環(huán)境響應(yīng)與氣候適應(yīng)性理念驅(qū)動的寒冷地區(qū)高校圖書館綠色設(shè)計策略分析＊
——以中央財經(jīng)大學(xué)沙河校區(qū)圖書館為例

徐斌 李東哲

1 中國建筑設(shè)計研究院有限公司

2 北京建筑大學(xué)

高校作為培養(yǎng)人才和知識傳播的搖籃，一直引領(lǐng)著文化和科技的發(fā)展，校園的規(guī)劃建設(shè)也引領(lǐng)著建筑學(xué)前沿理論的發(fā)展和實踐。隨著時代的發(fā)展，高校的規(guī)劃建設(shè)在綠色人文、健康舒適與可持續(xù)發(fā)展等方面的需求不斷提升，高校建筑的發(fā)展也應(yīng)該與時代的背景和建筑理論的發(fā)展相適應(yīng)，不斷滿足社會發(fā)展的需求。圖書館作為校園的文化中心和標志性建筑，具備了推動高校建筑向綠色和可持續(xù)方向發(fā)展的示范作用，需要在充分尊重地域文化、氣候特點、自然環(huán)境和校園整體文化的基礎(chǔ)上，以人為本、傳承地域文化，推動綠色生態(tài)技術(shù)的合理利用，實現(xiàn)校園的綠色發(fā)展。

1 氣候適應(yīng)性設(shè)計理念

伴隨著環(huán)境問題的爆發(fā)，人類與環(huán)境的協(xié)調(diào)與適應(yīng)性問題引起各界的關(guān)注?！斑m應(yīng)性”一詞最早起源于生物學(xué)領(lǐng)域的進化論，是指生物體在自然選擇的過程中表現(xiàn)出的不斷與外部環(huán)境適合的過程。環(huán)境作為人類所生存的條件，包括自然環(huán)境和人工環(huán)境。其中，風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境、降水、空氣等作為自然環(huán)境中最為顯著的氣候要素，對城市格局、建筑布局及建成環(huán)境的影響很大。適應(yīng)氣候的設(shè)計對引導(dǎo)城市布局更加合理，人工環(huán)境更加舒適健康，促進城市走向綠色生態(tài)發(fā)展的道路，具有重要意義。

鑒于此，在規(guī)劃與建筑設(shè)計中應(yīng)充分考慮地域氣候與環(huán)境特點，合理把握溫度、濕度、風(fēng)、太陽輻射、降水等方面的氣候要素，構(gòu)建“環(huán)境—建筑—人”三者的融貫機制，并轉(zhuǎn)譯為建筑語言體現(xiàn)在具體的建筑設(shè)計中，建立建筑創(chuàng)作與環(huán)境條件的良好適應(yīng)性關(guān)系。這對于城市建設(shè)的綠色生態(tài)化發(fā)展及地域文化的傳承具有重要意義，應(yīng)該被更多的建筑師所掌握和應(yīng)用。

2 氣候特點分析與適應(yīng)性設(shè)計策略篩選

建筑師在方案設(shè)計之初應(yīng)深入了解建筑所在地的氣候環(huán)境狀況和氣候分析工具，通過收集特定地區(qū)的氣候信息，對大量氣候數(shù)據(jù)進行定量分析，供設(shè)計人員篩選相應(yīng)的設(shè)計策略；進而將氣象要素、人體舒適性及適應(yīng)氣候的設(shè)計策略進行有機展現(xiàn)；通過分析與實驗，幫助建筑師直觀地理解和分析項目所在地的氣候特征，并對設(shè)計策略進行合理選擇與優(yōu)化集成。

2.1 北京地區(qū)氣候條件分析

北京地區(qū)四季分明，氣溫年較差較大，日照量豐富。夏季炎熱多雨，炎熱時間有兩個月，偶有冰雹、雷暴；冬季寒冷干燥且時間較長。春季干旱，雨雪稀少，秋季天高氣爽，春、秋兩季短促。

（1）氣溫方面：熱舒適性各月相差較大。4～6月溫度逐漸上升，較接近熱舒適區(qū)域；7～9月平均溫度處于熱舒適范圍之內(nèi)，但是最高溫度較高；11月～次年3月溫度較低，熱舒適性較差（圖1）。

（2）日照輻射方面：8～9月太陽直射輻射最小，漫射輻射值最大；12月～次年2月太陽直射輻射最大，漫射輻射最小；從總輻射量來看，5、6月的日照輻射總量值最大（圖2）。

（3）風(fēng)力風(fēng)向方面：冬夏兩季的主導(dǎo)風(fēng)向正好相反。冬季最多風(fēng)向為北風(fēng)和西北風(fēng)，發(fā)生頻率為14%，室外平均風(fēng)速為2.7m/s；夏季最多風(fēng)向為東南風(fēng)，發(fā)生頻率為12%，室外平均風(fēng)速為2.2m/s。

