建筑物理環(huán)境的探討

唐慧華

廣東白云學(xué)院 廣東 廣州 510450

1 建筑的熱環(huán)境考慮

1.1 濕熱環(huán)境

首先，我們應(yīng)當(dāng)明確熱環(huán)境包括干熱和濕熱兩種。以廣州為例，屬于典型的濕熱環(huán)境，氣候特點(diǎn)是溫度高，空氣濕度大。特別春夏之時(shí)，該地區(qū)降雨量大，空氣中的含水量多。濕熱地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)，針對(duì)濕和熱兩個(gè)問(wèn)題，會(huì)考慮相應(yīng)的措施。比如，為改善室內(nèi)濕環(huán)境，通常有通風(fēng)措施。通風(fēng)既能快速帶走熱量，也能使室內(nèi)的空氣濕度降低。在大量降雨的時(shí)候，空氣含水量非常高，而春末夏初之際，室內(nèi)的材料表面溫度較低，含水量較大的空氣遇到室內(nèi)的冷表面，容易冷凝結(jié)成水。室內(nèi)的水量過(guò)多時(shí)，引來(lái)諸多不便，十分妨礙人們的生活。為解決這種冷凝水的煩惱，可以考慮通風(fēng)帶走水汽。不過(guò)通風(fēng)的時(shí)間段，要選擇合適時(shí)間，需在室內(nèi)溫度回升后打開(kāi)窗通風(fēng)才可以達(dá)到效果。如果在室內(nèi)溫度低外界濕度大的情況下開(kāi)窗通風(fēng)，只會(huì)讓室內(nèi)的冷凝水越來(lái)越多。冷凝水會(huì)使家具受潮、地面打滑等等，妨礙人的室內(nèi)活動(dòng)。

改善建筑的濕環(huán)境除了通風(fēng)，還有很多其它措施。濕熱地區(qū)出現(xiàn)受潮最嚴(yán)重的區(qū)域是底層，因?yàn)榈讓臃课葙N近地面，而地面的土體量大，蓄熱能力強(qiáng)，經(jīng)歷一個(gè)冬季后，土體的溫度較低。如果外界相對(duì)高溫高濕的氣體遇到較低溫度的土體表面，就會(huì)冷凝出水，所以在建筑設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮首層架空，不做居住用途。在古建筑中，南方有很典型的干欄式建筑，常就地取材用竹木搭建而成，而首層都是架空，可作飼養(yǎng)家畜之地。上層住人，有效地避免居住環(huán)境太過(guò)潮濕。當(dāng)代建筑首層設(shè)計(jì)為架空層時(shí)，可將首層作為居民活動(dòng)休閑之地。當(dāng)然，建筑的其它樓層也要考慮防潮措施，比如室內(nèi)的建材考慮得當(dāng)，也可以有效地防潮。一般來(lái)說(shuō)，室內(nèi)地面鋪設(shè)大理石磚會(huì)比鋪木地板的更容易出現(xiàn)泛潮現(xiàn)象，因?yàn)椴煌牧系男顭嵝阅懿灰粯?，回溫時(shí)間不同，所以出現(xiàn)的潮濕狀況也不同。合理地考慮材料，能使得室內(nèi)的濕環(huán)境得到有效的改善。

對(duì)于改善室內(nèi)的熱環(huán)境，在建筑上也有多種考慮。比如古建筑中，常做冷巷、天井等設(shè)計(jì)，都是為了改善熱環(huán)境。狹長(zhǎng)的冷道為冷巷，人走在其中感覺(jué)到非常涼快。因?yàn)轱L(fēng)在狹小面積經(jīng)過(guò)時(shí)，風(fēng)速會(huì)增大，加快人體表面熱蒸發(fā)，使人感到?jīng)鏊?。而天井的設(shè)計(jì)，可以避免大量的陽(yáng)光直接照射進(jìn)入房屋，使建筑處于陰涼之中。而且小開(kāi)口的天井還具有拔風(fēng)效果，因?yàn)樘炀喜康臏囟容^高，熱空氣密度較小就會(huì)往上走，在天井高處形成低壓區(qū)，吸引下部的高壓區(qū)氣體來(lái)補(bǔ)充，這樣形成從下往上的風(fēng)流動(dòng)效果，稱之為拔風(fēng)。風(fēng)的流動(dòng)使人感覺(jué)到?jīng)鏊?，改善了熱環(huán)境。如今的建筑要設(shè)計(jì)出天井形式，一般在公共建筑多見(jiàn)，公用建筑下部開(kāi)闊設(shè)計(jì)用于人流走動(dòng)，上部小開(kāi)口避免陽(yáng)光直射，是類似于古建筑的天井作用。不過(guò)現(xiàn)代公共建筑多采用空調(diào)系統(tǒng)，所以上部開(kāi)口不經(jīng)常開(kāi)啟，拔風(fēng)效果不如古建筑的天井。

