高密度城市建筑立面開口設計探究

高密度城市建筑立面開口設計探究

城市不斷向高密度城市模式的發(fā)展使得城市中心區(qū)域建筑規(guī)模與日俱增，建筑密度的加大、高度的提升以及人群的大規(guī)模聚集導致大量熱量的釋放，這些原因均讓城市風環(huán)境日趨惡化。我們知道高密度城市空間形態(tài)對其所在區(qū)域內(nèi)的空間構成和風環(huán)境都會產(chǎn)生影響，已形成有別于自然環(huán)境的城市風環(huán)境[1][2]。目前高密度城市的建設，在建筑單體設計時，過度依賴主動式通風設備而忽略對自然通風的考慮，立面封閉的建筑實體易在建筑背風面形成風影區(qū)，且建筑內(nèi)部缺少自然風導致氣流運行不暢，致使沒有足夠的清潔空氣[3][4]。

建筑形態(tài)的設計應基于可持續(xù)、綠色、節(jié)能等如今建筑設計的核心價值觀，從城市、街區(qū)、單體方面進行多層次、多角度考量，主動回應日漸突出的高密度城市室內(nèi)風問題，以形成良好的室內(nèi)風環(huán)境，促進空氣循環(huán)，提高空氣的呼吸性能和污染物擴散速率，進而提高室內(nèi)環(huán)境舒適度[1]。

1 典型案例選取與研究方法

上海和新加坡都是典型高密度城市，在近幾十年城市化高速發(fā)展的過程中，面對人口大量聚集和有限的可建設用地面積之間的矛盾，為使基礎設施和社會資源的配置

史潔，同濟大學中德工程學院副教授、博士生導師；朱丹，同濟大學建筑城規(guī)學院博士研究生；宋德萱，同濟大學建筑城規(guī)學院教授、博士生導師，中國建筑學會建筑技術專業(yè)委員會副主任委員，中國綠色建筑專業(yè)委員會委員，國家一級注冊建筑師。使用更高效、合理，逐步形成高密度、大體量的城市空間形態(tài)[1]。在城市發(fā)展的同時，也同樣面對嚴峻的城市環(huán)境問題，如熱島效應、空氣污染、能耗過大等等。二者同為沿海城市，均有良好的自然通風條件，在自然風利用方面有很多相似之處可以借鑒，同時在建筑立面開口設計方法上也有很多共同之處。因此，本文將二者作為對比研究對象。

在對建筑立面基本開口方式、自然通風進行理論研究和初步案例調(diào)研的基礎上，選取上海和新加坡4個體量相似的典型建筑為案例展開研究（表1）。在滿足建筑功能的前提下，為充分利用自然風改善室內(nèi)風環(huán)境，4個案例風道形式上各有不同，分別為直線形風道（上海中信廣場）、“L”形風道（新加坡WESTGATE商場）、弧形風道（新加坡BUONA VISTA商場）和多風道（新加坡國立大學教育資源中心，Education Resource Center，以下簡稱ERC）；同時，立面開口方式也各有特征，有單側開口、雙側開口、不同高寬比、不同位置、不同開口形狀等等。4個案例的選取考慮多樣化、差異化，又兼顧相似性和可比性。

在研究方法上，采用案例現(xiàn)場實測的方法在各建筑關鍵節(jié)點處布置測點，以掌握4個建筑在日常使用情況下，建筑內(nèi)部活動空間的真實通風情況，測試結果為不同開口方式之間比較研究提供數(shù)值依據(jù)。

表1 案例介紹

2 實測實驗設計

2.1 實驗準備

本實驗使用的主要測試儀器為TES-1341熱線風速測量儀（圖1），該儀器數(shù)據(jù)可以自動記錄。為獲得較為穩(wěn)定可信的數(shù)據(jù)，每組測試時間為15min，同一組數(shù)據(jù)的各測點同時開始計數(shù)。測試的第一個案例中信廣場，記錄時間間隔設置為30s，每個測點記錄30個數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進行初步分析之后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本不足，測量數(shù)據(jù)的變化趨勢不夠精確。為提高測量精度，對記錄時間間隔進行調(diào)整，案例2～4在測試時數(shù)據(jù)記錄間隔為10s，每個測點共記錄90個數(shù)據(jù)。

該實驗分為室內(nèi)和室外兩部分，室外主要是監(jiān)測氣候環(huán)境的溫度、風速，與室內(nèi)參數(shù)進行對比。室內(nèi)測試參數(shù)為風速、相對濕度、溫度、濕球溫度、露點溫度等。