（4）濕度方面：1～3月的月平均含濕量最?。?～8月的月平均含濕量最大。夏季通風(fēng)室外計算相對濕度為58%，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算相對濕度為37%（圖3）。

1 北京地區(qū)各月平均干球溫度圖

2 北京地區(qū)各月月總輻射圖

3 北京地區(qū)各月月平均相對濕度圖

2.2 氣候適應(yīng)性設(shè)計策略的篩選

采用Climate Consultant軟件讀取北京的氣象數(shù)據(jù)[2]，選取公共建筑類型生成焓濕圖（圖4），發(fā)現(xiàn)在全年8 760h中，公共建筑僅有10%的時間不經(jīng)過任何技術(shù)措施的改善可處于舒適區(qū)域，其中46.8%時間可以通過“采暖、必要時加濕”和20.8%時間通過“被動式得熱”改善建筑的舒適性。經(jīng)篩選歸類后的設(shè)計策略按照有效時長的排序依次如表1所示。可以看出該地區(qū)改善熱舒適度應(yīng)以“采暖兼顧制冷”為主的主動式技術(shù)策略，同時以“被動式得熱兼顧通風(fēng)降溫”為主的被動式設(shè)計策略，并可通過動態(tài)復(fù)合式的建筑表皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改善與促進作用。

4 氣候適應(yīng)性技術(shù)措施分析圖

3 項目氣候適應(yīng)性設(shè)計理念驅(qū)動的綠色設(shè)計策略分析

3.1 和諧環(huán)境與適應(yīng)氣候的規(guī)劃布局

針對北京地區(qū)氣候條件，建筑布局和朝向的選擇應(yīng)在節(jié)約用地的前提下，結(jié)合場地基礎(chǔ)條件因地制宜地確定合理的朝向范圍和布局模式，使冬季獲得較多的日照并阻隔冷風(fēng)滲透，夏季避免日曬并利于場地自然通風(fēng)。本項目以氣候適應(yīng)性設(shè)計為目標，建筑的適宜朝向為南向或接近南向，不宜朝向為西向和西北向。同時，結(jié)合冬夏兩季的主導(dǎo)風(fēng)向的特點，為了阻擋冬季的主導(dǎo)風(fēng)且在夏季主導(dǎo)風(fēng)向方向留出通風(fēng)廊道，建筑布局采用了組團式布局。根據(jù)校園內(nèi)建筑的整體布局特點，對西北角方向的建筑體量進行了適當?shù)呐まD(zhuǎn)，形成較為封閉的布局形式；在東南方向上則更為開敞，布置了主要的室外活動場地，實現(xiàn)了場地風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計。圖書館、主教學(xué)樓、食堂、大學(xué)生活動中心位于校園中央大道兩側(cè)，在功能上聯(lián)系了各教學(xué)區(qū)與生活區(qū)，流線合理高效。圖書館建筑面積12 653m2，正位南北，便于冬季向陽得熱，并可抵御冷風(fēng)滲透（圖5）。

5 圖書館布局與流線圖

3.2 功能空間與建筑形體的有機融合

根據(jù)場地用地大小和圖書館使用者的行為需求，確定主要使用空間的人性化設(shè)計原則，并結(jié)合環(huán)境模擬等技術(shù)手段營造符合人體工學(xué)和良好視野的空間布局。設(shè)計確定東西向柱網(wǎng)主尺寸8 400mm，南北向柱網(wǎng)主尺寸6 600mm，東西和南北邊跨空間外挑2 800mm，平面根據(jù)功能排列形成東西向（4/3）:3:2:1:2:1:（4/3）比例的7個條狀單元空間[3]。其中，3個空間作為共享中庭，成為“氣候調(diào)節(jié)器”，穿插分隔了主要使用功能，造就了空間布局上的虛實融合。同時，通過控制形態(tài)、空間、功能及立面造型，形成既適應(yīng)寒冷地區(qū)氣候，又在內(nèi)部空間與外在形態(tài)上統(tǒng)一的建筑體形——緊湊的“方形”（圖6，7）。

表1 氣候適應(yīng)性設(shè)計策略表

6 圖書館建成外景

7 圖書館并置空間分析圖

在氣候適應(yīng)性的形體設(shè)計上，相同平面面積條件下優(yōu)化建筑體形的外表面積——合理控制體形系數(shù)，是寒冷地區(qū)綠色節(jié)能的重要設(shè)計策略。圖書館緊湊的“方形”避免了體量過于凹或凸，減少了建筑表皮面積，降低了建筑熱輻射獲得與流失的速率，有效控制了能量的流失，因而減少了通過機械途徑維護室內(nèi)熱環(huán)境平衡的能耗。

3.3 共享空間與建筑腔體

自然光對閱覽者的身心健康有積極影響，充分利用自然光，可以在照明和制冷方面產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。項目通過共享中庭頂部鋸齒形的采光天窗，有效引入了室外的自然光，滿足了圖書館白天日常的采光需求。同時，為了改善局部陰雨天建筑室內(nèi)自然采光效果不佳和夜晚需要照明的情況，室內(nèi)人工照明系統(tǒng)保證了閱讀和工作區(qū)域適當?shù)牟晒馑?，提高了采光質(zhì)量。此外，共享中庭頂部可開啟的鋸齒形天窗起到了有效組織室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的作用，而良好的通風(fēng)環(huán)境又能有效改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量（圖8，9）。

