基于風(fēng)環(huán)境影響的東北寒地被動式建筑設(shè)計(jì)策略探析*

馮子炎，張?zhí)煲?，韋寶畏

（吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，吉林 長春130118）

基于風(fēng)環(huán)境影響的東北寒地被動式建筑設(shè)計(jì)策略探析*

馮子炎，張?zhí)煲?，韋寶畏

（吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，吉林 長春130118）

針對東北嚴(yán)寒地區(qū)建筑室外風(fēng)環(huán)境特征，以“被動式建筑設(shè)計(jì)”理念為指導(dǎo)，分析了室外風(fēng)環(huán)境對建筑群體布局設(shè)計(jì)和高層建筑設(shè)計(jì)的影響，提出了建筑點(diǎn)線排列組合、避免下沖氣流、避免風(fēng)旋、避免風(fēng)漏斗效應(yīng)等建筑總體布局設(shè)計(jì)策略和設(shè)置貫通的洞口、立面設(shè)計(jì)和豎向綠化等高層建筑防風(fēng)設(shè)計(jì)策略方面，以期能為東北寒地建筑設(shè)計(jì)和建筑節(jié)能提供有益的參考和借鑒。

寒地；建筑節(jié)能；風(fēng)環(huán)境；建筑布局；高層建筑

在能源短缺危機(jī)日益顯現(xiàn)和國家大力提倡節(jié)能減排的背景下，如何協(xié)調(diào)人們對建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度要求日益提高的要求和盡可能降低建筑能耗的矛盾，是當(dāng)今每位建筑師必須認(rèn)真考慮和選擇面對的現(xiàn)實(shí)問題。因此，在建筑設(shè)計(jì)中運(yùn)用“被動式建筑設(shè)計(jì)”策略，成為降低建筑能耗，提高建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度的一條必由之路。為此，筆者以建筑節(jié)能為根本出發(fā)點(diǎn)，以“被動式建筑設(shè)計(jì)”理念為指導(dǎo)，重點(diǎn)探討東北嚴(yán)寒地區(qū)建筑室外風(fēng)環(huán)境對建筑設(shè)計(jì)的影響，并就建筑群體布局和高層建筑的防風(fēng)設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的策略，以期能為東北寒地的建筑設(shè)計(jì)與建筑節(jié)能提供一定的參考和借鑒。

1 相關(guān)概念界定

東北地區(qū)是指中國的遼寧、吉林、黑龍江三省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)的東部和東北部地區(qū)。該地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長而嚴(yán)寒，年最低氣溫能達(dá)-40℃左右，夏季炎熱而干燥，冬夏溫差大，最冷月的平均溫度和最熱月的平均氣溫溫差多在33℃以上，極端溫度差（指極端最低和極端最高）更大，寒暑變化明顯。按照我國現(xiàn)行的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定，該地區(qū)屬嚴(yán)寒建筑氣候區(qū)的范圍。該地區(qū)夏季炎熱、冬季嚴(yán)寒的氣候特點(diǎn)，致使該地區(qū)冬季建筑采暖和夏季建筑降溫所需的能源（煤炭、電力）消耗驚人，給當(dāng)?shù)鼐用窆ぷ鳝h(huán)境的改善和生活質(zhì)量的提高造成很大影響，而且還造成城市環(huán)境污染的日益加劇。

“被動式建筑設(shè)計(jì)”的概念是由印度理工學(xué)院教授Narenda K.Bansal所提出，其內(nèi)涵系指在適應(yīng)地區(qū)氣候地理特點(diǎn)，盡量不依賴常規(guī)能源消耗的前提下，試圖通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理配置，內(nèi)部空間和外部形體、色彩的巧妙設(shè)計(jì)，以及建筑材料的組合、構(gòu)造措施恰當(dāng)，并緊密結(jié)合建筑構(gòu)配件設(shè)計(jì)一些非常規(guī)能源的采集、使用裝置，來達(dá)到建筑物冬季采暖、夏季致涼的效果，創(chuàng)造健康舒適的室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)計(jì)方法。

