利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅的節(jié)地設(shè)想

吳正旺 WU Zhengwang 張澤 ZHANG Ze

本文旨在針對我國大陸地區(qū)的居住區(qū)建設(shè)提出一種新的節(jié)地設(shè)想，這一設(shè)想基于“智能鏡面”技術(shù)。

當(dāng)前，我國大陸地區(qū)每年約有1400 萬人進城落戶。按照《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準》GB50137—2011 之規(guī)定，每年需新增建設(shè)用地約3640km2。研究表明，按最低要求，未來20年中國建設(shè)用地總量應(yīng)控制在國土面積的4.5%之內(nèi)。1996—2008 年，全國建設(shè)用地面積年均增加3350km2。到2016—2017 年增加到5687km2。同期，農(nóng)業(yè)用地年均減少2042km2，耕地年均減少6933km2，節(jié)地形勢緊迫。

在我國大陸地區(qū)，日照對住宅節(jié)地的影響巨大，突出體現(xiàn)在“日照間距”政策上。“日照間距”最早由沃爾特·格羅皮烏斯（Walter Gropius）在1920 年代提出，但除蘇聯(lián)外，在歐洲并未受到重視。受蘇聯(lián)的影響，從1980 年代開始，“日照間距”逐漸成為我國大陸地區(qū)居住區(qū)設(shè)計的一項重要原則，并一直沿用至今。特別是在北方地區(qū)，為滿足在冬至日（或大寒日）所有住宅均有1 間主要臥室獲得1～3 小時滿窗日照之規(guī)定，許多居住區(qū)不得不采取公攤面積較大、層數(shù)較多、戶型不甚理想且造價較高的高層點式住宅，同時還造成大量山墻沿街的情況。即便如此，其容積率也仍遠低于日本等國。在2005 年出臺的《建筑基準法》（修訂）中，日本取消了對日照時數(shù)要求的規(guī)定，除建筑陰影不得超過用地界線5m 外，對用地內(nèi)建筑之間已不再有間距和日照要求，此后其高層住宅的容積率升高至約5.0。為提高土地利用率，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授王麗方先生在2007 年曾提出取消“日照間距”的建議以節(jié)約土地。

技術(shù)的發(fā)展已使日照可以主動獲得，其典型代表是“智能鏡面”。所謂“智能鏡面”，指的是將“定日鏡”技術(shù)引入建筑領(lǐng)域，以實時追蹤日照，并將其定向反射到建筑內(nèi)部的一種太陽輻射主動利用技術(shù)?！岸ㄈ甄R”最早可追溯到1950 年，那時蘇聯(lián)利用“定日鏡”技術(shù)成功研制了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電試驗裝置。2000 年后，對“定日鏡”的抗風(fēng)、仿真、跟蹤機構(gòu)以及鏡面材料的研究相繼獲得突破，特別是“光感糾偏”“自旋+仰角”等控制技術(shù)的突破，使得基于“定日鏡”技術(shù)的太陽能熱電站已達到商業(yè)化應(yīng)用的水平，造價大大降低。包括2014 年供電能力達到392 MW 的美國加利福尼亞的伊凡帕（Ivanpah）太陽能熱電廠以及2018 年中國青海省德令哈的10 MW 光熱電站等。2018 年，筆者利用“智能鏡面”輔助北京某教學(xué)樓獲得日照，也獲得成功（圖1）。

上述研究及實踐帶來一個新的課題：隨著“定日鏡”“智能鏡面”等太陽輻射主動利用技術(shù)相繼成熟、可靠，能否利用“智能鏡面”來輔助住宅獲得日照，在遵循現(xiàn)有《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計標準》等規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用“合院式布局”，以公攤更少、造價更低、室外空間更舒適、尺度更宜人的18 層住宅來代替目前普遍采用的30 層以上住宅？其容積率是否能有所增加甚至顯著提高？

