從—理論到實踐新加坡綠色建筑自然通風(fēng)策略的實施

劉少瑜 宋易凡 / LIU Shaoyu, SONG Yifan

1 自然通風(fēng)：綠色、健康的有效策略

面對有限的生存空間和資源，以及對空間日益增長的需求，高密度、高效率的空間利用是人類生存和發(fā)展的必然及有效途徑。在高密度城市，大量的垂直空間、緊湊的城市功能和高效的公共交通系統(tǒng)使人們的生活更加便捷，卻也導(dǎo)致人群的過分聚集。在亞洲，以新加坡、香港、澳門為代表的國家和地區(qū)的人口日益密集。新加坡統(tǒng)計局（Statistics Singapore，2017）公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年新加坡的人口密度為7796/km2，排名世界第三。

城市的高密度發(fā)展、人口密度的增加已經(jīng)引發(fā)一系列城市問題。一方面，城市生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，加重了空氣污染，導(dǎo)致霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，城市和建筑的通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量極差，進而引發(fā)疾病的傳播。另一方面，高度集中的建筑物和人類活動消耗大量能源，形成城市熱島效應(yīng)，進而降低了暖通空調(diào)系統(tǒng)在夏季的能量轉(zhuǎn)換效率（Skelhorn et al.，2016）。因此，對于新加坡等熱帶氣候區(qū)的國家和地區(qū)而言，熱島效應(yīng)會大幅增加全年建筑能耗。大量能耗形成熱島效應(yīng)，熱島效應(yīng)反過來又增加能耗，如此形成惡性循環(huán)。此外，大體量和高密度建筑導(dǎo)致人與自然缺乏聯(lián)系，室內(nèi)封閉式空調(diào)環(huán)境會削弱人體熱適應(yīng)能力（Brager et al.，1998）。長期在這種環(huán)境下生活，不僅會引發(fā)居住者的病態(tài)建筑綜合癥（Sick Building Syndrome，SBS），還會使下一代人對自然缺乏興趣，這些都與時下倡導(dǎo)的健康建筑的思想背道而馳。

為此，不少研究人員正努力通過被動式建筑設(shè)計策略來解決上述問題。被動設(shè)計策略的運用可減少世界上2.35%的能源消耗（Ahmad Zaki et al.，2012），自然通風(fēng)策略可減少居住建筑23.6%的年度總能耗（Taleb，2014）。另一方面，生活質(zhì)量的提高使人們更加關(guān)注健康，人們逐漸意識到久居封閉式室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的弊處，從而向往在接近自然的半開放和開放空間活動。在此類自然通風(fēng)空間中，人們不再是人工環(huán)境的被動接收者，而是自然環(huán)境的主動調(diào)節(jié)者。因此，被動式建筑設(shè)計策略，特別是自然通風(fēng)策略，不但是保護自然環(huán)境的關(guān)鍵方法，還是提高居住者健康的有效手段。

自然通風(fēng)是壓力作用下的結(jié)果，主要包括熱壓和風(fēng)壓。熱壓，即煙囪效應(yīng)，主要取決于溫差和建筑高度，常用的建筑設(shè)計策略是在出風(fēng)口通過吸收太陽輻射提高溫度，或者增加建筑高度。煙囪效應(yīng)可以產(chǎn)生相對穩(wěn)定的氣流，在干熱地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)非常具有潛力。研究發(fā)現(xiàn)，許多建筑設(shè)計因素都與風(fēng)壓效果息息相關(guān)，包括城市風(fēng)流、方向、建筑覆蓋率、場地風(fēng)環(huán)境、建筑布局、建筑間距、建筑高度、防風(fēng)林，以及建筑的形狀、朝向、圍護結(jié)構(gòu)開口或開窗形式、開口位置和形狀、開間進深等（Ayo et al.，2014；Ahmad Zaki et al.，2012；Yuan et al.，2016；Thomas et al.，2007；Passard et al.，1990；Grabe et al.，2014；Shetabivash et al.，2015；Gan，2000）。夏季是采用風(fēng)壓通風(fēng)的最佳季節(jié)，但需注意滲入風(fēng)的冷卻處理；冬季應(yīng)避免過度通風(fēng)，以減少熱量損失。新加坡屬于典型的熱帶氣候區(qū)，適用與風(fēng)壓原理相關(guān)的技術(shù)策略，新加坡綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)很好地詮釋了這一點。