2.2 測點布置

各案例在進行設置時，除室外布置一個測點記錄測試環(huán)境外，室內(nèi)分別布置水平對比測點和垂直對比測點。根據(jù)各個案例不同的形體和通風情況，測點布置原則如下。

案例1中信廣場（上海）水平測點整體沿東西向直線形主通風廊道均勻布置，同時在南北向風口對位的次通風廊道布點；垂直測點布置在南側典型風口處一、二、三層垂直方向相同位置。

案例2 WESTGATE商場（新加坡）水平測點布置在各層“L”形風道的兩端口、轉(zhuǎn)角處和兩邊中間位置；垂直測點布置在典型風口和室內(nèi)連廊的一、二、三層垂直方向相同位置。

案例3 BUONA VISTA商場（新加坡）為弧形風道，水平測點布置在各個立面開口處和室內(nèi)主要通道上，垂直測點布置在典型風口一、二、三層垂直方向相同位置。

案例4新加坡國立大學教育資源中心ERC（新加坡）為多通道通風，各個方向均有尺度較大的進、出風口，水平測點布置在各個開口處和室內(nèi)主要活動區(qū)域，垂直測點布置在典型風口一、二、三層垂直方向相同位置。

各案例具體測點布置如表2所示，測試儀器探頭高度設置為1.5m。

圖1 TES-1341熱線風速測量儀

3 實測結果分析

4個案例的實測工作分別在2015年6月和8月完成，共測得實驗數(shù)據(jù)114組（其中因儀器故障，無效數(shù)據(jù)2組）?；谇捌诜治龊统醪降臄?shù)據(jù)篩選，選取具有對比意義的典型數(shù)據(jù)分析如下。

3.1 不同通風廊道形式對風速的影響

3.1.1 直線形風道

案例1中信廣場（上海）的測試時間為2015年6月25日，當日天氣情況為陰轉(zhuǎn)大雨，風向為南風和東風。圖2為同時測試的中信廣場主風道室外測點A與室內(nèi)測點B、C風速逐時變化圖，測點B為室內(nèi)通道上一點（南側有開口），測點C為通道盡端較窄處測點。由圖可知，整體來看，C點風速＞B點風速＞A點風速。在同一風道上的開口越窄，風速越大。

同時可以看出，在測試時間段內(nèi)，室外風速較小甚至無風。建筑中庭的煙囪效應可形成熱壓通風，促進大堂內(nèi)部的自然通風，即使在室外較小甚至無風的情況下，室內(nèi)也能夠有良好的自然通風。

3.1.2 L形風道

案例2WESTGATE商場（新加坡）的測試因測點較多和天氣原因，分兩次完成，時間分別為2015年8月10日和12日，測試時間段內(nèi)均為晴天，風向為南風和東南風。該案例一層和四層風道均為L形，但開口方式不同。一層L形風道兩端、中間轉(zhuǎn)角處和兩個立面均有開口，四層平面L形風道只有一端開口，轉(zhuǎn)角處和另一端均封閉，為單側開口風道。

由圖3所示一層同時記錄的各測點風速可以看出，轉(zhuǎn)角C點兩側開口，風速最大；兩端風口A、E兩點次之；中間測點B、C最小。由圖4所示四層同時記錄的各測點風速可知，單側開口風道風速最大點為開口處A點，B點次之，隨著風道深入，風速明顯隨之減小。以上分析可知，對L形風道而言，為達到良好的通風效果，除兩端開口外，

L形風道轉(zhuǎn)角處也是設計要點，需在轉(zhuǎn)角兩側立面分別開口，在兩邊均可形成直線形風道。

表2 4個典型案例測點布置

圖2 中信廣場一層主風道各測點風速逐時變化圖

圖3 WESTGATE商場一層L形風道各測點風速逐時變化圖

3.1.3 弧形風道

案例3 BUONA VISTA商場（新加坡）的測試時間為2015年8月11日，天氣情況為晴天。測試當天主要風向為南風，在建筑南立面有3個開口將風引入建筑內(nèi)部。圖5所示一層同時記錄的各測點風速可以看出，C點風速明顯小于A、B兩點。由此可知，在立面為迎風面的情況下，開口尺寸越大，風速越小。

值得注意的是，在室外風均較為平穩(wěn)的情況下，對比圖5（弧形開口）和圖6（直線形開口）可知，在室外環(huán)境風速較為均勻的情況下，弧線形開口的風速更加穩(wěn)定，而直線形風口的風速易產(chǎn)生劇烈波動。

