自然通風(fēng)導(dǎo)向下的大空間建筑腔體植入研究＊

白曉偉 夏柏樹 張寧 馮香媛

隨著城市大型公共建筑的功能日趨復(fù)雜，大空間的豎向?qū)盈B、大空間與常規(guī)尺度空間的立體組合已成為常見的布局模式?？臻g布局的緊湊性降低了建筑界面與外部環(huán)境的接觸機(jī)會(huì)，切斷了氣流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)路徑，增加了自然通風(fēng)的難點(diǎn)。在大空間內(nèi)部恰當(dāng)?shù)刂踩胴Q向腔體，可以重建內(nèi)部空間與外部環(huán)境的關(guān)聯(lián)，在熱壓作用的驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建氣流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)路徑。

在自然通風(fēng)性能的導(dǎo)向下，既有研究圍繞大空間內(nèi)部的腔體布局類型、氣流組織方式等已經(jīng)展開了一定的探索。陳曉揚(yáng)針對大空間建筑自然通風(fēng)的難點(diǎn)，提出單元分區(qū)的氣流組織策略，并根據(jù)不同空間類型的腔體植入方式，提出平面單元豎井式、大空間單元熱壓式、豎向單元組合式3種氣流組織模式[1]。李鋼等將建筑腔體按氣流的組織方式劃分為能量流的貫穿、拔取和引導(dǎo)三種類型，并在此基礎(chǔ)上提出了類型的變異、并列、疊加和雜糅的轉(zhuǎn)換模式，強(qiáng)調(diào)了腔體的通風(fēng)性能[2]。李珺杰等根據(jù)不同的尺度、形態(tài)和位置，將建筑內(nèi)部類似于腔體的“中介空間”劃分為室外開放的“院落空間”、室內(nèi)封閉或半封閉的“中庭空間”、室內(nèi)封閉或半封閉的“井道空間”和半室外半開放的“界面空間”四種類型[3]。張帆等根據(jù)腔體的導(dǎo)控方式，將其分為緩沖導(dǎo)控的表皮腔、植入導(dǎo)控的內(nèi)置腔和協(xié)同導(dǎo)控的共生腔三種類型，強(qiáng)調(diào)腔體既是氣候調(diào)節(jié)器，也是生態(tài)、場所和空間導(dǎo)控的多目標(biāo)復(fù)雜性存在[4]。夏柏樹等依據(jù)腔體的不同尺度、界面狀況及空間形態(tài)，將腔體劃分為井道腔、中庭腔和天井腔三種基本類型，并拓展了各基本類型的若干典型形式[5]。

從本質(zhì)上講，建筑內(nèi)部的腔體是一種可以引導(dǎo)物質(zhì)、能量的流動(dòng)與交換，具有生態(tài)調(diào)節(jié)作用的貫通性空間。腔體通過其形態(tài)和界面的限定，控制物質(zhì)和能量的流動(dòng)方向和交換方式，發(fā)揮空氣對流、煙囪效應(yīng)等物理作用，從而提升與改善空間物理環(huán)境[5]。相比于其他類型的腔體，井道腔體的平面尺寸較小、布局靈活、環(huán)境調(diào)控能力強(qiáng)[4]，而且井道腔體的植入對建筑的環(huán)境穩(wěn)定性、建筑形象、功能布局、空間使用效率等方面的影響最小，更適宜大空間建筑的自然通風(fēng)。根據(jù)界面開放程度和屋頂開閉狀態(tài)，可將井道腔體進(jìn)一步劃分為導(dǎo)風(fēng)墻、拔風(fēng)樓梯間、通風(fēng)塔、天井等類型。結(jié)合當(dāng)前大空間建筑的發(fā)展趨勢和腔體通風(fēng)特性，本研究重點(diǎn)探討小尺度的井道腔體在層疊式大空間建筑中的植入方式，并針對典型案例進(jìn)行CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬，精確探索大空間內(nèi)部的氣流運(yùn)動(dòng)軌跡和分布特征。

1 大空間建筑的腔體布局類型

1.1 周邊式腔體

通過在大空間周邊并列布置井道腔體，可以構(gòu)建跨越進(jìn)深方向的氣流運(yùn)動(dòng)路徑。如圖1所示，室外氣流從大空間建筑外界面開口進(jìn)入室內(nèi)，在流經(jīng)人員活動(dòng)區(qū)域的過程中溫度逐漸升高，最終在熱壓作用的驅(qū)動(dòng)下由井道腔體排至室外。在周邊式布局中，腔體沿大空間周邊均勻布置，不介入建筑內(nèi)部，保持了大空間的完整性。