2 風(fēng)環(huán)境對建筑設(shè)計(jì)的影響

建筑室外風(fēng)環(huán)境對建筑室內(nèi)外空間環(huán)境的舒適度以及建筑本身的能源消耗都有很大的影響。尤其是東北嚴(yán)寒地區(qū)冬夏季節(jié)建筑室內(nèi)的防寒保溫與通風(fēng)散熱都會不同程度受到建筑室外風(fēng)環(huán)境的影響。所以一個好的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮室外風(fēng)環(huán)境對建筑本身的影響，以創(chuàng)造和優(yōu)化舒適的室內(nèi)外微氣候環(huán)境作為主要目的之一，同時還要兼顧建筑的節(jié)能降耗。一般來說，一個地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向會直接影響到該地區(qū)建筑物的朝向選擇與建筑群體的布置。反過來，建筑群體的布置方式、單體建筑的造型、體量和尺度乃至于附近地區(qū)的地形、地貌都會對近地風(fēng)的風(fēng)向和速度產(chǎn)生很大的影響。如果出現(xiàn)較大的風(fēng)流時，在建筑的某些部位會出現(xiàn)更為劇烈的強(qiáng)風(fēng)，如果這些強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)在建筑物入口、露臺、通道等人流量密集的場所，則會使人感到十分不舒適，而且會加大建筑的熱損失。

此外，隨著現(xiàn)代城市人口比例不斷的增加和建筑技術(shù)的日漸提升，建筑的高度也在不斷攀升，對東北嚴(yán)寒地區(qū)高層建筑而言，受建筑室外風(fēng)環(huán)境影響而損失掉的能耗約占空調(diào)總能耗的40%左右，所以處理好高層建筑設(shè)計(jì)與室外風(fēng)環(huán)境的關(guān)系就顯得十分重要。高層建筑的室外風(fēng)俗稱“高樓風(fēng)”［1］。根據(jù)伯努利流體力學(xué)原理，氣流首先遇到建筑的迎風(fēng)面而受到阻力，下降風(fēng)流的部分動能變?yōu)殪o壓，大氣壓因小于建筑迎風(fēng)面的壓力從而形成正壓：在側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面因氣流環(huán)繞過程中形成空氣稀薄現(xiàn)象，大氣壓力大于該處壓力從而形成負(fù)壓，氣流在這兩種氣壓差的影響下加速并改變流程便產(chǎn)生了高樓風(fēng)。換句話說，即是高層建筑高聳的尺度改變了自然風(fēng)的流向，在較大程度上改變了建筑周邊的風(fēng)場，高樓風(fēng)便隨之產(chǎn)生了［2］。高層建筑風(fēng)根據(jù)氣流運(yùn)動方向總體上可以分為分流風(fēng)以及回流風(fēng)兩種類型。其中分流風(fēng)又可分為邊角側(cè)風(fēng)、下沖風(fēng)、開口部風(fēng)、穿堂風(fēng)等。回流風(fēng)則可分為迎風(fēng)面逆風(fēng)和風(fēng)影區(qū)渦流。高樓風(fēng)是由原來的風(fēng)通過氣壓差的原理加速而產(chǎn)生的，一般會產(chǎn)生強(qiáng)烈的下沖風(fēng)和邊角側(cè)風(fēng)等，給處于高樓底部的行人造成很大的威脅，尤其是在嚴(yán)寒地區(qū)會給人帶來極為不舒適的感覺，還有穿堂風(fēng)、邊角風(fēng)等都會增加高層建筑的能耗。