圖4 WESTGATE商場四層L形風道各測點風速逐時變化圖

圖5 BUONA VISTA商場一層各測點風速逐時變化圖

圖6 WESTGATE商場一層各測點風速逐時變化圖

圖7 新加坡國立大學ERC二層各測點風速逐時變化圖

3.1.4 多風道

案例4新加坡國立大學教育資源中心ERC（新加坡）的測試時間為2015年8月13日，天氣狀況為晴轉(zhuǎn)雨。由前文表1可知，ERC為流線形平面，南向開敞面向草坪，其它3個外立面也均勻布置尺寸較大開口（5～10m），為多風道通風模式，起到“捕風器”的作用，將各個方向的氣流引入建筑，而在建筑內(nèi)部沒有形成明確的風道。圖7所示二層同時記錄的各測點風速可以看出，除北部較窄通道兩點D和E風速較大外，其余各開口測點出風速相似，與室外風速相差不大，基本屬于純風壓作用的自然通風。與案例3相似，由于弧線形的設計，建筑內(nèi)部即開口處風速都很均勻。

3.2 不同開口方式對風速的影響

3.2.1 有/無開口對比

如圖8所示為WESTGATE商場二層3個測點數(shù)據(jù)對比，其中測點A和測點C處對應外立面有開口，而測點B為走道內(nèi)一點，對應外立面無開口。對比A、B、C3點風速變化情況可知，有開口的測點A和測點C風速明顯大于無開口的測點B。由此可知，立面有無開口對氣流的導入具有很大影響。

3.2.2 雙側開口與單側開口對比

圖9和圖10分別為WESTGATE商場一層、四層風道同時記錄的各測點風速逐時變化圖，如前文所述，一層L形轉(zhuǎn)角處外立面有開口，而四層L形轉(zhuǎn)角處外立面封閉無開口。對比二圖可知，圖9中風道兩端均有開口可在風道內(nèi)形成穿堂風，同時C點開口較小易形成快速氣流，測點C風速大于A點和B點；圖10中風道北端封閉無法形成穿堂風，因此氣流進入風道內(nèi)迅速衰減，測點A風速最大，B點次之，C點最小。由分析可知，雙側開口的風道可以提高通風效率，通風效果明顯優(yōu)于單側開口風道。

3.2.3 開口高寬比

如前文所述BUONA VISTA和ERC案例可知，立面開口的高寬比直接影響風速大小。在該案例中，當立面開口的高寬比小于1.5∶1時，隨著高寬比的增大，風速明顯增大。但此數(shù)據(jù)只是本案例得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體的邊界數(shù)值，仍需進一步研究和驗證。

圖8 WESTGATE商場二層各風口測點風速逐時變化圖

圖9 WESTGATE商場一層L形風道各測點風速逐時變化圖

圖10 WESTGATE商場四層L形風道各測點風速逐時變化圖

3.2.4 開口形狀

如圖11所示，為BUONA VISTA商場北側兩開口處風速逐時變化圖，測點A和測點B的開口尺寸大致相同，而開口方式不同，測點A為喇叭形開口。兩側點風速如圖所示，測點A風速明顯大于測點B，可見在引風道尺寸相似的情況下，喇叭形開口可導入更多氣流，相當于擴大了有效開口尺寸，可形成更好的通風效果。

圖11 BUONA VISTA商場一層各風口風速逐時變化圖

4 結語

在城市規(guī)劃階段，基于對城市風環(huán)境改善的考慮，會對建筑容積率、建筑密度、建筑機理等指標進行控制。但相同的密度和容積率，會產(chǎn)生完全不同的建筑形態(tài)，又將對室內(nèi)風環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。建筑立面開口可有效降低建筑迎風面面積，所形成的建筑內(nèi)部通風廊道，既可以作為大尺度城市通風廊道的重要補充，又可以在小尺寸的建筑層面有效地促進局部空氣循環(huán)，對形成自然通風、改善局部風環(huán)境有很大幫助。

