寒冷地區(qū)以自然采光和遮陽(yáng)為目的的高層建筑設(shè)計(jì)
——以濟(jì)南地區(qū)為例

張子奇

（山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口不斷增多，用地緊缺導(dǎo)致高層建筑大量涌現(xiàn)。高層建筑在節(jié)約用地方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，但是同樣面臨著高能耗這一亟需解決的重要問(wèn)題。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，近年來(lái)，建筑能耗在人類社會(huì)總能耗的比例約為40%，而其中制冷、采暖、照明能耗占了其中極大一部分，特別是照明能耗，占建筑總能耗的30%左右。在建筑設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)建筑形體的優(yōu)化和對(duì)導(dǎo)光構(gòu)件的應(yīng)用來(lái)將更多的自然光引入室內(nèi)，既可以減少照明采暖能耗，又可以改善建筑空間內(nèi)部舒適性，同時(shí)，利用遮陽(yáng)系統(tǒng)將夏季熱輻射隔絕在建筑外，可以大大降低制冷能耗，符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的建筑設(shè)計(jì)理念。

1 基于氣候的高層建筑設(shè)計(jì)策略

濟(jì)南屬于溫帶季風(fēng)氣候，平均氣溫14.7℃，冬季干冷，降水少，最冷月1月，月平均氣溫為0.4℃，最低氣溫為－14℃，夏季濕熱，最熱月為7月，月平均氣溫為27.5℃。冬季溫度較低，采暖能耗較高，應(yīng)盡量減少建筑體形系數(shù)，減少熱量散發(fā)，同時(shí)，應(yīng)盡量引入太陽(yáng)光，降低采暖能耗。夏季溫度高，制冷壓力大，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)手段，避免太陽(yáng)輻射直接進(jìn)入室內(nèi)，增加室內(nèi)溫度。超高層建筑由于結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)因素，一般具有體量大、進(jìn)深大的特點(diǎn)，同時(shí)，外立面多采用玻璃幕墻，建筑各個(gè)立面受光不均勻。一方面，過(guò)大的進(jìn)深使建筑對(duì)人工照明需求較高；另一方面，由于外立面多采用玻璃幕墻，整個(gè)建筑的保溫隔熱性能較差，窗邊區(qū)域又容易發(fā)生眩光現(xiàn)象等問(wèn)題，缺乏遮陽(yáng)措施，導(dǎo)致夏季過(guò)量太陽(yáng)輻射直接進(jìn)入室內(nèi)，增加了制冷能耗又降低了舒適度。

2 以自然采光和遮陽(yáng)為目的的立面設(shè)計(jì)

2.1 外立面窗口設(shè)計(jì)策略

窗口作為建筑不可或缺的一部分，一方面是建筑與外界溝通的橋梁，聲光熱風(fēng)的交流渠道；另一方面，也是維護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，熱橋的集中區(qū)域。過(guò)大面積的玻璃幕墻對(duì)于建筑的保溫性能是不利的，所以，要根據(jù)風(fēng)向和朝向等因素來(lái)確定窗洞口的設(shè)計(jì)，在盡量降低窗墻比的同時(shí)，保證室內(nèi)采光效果。不同形狀的窗口對(duì)于采光有著不同的效果，帶型窗可以帶來(lái)最為均勻的采光，而高窗可以增加照明的進(jìn)深。

2.2 南立面遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

在南立面，為了防止靠窗部分的陽(yáng)光直射入室內(nèi)產(chǎn)生眩光，并將陽(yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)深較大的區(qū)域，采用了水平遮陽(yáng)導(dǎo)光板和綠化遮陽(yáng)相結(jié)合的遮陽(yáng)系統(tǒng)。濟(jì)南地區(qū)的緯度為37°，夏至日正午太陽(yáng)高度角為76.5°，冬至日正午太陽(yáng)高度角為30°，結(jié)合建筑層高3.9 m，確定導(dǎo)光板的出挑長(zhǎng)度為0.8 m，將導(dǎo)光板設(shè)置成一定角度的斜面，可以將光線更加深入地導(dǎo)入室內(nèi)，配合高反射系數(shù)的天花板可以增加自然采光的效果。窗檻墻的窗臺(tái)部分局部出挑，設(shè)計(jì)一個(gè)U形凹槽，凹槽內(nèi)部種植落葉綠植，在夏季利用植物本身進(jìn)行遮陽(yáng)并凈化空氣，冬季植物凋零，不影響室內(nèi)采光日照。

2.3 東西立面遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

東西立面的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)與南立面有所不同，因?yàn)樘?yáng)輻射角度不停變化，水平遮陽(yáng)板不能滿足遮陽(yáng)的要求，所以，東西立面在延續(xù)南立面導(dǎo)光板和綠化遮陽(yáng)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置了有一定角度的垂直遮陽(yáng)板。在對(duì)橫向?qū)Ч獍宓某鎏糸L(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)后，橫向?qū)Ч獍蹇梢宰钃?0：00—14：00的太陽(yáng)日曬，并將一部分光線反射到室內(nèi)深處，而斜向的導(dǎo)光板則可以有效地遮擋夏季陽(yáng)光直射而不影響冬季自然光進(jìn)入室內(nèi)。

