辦公建筑中具有被動(dòng)式潛力的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

王強(qiáng) 馬靜

摘 要：針對(duì)辦公建筑高能耗的現(xiàn)象，從空間組織中各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化入手，以實(shí)現(xiàn)辦公建筑的綠色設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)。應(yīng)用類型學(xué)和案例分析的研究方法，分析相關(guān)實(shí)例的空間組織，分別從外部空間、內(nèi)部空間和圍護(hù)界面三個(gè)方面提取與辦公建筑空間組織相關(guān)的各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：辦公建筑；空間組織；綠色建筑；空間節(jié)點(diǎn)

作為一類重要的公共建筑，辦公建筑的建筑面積占公共建筑的40%以上，其總能耗也呈此趨勢(shì)[1]。由此可見，辦公建筑具有較高的節(jié)能潛力且兼具重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何降低辦公建筑的能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展，一直是綠色建筑領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題。為解決由建筑設(shè)計(jì)欠缺引發(fā)的人際交往問題，將建筑空間組織與被動(dòng)式設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以在創(chuàng)造豐富的空間形態(tài)的同時(shí)，創(chuàng)造舒適的物理環(huán)境以滿足人際交往需求。被動(dòng)式設(shè)計(jì)被人們普遍認(rèn)為是建筑師在綠色建筑設(shè)計(jì)中可以掌控的一個(gè)切入點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代以來，世界諸多氣候區(qū)的建筑師做出了相應(yīng)的建筑實(shí)踐，值得借鑒[2]。

一、建筑外部設(shè)置可調(diào)節(jié)微氣候的緩沖空間

根據(jù)空間類型及要素，其分為綠化和水體、庭院和冷巷、灰空間等形式。這類空間對(duì)于建筑內(nèi)部的氣候環(huán)境有著間接的影響，因此這類空間的環(huán)境是一個(gè)不容忽視的設(shè)計(jì)點(diǎn)，可設(shè)置可調(diào)節(jié)微氣候的緩沖空間。

（一）綠化和水體的設(shè)計(jì)

綠化和水體對(duì)微氣候的影響主要體現(xiàn)在溫度、濕度、風(fēng)速等氣候因子上。

相關(guān)研究表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠化的研究主要包括植物群落類型、布局形式和植物配置結(jié)構(gòu)等與微氣候的關(guān)系，這些研究強(qiáng)調(diào)了樹木遮陰蔽涼的重要性，提出喬—灌—草的最優(yōu)植物配置模式。選用葉面積指數(shù)大的植物，以喬灌結(jié)構(gòu)為主、帶狀布局的植物群落，對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)作用較好[3]。合理設(shè)置不同高度的高大植物，會(huì)對(duì)場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。具體來說，高低錯(cuò)落的不同樹木的組合使風(fēng)導(dǎo)向不同的方向。基于建筑通風(fēng)需求，可以將低矮的樹木設(shè)置在建筑主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)的較遠(yuǎn)處，而將高大的樹木設(shè)置在建筑近側(cè)，以收集不同高度的自然風(fēng)?；诮ㄖ里L(fēng)要求，則通過相反的邏輯，將高大的樹木設(shè)置在較遠(yuǎn)處，低矮的樹木設(shè)置在近處，使自然風(fēng)向建筑上端進(jìn)行疏導(dǎo)。人造水體具有良好的降溫加濕的作用，在水體的處理上，盡量設(shè)置在夏季主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面一側(cè)。

（二）庭院和冷巷空間的設(shè)計(jì)

庭院是在建筑中間開放的外部場(chǎng)所，通過半融入建筑的形式，對(duì)建筑內(nèi)部環(huán)境采光、通風(fēng)等因素都有著較大影響。冷巷是我國(guó)南方地區(qū)特別是嶺南地區(qū)的建筑外部空間形式，指房屋之間相互交錯(cuò)而成的一種相對(duì)狹窄的小巷。單純的院落民居天井通常情況下只起風(fēng)壓作用，增加了冷巷，就可以有熱壓作用。冷巷的通風(fēng)效果與朝向有密切關(guān)系，嶺南地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南或南，因此冷巷一般為南北向。

針對(duì)不同的氣候類型，庭院和冷巷空間有著不同的設(shè)計(jì)要求。在主要考慮夏季的炎熱地區(qū)，可采用進(jìn)深較淺的庭院和小的通風(fēng)天井的形式以促進(jìn)氣流的流動(dòng)，也可以考慮利用冷巷空間。在主要考慮冬季寒冷氣候的地區(qū)，需要盡量保持界面的開闊性，同時(shí)加大庭院的進(jìn)深以保證充足的日照時(shí)間。由于冬季氣候寒冷，我國(guó)北方的建筑以較大的樓間距和低矮的樓體為特征，內(nèi)院式的建筑也盡量保持院落的長(zhǎng)進(jìn)深，因此，為吸取太陽輻射熱，需要保證室外空間足夠開敞。