圖1：筆者開展的利用“智能鏡面”為建筑自動提供日照的實驗場景

一、合院式住宅的發(fā)展瓶頸

合院式住宅指的是“由房屋與墻四面圍合形成院落或天井的民居樣式，包括其組合變化”，長期深受我國人民喜愛，主要有三合院、四合院及單位大院等多種類型。（1）四合院在北方最為常見，并以北京等地最為典型。（2）在閩南及臺灣地區(qū)，三合院常見于經(jīng)濟條件較差的家庭。（3）單 位大院則是合院式的一種變化。雖然規(guī)模及尺度都大很多，但它仍延續(xù)了合院式住宅封閉、內(nèi)向及圍合的特征，是中華人民共和國建立以來逐漸形成的聚居模式。（4）由于合院式住宅很難滿足在冬至日（大寒日）所有戶型均能獲得1～3 小時日照的要求，因此在居住區(qū)建設(shè)中逐漸消失。

隨著“智能鏡面”等太陽輻射主動利用技術(shù)的成熟，合院式住宅的“日照”缺點很可能將被克服，在居住區(qū)建設(shè)中，這一傳統(tǒng)布局方式在節(jié)地方面的優(yōu)勢明顯：（1）理論上，由于合院式布局的四個方向均建設(shè)了住宅，比起行列式布局，十分有利于節(jié)地。（2）有利于形成內(nèi)部庭院及居住區(qū)生活性街道。（3）能有效增加城市機動車道的路網(wǎng)密度，緩解交通擁堵。

上述設(shè)想雖然理論上可行，但在實際應(yīng)用中究竟效果如何？會帶來什么不足？為了回答這一問題，本文嘗試以北京某居住區(qū)為例，利用“智能鏡面”輔助住宅獲得日照，以“合院式布局”進行重新規(guī)劃設(shè)計，并與該居住區(qū)的現(xiàn)狀進行對比，在保證所有戶型均能滿足現(xiàn)有國家規(guī)范對日照、視線衛(wèi)生以及室外活動空間等要求的基礎(chǔ)上，測試其增加建筑面積、增加住宅戶數(shù)以及節(jié)約土地等方面的實際效果，也探討其導(dǎo)致建筑密度增加、綠地率降低等方面的不利影響，并對這一模式在營造居住街區(qū)的生活氣息、改善城市道路網(wǎng)的效果進行分析。

二、利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅以節(jié)約土地的可行性

北京某居住區(qū)建于2014 年，其總用地面積約31.6 萬m2，容積率2.2，綠地率約40%，建筑面積約69.5萬m2，總戶數(shù)4 308戶，住宅為18 層及31 層（圖2）。在重新進行的規(guī)劃設(shè)計中，其住宅均采用18 層，在采取圍合式的合院式布局后，在用地南北方向增加了4 條城市道路，在東西方向增加了2條城市道路，形成了以四合院為封閉單元的“小街巷、密路網(wǎng)”居住區(qū)（圖3）。

由于“智能鏡面”能實時追蹤、定向反射日照，可全天為指定住宅提供日照，因此該規(guī)劃設(shè)計可以適當(dāng)擺脫對“日照間距”的依賴，轉(zhuǎn)而更專注于空間、街道、戶型及節(jié)地等內(nèi)容。以下從剖面、總平面及戶型3 個方面加以分析。

