基于環(huán)境調(diào)控的高層住宅立面開口形態(tài)
——以中國(guó)香港為例

■ 周伊利 Zhou Yili 宋德萱 Song Dexuan 張璐璐 Zhang Lulu

0 引言

住宅立面開口形態(tài)是建筑設(shè)計(jì)美學(xué)的主要展現(xiàn)元素之一，也是建筑應(yīng)對(duì)外部環(huán)境調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的承載體。住宅開口形態(tài)因建筑所處的氣候特點(diǎn)而有所差異，是建筑對(duì)氣候響應(yīng)程度的體現(xiàn)。本文中的“立面開口”指建筑立面可透明的、或可敞開的部分，并包括與之相關(guān)的構(gòu)筑和構(gòu)件。高層住宅由于特有的“超人”尺度，已然基本擺脫了近地環(huán)境要素（如植被）對(duì)建筑環(huán)境的影響，尤其在高密度城市中，需要靠建筑自身的構(gòu)筑或構(gòu)件來(lái)影響開口調(diào)適作用的發(fā)揮。香港是典型的高密度城市，建筑和人口的密集程度在世界上也只有極少數(shù)類似城市與之匹敵。本文以中國(guó)香港高層住宅為討論對(duì)象，嘗試梳理出于響應(yīng)所處的濕熱氣候的住宅立面開口形態(tài)類型，并剖析住宅開口形態(tài)與主要?dú)夂蛞氐膽?yīng)對(duì)關(guān)系，旨在探尋響應(yīng)氣候的住宅開口設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

1 香港氣候特點(diǎn)與高密度城市環(huán)境

從建筑氣候區(qū)劃分看，香港特區(qū)處于夏熱冬暖氣候區(qū)，深受海洋的影響。香港春季暖和潮濕，夏季炎熱多雨，時(shí)常有熱帶氣旋光顧；秋季涼爽，陽(yáng)光充沛；冬季則清涼干燥。香港地區(qū)雨量充沛，年降雨量超過(guò)2 300mm，大部分集中于6～10月。香港位于北緯約22°，在中午時(shí)分太陽(yáng)大多在南方。香港年日照時(shí)間達(dá)到1 835.6h，可利用的占42%，月平均太陽(yáng)輻射量12.85 MJ/m2，在7月最高，而下半年整體較上半年高?？偟膩?lái)說(shuō)，香港的氣候呈現(xiàn)雨熱同期的特點(diǎn)。

在香港“彈丸”之地，40層以上高樓數(shù)量超過(guò)3 500棟，高樓密度全國(guó)居首。這種超高密度發(fā)展給城市住居環(huán)境帶來(lái)了多方面的影響：高層住宅密集，居住空間狹小，城市街道視線逼仄，城市噪聲影響大以及室內(nèi)自然采光不足等。如此擁擠的城市加上濕熱氣候的影響，對(duì)居住環(huán)境的調(diào)適形成較大壓力。

1.1 致涼需求

根據(jù)丹麥Fanger教授PMV熱舒適模型，人體熱舒適性（PMV值）與空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、壁面平均輻射溫度、風(fēng)速、人體新陳代謝率及衣服熱阻等6個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，PMV值越接近于零，意味著熱舒適程度越高[1]。通常來(lái)說(shuō)，在炎熱夏季的南方濕熱地區(qū)，自然條件下，空氣溫度、壁面輻射溫度、空氣相對(duì)濕度會(huì)超過(guò)人體感覺舒適的范圍，因此，溫度越低、空氣相對(duì)濕度越小，PMV值越小，意味著熱舒適程度越高；空氣流動(dòng)可以加速人體皮膚表面汗液蒸發(fā)，以便散發(fā)熱量，減少體內(nèi)熱量累積，因此，風(fēng)速越高，PMV值越小，就越有利于獲得涼爽感覺。讓人體獲得涼爽的過(guò)程就是致涼的過(guò)程。