基于上文對4個典型案例的實測結果分析可知，合理的建筑立面開口可形成高效的建筑內(nèi)部風道，即使在室外處于弱風時，依然可在建筑內(nèi)部形成良好的自然通風，并有效降低室內(nèi)溫度。為此，建筑立面的開口設計要注意處理好“引風”和“導風”兩方面問題，一是要有利于將風引入建筑內(nèi)部，二是要提高通風效率和通風質(zhì)量。具體建議如下：①開口朝向和位置。立面開口宜設置在需通風降溫季節(jié)主導風的迎風面，以利于將室外風導入。同時，建筑立面開口要注意對位關系，應有助于在建筑內(nèi)部形成兩端開口的風道，單側開口室內(nèi)廊道的通風效率降低很多。建筑內(nèi)部風道不宜過長，在主風道兩側可均勻布置小尺度開口，輔助主通道加強通風效果。對于L形風道來說，轉(zhuǎn)角處是立面開口設計重點，應盡量在轉(zhuǎn)角兩側立面均設置開口。②開口大小。在立面為迎風面的情況下，開口尺寸越大，風速越小。在開口尺寸相同的情況下，喇叭形開口相當于擴大了有效開口尺寸，可導入更多氣流，形成更好的通風效果。另外，立面開口的高寬比也直接影響風速大小，在該案例中，當立面開口的高寬比小于1.5∶1時，隨著高寬比的增大，風速明顯增大。然而此數(shù)據(jù)只是經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體的邊界數(shù)值，仍需進一步研究和驗證。③開口形狀?；【€形平面比折線形平面在開口更易形成穩(wěn)定風場，且在一定程度上增大有效開口面積，具有更好的引風效果。

應對高密度城市熱環(huán)境問題的立面開口方式設計研究，作為建筑是對城市問題的回應，為建筑師在設計方法上提供了更有價值的形式問題，也使設計工作更有意義。

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[2]Baker N.,Steemers K..Thermal Comfort in Outdoor Urban Spaces: Understanding the human parameter[J]. Solar Energy,2001,70(3): 227-235.

[3]Kovar-Panskus, A., Louika, P., Shi, J. R, Savory, E., Czech,M., Abdelqari, A., Mestayer, P. G. and Toy, N., Influence of geometry on the mean flow within urban street canyons — a comparison of wind tunnel experiments and numerical simulations [J], Water, Air and SoilPollution. Focus 2,2002, :365-380.

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[6]郭飛,張鶴子.可持續(xù)城市總體通風規(guī)劃策略[A]. 中國城市科學研究會、天津市濱海新區(qū)人民政府.2014(第九屆)城市發(fā)展與規(guī)劃大會論文集—S07生態(tài)城市建設的技術集成[C].中國城市科學研究會、天津市濱海新區(qū)人民政府,2014:5.

Exploration on Opening Design of Building Facade of High-density City

■ 史 潔 Shi Jie 朱 丹 Zhu Dan 宋德萱 Song DeXuan

高密度城市的模式發(fā)展使得城市中心區(qū)域建筑規(guī)模與日俱增，隨著建筑密度、高度的攀升以及城市空間中人群大規(guī)模的聚集，使得釋放出的大量熱量不能及時排除，導致城市空間中微環(huán)境的惡化。城市空間的風環(huán)境是城市物理環(huán)境重要的影響因素，如何利用大氣壓差引起的空氣運動，形成城市空間的一定的通風，是改善微環(huán)境的一個重要議題。目前城市微氣候領域的研究已呈現(xiàn)出相關學科基于研究的需求向建筑學問題的滲透，為建筑學的研究提出了新的命題。文章試圖研究城市弱風或靜風環(huán)境下，由城市空間內(nèi)部環(huán)境的非均一性而產(chǎn)生城市區(qū)域的大氣環(huán)流來改善微環(huán)境，促進空氣循環(huán)，降低城市熱島效應強度，提高城市空氣的呼吸性能和加快污染物擴散速率，進而提高城市空間整體舒適度。

高密度城市；室內(nèi)風環(huán)境；立面開口；風道

The building scales in the downtown areas of high-density cities are increasing due to the development mode. Along with increase of architectural density and height as well as massive gathering of population in urban space, the large amount of heat cannot be dissipated so as to result in deterioration of urban microenvironment. The wind environment within the urban space is a key influential factor of urban physical environment. Therefore, it is an important subject for improving the micro-environment that how to utilize the atmospheric pressure difference to produce air flows, and then form certain ventilation within the urban space. At present, the studies in urban micro-environment field shows the trend that relevant disciplines infiltrate towards architectural issues on the basis of research requirements such that new propositions are raised for architecture studies. The paper tries to study on utilizing the atmospheric circulation within urban area that is generated by inhomogeneity of internal environment of urban space to improve the micro-environment, promote the air circulation, reduce the intensity of the urban heat island effect, improve the urban air breathing performance and accelerate the diffusion rate of the pollutant, and then enhance the overall comfort of the urban space.

high-density city, indoor wind environment, facade opening, air duct

2016-12-01）