1.利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅的剖面設(shè)計

圖2：北京某居住區(qū)現(xiàn)狀總平面圖

圖3：設(shè)想利用“智能鏡面”以18層代替30層以上住宅建設(shè)的合院式北京某居住區(qū)總平面圖

圖4：設(shè)想利用“智能鏡面”以18層代替30層以上住宅建設(shè)的合院式北京某居住區(qū)與現(xiàn)狀的剖面圖對比

在現(xiàn)狀中，該居住區(qū)中的住宅有18 層和31 層兩種，其31 層住宅的南北向間距為105m，18 層住宅的南北向間距為85m，所有戶型均能滿足日照要求。（1）重 新進行的規(guī)劃設(shè)計表明，在“智能鏡面”的輔助下，新的居住區(qū)形成了更符合社會學(xué)理論的每240～384 戶為一個封閉單元的布局[1]。由于不必完全依賴“日照間距”獲得日照，在新的規(guī)劃設(shè)計中，原有18 層及31 層住宅均改為18 層住宅，形成3 排23 個四合院，各戶型均滿足日照的基本需要。（2）設(shè)計還發(fā)現(xiàn)，行列式布局的住宅，其南北向間距過大，是造成土地利用率降低的主要原因。以冬至日為例，當(dāng)日當(dāng)?shù)靥柛叨冉亲畲鬄?6°，當(dāng)?shù)亍叭照臻g距系數(shù)”為1.7，原有居住區(qū)的規(guī)劃布局正是按照這個系數(shù)進行的，其2 幢18 層住宅之間的南北向間距最小處為2.8×18×1.7 = 85m。理論上，其2幢31 層住宅之間的南北向間距最小應(yīng)為2.8×31×1.7 = 147m，在現(xiàn)狀中，由于31層住宅的左右兩側(cè)均有較大空隙可供日照滲入，故二者之間距離減少至105m（圖2）。這樣確實也保證了所有住宅在冬至日均能獲得2 小時以上的日照（圖4 上）。但2幢住宅之間的間距遠遠超過人均室外空間的使用需要，直接造成了土地利用率低下。同時，這種尺度過大、過于空曠的室外開放空間，很難阻止冬季西北風(fēng)侵入，其風(fēng)環(huán)境并不舒適。而在我國大陸的南方地區(qū)，在相似的情況下，住宅南北向建筑之間的間距更要小很多。以廣州為例，在冬至日，當(dāng)日太陽高度角最大為43°，其“日照間距系數(shù)”為0.5，則2 幢18 層住宅之間的南北向間距最少可為2.8×18×0.5 = 25.2m，比該居住區(qū)的85m 要少59.8m。如果是100m 的住宅，二者相差將更大。 （3）重新進行的規(guī)劃設(shè)計還發(fā)現(xiàn)，利用“智能鏡面”將住宅南面窗間墻上的日照反射，在改善住宅室內(nèi)天然采光條件的同時還能為部分室外空間提供一定的日照，這對于北方冬季而言有重要意義。（4）規(guī)劃設(shè)計進一步表明，合院式布局的居住區(qū)，其室外容易形成具有生活氣息的街道空間，更符合 “中央城市工作會議2016”關(guān)于建設(shè)“小街巷、密路網(wǎng)”街區(qū)的要求（圖3）。 （5）設(shè)計也表明，利用“智能鏡面”以18層代替31 層住宅形成的合院式居住區(qū)也存在若干不足。一方面，從剖面的空間關(guān)系上看，室外場地的面積有較大幅度的減少，空間也會緊迫一些。另一方面，由于合院各個方向均布局了住宅，其建筑密度較高。（6）需要注意的是，由于“智能鏡面”必須從北向住宅將日照反射到其南向的另一幢住宅，因此，對于最北1 排住宅的下半部分而言，其獲得日照的方式是從本組團的東西兩側(cè)屋面及外墻上將日照反射到其下半部住宅中（圖4 下）。

2.利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅的總平面設(shè)計

在總平面設(shè)計方面，本次重新進行的規(guī)劃設(shè)計表明，以18 層代替30 層以上住宅建設(shè)的合院式居住區(qū)確實具有若干優(yōu)勢：（1）能增加建筑面積約60.1 萬m2， 增加約86%。（2）其總戶數(shù)可增加約3900 套，其經(jīng)濟價值高達721 億元RMB。（3）增加了23 個四合院和若干市政道路，街區(qū)的尺度感、領(lǐng)域感、歸屬感顯著增強。但從總平面布局看，這一布局方式也有一定不足：（1）建筑密度將增加約13.8%，達22.8%。（2）綠地率減少至 25%，已接近最低要求等（表1）。

圖5：設(shè)想利用“智能鏡面”以18層代替30層以上住宅建設(shè)的合院式北京某居住區(qū)的基本組團戶型平面圖

從總平面的場地設(shè)計看，新的布局雖然導(dǎo)致室外活動空間面積有所減小，但由于機動車及其停車空間均位于地下，加上地面原有的綠地率（約40%）很高，因此改造后仍能滿足相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的綠地率及人均室外活動場地的面積要求。新增加的23 個四合院的面積最小的約3008m2，最大的達到約5433m2，仍明顯大于南方同類型居住區(qū)。由于四合院內(nèi)可避免冬季西北風(fēng)侵入，因此相對于現(xiàn)狀的行列式布局要舒適很多。但需要注意的是，四合院在冬至日其日照較少，需要利用東西向建筑的屋面安裝“智能鏡面”加以彌補，或利用建筑外墻進行漫反射加以改善（圖3）。

