嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究＊
——以哈爾濱華潤·萬象匯為例

李玲玲 張文

哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

氣候通過風(fēng)、光、熱、濕等基本要素影響建筑的形式與功能，同時結(jié)合水體、土壤、植被等地域要素共同作用于建筑，演化出不同地域間的建筑差異。現(xiàn)代以來，人工環(huán)境技術(shù)的不斷發(fā)展使建筑空間形態(tài)不再受制于氣候要素的影響，但建筑整體能耗也隨之大幅提高。根植地域特色，基于氣候差異與相對性特點(diǎn)挖掘不同氣候區(qū)的適應(yīng)性內(nèi)涵與策略，重新建構(gòu)建筑空間環(huán)境和氣候環(huán)境的基本關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)建筑空間環(huán)境舒適性和低能耗雙重目標(biāo)[1]。

1 氣候與建筑的關(guān)系演變

建筑作為人與氣候的媒介，承載著兩者之間開放、過渡、隔絕的關(guān)系。傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑基于有限的技術(shù)條件，通過樸素的設(shè)計(jì)理念和地域材料滿足基本的空間使用需求，展現(xiàn)出建筑對氣候的被動式適應(yīng)。人工環(huán)境技術(shù)的發(fā)展卻使這種關(guān)系走向了主動干預(yù)的極端，能源危機(jī)的爆發(fā)、可持續(xù)發(fā)展理念的普及使氣候與建筑的關(guān)系得以重塑，“形式追隨功能”的設(shè)計(jì)理論得到了“形式追隨氣候”的有益補(bǔ)充[2]。“生物氣候設(shè)計(jì)方法”的涌現(xiàn)也使氣候與建筑的關(guān)系得以扭轉(zhuǎn)，主動適應(yīng)與適度干預(yù)的設(shè)計(jì)理念使建筑的設(shè)計(jì)空間更靈活多變，建筑地域性特點(diǎn)得以保留發(fā)展[3]。

2 嚴(yán)寒地區(qū)地域性建筑特點(diǎn)

按照《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB 50352-2005）的劃分標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)寒地區(qū)位于主氣候區(qū)Ⅰ區(qū)，包括黑龍江、吉林全境，遼寧大部分地區(qū)和內(nèi)蒙中北部地區(qū)。該地區(qū)冬季寒冷干燥且持續(xù)時間長、夏季短促涼爽、年溫差較大、冰凍期長、凍土深、積雪厚（表1）?；凇皻夂蛩茉煨螒B(tài)，形態(tài)適應(yīng)氣候”的原則[4]，嚴(yán)寒地區(qū)建筑在長期演化與積淀過程中，展現(xiàn)出適應(yīng)地域氣候的技術(shù)方法，著重于建筑的防寒、保溫、防冷風(fēng)等方面，并由此形成嚴(yán)寒地區(qū)獨(dú)有的地域性建筑特點(diǎn)。

嚴(yán)寒地區(qū)建筑組團(tuán)通常因日照需求保留較大的間距，同時采用錯位的布局形式降低冬季冷風(fēng)對建筑組團(tuán)的滲透[5]。處理建筑單體形態(tài)時，在綜合衡量各方面的效益后，需合理組織和協(xié)調(diào)建筑的形態(tài)要素[6]。一方面，通常選取較為規(guī)整的平面形式，如矩形、完形等，若選用不規(guī)則平面或多種平面形式穿插組合，也應(yīng)使其形成聚合型形態(tài)，以控制體形系數(shù)、減少建筑表皮的熱量損失（表2）。另一方面通過營造豐富多變的過渡空間提升建筑空間活力，如采用下沉式庭院入口減緩入口處的冷風(fēng)滲透、塑造避風(fēng)向陽的景觀活動空間等，或通過局部空間退讓，在保證日照間距的基礎(chǔ)上營建向陽院落，緩解由傳統(tǒng)聚合平面帶來的空間單調(diào)性（表3）。建筑表皮多采用南虛北實(shí)的處理方法，南側(cè)盡可能開窗爭取陽光，北側(cè)適度封閉。建筑內(nèi)部空間組織按溫度分區(qū)的排布設(shè)置氣候緩沖區(qū)，提升建筑空間效能。因此，基于氣候條件與能量管理的平衡關(guān)系，集約、厚重、封閉、向陽是嚴(yán)寒地區(qū)顯著的地域性建筑特點(diǎn)。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征及其解析