表1 Green Mark一級分類、分值和權(quán)重

表2 Green Mark中通風(fēng)相關(guān)指標(biāo)所屬二級分類、分值和權(quán)重

2 新加坡自然通風(fēng)的綠色標(biāo)準(zhǔn)

目前，世界上許多國家和地區(qū)都制定了各自的綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。大部分標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)分類都類似，包括場地、能源、水、資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、提高與創(chuàng)新，但不同地方因氣候、文化、政策等不同，各指標(biāo)的權(quán)重及具體的評估細則往往存在較大差異。

在溫帶氣候區(qū)國家，綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)并不是新事物，2005年之前，幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)，譬如英國建筑研究院環(huán)境評估方法（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM）、美國能源與環(huán)境設(shè)計先鋒獎（Leadership in Energy and Environmental Design，LEED）、日本建筑環(huán)境效率綜合評價系統(tǒng)（Comprehensive Assessment System，CASBEE）等，都集中在溫帶氣候區(qū)。新加坡“綠色標(biāo)志”（Green Mark）于2005年推出，是為熱帶地區(qū)制定的第一個綠色建筑評估標(biāo)準(zhǔn)，由高到低分為鉑金獎、超金獎、黃金獎和認(rèn)證獎4個等級，其中，認(rèn)證獎在2015年最新版中被取消，認(rèn)證建筑有效期為3年。

新加坡Green Mark有多個版本，包括2008年1月31日至2010年12月1日的第3版，之后推出的第4版，以及2016年8月31日實施的2015版（GM NRB 3.0，2008；GM NRB 4.0，2010；GM NRB，2016）。鑒于2015版具有與之前版本不同的評估分類，筆者將選取可比內(nèi)容進行比較，如若有無法比較的重要相關(guān)內(nèi)容，則另行對2015版單獨進行內(nèi)容分析。

從表1中不難看出，同大部分綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)一樣，舊版Green Mark遵循能源、水、資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、提高與創(chuàng)新的分類法，但缺少場地的評估分類，更強調(diào)“能源效率”，所占比例超過60%。在“能源效率”分類中，Green Mark有別于其他綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，將評估分為兩條支線，分別是“空調(diào)區(qū)域”和“非空調(diào)區(qū)域”，兩者不是平行關(guān)系，而是重疊關(guān)系。譬如，如果某一建筑獲得第4版“空調(diào)區(qū)域”的42分和“非空調(diào)區(qū)域”的55分，最后總得分為55分，而不是兩者之和97分。這就意味著，在設(shè)計階段，項目利益相關(guān)者需要在這兩條支線中做出選擇，他們通常會選擇“空調(diào)區(qū)域”作為得分目標(biāo)，而非“非空調(diào)區(qū)域”，因為前者更易得分。兩者在第3版中具有相同權(quán)重（26.25%），但在第4版中有所變化，“空調(diào)區(qū)域”下降到22.11%，“非空調(diào)區(qū)域”上升到28.95%，表明新加坡政府對自然通風(fēng)環(huán)境持鼓勵態(tài)度。但事實上，許多項目的利益相關(guān)者仍然不會選擇“非空調(diào)區(qū)域”作為得分目標(biāo)，“空調(diào)區(qū)域”和“非空調(diào)區(qū)域”的地位并不平等，Green Mark任重道遠。

