基于城市微氣候視角下的參數(shù)化建筑策略探析
——以城市綜合體設計為例

陳環(huán)玉 朱隅菡

（河南科技大學建筑學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

新時代城市發(fā)展背景下，城市居民生活需求多元化，單一的地產(chǎn)開發(fā)模式難以滿足需求。城市綜合體是集商業(yè)、辦公、居住等城市生活空間為一體的綜合性建筑，能夠極大限度地包含居民的日常活動內容。城市綜合體是一座城市更新發(fā)展的必然趨勢。與此同時，城市微氣候對人們有著不可忽視的影響，同時，對建筑的可持續(xù)發(fā)展以及節(jié)能耗能有一定的影響。因此，在對城市綜合體進行建設時有必要對城市微氣候所造成的影響進行研究，以減少其所帶來的不利影響［1］。

1 城市微氣候與建筑參數(shù)化表皮的關聯(lián)

建筑表皮是建筑與外界進行物質交換、接觸交流的主要界面，它影響室內環(huán)境的舒適度和建筑的運行能耗。

參數(shù)化數(shù)字模擬技術以及建筑設計方法為建筑應對微氣候調控帶來了機遇，建筑參數(shù)化可通過對表皮構件的智能調控，實現(xiàn)對各項微氣候因素所帶來的影響進行調節(jié)，從而適應不斷變化的外部微氣候環(huán)境以及建筑性能的需求。

2 城市微氣候對于建筑設計的影響

2.1 建筑設計適應微氣候變動的合理性

在實際建筑項目設計過程中，必須要結合當?shù)貧夂驐l件以及外部環(huán)境的變化，綜合氣候條件以及建筑設計概念進行項目設計。氣候變動是建筑設計的重要影響因素之一，故把控與調節(jié)氣候對建筑設計產(chǎn)生的影響尤為重要。因此，在設計前需了解建筑所在地的基本氣候要素，諸如溫度、降水、濕度等。在充分考慮實際情況后，進行科學分析，將設計思路轉換為對應的模式語言，以此保證建筑設計的有效性與先進性。

2.2 建筑設計適應氣候策略

2.2.1 建筑朝向選擇。對于建筑內部的居住使用者來說，舒適度是體驗感中最為重要的一點，而舒適度主要由建筑物的朝向決定。建筑物的朝向直接決定了室內的采光、溫度和通風等，滿足這幾點要求，居住使用者才能擁有最基礎的舒適體驗。而建筑的主要朝向受到日照和風向兩個因素制約。另外也應該考慮建筑日照時長、建筑間距的影響，針對各地區(qū)的氣候環(huán)境不同，將建筑的朝向與間距進行相應的調整［2］。

2.2.2 建筑的通風設計。在建筑設計中，建筑通風也至關重要。根據(jù)建筑地理位置的不同，風對于人們來說既是有利因素也是不利因素。在建筑項目設計中，對當?shù)鼐用裆盍晳T和本身地理氣候特征進行綜合考慮，制定一個舒適度較高的通風方案。例如：在一個小區(qū)的設計中，除了要考慮建筑日照以外，還要考慮通風。當?shù)氐臍夂驐l件為冬季寒冷潮濕、夏季潮濕悶熱，應當將通風防潮作為設計重點［3］。在對該小區(qū)進行設計時，應該將戶型定位兩梯兩戶，而不是兩梯四戶呈風車式布置，以保證南北風向貫通，有利于風經(jīng)過時產(chǎn)生穿堂風。不論在寒冷的冬季還是炎熱的夏季，形成對流，起到整體防潮通風的作用。

2.3 城市綜合體設計中對于微氣候的考量

城市綜合體包含內容廣闊，是以建筑群為基礎，融合商業(yè)零售、商務辦公、酒店餐飲、公寓住宅、綜合娛樂五大核心功能于一體的“城中之城”，其中商務辦公和公寓住宅一類可考慮高層建筑。高層設計中，建筑的朝向與通風更為重要，建筑表皮所接收的熱輻射直接關系到建筑室內能耗，若是能夠通過調節(jié)建筑表皮對太陽熱輻射變化的適應，則能夠有效減少不利的太陽熱輻射對室內溫度的影響。建筑的通風可以根據(jù)建筑開合形態(tài)從室外導入風，再從建筑體內導出風，帶走一部分可直接排放的廢氣和熱量，維持建筑內氣和熱的平衡［4］。