上述建筑的拔風(fēng)效果主要是通過(guò)熱壓形成的風(fēng)流動(dòng)，另外，建筑的風(fēng)環(huán)境還可以通過(guò)風(fēng)壓形成。比如，廣州地區(qū)夏季主要吹的是東南向的海風(fēng)，因?yàn)槲覈?guó)東南向是大面積的海洋，夏季的時(shí)候容易形成海陸風(fēng)。海陸風(fēng)的形成是因?yàn)殛懙睾秃Ｑ蟮男顭崃坎灰粯?，炎熱白天的時(shí)候，陸地升溫快，熱空氣往上走，地面形成相對(duì)低壓區(qū)，而海洋因?yàn)樾顭崃看笏陨郎芈?，近海面氣壓相?duì)較高，較高壓力的海面氣體流向較低氣壓的陸面，便形成了從海面吹向陸地的風(fēng)。那么設(shè)計(jì)建筑的時(shí)候，可以考慮南北通透，這樣夏季白天，南向的風(fēng)從建筑正面進(jìn)入，貫穿建筑從北向出去，使得風(fēng)在建筑中經(jīng)過(guò)的時(shí)候有效地帶走熱量，給建筑通風(fēng)散熱。

不過(guò)，建筑的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)還需注意很多方面。特別是越高的建筑受風(fēng)力影響越多，大量的風(fēng)吹到建筑迎風(fēng)面時(shí)會(huì)形成一個(gè)正壓區(qū)，在建筑前方造成推力。而建筑背風(fēng)面存在負(fù)壓區(qū)，會(huì)吸引風(fēng)反流向建筑背面，亦是形成一個(gè)推力。當(dāng)建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面都有推力的時(shí)候，建筑會(huì)在前后的推力作用下?lián)u擺，越高的建筑搖擺越嚴(yán)重。為了避免這種風(fēng)力的影響，一般需要專門(mén)設(shè)計(jì)考慮。比如可以在建筑上開(kāi)貫通風(fēng)口，直接使得迎風(fēng)面的風(fēng)力降低。且可考慮在貫通風(fēng)口加入垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)力轉(zhuǎn)化為電力供給大樓應(yīng)用，使得建筑更節(jié)能環(huán)保。貫通風(fēng)口還可以使得迎風(fēng)面的風(fēng)盡快補(bǔ)給背風(fēng)面，這樣背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)慢慢變成正壓區(qū)，就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的反推力。

當(dāng)然，在濕熱地區(qū)的防熱措施還有很多。比如，屋頂設(shè)計(jì)考慮坡屋頂，會(huì)比平屋頂更適合。首先，因?yàn)闈駸岬貐^(qū)降水量大，坡屋頂更利于排水。而且，一般來(lái)說(shuō)，坡屋頂比平屋頂更高，其延長(zhǎng)了熱量傳遞的時(shí)間。屋頂作為水平面，受陽(yáng)光照射的時(shí)間長(zhǎng)，將屋頂做的越高，其擁有更多的空氣層緩沖熱量向下傳遞，使得下部受熱時(shí)間延緩。以此類推可知，在一些高穹頂?shù)拇蠼烫玫冉ㄖ?，炎熱夏季走進(jìn)去時(shí)，總是感到很陰涼，便是因?yàn)槲蓓斢凶銐蚝竦目諝鈱泳彌_熱量向下傳遞。

綠植引入到建筑也是防熱的一大措施，綠色植物的枝葉能讓建筑住處于陰涼區(qū)，避免太陽(yáng)直射。所以，現(xiàn)在通常會(huì)在墻體和屋頂栽種綠植，用于夏季遮陽(yáng)。綠植宜選擇落葉喬木，夏季能保證遮陽(yáng)，冬季喬木落葉后不能遮擋陽(yáng)光，使得建筑暴露在陽(yáng)光下，接受光和暖[1]。不過(guò)，為避免植物對(duì)結(jié)構(gòu)層的破壞，不得選用深根植物。且要做好灌淋系統(tǒng)，保證植被有充足的水分不枯萎。