2.4 北立面遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

北立面由于沒(méi)有太陽(yáng)直射，所以沒(méi)有遮陽(yáng)的需求，可不設(shè)置遮陽(yáng)板，但是北側(cè)是濟(jì)南冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，減少窗墻比有利于節(jié)能保暖。經(jīng)過(guò)模擬，在相同窗墻比的前提下，豎長(zhǎng)窗可以使自然采光進(jìn)深更大，而在窗間墻寬度不大且寬度相同的情況下，室內(nèi)采光的均勻性同樣可以得到保證。經(jīng)Ecotect軟件模擬，當(dāng)窗間墻寬度小于750 mm時(shí)，對(duì)于北向房間室內(nèi)自然采光影響較小，所以，在北立面增加多組窗間墻以提升建筑的熱工性能，降低能耗。

3 基于Ecotect的立面遮陽(yáng)效果模擬分析

3.1 建模與參數(shù)設(shè)置

以方案標(biāo)準(zhǔn)層建立模型，平面尺度40 m×30 m，層高3.9 m，窗臺(tái)高0.9 m，窗高2.5m。主要參數(shù)為：工作平面高度0.6 m，分析網(wǎng)格60×48。

3.2 基礎(chǔ)模型模擬與分析

首先，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)層在未實(shí)施遮陽(yáng)時(shí)進(jìn)行模擬，以冬至日和夏至日為模擬時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為減少干擾，將南立面和東西立面分別進(jìn)行太陽(yáng)輻射模擬。從模擬結(jié)果可以明顯地看出夏季建筑內(nèi)部得熱總量較大，而且受照射區(qū)域較為集中，眩光現(xiàn)象更為嚴(yán)重；冬季建筑內(nèi)部得熱總量相對(duì)較小，輻射區(qū)域面積較大，以南立面為例，夏至日照射區(qū)域進(jìn)深約為3 m，冬至日進(jìn)深約為7 m，結(jié)合建筑層高，與之前正午太陽(yáng)高度角的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3.3 南立面水平遮陽(yáng)板效果模擬

為模擬水平遮陽(yáng)板效果，首先在標(biāo)準(zhǔn)層南向設(shè)計(jì)傾斜遮陽(yáng)板，建立Ecotect日光模擬。由模擬得出的夏至日和冬至日太陽(yáng)輻射模擬圖中可知，夏至日建筑內(nèi)部得熱得到了很明顯的改善，照射區(qū)域的受光強(qiáng)度下降了70%左右，受光面積也減少了約30%。而冬至日建筑內(nèi)部受影響相對(duì)較少，有30%的區(qū)域被遮擋，但是其他部分的受光強(qiáng)度并未有所降低，依據(jù)之前的設(shè)計(jì)思路，被遮擋部分的光照經(jīng)反光板上表面反射進(jìn)入室內(nèi)，并未影響建筑冬季得熱。

3.4 東西立面垂直遮陽(yáng)板效果模擬

對(duì)該方案東西立面進(jìn)行垂直遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)，同樣以夏至日和冬至日作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，對(duì)比結(jié)果顯示，在夏至日，垂直遮陽(yáng)效果顯著，同樣降低了70%以上的受光強(qiáng)度和30%的受光面積，而冬至日的模擬結(jié)果與南立面不同，垂直遮陽(yáng)并未影響受光面積，但是降低了受光強(qiáng)度，整個(gè)受光區(qū)域的受光強(qiáng)度均有所降低，大約降低了25%.

4 結(jié)論

本文從發(fā)現(xiàn)實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，對(duì)建筑的不同立面提出不同的處理方案，并利用Ecotect軟件模擬了濟(jì)南地區(qū)高層建筑不同立面在不同遮陽(yáng)手法下的室內(nèi)熱輻射情況，并得出以下結(jié)論：①通過(guò)對(duì)南立面的分析可知，水平遮陽(yáng)可以有效地避免夏季過(guò)量太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，不會(huì)影響冬季的太陽(yáng)輻射，同時(shí)，導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)可以有效避免窗邊眩光的問(wèn)題，并增加采光進(jìn)深。②通過(guò)對(duì)東西立面的分析可知，單純的水平遮陽(yáng)無(wú)法滿足東西立面的遮陽(yáng)要求，配合一定傾斜角度的垂直遮陽(yáng)形成的綜合遮陽(yáng)體系可以完美起到夏季遮陽(yáng)和導(dǎo)光的作用。③經(jīng)Ecotect軟件模擬可知，在夏季，合理的水平遮陽(yáng)和垂直遮陽(yáng)可以降低80%的室內(nèi)熱輻射，大大降低室內(nèi)制冷設(shè)備能耗，而在冬季，南立面的水平遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)熱輻射的阻擋僅有不到30%，并且受遮擋的熱輻射還得到了二次利用，而東西立面的垂直遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)熱輻射的影響僅有25%，同時(shí)降低了眩光對(duì)室內(nèi)造成的負(fù)面影響。