3 結(jié)合風(fēng)環(huán)境的建筑設(shè)計(jì)策略

筆者認(rèn)為：要營造出一個良好的建筑室外風(fēng)環(huán)境，就必須通盤考慮進(jìn)行因地制宜的建筑總體布局設(shè)計(jì)。對高層建筑設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵是減小風(fēng)在高層建筑表面的流速，進(jìn)而減小高樓風(fēng)的不利影響，從而達(dá)到建筑節(jié)能和增強(qiáng)室內(nèi)外環(huán)境舒適度的目的。下面就東北寒地建筑群體布局設(shè)計(jì)和高層建筑防風(fēng)設(shè)計(jì)策略做一番探討。

3.1 建筑總體布局設(shè)計(jì)策略

3.1.1 建筑點(diǎn)線排列組合

在進(jìn)行寒地建筑設(shè)計(jì)時，首先要根據(jù)日照角度和太陽輻射方向去布置建筑的最佳朝向，然后再考慮當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，但是一般建筑的朝向會與主導(dǎo)風(fēng)向之間形成一定的夾角。如果只考慮一棟建筑的風(fēng)環(huán)境問題的話，自然是建筑本身與主導(dǎo)風(fēng)向之間形成垂直關(guān)系效果最好。但如果總體考慮建筑群體，這樣布置方式就很難適用。通常把建筑群體布置成一個合理的角度，以便讓其中大部分建筑都可獲得較為滿意的風(fēng)環(huán)境。在進(jìn)行建筑群體布置時要注意點(diǎn)線型建筑的搭配組合，一般把點(diǎn)形建筑放在朝向較好的方向，而將線形建筑布置在點(diǎn)形建筑的后面，這種布置方式有利于建筑群體之間的空氣流通和爭取良好的日照。以吉林省省會長春市某居住小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)為例，因?yàn)殚L春地區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季短暫而濕熱，冬季漫長而干冷少雨。年均氣5.8℃，夏季最高氣溫34.6℃，冬季最低氣溫可以達(dá)到-36.4℃，全年盛行風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，冬季主要影響風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。因此在住宅群體布局設(shè)計(jì)中不應(yīng)將住宅相對長的一邊與夏季主導(dǎo)風(fēng)向垂直，這會在一定程度阻擋建筑的通風(fēng)散熱，同時影響后排建筑的通風(fēng)。一般說來，可將點(diǎn)式住宅群體布置在面臨夏季主導(dǎo)風(fēng)向的位置，這樣有利于自然通風(fēng)，同時盡量讓線形住宅布置在冬季主導(dǎo)風(fēng)向來臨方向以阻擋住寒風(fēng)（如圖1所示）。

圖1 建筑群體布局示意圖（作者自繪）

3.1.2 避免下沖氣流

如果在組合建筑群體時，建筑物之間的高度和間隔都相近時，就不會產(chǎn)生下沖氣流等現(xiàn)象。若是一棟建筑的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它建筑的高度時，它將會形成巨大的下沖氣流。當(dāng)許多棟建筑組合時，如果在朝向地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的地塊留下空地時，這種布局會給其他的建筑群體帶來不利的影響，會造成一定的下沖氣流，這些強(qiáng)氣流與周圍水平方向上的風(fēng)流形成渦流以及高速風(fēng)，風(fēng)壓效果因此加大，也同時造成熱損失加大，不利于降低建筑能耗，因此，這種建筑群體的布置方式也應(yīng)盡量被避免。如圖2所示。

圖2 下下沖氣流效果示意圖

3.1.3 避免風(fēng)旋

當(dāng)一起布置高層建筑與低層建筑時，當(dāng)建筑群受到冬季季風(fēng)的沖擊時，這種布局方式會形成較為大的湍流，也就是人們所說的 “風(fēng)旋”（如圖3所示）。這種風(fēng)旋現(xiàn)象也會使風(fēng)壓加大，從而增大建筑的能耗損失。因此，在建筑群體布局設(shè)計(jì)時，就應(yīng)該避免由于建筑阻擋而造成不良風(fēng)環(huán)境的問題，盡可能將相對低的建筑沿夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置在建筑群周邊，而相對高的高層建筑物應(yīng)遠(yuǎn)離地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向，避免遮擋自然風(fēng)的流向，并將其布置在冬季主導(dǎo)風(fēng)向，從而實(shí)現(xiàn)對冷風(fēng)的有效阻擋，在一定程度上減少建筑室內(nèi)熱量的散失。