當(dāng)然，除了綠植遮陽(yáng)，還會(huì)考慮固定遮陽(yáng)構(gòu)件，比如窗口附近設(shè)計(jì)相應(yīng)的遮陽(yáng)板，根據(jù)太陽(yáng)的高度角不同，有水平、豎直等遮陽(yáng)構(gòu)件。屋頂也可以做遮陽(yáng)板用于遮陽(yáng)，但考慮遮陽(yáng)構(gòu)件尺寸和造型時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如夏季和冬季的太陽(yáng)高度角明顯不會(huì)相同，我們?cè)谠O(shè)計(jì)遮陽(yáng)板的時(shí)候，要充分滿足夏季遮陽(yáng)，還要考慮使得冬季的陽(yáng)光能照射到建筑上，避免冬季時(shí)建筑處于陰冷環(huán)境而太冷。

1.2 干熱環(huán)境

某些地區(qū)是干熱環(huán)境，氣候特點(diǎn)是溫度高，空氣濕度低，全年降水量少。這樣的地區(qū)因?yàn)槿彼?，土地沙化?yán)重。而沙化的土地蓄熱量低，所以即使這種地方白天溫度高，但日落以后，溫度會(huì)下降得非?？欤瑫?huì)有早穿棉襖午穿紗的情況。

在干熱地區(qū)設(shè)計(jì)房屋，不能再開(kāi)大窗通風(fēng)以求達(dá)到降熱，因?yàn)樵摰貐^(qū)的風(fēng)夾帶大量沙，吹進(jìn)室內(nèi)的沙會(huì)嚴(yán)重影響人的正常生活。這類地區(qū)主要設(shè)計(jì)為小窗，防止風(fēng)沙進(jìn)入室內(nèi)。而為了防熱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)多考慮隔熱效果好的材料。以往，隔熱材料缺乏的情況下，居民一般通過(guò)加大墻體厚度，達(dá)到減少外界熱量傳遞到室內(nèi)。如今，可考慮的隔熱材料非常多，選擇導(dǎo)熱系數(shù)小又輕質(zhì)的隔熱材料，不僅隔熱，也不會(huì)給建筑帶來(lái)額外過(guò)多的重量。

輕質(zhì)的隔熱材料有很多，比如空心磚，既能做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又因?yàn)槠溆休^為封閉的空氣層，比相同厚度的實(shí)心磚隔熱系數(shù)要小得多。如果在干熱地區(qū)采用空心磚砌筑墻體，不僅可用于白天的防熱，也能避免晚上室內(nèi)的熱量散失，起到很好的隔熱保溫作用。除了空心磚，還可以考慮聚苯乙烯板等無(wú)機(jī)泡沫板材作為保溫隔熱的材料，這種板材可以直接貼裝在墻體上，可以安裝在室內(nèi)也可以安裝在室外，一般情況下，安裝在室外比較常見(jiàn)。因?yàn)樵谑彝獠粫?huì)擠占室內(nèi)空間，施工的時(shí)候也不會(huì)對(duì)室內(nèi)造成過(guò)多影響，還能保護(hù)墻體不直接受日曬雨淋的侵蝕。不過(guò)，安裝在室外，雖然保護(hù)墻體，但自身耐久性會(huì)降低，容易損壞。還可以考慮夾芯安裝，在空心磚里的空心間層里放置保溫隔熱板，既不會(huì)占用室內(nèi)的空間，又不會(huì)受到外界日曬雨淋的破壞。不過(guò)，這種安裝仍然存在缺陷，比如室內(nèi)外溫差和濕度相差較大時(shí)，容易在中間層產(chǎn)生冷凝水。而且材料達(dá)到使用年限以后，極其難換置，如果換置會(huì)把墻體弄壞，顯然是影響建筑和人的生活。所以如果要選擇夾芯安裝，一般考慮在建筑與材料同壽命的情況下比較適宜。

2 建筑的光環(huán)境考慮

2.1 天然采光

建筑的光環(huán)境分別考慮天然光和人工光照明。天然光照明，一般通過(guò)開(kāi)窗設(shè)計(jì)滿足。理論上講，窗洞口開(kāi)的越大，進(jìn)入室內(nèi)的光線越多。比如以廣州地區(qū)分析，本就因?yàn)樾枰L(fēng)散熱，所以開(kāi)大窗，但該地區(qū)降雨量多，為避免大窗引入大量的雨水，窗戶上方應(yīng)該還可以考慮設(shè)計(jì)雨篷，用于避雨。但單純的雨篷，用途單一，較為浪費(fèi)。所以大多數(shù)情況下，特別是公共建筑設(shè)計(jì)會(huì)考慮外走廊。外走廊的設(shè)計(jì)，既可以避免雨水直接進(jìn)入室內(nèi)，還可以兼做雨篷用途。且能作為光的反射途徑，使得直接光不直接進(jìn)入室內(nèi)，而是通過(guò)外走廊的反射面，讓反射光進(jìn)入室內(nèi)。直射光容易帶來(lái)眩光問(wèn)題，反射光就不會(huì)。所以，我們對(duì)于室內(nèi)要引入的天然光，一般更喜用反射光。