3.利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅的戶型設(shè)計

設(shè)想利用“智能鏡面”以18 層代替30 層以上住宅建設(shè)的合院式北京某居住區(qū)與現(xiàn)狀的指標對比 表1

從本次規(guī)劃設(shè)計的戶型方面看，在“智能鏡面”的輔助下，合院式住宅的組團中包含了10～14 個單元，部分組團還形成了“前后”2 個合院。每個單元以“2 部電梯+1 部封閉樓梯”進行疏散，每單元2戶，戶型均南北通透。其四合院長度約為65m～114m，寬度約48m，高度約50m，其高寬比約為0.95，具有較好的空間圍合感（圖4）。在每個四合院單元中，上半部住宅（10～18 層）主要臥室朝南獲得日照，下半部住宅（1～9 層）則利用“智能鏡面”從北向全天獲得反射日照，滿足日照要求。四合院四周布置電梯、陽臺及廚房，主要臥室及衛(wèi)生間滿足視線衛(wèi)生要求。

關(guān)于公攤：一般而言，層數(shù)越多，公攤率越大，當(dāng)層數(shù)達到30 層以上時，其公攤率甚至可達25%以上，這就造成了巨大浪費。由于采用18 層進行住宅建設(shè)，每單元2 戶，每戶建筑面積約為156m2，每層20 戶共6240m2，每套樓電梯建筑面積約56m2，每戶公攤28m2，公攤率可降低到18%，與現(xiàn)狀的28%公攤率相比較，整體公攤率減少了10%，換言之，總建筑面積中增加了10%的套內(nèi)使用空間，其面積高達129.6m2×10%=13.0 萬m2，市場價值高達156 億RMB。在樓棟間的視線衛(wèi)生方面，東西南北4 個方向上住宅均有2個臥室朝外，距離其他住宅的水平距離為38m（圖5），不存在嚴重的視線衛(wèi)生問題。需要特別注意的是，南面住宅的3 個臥室中，2 個臥室朝南、1 個朝北，而廚房則設(shè)置在南向，這樣設(shè)計的原因在于，該住宅的下半部主臥室是從北向獲得日照的，而上半部則從南向獲得日照。對于北面的住宅，則反之亦然（圖6）。

圖6：重新設(shè)計的北京某居住區(qū)18層南北向住宅下半部及上半部戶型平面圖

從戶型設(shè)計結(jié)果看，利用“智能鏡面”輔助住宅獲得日照，以18 層代替30 層以上住宅，確實能夠通過建設(shè)合院式住宅來節(jié)約建設(shè)用地，不僅公攤率顯著降低，且戶型也很理想。這一設(shè)想最適用的地域應(yīng)是中國北方，其原因是中高緯度地區(qū)的“日照間距系數(shù)”較大，因此板式住宅的南北向之間的間距要遠大于南方地區(qū)。

三、結(jié)論

土地是國家發(fā)展的最主要資源之一。在過去40 年間，既有的日照間距政策有力促進了住宅建設(shè)，但隨著住宅高層化，這一政策也導(dǎo)致一些地區(qū)土地利用率難以提高、室外開放空間過大以及居住區(qū)布局呆板等不足。隨著“智能鏡面”等日照主動利用技術(shù)的發(fā)展，將這些技術(shù)引入住宅建設(shè)領(lǐng)域，有必要對居住區(qū)布局及住宅設(shè)計進行新的思考。（1）在“智能鏡面”的輔助下，以18 層代替30 層以上住宅，將四合院布局模式引入居住區(qū)建設(shè)，其容積率可提高約86 %，總戶數(shù)增加約90 %，建筑面積增加約86 %，節(jié)約土地的效果明顯，經(jīng)濟效益巨大。（2）這一設(shè)想也會帶來綠地率有所降低、建筑密度有所提高等不利影響，但不嚴重。（3）以18 層代替30 層以上住宅建設(shè)的合院式住宅，其戶型實用、公攤面積較小、造價較低并能形成有利于鄰里交往的合院空間。（4）“日照間距系數(shù)”對該設(shè)想的有效性有巨大影響，該策略較為適宜在中高緯度地區(qū)，而在南方地區(qū)則需慎重。（5）“智能鏡面”有可能會產(chǎn)生眩光，但通過合理設(shè)置反射日照的方位角、俯仰角，可以改善。

注釋

[1] 社會學(xué)認為，要有效作出決策，其行為主體不宜超過500 個。