寒冷地區(qū)被動式公共建筑設(shè)計研究

摘 要：從寒冷地區(qū)的被動式公共建筑設(shè)計出發(fā)，介紹被動式建筑、辦公建筑以及我國建筑分區(qū)中的寒冷氣候分區(qū)，而后通過對適用于寒冷氣候分區(qū)的被動式設(shè)計方法的總結(jié)，為今后寒冷地區(qū)的被動式公共建筑的設(shè)計探索新的設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū);被動式建筑;建筑能耗

從古至今，人類不斷適應(yīng)自然，不斷創(chuàng)造出更加適宜居住和生活的建筑形式。英國建筑師拉爾夫·厄斯金曾經(jīng)說：“沒有氣候問題，人類就不需要建筑了?！比祟愖哉Q生起就分布在全世界的各個地區(qū)，不同地區(qū)又由于受到不同自然條件（日照、濕度等）的影響逐漸形成了不同的氣候，而不同的氣候也導(dǎo)致了不同建筑形式的出現(xiàn)。

在赤道附近的地區(qū)，由于常年太陽輻射強(qiáng)度大，氣候炎熱且多雨，這里的建筑較多考慮通風(fēng)和遮擋太陽的功能，甚至有些建筑僅以樹干圍成，頂部覆蓋椰子葉和蒲草。而在沙漠地區(qū)，由于氣候干燥、降雨量少，不能形成大片的森林，故而沒有充足的木材可作為建筑材料。因此，沙漠地區(qū)的建筑大多以土為材料，用土砌成厚厚的墻體和屋頂，以阻隔太陽輻射帶來的熱量，另外在墻上開啟洞口，以引入自然通風(fēng)。并且，此類地區(qū)的建筑分布較為密集，可以相互遮擋，以減少陽光輻射，形成陰影區(qū)，使室外也有比較涼快的區(qū)域。而在極地地區(qū)，氣候極度惡劣，常年刮著寒風(fēng)，所以在這里冰是常見的建筑材料。如住在北極圈的愛斯基摩人就只能用冰塊來建造房屋，他們會在房屋的入口處用冰塊砌筑擋風(fēng)墻，以減少風(fēng)對室內(nèi)的影響;在室內(nèi)，由于生產(chǎn)、生活各項(xiàng)活動會產(chǎn)生熱量，而這些熱量會作用于冰使其融化，影響房屋使用者的安全，因此他們會在冰屋的內(nèi)表面鋪上獸皮，以阻隔室內(nèi)的熱量。一方水土養(yǎng)一方人，不同的地域氣候造就了多種多樣的建筑形式與風(fēng)格。

一、我國建筑氣候分區(qū)及寒冷地區(qū)氣候

（一）我國建筑氣候分區(qū)

氣候是大氣物理特征的長期平均狀態(tài)，是作用于某地區(qū)的大氣環(huán)流、太陽輻射以及地理環(huán)境長期相互作用的結(jié)果。氣候可以反映一定的物候特征和時空特征。我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，不同的地區(qū)之間氣候差異巨大，即便是相同的緯度區(qū)域，其氣候也可能因?yàn)榈匦蔚纫蛩囟霈F(xiàn)差異。不同的氣候?qū)τ谌藗兩姝h(huán)境的影響也不相同，因此在進(jìn)行建筑設(shè)計時尤其要注意不同的氣候?qū)τ诮ㄖO(shè)計的影響。

我國與建筑氣候有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個，一個是《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》，另一個是《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》。《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)平均氣溫、相對濕度和年降水量等氣候參數(shù)，把我國劃分為7個一級區(qū)和20個二級區(qū)。其中，一級區(qū)的主要劃分指標(biāo)是一月的平均氣溫、七月的平均氣溫以及七月的平均相對濕度;二級區(qū)的劃分主要是根據(jù)最大風(fēng)速、平均氣溫等?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計規(guī)范》根據(jù)累年最冷月（1月）、最熱月（7月）的平均溫度，將我國的主要建筑氣候區(qū)劃分為五個，即嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)以及溫和地區(qū)，并且針對不同的氣候區(qū)劃對不同地區(qū)的建筑設(shè)計提出了不同的設(shè)計要求。其中，我國的寒冷地區(qū)主要包括北京、河北、山東、天津、山西、寧夏、陜西大部、遼寧南部、甘肅中東部、新疆南部、河南、安徽、江蘇北部以及西藏南部等地區(qū)。