圖3 風(fēng)旋效果示意圖

3.1.4 避免風(fēng)漏斗效應(yīng)

在規(guī)劃各棟建筑的位置時，若將高度相近的建筑物布置在道路的兩側(cè)，同時再布置一些寬度是高度的2～3倍的長條形建筑后，這種布局會形成風(fēng)漏斗效應(yīng)（如圖4所示）。風(fēng)漏斗效應(yīng)可將周圍風(fēng)流聚攏高速通過街道口，一般會將周邊風(fēng)速提高30%，從而加劇建筑熱能損失，所以應(yīng)盡可能避免這種布局方式。另外，可在建筑物前面設(shè)置綠化，主要是種植一些喬木、灌木等，在保證正常通風(fēng)條件下可對風(fēng)速起到一定的延緩作用，從而降低東北嚴(yán)寒地區(qū)建筑的能耗。

圖4 風(fēng)漏斗效果示意圖

3.2 高層建筑防風(fēng)設(shè)計(jì)策略

3.2.1 貫通的洞口

在高層建筑設(shè)計(jì)時，可以控制體形來達(dá)到減少高樓風(fēng)影響的目的。在考慮建筑體塊間的關(guān)系時，可在體塊中留下一個貫通的洞口，這樣可改變建筑迎風(fēng)面各方向風(fēng)的流向，而預(yù)留的空洞方便了高樓風(fēng)順利通過，避免自然風(fēng)直接撞擊上建筑迎風(fēng)面而分解產(chǎn)生下沖風(fēng)和兩側(cè)風(fēng)向，從而減弱高樓風(fēng)對建筑物底部和兩側(cè)的不良影響。在高層建筑中間做貫通洞口處理的經(jīng)典案例為丹下健三設(shè)計(jì)的NEC大廈。在設(shè)計(jì)之初，讓該高層建筑適應(yīng)室外風(fēng)環(huán)境是其形體生成的主要依據(jù)。他在建筑中間設(shè)計(jì)了一個橫向貫通的洞口（如圖5所示），從而打破了摩天樓在迎風(fēng)面的封閉性，緩解了下沖氣流，也大大減少了建筑背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)的面積。貫通風(fēng)洞為其下部建筑空間提供了良好的自然采光和通風(fēng)，為其中的使用者提供優(yōu)越的工作和生活環(huán)境。

圖5 貫通的洞口示意圖（作者自繪）

3.2.2 立面設(shè)計(jì)

高層建筑在結(jié)構(gòu)方面要求很高，通過改變建筑結(jié)構(gòu)去改善室外風(fēng)在環(huán)境通常情況下不太現(xiàn)實(shí)。而對高層建筑外立面進(jìn)行相應(yīng)的處理就相對可取，［3］如增設(shè)一些凸凹陽臺、遮陽板和不規(guī)則開口等就可達(dá)到阻滯建筑表面高速風(fēng)的目的，使氣流在遇到不同開洞及不規(guī)則立面形式時，在水平方向上的作用力得以降低，從而達(dá)到有效降低建筑能耗的目的。對東北嚴(yán)寒地區(qū)的高層建筑設(shè)計(jì)而言，可在北面和西北面這些冬季寒風(fēng)盛行方向減少開窗以降低熱能耗損失；在設(shè)計(jì)建筑主入口時，應(yīng)避免其尺寸過大；在設(shè)計(jì)建筑立面時應(yīng)盡量避免尖銳豎向角的出現(xiàn)，防止形成強(qiáng)力的下沖氣流；在建筑轉(zhuǎn)角處可設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板，以提高建筑表面的摩擦力從而減緩邊角風(fēng)的風(fēng)速，同時也能將氣流導(dǎo)入建筑內(nèi)部，有利于建筑室內(nèi)通風(fēng)。此外，還可以在高層建筑表面設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)。據(jù)有關(guān)測試防風(fēng)網(wǎng)能過濾掉70%的高樓風(fēng)，可見其防風(fēng)作用十分顯著。

