考慮氣候適應(yīng)性的房建設(shè)計(jì)與規(guī)劃研究

金國宇

在全球氣候變化日益嚴(yán)峻的背景下，氣候因素在房屋建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃中起著越來越重要的作用，需要深入了解各類氣候指數(shù)對于建筑性能產(chǎn)生的影響。本文將探索氣候適應(yīng)性房建設(shè)計(jì)和規(guī)劃的策略，分析溫度、降水、濕度、風(fēng)速及太陽輻射等氣候變化等關(guān)鍵因素對建筑材料、構(gòu)造以及形態(tài)的影響。以增強(qiáng)建筑對環(huán)境適應(yīng)性為重點(diǎn)，促進(jìn)建筑布局、材料選擇、高新技術(shù)應(yīng)用和環(huán)境控制系統(tǒng)等方面的革新。

1 氣候因素對房建設(shè)計(jì)與規(guī)劃的影響

1.1 溫度變化對建筑材料與結(jié)構(gòu)的相關(guān)影響

極端的溫度變化可引起材料膨脹與收縮，給建筑結(jié)構(gòu)完整性與耐久性帶來挑戰(zhàn)。如高溫下混凝土?xí)霈F(xiàn)水分蒸發(fā)而導(dǎo)致收縮、裂縫產(chǎn)生等問題；長期高溫、直射陽光照射會(huì)使涂料褪色、變質(zhì)，影響建筑美觀及保護(hù)層作用；低溫也同樣會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)，特別是凍融循環(huán)次數(shù)較多的區(qū)域，磚、混凝土等建筑材料的微裂縫會(huì)由于水份的凍結(jié)而不斷擴(kuò)展，并最終造成結(jié)構(gòu)破壞。木材作為傳統(tǒng)建筑材料在較大溫差環(huán)境下會(huì)發(fā)生翹曲、扭曲或者開裂等，而這些變形將減弱木材結(jié)構(gòu)的承載能力。金屬材料中一般都是耐高溫的，但是在極端溫度下也會(huì)發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，這種熱膨脹會(huì)使螺栓連接產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，從而影響到建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

溫度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致溫度梯度的產(chǎn)生，不同部位的溫度變化不同，會(huì)造成材料的膨脹和收縮不同，從而引起內(nèi)應(yīng)力，影響建筑構(gòu)件壽命。從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，溫度因素是非常關(guān)鍵的。設(shè)計(jì)師需要考慮恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫來解決溫度變化引起的物理變形問題。選材時(shí)還應(yīng)考慮材料在各種環(huán)境溫度條件下性能表現(xiàn)如何，才能保證建筑的安全性與功能性。

1.2 降水與濕度對建筑設(shè)計(jì)的要求

雨水及濕氣滲入會(huì)造成建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞及提高建筑物維護(hù)費(fèi)用，因此建筑屋頂與外墻在設(shè)計(jì)時(shí)一定要有很好的防水特性，以確保結(jié)構(gòu)不會(huì)受到雨水的直接作用，保證建筑物能抵抗水分侵襲與濕氣的影響。在設(shè)計(jì)屋頂系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮坡度和排水設(shè)施，同時(shí)要充分考慮降水量和排水速度，以避免出現(xiàn)積水和滲漏的情況。濕度過高會(huì)使霉菌、細(xì)菌滋生，對建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響居住者身體健康[1]。

在濕熱氣候中，建筑設(shè)計(jì)需包含有效通風(fēng)系統(tǒng)控制室內(nèi)濕度，選用建筑材料時(shí)還應(yīng)考慮抗潮濕性問題，如采用防腐木材、防霉涂料、墻體與地面之間采用透氣性好的隔濕層等。排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是需重點(diǎn)考慮的問題，包括地面排水及建筑物內(nèi)排水系統(tǒng)等，保證水快速排出建筑物，并降低可能造成的結(jié)構(gòu)破壞。

1.3 風(fēng)速與風(fēng)向?qū)ㄖ螒B(tài)的影響

建筑形態(tài)受風(fēng)速、風(fēng)向影響顯著，在設(shè)計(jì)階段一定要慎重考慮，以保證舒適性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)中，流通性與空氣動(dòng)力學(xué)評價(jià)尤其重要。風(fēng)吹動(dòng)建筑物后，建筑物對立面所產(chǎn)生的壓力會(huì)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，建筑師需要在設(shè)計(jì)中使用流線型形式以降低風(fēng)阻并避免渦流出現(xiàn)，渦流會(huì)使建筑發(fā)生共振甚至極端狀況下造成結(jié)構(gòu)破壞。在建筑布局規(guī)劃中，設(shè)計(jì)師需通過風(fēng)向數(shù)據(jù)確定建筑物主開口方向，以優(yōu)化自然通風(fēng)，降低建筑物內(nèi)能耗。