1.2 內(nèi)置式腔體

對于內(nèi)部無需設(shè)置統(tǒng)一完整大空間的建筑而言，多個(gè)豎向腔體可以均勻地嵌入大空間內(nèi)部，有效發(fā)揮氣流調(diào)控作用。在內(nèi)置式腔體的引導(dǎo)下，氣流由建筑外界面開口進(jìn)入室內(nèi)，在熱壓作用的驅(qū)動(dòng)下由腔體排至室外（圖2）。內(nèi)置式腔體可以結(jié)合功能布局自由植入大空間內(nèi)部，與空間充分接觸并進(jìn)行氣流交互，均勻調(diào)控氣流。

1.3 復(fù)合式腔體

在特殊的設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)單一類型的腔體難以實(shí)現(xiàn)整體建筑的自然通風(fēng)時(shí)，需要植入多種類型的復(fù)合式腔體，通過協(xié)同作用引導(dǎo)與調(diào)控氣流。在復(fù)合式腔體布局中，氣流不經(jīng)由建筑外界面開口進(jìn)入室內(nèi)，送風(fēng)與排風(fēng)均設(shè)置單獨(dú)的腔體（圖3）。在復(fù)合式腔體的介入下，整體大空間被劃分為若干個(gè)控制分區(qū)，在各分區(qū)單元的內(nèi)部和周邊分別植入通風(fēng)腔體，通過協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

2 周邊式腔體的并置式植入

對于在功能上有完整大空間需求的建筑而言，腔體無法直接植入空間內(nèi)部，沿空間周邊并列布置井道腔體成為必然選擇，可以在保證空間完整性的同時(shí)，構(gòu)建跨越進(jìn)深方向的氣流運(yùn)動(dòng)路徑。

在天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館設(shè)計(jì)中，主體大空間運(yùn)動(dòng)廳采用了豎向?qū)盈B的組合方式，緊湊的空間布局導(dǎo)致大空間僅有一側(cè)外窗與室外連通。在高校體育場館日常低成本運(yùn)維的要求下，建筑內(nèi)部精心構(gòu)建了一套完整的自然通風(fēng)系統(tǒng)。上層運(yùn)動(dòng)廳利用地面上的通風(fēng)口和可開啟的高窗進(jìn)行自然通風(fēng)；底層運(yùn)動(dòng)廳在保證空間完整的前提下，沿縱深部位植入一系列并置的雙層夾墻作為通風(fēng)腔體（圖4）。在夏季和過渡季，上下層運(yùn)動(dòng)廳分別利用屋頂天窗和周邊腔體的熱壓驅(qū)動(dòng)作用進(jìn)行自然通風(fēng)[6]。

為了深入探索大空間運(yùn)動(dòng)廳內(nèi)部的氣流分布特征，研究搜集天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館的建筑信息，在CFD數(shù)值模擬平臺Fluent 17.0中建立空間模型，通過網(wǎng)格劃分、迭代計(jì)算及后處理等一系列流程展開模擬分析。有關(guān)CFD模擬的外部計(jì)算域尺寸、網(wǎng)格尺寸、邊界條件、湍流模型等各項(xiàng)參數(shù)，均參照《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 449-2018）[7]進(jìn)行設(shè)定，在后續(xù)實(shí)際案例的模擬中均采取相同的參數(shù)設(shè)置方法。

天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館的CFD模擬結(jié)果如圖5所示。底層運(yùn)動(dòng)廳的室外氣流經(jīng)由建筑立面開口進(jìn)入室內(nèi)空間，沿空間底部向縱深部位呈水平向運(yùn)動(dòng)。氣流在進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速較大，在流經(jīng)運(yùn)動(dòng)人員活動(dòng)區(qū)域的過程中風(fēng)速逐漸衰減。部分氣流在熱壓作用下由交界面開口進(jìn)入周邊腔體排出，還有部分氣流反向流回底層外窗一側(cè)，在剖面上形成較大“渦旋”。二層運(yùn)動(dòng)廳的氣流分布與底部類似，但由于腔體的拔風(fēng)作用較強(qiáng)，底層運(yùn)動(dòng)廳內(nèi)的風(fēng)速整體高于二層。在天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館內(nèi)部，自然通風(fēng)組織的難點(diǎn)在于大空間立體疊加組合導(dǎo)致縱深部位與外部環(huán)境隔絕。在縱深部位沿大空間周邊均勻植入并置式腔體，可以在保證空間完整性的同時(shí)，重建跨越縱深方向的氣流路徑。