窗洞口作為建筑的采光洞口，是室內(nèi)獲得天然光的一種形式。常見(jiàn)的窗洞口有側(cè)窗，而側(cè)窗因?yàn)榇芭_(tái)高度的不一樣，可以分為低側(cè)窗和高側(cè)窗。低側(cè)窗的近窗口處采光量大，所以在窗洞口附近的照度好。不過(guò)，窗間墻的大小、窗戶的形狀等因素都會(huì)影響到室內(nèi)的采光效果。根據(jù)建筑的用途，合理考慮側(cè)窗的類型，如學(xué)生較多的教室設(shè)計(jì)，窗間墻盡量小，窗戶形狀多考慮橫長(zhǎng)方形，這樣采光量多，利于照明。而居民樓的側(cè)窗，特別是臥室，窗間墻設(shè)計(jì)宜大，窗戶形狀一般考慮豎長(zhǎng)方形，利于保護(hù)居民的隱私空間。一般來(lái)說(shuō)，窗臺(tái)高于兩米的稱之為高側(cè)窗。高側(cè)窗可以改善建筑進(jìn)深的照度，因?yàn)槠浯芭_(tái)高，所以照射進(jìn)入到室內(nèi)的光線比較遠(yuǎn)，近窗口處的照度反而較低。而且高側(cè)窗因?yàn)榇芭_(tái)高，所以下面的墻體可以有效利用，一些展覽館便是常做高側(cè)窗來(lái)使得室內(nèi)有更多的墻體掛展品。如果有些建筑不適合在墻體上開(kāi)側(cè)窗，就會(huì)考慮在屋頂開(kāi)洞口采光，稱之為天窗。

除了窗戶作為采光洞口，有些地方還會(huì)采用采光筒。采光筒一般包括采光罩、反射筒、透光器三個(gè)部分。通常是把采光罩布置在直射光大的地方，使得光線進(jìn)入到反射筒，光線在反射筒中不斷反射，最終到需要出光的地方設(shè)置透光的裝置，使光線散入室內(nèi)。需要注意的是，采光罩可以是透明的且含有可選擇光波的涂層，當(dāng)太陽(yáng)光照射到罩表面時(shí)，長(zhǎng)波紅外線和短波紫外線都可以被隔絕在外不進(jìn)入室內(nèi)，只讓可見(jiàn)光進(jìn)入室內(nèi)。采光筒可以用筒狀管道反射光傳輸?shù)剿璧膱?chǎng)所，不過(guò)光筒不易于彎折，占用一定空間，所以也可以采用光纖，光纖易于彎折，占用面積小，反射率也高，適合代替采光筒反射光源。

2.2 人工照明

當(dāng)天然光不足以照明之時(shí)，多采用燈具補(bǔ)給照明。燈具的種類很多，白熾燈之類照明燈具一般不會(huì)再使用，因?yàn)槠潆娔苻D(zhuǎn)化為光能的效率低下，大量的電能轉(zhuǎn)為熱能，帶來(lái)光亮的同時(shí)帶來(lái)大量的熱量，極為不環(huán)保節(jié)能。熒光燈是氣體放電光源，里面加了熒光粉，有可能含有汞，廢棄以后的燈管對(duì)環(huán)境有影響。而固體放電光源不僅發(fā)光效率高，而且并不含汞等危害元素，所以是現(xiàn)在大多數(shù)人的選擇。

人工照明的布置需要合理布置，數(shù)量不能太少，以免光照不足影響視覺(jué)。但數(shù)量也不能過(guò)多，因?yàn)檫^(guò)多的燈具浪費(fèi)電力，且光照太亮，會(huì)引起眩光，使得視覺(jué)不適。

3 建筑的聲環(huán)境考慮

3.1 吸聲材料

噪聲的問(wèn)題是現(xiàn)在普遍值得重視的問(wèn)題，一個(gè)良好的聲環(huán)境，使得室內(nèi)更適宜人生活。避免聲音對(duì)室內(nèi)的影響，可以從吸聲和隔聲兩個(gè)方面解決。