表2 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑形態(tài)布局

表3 嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑過渡空間處理

3 嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略

3.1 基礎(chǔ)條件分析

建筑所在區(qū)位的氣候分析是建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的前提，場地基礎(chǔ)條件、建筑的功能類型也會對氣候要素提出不同的要求，進(jìn)而奠定氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)。華潤·萬象匯項(xiàng)目所在城市哈爾濱地處我國東北平原，是我國緯度最高、氣溫最低的省會城市，冬季溫度低且年溫差較大（表4）?；啬蟼?cè)緊鄰主干公路，無高大建筑遮擋，北側(cè)毗鄰居住區(qū)，建筑占地面積5.3萬m2，總建筑面積13.35萬m2，建筑類型為大型商業(yè)建筑。建筑的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)架構(gòu)，以嚴(yán)寒地區(qū)綠色公共建筑與哈爾濱區(qū)位氣候環(huán)境的適應(yīng)肌理為基礎(chǔ)，建構(gòu)以空間為核心的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)體系，從而滿足商業(yè)建筑的空間形態(tài)，并以此匹配相適應(yīng)的風(fēng)、光、熱環(huán)境設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過合理化的功能流線組織提高建筑空間性能。

表4 哈爾濱市部分氣候數(shù)據(jù)

3.2 嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

對于嚴(yán)寒地區(qū)商業(yè)建筑的使用模式與氣候環(huán)境的矛盾問題，建議通過場地的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行解決，通過控制建筑的體形系數(shù)，使建筑立面平整，內(nèi)部變化。在此基礎(chǔ)上通過組建氣候緩沖區(qū)減少建筑內(nèi)部熱量散失，同時基于商業(yè)建筑基本功能屬性，如消防排煙、視覺效果、材料成本、結(jié)構(gòu)需求等，共同建構(gòu)該建筑的氣候適應(yīng)性策略體系（圖1）。

1 華潤·萬象匯建筑氣候適應(yīng)性策略體系

3.2.1 基于微氣候調(diào)控的整體規(guī)劃布局

風(fēng)、光是嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)中兩項(xiàng)重要的氣候要素，冬季向陽得熱與抵御冷風(fēng)滲透是主要的設(shè)計(jì)訴求。因此這一層級的設(shè)計(jì)策略以建筑對場地及其周邊環(huán)境的適應(yīng)與優(yōu)化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對氣候要素的利用與規(guī)避。借助Phoenics模擬場地冬季風(fēng)速并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，建筑建成后與北側(cè)原有住宅形成合院空間，能夠有效降低冬季冷風(fēng)的滲透（圖2，3）。由于將40%的建筑空間置于地下，地上建筑高度僅為24.4m，借助Ladybug模擬場地冬至日日照輻射，可以直觀看出本建筑對周邊建筑的日照影響甚微（圖4）。建筑南側(cè)通過退讓形成向陽廣場，優(yōu)化建筑形體使近地面行人區(qū)風(fēng)速控制在2m/s以下，從而創(chuàng)造適宜的外部環(huán)境。建筑東南角設(shè)置下沉庭院入口（圖5），并規(guī)劃預(yù)留與地鐵二號線的接駁口，規(guī)避冬季冷風(fēng)倒灌，形成氣候過渡區(qū)。

2 原場地風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

3 場地風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

4 場地日照輻射模擬結(jié)果

5 總平面圖

3.2.2 基于空間性能引導(dǎo)的建筑空間形體

空間形體的設(shè)計(jì)策略可以在滿足建筑使用功能的基礎(chǔ)上，通過建筑單體空間形態(tài)的調(diào)控與把握，以低能耗甚至零能耗的方式平衡內(nèi)部空間環(huán)境與外部氣候要素。為滿足商業(yè)建筑大體量的功能需求，建筑外輪廓基本占滿場地的建筑紅線，選取大進(jìn)深的空間形體，南側(cè)入口布置于東南、西南角，既滿足商業(yè)動線需求，又規(guī)避冬季冷風(fēng)（圖6）。通過模擬日照輻射、優(yōu)化建筑形態(tài)，使空間形體聚合簡潔，無自遮陽的出挑空間或裝飾性構(gòu)件（圖7）。體形系數(shù)控制為0.09，利用大進(jìn)深的空間優(yōu)勢，設(shè)置環(huán)形室內(nèi)步行街，進(jìn)而可人工調(diào)控該區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)微氣候。