2015年，Green Mark發(fā)生重大變化?！澳茉葱省北环譃椤皻夂蝽憫?yīng)設(shè)計”和“建筑能源性能”。“氣候響應(yīng)設(shè)計”提取原“能源效率”中“非空調(diào)區(qū)域”的被動式建筑設(shè)計評估指標(biāo)，并增加場地相關(guān)指標(biāo)，包括對微氣候、風(fēng)環(huán)境的分析等。至此，原有的重疊關(guān)系轉(zhuǎn)換為平行關(guān)系。另外，“用水效率”和“環(huán)境保護”合并為“資源管理”。隨著前三者總權(quán)重下降27.83%，后兩者的權(quán)重大幅上漲?！爸悄芙】到ㄖ痹谠笆覂?nèi)環(huán)境質(zhì)量”的基礎(chǔ)上增添了人類福祉、智能控制等相關(guān)指標(biāo)。Green Mark 2015版的分類調(diào)整和更新顯示出新加坡政府對被動式建筑設(shè)計的鼓勵和對人與建筑健康互動的重視。

在Green Mark評價體系中，關(guān)于通風(fēng)的指標(biāo)分布在“自然通風(fēng)”“建筑圍護結(jié)構(gòu)”“公共區(qū)域通風(fēng)”“停車場通風(fēng)”和“室內(nèi)空氣質(zhì)量”。從上文對一級分類的分析可獲悉，“非空調(diào)區(qū)域”從第3版到第4版上漲13分，具體體現(xiàn)在“自然通風(fēng)”上漲7分，“建筑圍護結(jié)構(gòu)”上漲6分（表2），沒有產(chǎn)生新指標(biāo)，只是增加原有指標(biāo)的分值。“自然通風(fēng)”所有指標(biāo)的分值大幅上漲，包括“建筑布局”建筑設(shè)計指標(biāo)和“通風(fēng)模擬”技術(shù)性指標(biāo)，“建筑圍護結(jié)構(gòu)”則是提高“建筑西立面所占面積比”和“建筑西立面外墻熱透射率U值”這兩個指標(biāo)的分值。“公共區(qū)域通風(fēng)”和“停車場通風(fēng)”都對自然通風(fēng)和機械通風(fēng)提出要求，公共區(qū)域自然通風(fēng)的得分率是機械通風(fēng)的3倍，自然通風(fēng)的停車場則可直接獲得滿分。

直到Green Mark 2015版，“自然通風(fēng)”改名為“通風(fēng)性能”，新增“熱舒適模擬”“空氣質(zhì)量模擬”兩種模擬方法和“空間進深與層高之比”指標(biāo)，把單側(cè)及雙側(cè)通風(fēng)策略、空間尺度設(shè)計、人的健康和熱舒適納入評估范疇，這也是新加坡政府首次針對自然通風(fēng)區(qū)域提出有關(guān)熱舒適的評估要求（表3）。隨著Green Mark對健康舒適愈發(fā)重視，空調(diào)區(qū)域的熱舒適評估也從指標(biāo)變?yōu)橄葲Q條件（Pre-requisite），相當(dāng)于中國綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中的評分項變?yōu)榭刂祈棥?/p>

“熱帶墻體性能”最顯著的變化是舊版只關(guān)注西立面和屋頂，而新版評估所有立面和屋頂。此二級分類的一句隱性提示“分布于建筑西立面的非空調(diào)次要空間，如樓梯間、電梯間、洗手間等，所屬面積不納入西立面面積計算”在新版本中被作為新的指標(biāo)與“公共區(qū)域通風(fēng)”一同組成“室內(nèi)空間布局”，強調(diào)采用被動式建筑設(shè)計。另外，新版中公共區(qū)域自然通風(fēng)與機械通風(fēng)的得分率從3倍增加到4倍。停車場取消對自然通風(fēng)的評估，更名為“停車場系統(tǒng)效率”，對機械通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)能源效率的評估更加全面和詳細?！笆覂?nèi)空氣質(zhì)量”引入對“室外空氣”的評估要求，自然通風(fēng)空間可在該項獲得滿分。