（三）灰空間的設(shè)計(jì)

在色彩中，灰色代表著具有不明確或不明顯的傾向性的色彩?；铱臻g在某些意義上，既不屬于室外，也不屬于室內(nèi)，是一種“第三空間”。從氣候?qū)傩陨峡?，灰空間偏向于室外空間，受到自然風(fēng)環(huán)境和光環(huán)境的直接影響并擁有更多的環(huán)境接觸面?；铱臻g對(duì)于室內(nèi)空間的主要影響是可以利用自身形體遮陽形成陰影區(qū)，并疏導(dǎo)自然風(fēng)。室外灰空間主要有架空式、檐下式、雙層外墻式等設(shè)計(jì)形式。

二、內(nèi)部空間設(shè)計(jì)挖掘被動(dòng)式潛力

辦公建筑的內(nèi)部空間主要由主要功能空間和輔助空間構(gòu)成。辦公建筑內(nèi)部空間各要素的組織設(shè)計(jì)都具有較大的被動(dòng)式潛力，探索內(nèi)部空間各節(jié)點(diǎn)的針對(duì)性設(shè)計(jì)策略，能夠大幅度提升辦公建筑的節(jié)能效率。

（一）主要功能空間設(shè)計(jì)

1.常規(guī)條件下主要功能空間設(shè)計(jì)

常規(guī)條件是指場(chǎng)地較大且無外部遮擋物的條件，在這種情況下，主要功能空間的設(shè)計(jì)就有了較高的自由度。

在常規(guī)條件下，主要功能空間的設(shè)計(jì)要點(diǎn)首先是保證良好的朝向，以最大化獲取太陽輻射和自然采光。在北半球，最佳的朝向一般是南向，其次為北向。合理的進(jìn)深是太陽輻射最大化直射到室內(nèi)最深處的保障，進(jìn)深太大會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)最深處常年無法接收到太陽直射而增加照明能耗。因此，主要功能空間可選擇利用薄形平面，以優(yōu)先利用自然通風(fēng)與采光。薄形平面指的是長(zhǎng)面寬、小進(jìn)深的建筑形式，除了主要功能的布置外，公共空間只選擇窄長(zhǎng)的必要廊道作為交通連接。保證合適的樓間距是薄型平面發(fā)揮作用的關(guān)鍵，要保證薄型平面的底層也能接受到充足的太陽輻射。此外，利用“溫度洋蔥”理論，按照不同功能對(duì)于溫度的要求，把不同空間從內(nèi)向外依次布置。其主要原理是通過設(shè)置具有梯度的空間，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

2.不利環(huán)境下主要功能空間設(shè)計(jì)

建筑設(shè)計(jì)在大多數(shù)時(shí)候都不能夠保證場(chǎng)地條件充足、朝向和地形有利等，各方面都會(huì)受到實(shí)際環(huán)境條件的限制。具體的限制因素體現(xiàn)在氣候因子上，可分為對(duì)最佳采光的遮擋和對(duì)氣流的遮擋。

采光受遮擋的原因是多方面的。在城市中通常是周圍的高大建筑物遮擋，或是受地形地貌的起伏和場(chǎng)地構(gòu)筑物的影響。可采用自適應(yīng)的空間形式以面對(duì)不利的采光：如果南向采光被遮蔽了一部分，導(dǎo)致建筑底層空間沒有良好的采光，可采用階梯式的建筑形體以保證建筑上部的良好采光條件，或是采用底層架空的形式，將主要使用空間進(jìn)行拔高處理；如果南向采光受到嚴(yán)重遮擋，可采用院落式或中庭式的建筑形式加強(qiáng)主要空間的采光，或是采用天窗采光或屋頂太陽房的形式；如果南向采光被完全遮蔽，建筑應(yīng)該加大其他面的開窗面積以改善采光條件。采光受遮擋的同時(shí)，自然風(fēng)也會(huì)受遮擋，使建筑所在場(chǎng)地內(nèi)的風(fēng)導(dǎo)向高處或兩側(cè)。為盡可能利用良好的自然通風(fēng)，可通過優(yōu)化建筑形體實(shí)現(xiàn)對(duì)自然風(fēng)的捕捉，采用弧形的外部形態(tài)或是倒階梯的建筑形式都能針對(duì)性改善不良的通風(fēng)條件。