（二）北方寒冷地區(qū)

北方寒冷地區(qū)的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是冬天十分干燥，夏天十分炎熱，冬夏兩季氣候?qū)Ρ确床蠲黠@。其中，冬季某些城市的最低氣溫甚至可以低至零下十幾度，而夏季，某些城市例如西安、鄭州等地的最高溫度能超過我國東南地區(qū)的城市。在我國，北方寒冷地區(qū)還有一個明顯的氣候特點(diǎn)，即季風(fēng)氣候顯著。我國的冬季風(fēng)發(fā)源于蒙古，主要會有來自西伯利亞的西北風(fēng)和東北風(fēng)，而在炎熱的夏天，風(fēng)主要是來自太平洋、印度洋的東南、西南風(fēng)。另外，不同的緯度及不同的地形也對風(fēng)向有不可忽視的影響。北方寒冷地區(qū)由于緯度較高，因此在夏季太陽輻射較強(qiáng)，主要的降水也集中在夏季，而春秋兩季時間較短，且降水量較少，還可能因?yàn)闅夂蚋珊刀咕植砍霈F(xiàn)沙塵暴。

在對北方寒冷地區(qū)公共建筑進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員需要充分考慮氣候因素，從氣候條件出發(fā)，設(shè)計更具專業(yè)性和適用性的公共建筑，滿足公共建筑基本的防風(fēng)、防寒等要求。首先，在北方寒冷地區(qū)設(shè)計被動式公共建筑時，需要充分考量風(fēng)環(huán)境要素。在北方地區(qū)，風(fēng)速大，強(qiáng)風(fēng)會降低室內(nèi)溫度，加速室內(nèi)熱量的流失，所以很容易讓人感冒。對此，設(shè)計時需要加強(qiáng)屏蔽防備。另外，在建筑選址時需要從當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速等方面進(jìn)行綜合考量。其次，要關(guān)注光環(huán)境要素。日照是建筑設(shè)計中的重要因素之一，且北方冬季和夏季的太陽輻射情況存在明顯差別，所以設(shè)計時需要充分考慮光照因素。最后，要考慮降水因素。北方地區(qū)由于冬季溫度較低，降水時多會與降雪協(xié)同呈現(xiàn)，同時冬季濕度很高，這些因素都會影響到建筑設(shè)計。

在我國北方寒冷地區(qū)，夏季氣溫較高，所以制冷所需要的能耗較高，而在冬季，制暖也需要很高的能耗。如此鮮明的氣候?qū)Ρ龋瑫档徒ㄖ覂?nèi)的舒適度，因此北方寒冷地區(qū)的自然舒適度較低。為了降低建筑能耗、節(jié)約自然資源，同時盡可能以最低的成本打造人們?nèi)粘Ｋ枰氖覂?nèi)舒適環(huán)境，我國亟待將被動式設(shè)計方法引入公共建筑設(shè)計之中。

二、被動式建筑

我國作為一個歷史悠久的文明古國，在歷史發(fā)展過程中形成了“天人合一”和“以人為本”的思想，且這些思想都融入了我國的建筑設(shè)計。如北京的四合院，其坐北朝南的布局使得建筑可以獲得盡可能多的采光。在四合院的內(nèi)部，東西南北各個方位的房間各自獨(dú)立，并且拉開了一定的距離，以內(nèi)庭院的存在豐富了建筑的使用空間。四合院的墻體一般都是厚重的，這樣可以在夏季阻擋太陽輻射，而冬天則可以有效阻擋寒風(fēng)，從而提高建筑的舒適度。