吸聲一般是把聲音消耗成熱能，通常室內(nèi)采用的吸聲材料是多孔吸聲材料，可以讓聲音進(jìn)入到材料內(nèi)部，通過(guò)與孔道進(jìn)行摩擦生熱，轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。不同多孔材料的吸聲性能不一樣，理論上說(shuō)，材料內(nèi)部孔隙率越大，孔道越彎折，消耗聲能越完全，吸聲效果越好。

還有很多影響吸聲系數(shù)的因素，比如材料的厚度，厚度越大，聲音消耗成熱能的通道就越長(zhǎng)，吸聲系數(shù)就越大。但是過(guò)大厚度的材料，會(huì)占用更多的空間，特別是在室內(nèi)使用吸聲材料時(shí)，過(guò)大的厚度擠占空間利用率，會(huì)使得空間顯得過(guò)于壓抑。

材料的密度越小，孔隙率越大，吸聲系數(shù)一般也越大。但也不能無(wú)限減小材料的密度，因?yàn)槊芏忍?，材料?nèi)部的孔隙率大，孔道不夠蜿蜒曲折，消耗聲能不夠徹底，所以并不會(huì)使吸聲系數(shù)進(jìn)一步增大。而過(guò)大密度的材料，其空隙被堵塞，消耗聲能的孔道不夠多，吸聲系數(shù)也低。所以，任何一種吸聲材料都有合適的密度，不能過(guò)小也不能過(guò)大。

還要注意材料的防水，因?yàn)椴牧蠞駶?rùn)后，水分會(huì)占據(jù)空隙，使得聲能因?yàn)橛兴淖璧K而無(wú)法消耗，為了避免水的侵蝕，一般情況下，我們都會(huì)將吸聲材料安裝在室內(nèi)。如果安裝在室外，不可避免地受到風(fēng)吹雨打，材料或多或少地遭受破損。吸聲材料的安裝也需要注意，如果是貼著墻壁安裝，其吸聲系數(shù)不如安裝時(shí)與墻壁留有一定距離。因?yàn)榱粲幸欢ň嚯x便是多了一層空氣層，能增加消耗聲能的途徑。

除了多孔吸聲材料，還有共振吸聲結(jié)構(gòu)，其吸聲原理是讓聲波入射到材料上時(shí)引起共振，當(dāng)聲波的頻率與材料的頻率達(dá)到一致時(shí)，振幅最大，共振消耗的聲能也就越多。但共振結(jié)構(gòu)的缺陷也比較明顯，因?yàn)榭抗舱裎暎怨舱耦l率下的吸聲系數(shù)大，但其它頻率的吸聲系數(shù)就小。一般來(lái)說(shuō)，該結(jié)構(gòu)的對(duì)聲音的吸聲頻率較單一，不如多孔吸聲材料的吸聲頻率廣。常見(jiàn)的共振吸聲結(jié)構(gòu)有穿孔板，其板的質(zhì)量、穿孔率等因素影響了共振吸聲頻率。所以，可以通過(guò)調(diào)整影響因素改變共振頻率，使得其符合室內(nèi)常見(jiàn)的聲波頻率，達(dá)到更好的吸聲效果[2]。

3.2 隔聲材料

聲音入射到材料表面時(shí)，一部分被反射，一部分被吸收，剩余的部分會(huì)透過(guò)材料傳遞到室內(nèi)。隔聲是使聲能多被反射，被反射后的聲能因?yàn)闆](méi)進(jìn)入到室內(nèi)，所以不會(huì)對(duì)室內(nèi)聲環(huán)境造成影響，但是聲音還是在室外傳播。隔聲屏障通常會(huì)和吸聲材料結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，所以，材料既能隔斷一部分聲能，也能吸收一部分聲能，最終使得室內(nèi)保證更好的聲環(huán)境。

4 結(jié)論

1、建筑的熱環(huán)境有干熱和濕熱區(qū)別，每種熱環(huán)境的建筑設(shè)計(jì)考慮不同，因?yàn)榭諝獾臐穸炔灰粯樱越ㄖ南嚓P(guān)設(shè)計(jì)不一樣。

2、建筑照明有天然采光和人工照明，天然采光和人工照明都是建筑光環(huán)境的需考慮的。兩者互補(bǔ)于光環(huán)境，使得建筑采光更有利于生活。

3、室內(nèi)的聲環(huán)境，考慮吸聲和隔聲兩種控制，吸聲是把聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，隔聲是隔斷聲音向室內(nèi)傳播，使聲音反射到室外。