總之，Green Mark緊跟全球綠色建筑運動、健康建筑運動的步伐，在分類上越來越全面和均衡。自然通風(fēng)區(qū)域（即非空調(diào)區(qū)域）一直是新加坡建設(shè)局重點研究和調(diào)整的對象，新版中“氣候響應(yīng)設(shè)計”這一一級分類顯示出政府對熱帶被動式建筑設(shè)計十分推崇。自然通風(fēng)區(qū)域也隨之獲得與空調(diào)區(qū)域平等的地位，除了建筑布局、建筑通風(fēng)模擬之外，新加入場地風(fēng)環(huán)境分析、單側(cè)及雙側(cè)通風(fēng)策略、空間尺度設(shè)計、自然通風(fēng)環(huán)境中人的健康和熱舒適等評估要求，涵蓋大部分與風(fēng)壓原理有關(guān)的自然通風(fēng)設(shè)計策略。可見，Green Mark是尊重環(huán)境、氣候，鼓勵被動設(shè)計策略，強調(diào)地方特色，追求健康福祉的綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。

3 熱帶地區(qū)自然通風(fēng)策略的應(yīng)用

新加坡綠色建筑評估推崇氣候響應(yīng)設(shè)計，鼓勵自然通風(fēng)策略。建筑師的工作便是協(xié)調(diào)建筑與周邊環(huán)境的響應(yīng)，并用盡可能多的被動設(shè)計手段來達到既節(jié)能又舒適的綠色效果。本章將選擇典型的綠色建筑案例，分析其自然通風(fēng)設(shè)計手段，并回顧相關(guān)文獻，探討熱帶地區(qū)流行和有效的自然通風(fēng)策略。

新加坡等熱帶地區(qū)的傳統(tǒng)建筑可追溯到馬來西亞、印度尼西亞和越南的傳統(tǒng)房屋。常用自然通風(fēng)策略有大遮陽坡屋頂、人體活動高度的開口設(shè)計、室內(nèi)開放空間、底層架空（Ngoh，2015）。氣候、環(huán)境、建筑和人之間的協(xié)調(diào)關(guān)系是亙古不變的話題，現(xiàn)如今，這些傳統(tǒng)策略仍得到廣泛應(yīng)用，由于房屋逐漸向大體量高層建筑發(fā)展，其應(yīng)用形式略有不同。

圖1 新加坡國家圖書館

表3 Green Mark熱舒適相關(guān)指標(biāo)分值

作為生態(tài)設(shè)計美學(xué)觀念的倡導(dǎo)者，熱帶地區(qū)著名綠色建筑大師楊經(jīng)文（Ken Yeang）先生一直專注于熱帶城市建筑的可持續(xù)性研究。從1975年至今，他已在熱帶地區(qū)建造了各種類型的氣候響應(yīng)和生態(tài)建筑，諸如雙頂屋（Roof-Roof House）、梅納拉大廈（Menara Tower）、新加坡國家圖書館（National Library of Singapore），分別是自然通風(fēng)房屋、自然通風(fēng)高層建筑、綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計的代表作品。雙頂屋與熱帶傳統(tǒng)建筑非常相似：建筑朝向由當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向決定，巨大的弧形屋頂投下陰影，并與特殊格柵后門、“風(fēng)翼墻”一起引導(dǎo)風(fēng)流；庭院中的噴泉作為蒸發(fā)冷卻裝置，用于提前冷卻進入房屋的東南風(fēng)；屋頂中央的百葉窗吸納熱空氣，形成微型煙囪效應(yīng)。1994年竣工的梅納拉大廈是自然通風(fēng)建筑的教學(xué)范式：電梯和樓梯間實現(xiàn)了自然通風(fēng)，并且被布置在建筑東部邊緣以阻擋太陽輻射熱；自然通風(fēng)的螺旋形天空走廊和大型中庭促進空氣循環(huán)并經(jīng)由滲透墻體實現(xiàn)雙側(cè)通風(fēng)，其空中花園繁盛的綠色植物為循環(huán)空氣提供富氧環(huán)境。作為首批獲得Green Mark最高白金獎?wù)J證的建筑之一，新加坡國家圖書館采用最佳的建筑朝向和形態(tài)來緩沖太陽輻射熱（圖1），實現(xiàn)自然通風(fēng)和自然采光。該建筑由兩座通過橋梁相連的樓組成，兩樓中間形成一個巨大的半開放空間，東西兩側(cè)開口偏大，中間狹窄，形如漏斗，以便引入自然風(fēng)，使雙側(cè)通風(fēng)最大化（圖2），該空間開口處的遮陽葉片和第五立面的百葉頂棚既遮陽防雨又引導(dǎo)風(fēng)流。