南方地區(qū)夏季炎熱，連續(xù)高溫天氣頻現(xiàn)，空氣的相對(duì)濕度較高，通常處于75%～80%范圍，人體普遍感覺悶熱，致涼需求強(qiáng)烈。香港是高密度都市，高樓林立，盡管臨海，有海風(fēng)吹拂，可以減緩城市的熱島效應(yīng)，但擁擠的城市空間對(duì)散熱存在一定的阻礙作用，建筑的室外通風(fēng)環(huán)境也受到一定程度的壓制。從建筑空間來(lái)說(shuō)，如何減少室外向室內(nèi)的熱傳遞，降低室內(nèi)空氣濕度，有效的自然通風(fēng)就成為建筑自身性能的一種訴求。而立面開口作為室內(nèi)外能量傳遞的主要通道，也是主要承擔(dān)調(diào)控作用的所在。

1.2 擋雨需求

南方降水豐富，且主要集中在夏季，與熱量過(guò)多的時(shí)間高度重合。在高密度城市環(huán)境中，存在局地疾風(fēng)的現(xiàn)象，使得雨水可能以較高速率沖淋立面開口。盡管窗戶玻璃和窗框的密閉性已經(jīng)獲得了較大的提升，能較好地對(duì)抗雨水的沖刷。然而，雨天通常濕度較大，密閉窗戶會(huì)減少室內(nèi)氣流運(yùn)行的速率，增加悶熱的感覺。事實(shí)上，下雨時(shí)室外空氣溫度通常會(huì)下降1～2℃，如果能保持開口的敞開，就有助于室外涼空氣進(jìn)入室內(nèi)，從而減少室內(nèi)空間中熱量的累積。

因此，立面開口在承擔(dān)防雨功能的同時(shí)也兼顧了自然通風(fēng)的可能性，主要目的是最大程度利用自然要素來(lái)調(diào)控室內(nèi)的熱舒適性。

1.3 降噪需求

由于其密集的人口、繁榮的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、繁忙的交通以及城市建設(shè)活動(dòng)等因素，高密度城市的噪聲污染對(duì)高層住宅的室內(nèi)空間形成負(fù)面影響，主要來(lái)源可分為城市交通噪聲、城市生活噪聲、施工噪聲及其它噪聲。根據(jù)儲(chǔ)益萍等人的研究，香港和上海等高密度城市，生活噪聲和建筑施工噪聲較為突出，尤其是在城市化水平較高的區(qū)域[2]。相比之下，香港的高層住宅與道路的退界通常較小，交通噪聲也比較嚴(yán)重。在既定的城市建成環(huán)境中，通過(guò)增加隔音屏等措施，可以減少交通噪聲的傳播。然而，就高層住宅而言，近地面的降噪措施多少會(huì)顯得“鞭長(zhǎng)莫及”，因此，建筑本身開口部分的降噪作用就顯得尤為重要。

1.4 調(diào)光需求

在高密度城市中，由于建筑密集，建筑間不可避免存在光線遮擋的問(wèn)題。在香港，夏季的太陽(yáng)輻射熱過(guò)量，可見光部分卻也是不足的，尤其是低區(qū)的住宅單位。從香港普通高層住宅來(lái)看，主要空間如起居室、臥室面積較小，按照可透明部分與室內(nèi)地面面積的比例要求，開口部分的尺寸和位置存在一定的余地。開口部分對(duì)可見光具有過(guò)濾作用，可以減少眩光，最大程度減少人工照明的耗能，還能提高光環(huán)境的均勻度和舒適度。

1.5 防風(fēng)需求

我國(guó)的東南沿海每年都會(huì)有臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋的光顧，強(qiáng)風(fēng)往往超出人體可承受的速度區(qū)間，甚至威脅人身安全，舒適性則無(wú)從談起。香港在夏季里也時(shí)常受熱帶氣旋、臺(tái)風(fēng)的影響，高層住宅立面承受較大的風(fēng)壓，建筑開口強(qiáng)度必須保證較高的安全性能，避免高空脫落或掉落等現(xiàn)象的發(fā)生，以確保人身安全。

2 開口形態(tài)與致涼

香港高層住宅開口部分的致涼機(jī)制主要通過(guò)遮陽(yáng)、兜風(fēng)等過(guò)程，“屏蔽”不利的環(huán)境要素，引入有利的要素，充分發(fā)揮開口部分對(duì)室內(nèi)環(huán)境的促進(jìn)致涼作用。

2.1 遮陽(yáng)