由奧雅納參與設(shè)計(jì)的英國天空廣播公司中心項(xiàng)目則通過在主要功能空間周邊設(shè)置雙側(cè)通風(fēng)腔體，實(shí)現(xiàn)對氣流的整體調(diào)控。該項(xiàng)目為典型的大空間公共建筑，核心功能空間豎向?qū)盈B布置，上部為開敞的辦公空間，下部為雙層大型演播室。上部空間通過可開啟的外窗和縱深部位布置的通風(fēng)煙囪實(shí)現(xiàn)氣流組織；底部大型演播室在電視錄制的過程中需要嚴(yán)格控制外部噪聲的傳入，既無法利用可開啟外窗作為通風(fēng)口，也無法與上部的開敞辦公空間共用縱深部位的通風(fēng)腔體，其自身是一個(gè)獨(dú)立的封閉空間。為了解決上述問題，沿建筑立面引入了一系列并置的通風(fēng)井道，形成一套由演播室燈光余熱驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)系統(tǒng)，與上部辦公空間的自然通風(fēng)系統(tǒng)相互獨(dú)立。外界新鮮空氣通過演播室底部的聲音衰減裝置進(jìn)入室內(nèi)，經(jīng)過演播室燈光系統(tǒng)加熱后逐漸上升，最終經(jīng)由外立面上的通風(fēng)井道排至室外。在此過程中演播室內(nèi)形成的負(fù)壓吸入室外的新鮮空氣，促進(jìn)氣流的連續(xù)運(yùn)動(dòng)（圖6）[8]。沿立面分布的通風(fēng)腔體在實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)的同時(shí)，也營造出獨(dú)特的建筑意象（圖7,8）。

1 周邊式腔體示意圖

2 內(nèi)置式腔體示意圖

3 復(fù)合式腔體示意圖

4 天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館平面圖

5 天津大學(xué)新校區(qū)綜合體育館剖面云圖

3 內(nèi)置式腔體的嵌入式植入

對于在使用功能上沒有完整大空間需求的建筑，可以靈活嵌入內(nèi)置式腔體進(jìn)行通風(fēng)組織。在結(jié)合功能布置的前提下，內(nèi)置式腔體的植入有利于縮短氣流的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)更為充分的氣流調(diào)控。

在云智大數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中，結(jié)合地域氣候條件植入一系列貫通室外的嵌入式天井腔體，實(shí)現(xiàn)對氣流的引導(dǎo)。整體建筑采用簡潔的方形體量，一層局部挖空，形成貫通南北的半室外空間。二、三層的大空間展廳層疊布置，通過植入貫通室內(nèi)外的天井腔體與一層的水平架空部分相連通。結(jié)合建筑功能布局，選用了多點(diǎn)分散型的腔體植入方式，包括東西兩側(cè)容納室外樓梯的長條型腔體及6個(gè)均勻分布的天井腔體（圖9）。腔體的植入將展覽空間劃分為內(nèi)部核心展廳和外圍附屬展廊兩個(gè)層次，腔體的間隙可供使用者自由穿行，為展廳引入自然通風(fēng)采光，豐富了空間層次，營造出流動(dòng)的觀展空間。

云智大數(shù)據(jù)中心的CFD模擬平面云圖顯示，氣流經(jīng)由外立面開口進(jìn)入室內(nèi)空間，進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速較大，氣流整體呈對稱分布。氣流進(jìn)入室內(nèi)后主要匯聚于中心部位的各個(gè)天井，氣流路徑短、流場分布均勻（圖10）。剖面云圖顯示，室外氣流在底部架空空間穿行而過，在豎向腔體熱壓作用的引導(dǎo)下，室外氣流沿天井向上運(yùn)動(dòng)，使天井內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)；室內(nèi)各層空氣在負(fù)壓作用下，經(jīng)由幕墻通風(fēng)器進(jìn)入天井腔體，實(shí)現(xiàn)大體量展廳空間內(nèi)部均勻的自然通風(fēng)（圖11）。

4 復(fù)合式腔體的協(xié)同式植入

特殊設(shè)計(jì)條件下無法通過大空間建筑的立面開口引入外部氣流，需要植入復(fù)合式腔體通過協(xié)同作用精準(zhǔn)調(diào)控內(nèi)部氣流。