以上建筑尺度的自然通風(fēng)策略也可運用于小尺度設(shè)計，譬如前文提到的水景綠植預(yù)冷卻和遮陽防雨策略也可以在進風(fēng)口設(shè)計中實現(xiàn)。北立面的進風(fēng)口被設(shè)計在綠植后面，讓自然微風(fēng)通過這些綠植變得更涼爽清新后進入室內(nèi)，而南立面的進風(fēng)口則朝下打開，既遮陽擋雨防噪音，又可以使自然風(fēng)流入（圖3）。

自2005年第1版Green Mark頒布后，新加坡開始了由具體標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)綠色建筑運動的潮流。繼新加坡國家圖書館之后，獲得Green Mark認(rèn)證的綠色建筑不斷涌現(xiàn)，其中便有新加坡第一座公共空間依賴自然通風(fēng)的商業(yè)建筑、自然通風(fēng)綠色建筑的典范——星悅匯（The Star Vista，圖4）。該建筑的整個設(shè)計過程從始至終緊緊圍繞自然通風(fēng)展開，采用了3個策略：建筑朝向和形式遵循減少東西向暴露的宗旨以減少得熱；南北向內(nèi)街聯(lián)通公共空間以加速室內(nèi)自然風(fēng)流；劇院起到“天棚”的作用，為其下的公共空間提供庇護（圖5）。對上述策略所涉及空間進行熱環(huán)境測試（圖6）：A點為南北向內(nèi)街，風(fēng)速普遍偏高，最高可達1.3m/s，可以吹散行人的酷熱；B點為“天棚”下半開放空間，風(fēng)速維持在0～0.3m/s，適合人在此靜坐和休憩；C點是東南向開口處，此點沒有遮蔽，風(fēng)速幾乎為0。雖然3個空間都是自然通風(fēng)環(huán)境，但不同的自然通風(fēng)策略導(dǎo)致不同的風(fēng)速，進而導(dǎo)致人們可進行的活動類型也不同。星悅匯超越了傳統(tǒng)的零售模式，開放和自然的空間體驗引領(lǐng)新的城市生活方式。

圖2 新加坡國家圖書館一層、四層與五層平面

圖3 北立面（左）與南立面（右）進風(fēng)口設(shè)計概念示意

圖4 星悅匯

圖5 星悅匯一層平面與剖面

圖6 星悅匯熱環(huán)境測試

以氣候響應(yīng)設(shè)計為宗旨的熱帶地區(qū)自然通風(fēng)策略，展現(xiàn)出一種特有的模式——“遮”與“導(dǎo)”。建筑形態(tài)、屋頂設(shè)計、底層架空、東西立面次要空間布局等是建筑自遮陽策略，再加上遮陽葉片、百葉等遮陽構(gòu)件和水景、綠植等降溫設(shè)施，可共同被視為“遮”。順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的建筑朝向、進風(fēng)口設(shè)計、南北向風(fēng)廊和半開放公共空間則可被視為“導(dǎo)”?！罢凇迸c“導(dǎo)”密不可分，缺一不可，每個策略之間是相輔相成的關(guān)系。