通過合理設(shè)計(jì)可將風(fēng)流導(dǎo)入建筑物內(nèi)，加強(qiáng)自然通風(fēng)效果，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量及舒適度[2]。風(fēng)速、風(fēng)向都會(huì)對建筑物外部空間產(chǎn)生影響，如陽臺(tái)、露臺(tái)等在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ζ涞淖饔?，以免因風(fēng)速過大給居住者帶來不適感。

1.4 太陽輻射與陰影分析

對建筑設(shè)計(jì)來說，太陽輻射這個(gè)因素不容忽視，因其對建筑物熱環(huán)境及光環(huán)境都有直接的影響。設(shè)計(jì)師需利用陰影分析確定建筑物與周圍環(huán)境不同時(shí)段的日照條件以優(yōu)化其方位、布局及造型。太陽輻射強(qiáng)度和角度隨季節(jié)與一天內(nèi)時(shí)間變化而變化，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些周期性變化以保證夏季遮陽與冬季日照利用。建筑物的體積和外觀設(shè)計(jì)，如深度、傾角及窗戶的尺寸和位置，都會(huì)受到太陽輻射的影響。

通過安裝遮陽板、百葉窗或者種植綠化植物等能夠有效調(diào)控室內(nèi)光照與熱量，降低對空調(diào)系統(tǒng)依賴性，進(jìn)而減少能耗。建筑材料選擇也很重要，反射隔熱涂料能夠減少建筑物對太陽輻射熱的吸收，阻止建筑物表面因吸收太陽輻射導(dǎo)致的溫度升高，減少熱量向室內(nèi)的傳入，使室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定。陰影分析是建筑群規(guī)劃中特別關(guān)鍵的一個(gè)問題，有助于設(shè)計(jì)師對建筑物之間相互遮擋關(guān)系進(jìn)行評價(jià)，在保證每一座建筑物能夠獲得合適自然光的同時(shí)避免陽光過多直射。

2 考慮氣候適應(yīng)性房建設(shè)的計(jì)策略

2.1 建筑布局與朝向的優(yōu)化

設(shè)計(jì)師需要將地形、環(huán)境特征與氣候數(shù)據(jù)結(jié)合起來，精心設(shè)計(jì)，使建筑有效應(yīng)對太陽輻射、風(fēng)向等的影響?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)建筑朝向使其達(dá)到冬季可最大限度地接受陽光照射和夏季可提供遮陽的狀態(tài)，既可提高熱效率又可最大限度利用自然光，降低了對人工照明要求。規(guī)劃多建筑組合時(shí)，合理布置建筑間距離與方位能有效促進(jìn)空氣流通并減少建筑群落熱島效應(yīng)，保證各單體都能有充足的自然光和良好的通風(fēng)條件。

運(yùn)用建筑布局營造微氣候如適宜的水體配置、綠化安排等可進(jìn)一步提高整個(gè)建筑群對氣候的適應(yīng)性。建筑內(nèi)部布局也是如此，將居住與工作空間設(shè)計(jì)為符合日照與通風(fēng)條件的最佳狀態(tài)，不僅可以增強(qiáng)居住舒適性，還可以減少能源消耗。比如，把臥室、辦公空間設(shè)計(jì)成朝北方向或者東北方向，可以使空間在炎炎夏日保持清涼；把公共區(qū)域、活動(dòng)空間設(shè)計(jì)成朝南方向，可以使居住在寒冷的冬天盡情沐浴陽光。

2.2 建筑材料與構(gòu)造的創(chuàng)新

通過選擇與當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)相適應(yīng)的材料，應(yīng)用先進(jìn)的建筑技術(shù)，可以促進(jìn)建筑能源效率與耐久性的提高。材料的導(dǎo)熱性、反射性、吸收性等在設(shè)計(jì)中都要考慮。如在熱帶氣候條件下采用高反射性、低熱導(dǎo)率的外墻材料能有效降低熱能的吸收，寒冷地區(qū)則多采用保溫性能較好的材料來降低熱損失。

在建筑結(jié)構(gòu)上，雙層立面、自然通風(fēng)系統(tǒng)等創(chuàng)新性被動(dòng)式設(shè)計(jì)及熱量蓄熱與釋放技術(shù)運(yùn)用等均為增強(qiáng)建筑氣候適應(yīng)性的有效策略。雙層立面既可形成冬季的保溫層，又可通過通風(fēng)來降低夏季室內(nèi)溫度[3]。另外，借助建筑自身形態(tài)營造熱氣流動(dòng)可達(dá)到自然通風(fēng)和降低對機(jī)械通風(fēng)依賴程度的目的。目前，綠色建筑材料的研發(fā)與應(yīng)用也越來越重要。如采用高碳吸存能力、可循環(huán)利用及可再生材料等，既利于環(huán)境保護(hù)又可提高建筑對氣候的適應(yīng)性。