由建筑師艾倫·肖特（Alan Short）設(shè)計(jì)的英國考文垂大學(xué)圖書館便是通過內(nèi)置式腔體和周邊式腔體的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)大空間自然通風(fēng)的經(jīng)典范例。受到環(huán)境噪聲、空氣質(zhì)量的影響，以及圖書館安保要求的限制，立面外窗無法正常開啟，導(dǎo)致常規(guī)的自然通風(fēng)無法實(shí)現(xiàn)。為了應(yīng)對上述問題，建筑師將平面劃分為4個(gè)控制分區(qū)，在各分區(qū)中心分別植入一個(gè)送風(fēng)井道，同時(shí)在整個(gè)平面的中心和四周分別設(shè)置排風(fēng)井道，建筑的功能布置則圍繞上述腔體展開（圖12）[9]。

考文垂大學(xué)圖書館的CFD模擬結(jié)果顯示，新鮮的室外空氣經(jīng)由地下室進(jìn)入4個(gè)送風(fēng)井道，然后均勻擴(kuò)散至空間各處（圖13）。在熱壓作用下，使用后的空氣逐漸上升，通過交界面開口進(jìn)入中心和四周的排風(fēng)井道排至室外，形成完整的氣流運(yùn)動(dòng)路徑（圖14）。排風(fēng)井道頂部設(shè)集熱裝置，在吸收太陽輻射后溫度迅速升高，進(jìn)一步增大進(jìn)排風(fēng)口的溫度差，從而增強(qiáng)熱壓自然通風(fēng)的穩(wěn)定性。上述內(nèi)置式腔體和周邊式腔體的單元式協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對氣流的合理組織，在每個(gè)控制分區(qū)內(nèi)，氣流均以內(nèi)置式腔體為核心向四周擴(kuò)散，促進(jìn)圖書館大進(jìn)深空間的整體自然通風(fēng)。

6 英國天空廣播公司演播室和辦公室自然通風(fēng)示意圖

7 英國天空廣播公司外景

8 英國天空廣播公司腔體局部

9 云智大數(shù)據(jù)中心平面圖

10 云智大數(shù)據(jù)中心平面云圖

11 云智大數(shù)據(jù)中心剖面云圖

表1 三種腔體植入方式的對比分析

5 結(jié)語

結(jié)合對典型案例的CFD模擬研究發(fā)現(xiàn)，在自然對流的情況下，周邊式腔體、內(nèi)置式腔體及復(fù)合式腔體的植入方式均可實(shí)現(xiàn)大空間內(nèi)部的自然通風(fēng)。然而三種腔體的氣流組織方式和分布特征各不相同，由周邊式腔體、內(nèi)置式腔體至復(fù)合式腔體，腔體的調(diào)控性能逐漸加強(qiáng)，氣流組織作用更為精準(zhǔn)、充分。三種腔體的布局特征及通風(fēng)性能匯總分析如表1所示。

面對城市大空間公共建筑巨大的運(yùn)行能耗，以自然通風(fēng)為導(dǎo)向的腔體植入設(shè)計(jì)可以從空間設(shè)計(jì)的根本層面為建筑植入先天的綠色基因，有效降低運(yùn)行階段的碳排放量。腔體植入與建筑的空間組織、功能布局等設(shè)計(jì)因素緊密相關(guān)，應(yīng)該在方案構(gòu)思的初始階段納入建筑師的思考范圍。一方面，應(yīng)從整體的視角出發(fā)，在遵循空間構(gòu)成邏輯的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮大空間自身的通風(fēng)潛力，并結(jié)合豎向腔體構(gòu)建氣流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)路徑，建立穩(wěn)定的熱壓自然通風(fēng)系統(tǒng)。另一方面，自然通風(fēng)是一種微動(dòng)力的空氣運(yùn)動(dòng)形式，針對大空間建筑尺度巨大、室外氣候條件不穩(wěn)定及運(yùn)行狀況多變等自然通風(fēng)難點(diǎn)，建筑師應(yīng)積極運(yùn)用必要的低能耗技術(shù)集成（如在腔體頂部增設(shè)集熱裝置和機(jī)械輔助設(shè)施），增強(qiáng)腔體自然通風(fēng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

12 考文垂大學(xué)圖書館平面圖

13 考文垂大學(xué)圖書館腔體送風(fēng)示意圖

14 考文垂大學(xué)圖書館腔體排風(fēng)示意圖

圖片來源

1-3,9-11作者自繪

4,5作者根據(jù)文獻(xiàn)[6]改繪6-8來源于文獻(xiàn)[8]

12-14作者根據(jù)文獻(xiàn)[9]改繪

表格來源

1作者自繪