4 結(jié)語

城市高密度快速發(fā)展的今天，生態(tài)破壞、全球變暖、能源消耗等問題日益嚴(yán)重，逐漸喚起了建筑師重拾被動設(shè)計的責(zé)任。自然通風(fēng)作為被動冷卻策略，是關(guān)鍵的被動氣候控制手段，被當(dāng)代設(shè)計師廣泛接受和采用，以回應(yīng)綠色、健康的建筑思流。不同氣候區(qū)意味著不同的自然通風(fēng)設(shè)計策略，而熱帶高密度城市新加坡適用風(fēng)壓技術(shù)策略，這從當(dāng)?shù)鼐G色建筑標(biāo)準(zhǔn)Green Mark中可以看出。

在Green Mark的十年發(fā)展之路上，新加坡建設(shè)局重點關(guān)注自然通風(fēng)評估的革新，并于最新版中增設(shè)新的“氣候響應(yīng)設(shè)計”一級分類，提出用于評估基于自然通風(fēng)的被動設(shè)計的新方案，向世人展現(xiàn)了新加坡對“環(huán)境（氣候）-建筑（建筑與空間設(shè)計）-人（舒適與健康）”三維關(guān)系的綠色解讀（圖7）。在綠色建筑策略的實際應(yīng)用中，熱帶自然通風(fēng)策略是“遮”與“導(dǎo)”的耦合模式，包括：建筑形態(tài)、屋頂設(shè)計、底層架空、東西立面次要空間布局等建筑自遮陽策略；遮陽葉片、百葉等立面遮陽策略，水景、綠植等降溫策略；順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的建筑朝向、南北向風(fēng)廊、半開放公共空間、進風(fēng)口設(shè)計等由大到小的導(dǎo)風(fēng)策略。

圖7 “環(huán)境-建筑-人”三維關(guān)系

從標(biāo)準(zhǔn)到案例，可以發(fā)現(xiàn)，案例中的自然通風(fēng)策略種類遠遠多于標(biāo)準(zhǔn)中的自然通風(fēng)策略指標(biāo)，從自然通風(fēng)理論到自然通風(fēng)實踐具有明顯差異，作為理論指導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)存在滯后性，而實踐往往蘊含無限可能性，可以激發(fā)建筑師的創(chuàng)造力，從而使他們突破理論限制，追求創(chuàng)新與進步。這是發(fā)展的規(guī)律，無論是發(fā)達國家，還是發(fā)展中國家，都存在此類現(xiàn)象，之所以稱之為現(xiàn)象而非問題，是因為它是中性的。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有創(chuàng)新項就是為了給建筑師提供在實際操作中有更多的創(chuàng)新空間，如果標(biāo)準(zhǔn)的評估要求、權(quán)重等設(shè)計不合理，將導(dǎo)致創(chuàng)新項形同虛設(shè)，綠色建筑利益相關(guān)者會只關(guān)注容易達到的得分項，打擊建筑師的創(chuàng)新積極性，此時，現(xiàn)象就會演變?yōu)閱栴}，阻礙綠色建筑發(fā)展。新加坡Green Mark 2015版中，雖然自然通風(fēng)相關(guān)指標(biāo)的地位上升，但只涵蓋實際應(yīng)用的部分，并沒有具體的創(chuàng)新指標(biāo)來評估建筑師的創(chuàng)新設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)，作為建筑師的理論指導(dǎo)，必須小心地將自然通風(fēng)等被動設(shè)計策略簡化為指標(biāo)，并盡力通過其自身的評估要求和體系來激勵實際設(shè)計過程的創(chuàng)新，這是正面推力而非逆向阻力，是標(biāo)準(zhǔn)頒布的初衷，也是推進綠色建筑運動和可持續(xù)發(fā)展的必然要求。