而在干燥少雨、冬季寒冷的陜北地區(qū)，人們順應(yīng)山地地勢建造了窯洞。窯洞封閉內(nèi)斂，主要的形體都隱藏在了黃土之中，沒有過多形體的變化，且冬暖夏涼，使建筑融入了自然。在新疆地區(qū)，當(dāng)?shù)貧夂蚴指珊?，降雨量特別少，并且太陽輻射強(qiáng)，日照時間長，因此該地區(qū)的民居形成了自己的風(fēng)格。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939

新疆民居大多以未焙燒而僅僅做了簡單加工的原生土為材料，就地取材，并且生土導(dǎo)熱系數(shù)小，熱惰性大，隔熱性好。這里的建筑大多采用半地下的形式，而且建筑與建筑之間互相遮蔽，形成室外“灰空間”和“冷巷”，以方便人們在炎熱的夏天在建筑之間穿行、納涼。除此之外，我國的嶺南及皖南地區(qū)經(jīng)過長時間的實(shí)踐過程形成了結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、與環(huán)境和諧共生的被動式建筑類型。

我國節(jié)能建筑發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代，隨著國外掀起了被動式節(jié)能建筑的發(fā)展熱潮，我國也開始探索本土的被動式方法。在生態(tài)研究的視角下，吳良鏞先生曾提出了“廣義建筑學(xué)”的理念，將綠色生態(tài)的理念移植到了建筑設(shè)計和城市規(guī)劃之中，提倡建筑要與自然環(huán)境相融合，以此來建立可持續(xù)發(fā)展的人居生態(tài)環(huán)境。對此，我國逐步制定了從30%、50%、65%直至今日75%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，不斷降低建筑所產(chǎn)生的能耗。經(jīng)過長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累與我國建筑界人士的積極探索，我國也擁有了一套屬于我們自己的綠色建筑評價體系。

2010年，世界博覽會在上海舉行，展覽會以“城市，讓生活更美好”為主題，號召人們關(guān)注自然、人類、城市的共同發(fā)展。在展覽會城市實(shí)踐展區(qū)中，眾多國家的綠色可持續(xù)住宅構(gòu)思性設(shè)計得到了展出。在展覽會結(jié)束之后，德國將被動房“漢堡之家”作為禮物送給上海，這是被動房第一次在中國出現(xiàn)。世博會雖然展出了被動式建筑，但是并沒有引起廣泛的關(guān)注。直到2013年位于河北省秦皇島市的中德合作建造的被動式住宅房屋示范項(xiàng)目“在水一方”竣工，被動式建筑才在我國的建筑行業(yè)開始得到廣泛關(guān)注。而后經(jīng)過短短兩年的發(fā)展，到2015年12月，全國各處已建成的和計劃要建的被動式建筑項(xiàng)目就達(dá)到50多個。

近些年，被動式建筑在我國政府的積極提倡與推動下，在建筑界掀起了一陣建造熱潮，極大地推進(jìn)了我國被動式建筑的發(fā)展。

三、被動式公共建筑設(shè)計策略

（一）合理安排建筑布局

在我國的寒冷地區(qū)，人們對于建筑的采光有著非常高的要求，充足的采光可以保證建筑在冬季能得到足夠的熱量，為建筑在采暖季節(jié)提供良好的室內(nèi)熱環(huán)境，從而降低建筑因采暖所產(chǎn)生的能耗。而公共建筑因?yàn)槿藛T密度較高，更應(yīng)該加強(qiáng)采光，從而在寒冷的冬季為室內(nèi)盡可能多地補(bǔ)充熱量，營造良好的建筑室內(nèi)光環(huán)境。

對此，一方面，建筑的周圍應(yīng)當(dāng)盡量減少遮擋，以保證建筑獲得充足的光照;另一方面，必須充分考慮建筑所在地的光照情況，以此來確定建筑的具體建造方式及建筑的最佳朝向。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在我國寒冷地區(qū)，建筑的最佳朝向?yàn)檎戏较驏|西10度左右，而最不利的朝向是西側(cè)，因此在建筑設(shè)計上應(yīng)盡量避免在東西方向上布置主要的建筑功能用房。

（二）適當(dāng)控制建筑間距

公共建筑在建筑的間距上應(yīng)該滿足相關(guān)的消防要求及各類建筑規(guī)范的最低控制條件。針對不同的項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求合理安排建筑間距，盡量加大新建建筑與現(xiàn)有建筑之間的距離，以保證新建筑能獲得足夠的光照，同時應(yīng)該確保土地容積率在合理的范圍之內(nèi)。

