8）。

從表6可以看出，二層墻體不開洞主要影響二層的自然通風(fēng)。由于東西側(cè)氣流流通不暢，導(dǎo)致二層的平均風(fēng)速降低。二層通過隔墻開洞，靜風(fēng)區(qū)域面積降低2.7%，有效改善了二層中部區(qū)域東西向空氣的流通。

（4）立面立轉(zhuǎn)窗的自然通風(fēng)設(shè)計

在建筑南北部端頭設(shè)立軸立轉(zhuǎn)窗，增強(qiáng)建筑南部區(qū)域的自然通風(fēng)效果。立軸中轉(zhuǎn)導(dǎo)風(fēng)效果好，可使氣流近直角地大角度轉(zhuǎn)向，二層軸立轉(zhuǎn)窗的位置如圖9綠色部分所示。通過比較南北部端頭軸立轉(zhuǎn)窗是否設(shè)置來比較其對于室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響，其計算結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，若二層南北端設(shè)置軸立轉(zhuǎn)窗，對于二層的自然通風(fēng)效果影響非常明顯，建筑整體換氣次數(shù)也由10.05提升至16.02，所提升比例達(dá)到37.3%，二層靜風(fēng)面積比例也由13.1%降低至5.1%。一層1.5m人行高度處的平均風(fēng)速非但沒有升高，反而降低了5.2%。這說明二層通過設(shè)置軸立轉(zhuǎn)窗后，一層向二層的空氣流通性加強(qiáng)。

優(yōu)化后整體模型通風(fēng)換氣效果

通過上述對建筑構(gòu)件和開啟方式的優(yōu)化分析，設(shè)計結(jié)合技術(shù)反饋優(yōu)化定性相關(guān)的設(shè)計細(xì)節(jié)。經(jīng)模擬計算優(yōu)化后，建筑方案自然通風(fēng)的綜合效果在不考慮機(jī)房、衛(wèi)生間和樓梯間等區(qū)域，過渡季節(jié)東北偏北風(fēng)向下室內(nèi)風(fēng)速分布如圖10所示，室外風(fēng)北向和東北向門洞進(jìn)入，一層整體通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)到了19.7次/h，二層整體通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)到了47.3次/h。

經(jīng)過分析，南北端部設(shè)置中軸立轉(zhuǎn)窗的設(shè)置，增大了建筑的引風(fēng)口面積，可以提高37.3%的自然通風(fēng)換氣量；其次，建筑南端中庭頂部設(shè)置通風(fēng)塔，增強(qiáng)自然通風(fēng)的效果較為明顯，每增高0.8m高度，建筑內(nèi)部通風(fēng)換氣次數(shù)約增加0.4次；在隔墻上增設(shè)洞口，特別是西側(cè)墻上的洞口，可以明顯改善中部東西區(qū)域的氣流流通性（圖11）。

通過對上述增強(qiáng)自然通風(fēng)措施的綜合效果分析，可以看出建筑設(shè)計的平面布局、剖面形式和空間細(xì)節(jié)，都對建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)效果有一定的影響，同時也滿足綠色建筑的美學(xué)要求。

隨風(fēng)而筑——研究本體自然通風(fēng)設(shè)計的意義

上海崇明生態(tài)藝術(shù)展示館是隨風(fēng)而筑的典型實(shí)踐，其建筑從總體布局、建筑平面、剖面、空間和細(xì)部的構(gòu)思和發(fā)展都與風(fēng)這個無形要素相互影響，繼而相生，稱之為本體自然通風(fēng)設(shè)計。建筑建成后的整體效果、通風(fēng)效率及通風(fēng)構(gòu)件在整體細(xì)節(jié)上的美學(xué)體現(xiàn)都讓建筑師滿意，其對建筑整體的貢獻(xiàn)不在構(gòu)件本身有多精美、多復(fù)雜，而在于建筑構(gòu)件的通風(fēng)功能性。建筑師可將技術(shù)問題看作一種設(shè)計為先的思維回歸和拓展，讓無形的風(fēng)遵循特定的方式、途徑在建筑內(nèi)外游走。此刻，建筑仿佛有了生命。這些技術(shù)和思路在老祖先的民居建筑中早已實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，并且千百年來一直發(fā)展。只是到了近代，受制于建筑的快速建造、設(shè)備的發(fā)展，建筑師和業(yè)主都忽略了這一傳統(tǒng)或沒有時間去研究發(fā)展，于是就慢慢不用了。

通過對本案風(fēng)利用的設(shè)計分析，我們可以重拾綠色建筑設(shè)計中自然通風(fēng)的一些建筑思路。建筑設(shè)計應(yīng)注重對風(fēng)環(huán)境、風(fēng)資源的分析，更重要的一點(diǎn)是建筑師對營造室內(nèi)環(huán)境的責(zé)任感和設(shè)計思維的延續(xù)性，即不能將室內(nèi)環(huán)境設(shè)計職責(zé)甩手暖通工程師，用造價昂貴、先進(jìn)的空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)來解決一切室內(nèi)環(huán)境問題。本體自然通風(fēng)設(shè)計輔以現(xiàn)代分析技術(shù)，室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境、風(fēng)路徑其實(shí)也可以通過平面、空間和細(xì)節(jié)構(gòu)建出來，而不是完全依賴設(shè)備（圖12～14）。自然通風(fēng)技術(shù)本就是低技術(shù)、地域性和傳統(tǒng)性的，應(yīng)得到適當(dāng)?shù)耐茝V宣傳。