3.2.3 豎向綠化

在東北寒地高層建筑中引入綠化植物等軟質(zhì)景觀，可形成多維度的綠化環(huán)保系統(tǒng)，從而起到延緩高層建筑上部水平方向上強(qiáng)氣流的作用 （如圖6所示）。特別是高層建筑下部軟質(zhì)景觀的布置有利于減弱高樓下沖風(fēng)的風(fēng)量及速度。在炎熱的夏季，嵌入建筑表面的綠化設(shè)施可通過蒸發(fā)作用對外來的熱空氣進(jìn)行過濾以降低空氣溫度，同時也為室內(nèi)蒸發(fā)散熱提供水分。冬季時節(jié)，植物綠化可通過參差不齊的表面減緩高樓風(fēng)的運(yùn)行速度、減小嚴(yán)寒氣流造成建筑物內(nèi)部熱量的流失。同時，豎向綠化的嵌入也在一定程度上阻礙了建筑外表面的高速風(fēng)流，進(jìn)一步降低了建筑的風(fēng)荷載。

圖6 高層建筑豎向綠化示意圖

4 結(jié)語

綜上，通過對東北嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征的分析，探討了基于室外風(fēng)環(huán)境影響下的東北寒地被動式建筑設(shè)計(jì)的策略問題。具體包括室外風(fēng)環(huán)境對建筑群體布局和高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的影響，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略。在建筑總體布局方面，提出了建筑點(diǎn)線排列組合、避免下沖氣流、避免風(fēng)旋、避免風(fēng)漏斗效應(yīng)等策略；在高層建筑防風(fēng)設(shè)計(jì)方面，提出了貫通的洞口、立面設(shè)計(jì)和豎向綠化等策略，以期能為東北寒地建筑設(shè)計(jì)及其建筑節(jié)能提供有益的參考和借鑒。

［1］ 張方一.案例分析地區(qū)居住建筑地方風(fēng)格與自然環(huán)境關(guān)系［N］.江蘇商報(bào)·建筑界，2013：212.

［2］ 謝振宇，楊訥.改善室外風(fēng)環(huán)境的高建筑形態(tài)優(yōu)化策略［J］.建筑學(xué)報(bào)，2013（2）：76-81.

［3］ 劉志利.淺析規(guī)劃環(huán)境影響評價［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2012（9）：3.

圖3 翻襯管結(jié)構(gòu)及材料

5）作業(yè)實(shí)施。襯管首端經(jīng)輸送臺垂直穿過導(dǎo)入管后，開始向?qū)牍苤凶⑺??？刂扑俣仁挂r管勻速地進(jìn)入工作段，邊外翻邊前進(jìn)。翻轉(zhuǎn)使襯管飽含樹脂的無紡氈面向外，朝向舊管道內(nèi)壁。當(dāng)襯管翻尾端進(jìn)入導(dǎo)入管時用卡箍將尾端卡死，并在卡箍上接通加熱管。

6）加熱固化。襯管尾端接近出口時，將加熱管穿過管道，開啟循環(huán)水泵，加熱使水溫達(dá)到70℃，保持此溫度6h以上，待樹脂固化停止加熱，襯管即成為剛性承壓管道，待水溫自然冷卻后排掉。

7）襯管端口處理。沿作業(yè)段兩端法蘭外緣切掉多余的襯管，用快速密封膠封閉襯管和舊管內(nèi)壁的結(jié)合面。

8）竣工驗(yàn)收。作業(yè)完畢后，用內(nèi)窺儀器對襯管內(nèi)壁進(jìn)行檢查，然后進(jìn)行壓力測試。

TU2

吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號：201410191005）。