事先預(yù)防好于事后彌補(bǔ)。與其讓熱量“肆無(wú)忌憚”地侵入室內(nèi)空間，再通過(guò)設(shè)備進(jìn)行環(huán)境控制，不如將不需要的熱量阻擋在空間之外，允許盡量少的熱量傳遞進(jìn)室內(nèi)。遮陽(yáng)就是一項(xiàng)十分有效的致涼措施。遮陽(yáng)就是根據(jù)光線的線性傳播原理，在到達(dá)使用空間之前設(shè)置障礙物，把直射陽(yáng)光反射回空中，阻擋在空間之外，減少空間的直射陽(yáng)光輻射量。

帶遮陽(yáng)的開口形態(tài)廣泛存在于香港高層住宅立面，以其較深的懸挑進(jìn)深、富有韻律感的陰影，形成地域特色的“遮陽(yáng)建筑美學(xué)”（“遮陽(yáng)建筑美學(xué)”提法引自林憲德《綠色建筑：生態(tài)、節(jié)能、減廢、健康》）。與其它地區(qū)不同，由于香港的緯度較低，夏季的太陽(yáng)高度角較大，而且在夏季的部分時(shí)間段內(nèi)，建筑的北面也接受太陽(yáng)輻射。因此，高層住宅在4個(gè)立面的開口都需考慮對(duì)直射陽(yáng)光的遮擋。

基本的開口遮陽(yáng)形態(tài)有水平式、垂直式、門字型、口字型，適用于不同朝向的立面和范圍（圖1）。由于香港的太陽(yáng)高度角較大，南向水平遮陽(yáng)板產(chǎn)生陰影遮蔽范圍較廣，能涵蓋開口透明部分的大部分或全部；東西立面的開口需要垂直式遮擋方可有效；門字型和口字型則適用于多個(gè)朝向的立面，都能有效遮蔽直射陽(yáng)光（圖2）。

將上述這些基本形態(tài)組合重新構(gòu)成的復(fù)合開口遮陽(yáng)形態(tài)，成就了香港高層住宅的立面特色。通過(guò)懸挑結(jié)構(gòu)，將水平板和垂直板綜合運(yùn)用，形成有韻律的立面構(gòu)圖，制造了多層次的立面效果，而開口的透明部分則退入第二層次，通常為陰影所覆蓋。有的高層住宅采用了上寬下窄的水平挑板，既遮擋了來(lái)自天空的太陽(yáng)輻射，也考慮了空間使用者俯視街景的需求（圖3）。

2.2 兜風(fēng)

在高密度城市中，高層住宅密集的區(qū)域，容易形成峽谷風(fēng)，也時(shí)常有上升或下沉氣流。當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)建筑立面開口時(shí)，開口處各種遮陽(yáng)板同時(shí)成為導(dǎo)風(fēng)板，有助于將氣流導(dǎo)入室內(nèi)空間，可以促進(jìn)室內(nèi)的自然通風(fēng)，排走空間中過(guò)多熱量。

需要指出的是，建筑各種開口對(duì)氣流具有“兜風(fēng)”作用，比較粗糙的城市“側(cè)墊面”對(duì)氣流也有一定阻力，速率較快的街道峽谷風(fēng)在一定程度上受到了削弱，減少街道風(fēng)速過(guò)大產(chǎn)生不舒適的可能性。

3 開口形態(tài)與擋雨

在雨熱同期的香港，降雨可以有效降低城市外部環(huán)境的溫度，形成一段時(shí)間較舒適的熱環(huán)境，若能在降雨之中和之后開窗通風(fēng)，通常能帶來(lái)不可多得的習(xí)習(xí)涼風(fēng)。擋雨的開口形態(tài)比較簡(jiǎn)單，垂直下落的雨水在室外風(fēng)的作用下，在建筑立面時(shí)常出現(xiàn)“漂淋”現(xiàn)象，開口上方的水平板對(duì)這種現(xiàn)象具有有效的抑制作用，在南立面還兼顧了遮陽(yáng)的作用（圖4）。