6 建筑形體生成

7 建筑太陽輻射模擬

3.2.3 基于氣候緩沖的建筑空間組織

在氣候與能量管理過程中，不同功能空間可按照空間性能的差異劃分為低、普通、高性能空間，其設(shè)計(jì)策略是基于這種差異性串聯(lián)布局各類空間，有針對性地利用、控制或規(guī)避氣候要素對各類空間的影響，進(jìn)而使空間的性能等級差異、能耗差異、使用頻率差異達(dá)到高度的適配。疏散樓梯、通道、設(shè)備用房對溫度要求低、人員密度小，作為低性能空間布置于建筑北側(cè)，為內(nèi)側(cè)空間提供氣候緩沖；商鋪和步行街是商場主要的功能空間，作為普通性能空間布置于里側(cè)；東、南兩側(cè)布置大進(jìn)深商業(yè)空間或兒童活動空間等對溫度、光照需求較高的空間；電影院因其功能需要避光、隔聲，作為高性能空間布置于建筑西側(cè)，隔絕室外環(huán)境。不同性能空間通過環(huán)形步行街串聯(lián)，形成“溫度洋蔥”的空間組織基本架構(gòu)（圖8）。在此基礎(chǔ)上，通過建構(gòu)多層級氣候緩沖體系，提升建筑性能。建筑入口作為第一層級緩沖區(qū)，通過朝向優(yōu)化和雙層門斗降低室外冷風(fēng)滲透；入口后連廊空間，通過南側(cè)玻璃幕墻吸熱、三層通廳蓄熱、配合熱風(fēng)幕等措施，成為第二層級緩沖區(qū)；不規(guī)則中庭通過天窗得熱和中庭空間的保溫蓄熱作用，作為第三層級氣候緩沖區(qū)。三個緩沖區(qū)彼此聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境到室內(nèi)環(huán)境的平穩(wěn)過渡，保證主要功能空間的舒適性（圖9）。

8 “溫度洋蔥”空間性能布局

3.2.4 基于低能耗目標(biāo)的建筑空間界面

空間界面是圍合室內(nèi)空間、分隔內(nèi)外空間環(huán)境的重要手段，設(shè)計(jì)策略應(yīng)基于內(nèi)部空間的使用需求，選擇性地利用、導(dǎo)入氣候要素，盡可能規(guī)避不利要素對建筑內(nèi)部空間的影響?；凇皽囟妊笫[”的空間組織架構(gòu)，建筑側(cè)界面開口位置對應(yīng)建筑內(nèi)部功能空間，為滿足商業(yè)功能需求，在南側(cè)、東側(cè)設(shè)有部分幕墻體系。中庭空間和環(huán)形步行街的頂界面設(shè)有天窗，提升光照均勻度，其余建筑界面均采用封閉處理（圖10）。結(jié)合Phoenics模擬的建筑界面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，冬季建筑非迎風(fēng)面壓強(qiáng)差小于5Pa（圖11，12），能夠降低冬季冷風(fēng)滲透，同時使建筑過渡季迎、背風(fēng)面的壓強(qiáng)差相差大于1.5Pa（圖13，14），配合可手動開啟的天窗形成通風(fēng)廊道，降低夏季空調(diào)的使用時長。

9 多層級氣候緩沖體系建構(gòu)

10 建筑立面

11，12 冬季非迎風(fēng)面風(fēng)壓模擬

13 過渡季迎風(fēng)面風(fēng)壓模擬

14 過渡季背風(fēng)面風(fēng)壓模擬

4 結(jié)語

在嚴(yán)寒地區(qū)建筑設(shè)計(jì)中，防寒保溫始終是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，建筑向陽得熱潛力的挖掘與建筑形體避風(fēng)的處理是嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的重要體現(xiàn)。而人本理念的加持，使建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)扎根于氣候與人的互動關(guān)系，通過兩者的融入、交互、隔絕，劃分不同建筑空間的性能等級，并以此建構(gòu)內(nèi)部空間組織關(guān)系，使建筑的行為空間與性能空間高度適配，豐富了建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。

圖表來源

文中圖表均由作者自繪。