（三）組織良好的自然通風(fēng)

在北方寒冷地區(qū)，建筑群的布局必須考慮到冬季和夏季的室外風(fēng)環(huán)境情況，考慮到夏季通風(fēng)與冬季防風(fēng)的要求。合理的建筑通風(fēng)可以在夏季去除室內(nèi)過多的熱量和污染，保證室內(nèi)有充足的新風(fēng)量，降低空調(diào)的制冷負(fù)載，營造舒適的建筑使用空間;在冬季，則可以避免室外冷風(fēng)帶走室內(nèi)熱量，減少建筑的熱量損失。寒冷地區(qū)建筑的自然通風(fēng)組織應(yīng)考慮三點(diǎn)：一是合理控制和利用場地地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向;二是避開建筑風(fēng)影區(qū)的不利因素;三是考慮建筑群體布局對場地內(nèi)自然通風(fēng)的影響，并通過建筑群體的布置對場地內(nèi)的自然風(fēng)進(jìn)行引導(dǎo)及控制其風(fēng)速。

（四）控制建筑形體

在寒冷地區(qū)，對建筑形體的控制在被動式建筑設(shè)計中具有明顯的作用。在進(jìn)行建筑設(shè)計時，要控制建筑物體形系數(shù)。建筑體形系數(shù)指的是建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。建筑體形系數(shù)數(shù)值越大，說明該建筑與室外空氣所接觸的面積越大，也說明該建筑物不利于在冬季保暖。因此，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于建筑的體形系數(shù)有明確的要求，如采用合理的建筑設(shè)計方案的單棟建筑面積應(yīng)小于800m2，其體形系數(shù)一般不會超過0.5。

（五）控制窗墻比

建筑的門窗構(gòu)件是建筑保溫方面最薄弱的環(huán)節(jié)，是冬季建筑熱損失最多的部位，同時夏季也是日照得熱最多的部位，因此建筑窗墻面積比的合理設(shè)計對于建筑保溫節(jié)能的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。近年來，為了提升建筑的通透性，公共建筑的開窗面積變得越來越大，這也導(dǎo)致了大量能源的浪費(fèi)。對于寒冷地區(qū)的公共建筑，我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其窗墻比應(yīng)一般不超過0.7。

（六）設(shè)計外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

提高建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是最直接控制建筑能耗的方式，因此在建筑設(shè)計時，應(yīng)對建筑墻體的傳熱系數(shù)、建筑的氣密性等做嚴(yán)格的要求，以滿足人們對建筑保溫的需求。

四、結(jié)語

隨著我國生產(chǎn)力水平不斷提高，我國人民對于生活的要求也在不斷提升。近些年來，“綠水青山就是金山銀山”的理念已漸漸深入人心，同時社會正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，綠色發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展是重要的發(fā)展方向。各類建筑物消耗了大量能源，因此在建筑中進(jìn)行節(jié)能設(shè)計是保護(hù)環(huán)境很有力的舉措之一，用盡量少的資源消耗來滿足人類對建筑的使用要求，也是現(xiàn)階段建筑設(shè)計所必須考慮的問題。除此之外，建筑設(shè)計必須考慮所處的地域環(huán)境，要使建筑設(shè)計能符合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能化，人們往往在建筑設(shè)計中考慮加入被動式的建筑設(shè)計。筆者認(rèn)為，被動式的建筑設(shè)計不能只是單一地考慮應(yīng)用某一種被動節(jié)能策略，而是應(yīng)注重多種方式之間的相互作用，在多種被動式技術(shù)之間合理組合，找到最合適的被動式建筑設(shè)計方法，同時要保障建筑的功能性及藝術(shù)性，以實(shí)現(xiàn)建筑藝術(shù)與建筑技術(shù)的完美統(tǒng)一。

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作者簡介：

孫明宇，河北建筑工程學(xué)院碩士研究生。研究方向：綠色建筑與建筑節(jié)能。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939