（二）輔助空間設(shè)計(jì)

輔助空間主要指建筑內(nèi)部的公共空間以及輔助性的功能房間，其中最主要的是公共空間。這類空間又可以稱為過渡性空間或緩沖空間，功能是為公共建筑引導(dǎo)人流向各方向集散，以保證與主要功能空間在功能和空間組織上的聯(lián)系。在與氣候環(huán)境的關(guān)系方面，這類空間由于與外界環(huán)境接觸更為緊密，對(duì)于室內(nèi)氣候的影響和調(diào)節(jié)效益更加顯著，因此在調(diào)節(jié)建筑物理環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)空間功能屬性及與外界界面的關(guān)系，輔助空間可以分為水平貫穿式、垂直緩沖式、引入式和隔絕式四種類型。

1.水平貫穿式空間設(shè)計(jì)

在辦公建筑中，水平貫穿式空間主要指聯(lián)系水平向交通且將各房間串聯(lián)起來的走廊空間。這些走廊一般是通廊，能夠通過聯(lián)系不同布局的功能房間，形成南北向或東西向的橫向貫通空間，通過通廊盡頭的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與外界的能量交換。也有些走廊是首尾相連式的，形成各方向的環(huán)狀空間，通過與一些特定節(jié)點(diǎn)或是庭院的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的交界形成能量的交換。水平貫穿式空間在被動(dòng)式設(shè)計(jì)中所需要關(guān)注的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，是保持空氣的流通和適當(dāng)引入采光。

由于水平貫穿式空間有利于加速氣流在橫向空間的流通，所以這類空間的一大特征是有利于促進(jìn)風(fēng)壓通風(fēng)。在夏季，為保證水平貫穿空間的氣流流通，需要盡量開啟盡端的通風(fēng)窗口，將氣流通過通風(fēng)窗口引入室內(nèi)，由于水平貫穿空間窄且長(zhǎng)，氣流加速通過，可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降溫且排出室內(nèi)余熱的作用。在冬季，為保證室內(nèi)溫度的舒適，通風(fēng)窗口需要關(guān)閉，且需要有盡量大的接觸面，以保證白天能夠吸收到足夠的太陽輻射。

2.垂直緩沖式空間設(shè)計(jì)

在辦公建筑中，垂直緩沖式的空間主要指貫穿建筑各層的高大庭院或井道空間。例如中庭、邊庭和天井空間，都是體現(xiàn)建筑在垂直向上貫穿各層，實(shí)現(xiàn)能量從底層地面至屋頂?shù)目v向傳遞的空間。

垂直緩沖式空間主要利用了熱壓通風(fēng)的原理，通過底層界面和中庭頂部界面的溫度差，空氣遇冷體積收縮密度增加，氣流自下而上流動(dòng)，將底層較低的溫度通過氣流傳遞到上面各層，以降低夏季的室內(nèi)溫度，而頂部的玻璃界面可以吸收到自然光，進(jìn)一步加熱了頂部空氣，增強(qiáng)了熱壓通風(fēng)效應(yīng)。在冬季，垂直緩沖空間可以形成一個(gè)溫室，吸收白天的自然采光以提升室內(nèi)溫度。垂直緩沖空間的不同形狀對(duì)于溫室效應(yīng)和熱壓通風(fēng)效應(yīng)的加強(qiáng)有著不同的體現(xiàn)：上窄下寬的正梯形有利于增強(qiáng)熱壓通風(fēng)，而上寬下窄的倒梯形有利于加強(qiáng)溫室效應(yīng)以帶來更多的采光。因此，正梯形的垂直緩沖空間和進(jìn)深小且高大的垂直緩沖空間更加適應(yīng)主要滿足夏季需求的地區(qū)，而倒梯形的垂直緩沖空間和進(jìn)深較大的垂直緩沖空間更加適應(yīng)主要滿足冬季需求的地區(qū)。

3.引入式空間設(shè)計(jì)

引入式空間主要指用于引導(dǎo)人流集聚與疏散的廳式空間，它是將人流從入口處集聚，并通過門廳空間連接水平貫穿的廊道或垂直的交通空間，將人流引導(dǎo)至建筑各處的空間。在空間形態(tài)上，引入式空間的主要形式是高大入口空間與上述的水平貫穿空間或垂直緩沖空間的結(jié)合。