3 氣候分析

洛陽市位于河南省西部，地理坐標為東經(jīng)112°16'—112°37'，北緯34°32'—34°45'，屬于溫帶季風氣候，四季分明，春季干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和，冬季寒冷，年平均降水量530~1 100 mm，年平均氣溫14.86℃。

本次城市綜合體基地選取河南省洛陽市澗西區(qū)的一處地塊，基地大環(huán)境氣候依照洛陽市整體而定。

3.1 夏季與冬季風速以及風向

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進行模擬得到夏季主要風向如圖1所示和冬季主要風向如圖2所示，由圖中可以得到夏季的主導風向為東北風和西南風，風速最大超過7 m/s；而冬季的主導風向為東北風和西北風，風速最大超過7 m/s，由以上測算模擬結果得出在建筑設計上應當采取夏季形成穿堂風，使建筑產(chǎn)生微氣候適應自然風速朝向，在冬季時能夠抵御寒風的侵蝕。建筑高層自然形成閉合的形態(tài)抵御冬季寒風［5］。

3.2 全年溫度變化

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進行模擬得到基地全年溫度變化，7—9月的溫度最高達到37.20℃，此時段溫度最高，在3—5月溫度在9.42～23.31℃之間浮動，呈現(xiàn)上升趨勢，在9—11月也在9.42～23.31℃之間浮動，呈現(xiàn)下降趨勢，而在其他月份溫度都在14.05℃以下。綜上所述，在建筑設計過程中，應該注意夏季散熱、冬季保暖措施的實施，結合圖1和圖2進行通風綜合處理。

圖1 夏季風玫瑰圖

圖2 冬季風玫瑰圖

3.3 全年輻射變化

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進行模擬得到基地全年輻射變化，得到總輻射朝向主要為西南方向如圖3所示；故在建筑的表皮設計中應該注意防輻射，結合開窗設計，抵擋太陽的輻射，保障基本的居住或者使用者的舒適度。

圖3 總輻射

4 建筑表皮參數(shù)化適應氣候

4.1 表皮系統(tǒng)概念

氣候表皮作為一種輔助功能被用于改變建筑被動式生長，展現(xiàn)出綠色低碳環(huán)保的一面，通常情況下通過構件運動、功能變化以及材料性能等一些控制手段，將室內環(huán)境進行調解以滿足居住使用者的舒適需求，良好的建筑表皮可以控制室內的通風、熱量、日照和眩光等，維護內部環(huán)境的動態(tài)平衡。為了能夠實現(xiàn)這種與氣候環(huán)境十分貼切的表皮，則應該將建筑表皮的各種變量進行良好的控制。在表皮構建的過程中，涉及兩種機制，一種是規(guī)避機制，利用建筑表皮作為建筑隔絕外界不利因素的保護罩，可在夏季抵擋炎熱，在冬季防御寒冷，但是不可避免的是會形成高能耗的設備代價［6］。第二種是調節(jié)機制，調節(jié)機制與前者不同的是，調節(jié)機制把表皮當作過濾器，在室外氣候宜人的時候，以“積極”的方式將自然氣候資源引入室內，調節(jié)室內微氣候。調節(jié)機制應最大限度利用氣候資源，以實現(xiàn)室內外環(huán)境更新為原則，主要利用自然通風、自然采光和遮陽裝置等被動式技術手段來滿足室內的舒適度需求，盡量降低建筑能耗［7］。

氣候適應性建筑表皮應該在綜合兩種機制同時，考慮以被動式為主，以主動式為輔，將規(guī)避機制和調節(jié)機制聯(lián)合運用，冬季嚴寒和夏季酷暑要求建筑表皮啟用規(guī)避機制，氣候溫和的春秋兩季則可運用調節(jié)機制。在一天中的不同時段，兩種機制應根據(jù)氣候變化進行切換，其切換頻率取決于當?shù)氐臍夂騾^(qū)劃和天氣條件。兩種機制相輔相成，結合運用，讓建筑表皮的氣候適應能力更強［8］。