3.4 建筑的表皮與綠色建材

在建筑表皮的設(shè)計與材料選擇上，圖書館以天然厚重的清水混凝土和通透的玻璃幕墻為主要材料。清水混凝土為一次澆筑成型，不再使用其他裝飾，外立面體現(xiàn)了建筑功能與空間的內(nèi)在邏輯。東西向混凝土為主的立面與南北向玻璃幕墻為主的立面形成虛實對比的幾何秩序，體現(xiàn)了建筑立面材料與內(nèi)部功能使用需求的協(xié)調(diào)與呼應(yīng)，充分發(fā)揮了材料的實用性并達到了總體節(jié)能環(huán)保的目標。

8 圖書館自然采光和通風(fēng)的共享中庭

9 可開啟的鋸齒形天窗示意圖

10 立面幕墻內(nèi)凹形體與豎向分割一體化自遮陽構(gòu)造示意圖

在建筑表皮與室內(nèi)空間設(shè)計融合方面，南、北向兩個側(cè)立面使用豎向線條分割的玻璃幕墻，使室內(nèi)獲得了良好的日照、采光和視野；南向幕墻豎向分割的豎梃和頂板的懸挑結(jié)構(gòu)兼具遮陽作用（圖10）。同時，直射光線經(jīng)過玻璃格柵的散射，為室內(nèi)閱覽區(qū)塑造了明亮、舒適的光環(huán)境。東西向預(yù)制混凝土墻面采用豎向細條窗，有效避免了夏季日曬。此外，幕墻采用五種不同反光率的低輻射玻璃，在滿足室內(nèi)采光的需求下有效調(diào)節(jié)了室內(nèi)熱舒適度。

建筑圍護結(jié)構(gòu)采用真空絕熱板（VIP板），由填充芯材與真空保護表層復(fù)合而成，有效地避免了空氣對流引起的熱傳遞，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，提高了建筑的保溫隔熱性能。此外，二層的屋頂平臺使用混凝土預(yù)制架空板覆蓋，形成的空氣間層改善了屋頂平臺的保溫隔熱性能，并設(shè)計為雨水花園，形成開敞、舒適的屋頂活動空間。

4 結(jié)語

教育是推動人類進步最有效的方式，大學(xué)則被稱為改革的先驅(qū)者，承擔(dān)著率先垂范和踐行綠色發(fā)展的重要角色，是社會可持續(xù)發(fā)展的引擎和創(chuàng)新基地。一個綠色可持續(xù)發(fā)展的校園，除了校園文化的塑造，校園本身的建設(shè)亦應(yīng)該是以人為本、布局合理、環(huán)境適宜、建筑綠色且具有本土特色的和諧整體。

本文在對北京氣候特征分析的基礎(chǔ)上，篩選出適應(yīng)該地區(qū)氣候的被動式設(shè)計策略，并結(jié)合中央財經(jīng)大學(xué)沙河校區(qū)圖書館工程的設(shè)計理念與場地環(huán)境條件，分析了氣候適應(yīng)性的被動式綠色設(shè)計策略在校園建筑中的有效應(yīng)用，為我國大學(xué)校園環(huán)境響應(yīng)與氣候適應(yīng)性的綠色建筑創(chuàng)作提出了新思考。

圖書館作為校園的標志性建筑，代表著一個校園的文化，綠色圖書館的建設(shè)作為可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)模式，是一個實現(xiàn)動態(tài)適應(yīng)的過程，其空間設(shè)計不僅受學(xué)習(xí)、交往習(xí)慣等行為模式的影響，功能空間的通風(fēng)、采光、日照、遮陽、保溫隔熱等性能也直接受外界氣候條件的影響。因此，設(shè)計中應(yīng)該全面關(guān)注本土文化、地域氣候特點、場地環(huán)境特點、能源資源條件，在以人為本的原則下，充分考慮使用者的需求，并優(yōu)先采用適宜的氣候適應(yīng)性被動設(shè)計策略與設(shè)計技術(shù)。這一設(shè)計過程正是在充分考慮地域氣候、環(huán)境條件、能源資源的基礎(chǔ)上，使設(shè)計子系統(tǒng)自適應(yīng)于多系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合機制的過程，最終提升建筑空間的綜合性能，使圖書館建筑具有更深層次的結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵。

致謝：本文在項目設(shè)計團隊的支持下梳理提升完成，在此感謝設(shè)計團隊對本研究的支持。

圖片來源

圖1～3 的氣象數(shù)據(jù)來源于文獻[1]；圖5，7，9，10 由項目組提供；圖6，8 由張廣源拍攝；圖4 為作者自繪。