為提升被動(dòng)式設(shè)計(jì)的綜合效益，公共建筑在過渡性輔助空間的設(shè)計(jì)上不止會(huì)采取一種過渡性空間形式。引入式空間中的能量流動(dòng)綜合了水平貫穿式和垂直緩沖式的形式，對(duì)于氣流的引導(dǎo)既存在風(fēng)壓作用下的通風(fēng)形式，又存在熱壓作用下的通風(fēng)形式，分別體現(xiàn)在其中的入口人流引入空間和與之相連接的貫穿走廊。目前許多辦公建筑都會(huì)采取這樣的引入式空間，但是在能量過渡邏輯上缺乏系統(tǒng)性的思維，導(dǎo)致其被動(dòng)式效應(yīng)不佳。

4.隔絕式空間設(shè)計(jì)

隔絕式空間的空間邏輯體現(xiàn)的主要是對(duì)于外界自然環(huán)境的抵御性。隔絕式空間分為遮蔽式空間和包裹式空間。遮蔽式空間是通過建筑形體或者構(gòu)筑物將建筑部分空間進(jìn)行遮蔽，以避免受到強(qiáng)烈的采光的影響，根據(jù)遮蔽的面積大小又可進(jìn)一步分為部分遮蔽式和整體遮蔽式。包裹式空間是將獨(dú)立于建筑主要功能形體外的部分輔助空間進(jìn)行包裹，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于自然風(fēng)環(huán)境的抵御，這類空間通常采用大面積的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)以吸收自然采光，根據(jù)與主要空間的接觸面的大小可分為部分包裹式和整體包裹式。

隔絕式空間對(duì)于建筑內(nèi)部自然和氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)具有顯著的效果，能為建筑內(nèi)部提供相對(duì)舒適的人工環(huán)境，并直接影響到建筑主要功能的物理環(huán)境。

三、圍護(hù)界面設(shè)計(jì)適應(yīng)空間模式

圍護(hù)界面的設(shè)計(jì)往往是獨(dú)立于建筑空間，針對(duì)自身構(gòu)造上的不同組合以滿足傳熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)等的要求，同時(shí)通過減少滲透率以滿足自身的熱工性能，實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)。圍護(hù)界面通常既與室內(nèi)空間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，又與外部環(huán)境有著密不可分的聯(lián)系。按照具體表現(xiàn)形式，可分為開放型維護(hù)界面和聯(lián)通型圍護(hù)界面。

開放型圍護(hù)界面是指圍護(hù)界面各要素盡量對(duì)外界敞開，包括透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)擁有較大的可開啟窗扇面積和非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置洞口等形式，增加與外界環(huán)境的交流。在不同的季節(jié)，應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景，開放型圍護(hù)界面可以進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，其中最主要的方式就是調(diào)整界面的開閉，即冬季用于蓄熱儲(chǔ)熱的較為封閉的空間，夏季可以形成遮陽通風(fēng)的開放或半開放空間。

傳統(tǒng)的圍護(hù)界面為避免與外界的過度接觸，往往與外界接觸面積較小，除了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能不佳造成的滲透之外，平時(shí)僅通過必要的開窗通風(fēng)保持與外界的氣流交換。而順應(yīng)自然氣候環(huán)境，利用自然風(fēng)和自然光對(duì)室內(nèi)氣候進(jìn)行疏導(dǎo)，需要能夠與外界聯(lián)通的圍護(hù)界面。所謂的聯(lián)通型圍護(hù)界面，就是結(jié)合建筑內(nèi)部空間對(duì)氣候的疏導(dǎo)，將其進(jìn)一步與外界進(jìn)行聯(lián)系，通過通風(fēng)塔或?qū)эL(fēng)構(gòu)件聯(lián)通氣流，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)外能量轉(zhuǎn)換的圍護(hù)界面形式。

四、結(jié)語

針對(duì)外部環(huán)境、內(nèi)部空間、圍護(hù)界面這三類不同的空間形式分類，利用類型學(xué)的研究方法細(xì)化各類要素或空間節(jié)點(diǎn)，并提出各節(jié)點(diǎn)具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)策略。這三類空間節(jié)點(diǎn)要素之間存在互相影響、相互制約的關(guān)系，要想使建筑整體最大化發(fā)揮自身的被動(dòng)式設(shè)計(jì)的作用，不可能僅憑一項(xiàng)要素的完備設(shè)計(jì)就一勞永逸，而是需要各要素的協(xié)同而發(fā)揮整體性作用。

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作者簡(jiǎn)介：

王強(qiáng)，河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院碩士研究生。研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論。

馬靜，博士，河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論。