圖1 高層建筑開口基本形態(tài)：水平式、垂直式、門字型、口字型

圖2 開口遮陽(yáng)形態(tài)的遮陽(yáng)示意圖

4 開口附加構(gòu)件

一些既有高層住宅，由于在原先設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮開口對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控作用，開口形態(tài)略顯簡(jiǎn)陋和單調(diào)。在這些既有高層住宅活化和再設(shè)計(jì)過(guò)程中，住宅立面采用后加水平或垂直式遮陽(yáng)板，形成新的立面開口形態(tài)。這些遮陽(yáng)板被固定在具備足夠強(qiáng)度的懸挑支撐體之上，與原開口保持一定距離，常見的為0.8～1.2m。這種附加構(gòu)件能在立面上形成陰影，既減少建筑開口處的得熱，又不妨礙建筑外圍護(hù)的散熱，契合了近些年愈發(fā)高溫的天氣，帶來(lái)致涼需求，也為遮蔽立面上不規(guī)律的設(shè)備擺放提供了條件（圖5）。

5 開口結(jié)合設(shè)備

事實(shí)上，開口對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控存在一定的局限性。當(dāng)高密度城市里出現(xiàn)高溫天氣時(shí)，如室外溫度超過(guò)35℃，空氣相對(duì)濕度在70%以上，開口的被動(dòng)式調(diào)控效果顯著性將大打折扣。鑒于室內(nèi)環(huán)境舒適性需求，高層住宅中應(yīng)考慮設(shè)備的主動(dòng)式調(diào)節(jié)作用。

在香港高層住宅中，窗式空調(diào)器的使用比較普遍。所謂窗式空調(diào)器是一種可以安裝在窗口的小型空調(diào)器，有冷風(fēng)型、電熱型和熱泵型。香港城市住宅一般都采用冷風(fēng)型窗式空調(diào)器，具有降溫、通風(fēng)、除濕等功能。

窗式空調(diào)器的室內(nèi)出風(fēng)口需位于室內(nèi)較高的位置，因此，窗式空調(diào)器需要安裝在開口的上部（圖6）。窗式空調(diào)器的安裝通常需要懸挑板底板和頂板，需要在設(shè)計(jì)階段與立面開口整體設(shè)計(jì)，建筑服務(wù)設(shè)備和結(jié)構(gòu)一體化，形成建筑立面開口形態(tài)。窗式空調(diào)器曾經(jīng)也是香港住宅的特色元素之一，但近些年，由于分體式空調(diào)市場(chǎng)普及進(jìn)入普通家庭而有所減少。這種集成了“內(nèi)外機(jī)”的空調(diào)器，具有節(jié)省空間作用、安裝方便等特點(diǎn)，在類似香港寸土寸金的高密度城市里，普通市民對(duì)其仍然具有較高的認(rèn)可度。

圖3 高層建筑外立面圖：開口復(fù)合遮陽(yáng)形態(tài)

圖4 高層建筑外立面圖：開口的擋雨形態(tài)

圖5 高層建筑外立面圖：后加水平鰭片開口形態(tài)

圖6 高層建筑外立面圖：窗式空調(diào)器與立面開口形態(tài)的結(jié)合

6 結(jié)語(yǔ)

在高密度城市中，高層住宅的開口對(duì)室內(nèi)環(huán)境具有一定的調(diào)控作用。本文以香港地區(qū)為例，在分析地域氣候和高密度城市環(huán)境的基礎(chǔ)上，總結(jié)了立面開口致涼、擋雨、降噪、調(diào)光、防風(fēng)等環(huán)境需求，著重剖析立面開口基于致涼、擋雨、附加構(gòu)件和結(jié)合設(shè)備的形態(tài)，初步構(gòu)建了香港高層住宅的立面開口形態(tài)與環(huán)境調(diào)控需求之間的關(guān)聯(lián)性，有助于響應(yīng)環(huán)境的住宅開口設(shè)計(jì)語(yǔ)言的形成和解讀。

[1]Fanger P O. Thermal comfort. Malabar F L：Robert E Krieger Publishing Company,1982,(20)：33-34.

[2]儲(chǔ)益萍.從噪聲投訴角度分析上海、香港城市環(huán)境噪聲污染特點(diǎn)[A].中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境聲學(xué)分會(huì)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境物理分會(huì).運(yùn)輸噪聲的預(yù)測(cè)與控制——2009全國(guó)環(huán)境聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境聲學(xué)分會(huì)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境物理分會(huì) ：2009：4.