4.2 表皮系統(tǒng)的運用

在此次設計中，綜合前期建筑基地分析、建筑功能分析以及氣候分析，最終先將建筑體塊進行確定，再結合基地風環(huán)境以及周邊建筑的日照時長影響，對建筑進行綜合分析，最終確定表皮跟隨輻射大小的變化而變化。以城市綜合體的高層為例，高層高度高、面積大，受采光和通風的影響較大。首先運用Ladybug tools工具對建筑體塊進行日照時長分析，對其受到的輻射影響進行分析，以此作為開窗大小的依據(jù)。進行模擬分析之后，運用Grasshopper中插件組塊，將建筑表皮所受到的輻射進行映射，映射成開窗大小，輻射較大的地方開窗小，輻射較小的地方開窗大，再結合運用雙表皮系統(tǒng)，形成最終的建筑表皮系統(tǒng)。對于Grasshopper中算法的處理，具體如下。

首先，最重要的一部分為太陽熱輻射電池算法，首先導入EPW氣象文件，通過Grasshopper中的Ladybug電池組件進行連接模擬，在電池塊中指定模擬對應的時間、精度以及熱輻射結果要映射的模型表皮等，最后由附著藍色較冷色調到橙紅色較暖色調及其中間過渡顏色的表皮共同表達最終模擬結果。顏色越偏冷色調，則在模型表皮的位置受到的太陽輻射越少，反之，顏色越偏暖色調，則在模型表皮的該位置受到的太陽輻射較多。

其次，建筑表皮的基本開窗形式，主要運用Grasshopper中的Lunchbox電池組件進行連接模擬，導入基本的建筑表皮，用Lunchbox電池組件中的相關電池將表皮按照指定的數(shù)量和大小進行切分，分成若干個獨立的三角形表皮，同時將其改為MESH面，這樣有助于在計算機進行模擬時，減少卡頓［9］。

最后，將上述的三角形表皮按照奇偶排序進行分組，僅將其中一半的表皮作為開窗，分解原來的MESH面，找出某個頂點和頂點對應的邊，取中點，隨后連線求中線。同時，將太陽熱輻射值通過MESH面進行映射，映射目標區(qū)間要位于“單位一”內，根據(jù)輻射映射值，求出中線上的分割點，同時要注意曲線需要“單位一”化，根據(jù)原來的頂點及中線分割點重新生成2個MESH面（一個三邊面，一個四邊面），連接時點需要按順序逆時針方向連接。再將這兩部分的MESH面用不同的顏色進行區(qū)分，可以將模擬的表皮顏色與太陽熱輻射值所對應的顏色進行對照，得出建筑表皮的開窗大小隨著太陽輻射值同步變化。

通過上述電池模擬過程可以根據(jù)當?shù)貧夂驍?shù)據(jù)調節(jié)相應的建筑表皮開窗大小，那么在一座城市中，若想要從建筑微氣候入手，實現(xiàn)建筑的被動式節(jié)能，可采用本研究所論述方式。

通常在高層建筑中，能夠實現(xiàn)有效的自然通風也是至關重要的，不僅僅通過建筑體塊的布局適應被動式氣流流向，也同時需要依靠具體的表皮系統(tǒng)進行協(xié)助，但是隨著建筑高度的增加，建筑表面的風壓也隨之加大，因此并不利于高層建筑外表面窗扇的開啟［10］。所以，可以將調節(jié)氣流的任務置于雙層表皮系統(tǒng)中，將室外氣流引入室內之后，外表皮首先降低了內表皮的風壓，使內表皮可以直接開窗通風。設計中運用雙層玻璃幕墻和百葉狀雙層表皮。在雙層表皮系統(tǒng)中，外表皮不直接開窗，主要是起著遮蔽和防輻射作用，再利用通風口將室外氣流進行導入，讓氣流在內、外表皮系統(tǒng)中形成自然通風。

在建筑表皮系統(tǒng)上，運用上述方案進行優(yōu)化太陽輻射對于建筑本體的影響，同時參考洛陽市夏季風與冬季風以及全年風向，運用參數(shù)化對于建筑邊庭空間進行優(yōu)化。

5 結語

在未來城市建筑發(fā)展過程中，不僅僅要注重建筑的內部功能可使用性，以及建筑的美觀與否，還要關注氣候環(huán)境的影響，運用參數(shù)化技術解決城市建筑現(xiàn)有的問題，將更多的可適應性綠色節(jié)能技術置于建筑設計中，與生態(tài)環(huán)境保持均衡，創(chuàng)造更適宜人居住的環(huán)境。