2.3 綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用

綠色建筑技術(shù)是氣候適應(yīng)性房屋設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它的核心是高效利用資源，最大限度減少對環(huán)境的影響。采用綠色技術(shù)使建筑能夠達(dá)到雨水收集再利用的目的，利用雨水進(jìn)行沖廁、灌溉及補(bǔ)充地下水等，降低城市排水系統(tǒng)壓力，高效利用自然水資源。

太陽能技術(shù)融入建筑設(shè)計(jì)中無疑提高了建筑物能源自給自足的能力，安裝在屋頂上的太陽能光伏板能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，被建筑物日常運(yùn)行利用，甚至能夠?qū)⒏挥嗟碾娔軅鬏數(shù)诫娋W(wǎng)中。熱水系統(tǒng)還可以利用太陽能進(jìn)行加熱，降低了對化石能源依賴程度。生態(tài)屋頂與垂直花園的運(yùn)用在美化城市景觀的同時(shí)，起到調(diào)節(jié)微氣候，凈化空氣，為生物多樣性提供棲息地，提升建筑保溫隔熱性等作用。這些植被覆蓋區(qū)不僅可以吸收雨水、減少城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)，還可以在高溫天氣通過蒸發(fā)降溫作為建筑物的天然降溫系統(tǒng)。

2.4 建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的集成

一體化建筑環(huán)境控制系統(tǒng)為增強(qiáng)建筑氣候適應(yīng)性提供了一種智能化方法。該系統(tǒng)對室內(nèi)外溫度、濕度、光照、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對建筑內(nèi)部環(huán)境條件的自動(dòng)調(diào)整，在確保室內(nèi)舒適度的前提下優(yōu)化了能源利用效率。例如，智能遮陽與窗戶系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)外溫差和光照條件，自動(dòng)調(diào)整遮陽板與窗戶之間的開合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遮光、隔熱或提高照明等功能；自適應(yīng)控制系統(tǒng)既可以減少不必要的能源消耗，又可以對多變的氣候條件作出響應(yīng)。

建筑自動(dòng)化系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）在提升能源效率方面起到了至關(guān)重要的作用，通過智能化的集中控制系統(tǒng)，可以精確地調(diào)整照明、暖通空調(diào)系統(tǒng)及其他電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能源的精準(zhǔn)分配和使用。如BAS 能在發(fā)現(xiàn)無人的情況下，自動(dòng)關(guān)閉指定區(qū)域內(nèi)的燈及裝置，也可根據(jù)室內(nèi)室外溫差來調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。進(jìn)階的建筑環(huán)境控制系統(tǒng)融合了高級預(yù)測算法與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以基于歷史數(shù)據(jù)與天氣預(yù)報(bào)對建筑能耗需求進(jìn)行智能預(yù)測。該預(yù)測性控制策略可以在提高能源使用效率的同時(shí)保證用戶的舒適度。

綜上，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)施，建筑環(huán)境控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，持續(xù)收集數(shù)據(jù)并優(yōu)化控制策略。用戶可以通過智能設(shè)備對建筑物內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)節(jié)，以達(dá)到更個(gè)性化、更動(dòng)態(tài)地進(jìn)行環(huán)境管理的目的。

3 考慮氣候適應(yīng)性的房建規(guī)劃策略

3.1 氣候適應(yīng)性住宅區(qū)規(guī)劃策略

在氣候適應(yīng)性的住宅區(qū)規(guī)劃中，需重點(diǎn)關(guān)注住宅建筑與自然環(huán)境的和諧共存。規(guī)劃策略應(yīng)當(dāng)采取耐候性強(qiáng)、能耗低的建筑設(shè)計(jì)，同時(shí)利用天然地形與植被實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。例如，建筑物的布局應(yīng)考慮風(fēng)向、日照和降水模式，以便最大化實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)和日光利用，減少對機(jī)械制冷和照明的依賴。

住宅區(qū)的道路和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮極端天氣帶來的影響，通過采取雨水花園、滲透性鋪裝和雨水收集系統(tǒng)等措施，有效管理雨水[4]。此外，應(yīng)鼓勵(lì)使用綠色屋頂和墻體，提升建筑物的隔熱性能，進(jìn)一步減弱熱島效應(yīng)。在住宅區(qū)規(guī)劃中也應(yīng)包含災(zāi)害避難所等公共安全設(shè)施，以提高住宅區(qū)在面對極端天氣事件時(shí)的韌性和應(yīng)急響應(yīng)能力。

3.2 氣候韌性住宅區(qū)規(guī)劃策略

面對氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，建設(shè)既能抵御自然災(zāi)害影響又能推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展氣候韌性的住宅區(qū)已是當(dāng)務(wù)之急。這一規(guī)劃策略從一開始就要強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)社區(qū)層面適應(yīng)氣候變化。通過社區(qū)農(nóng)場、屋頂花園等設(shè)施的宣傳，既能給社區(qū)居民持續(xù)帶來新鮮食材，又能幫助改善城市微氣候，增添綠色空間。另外，建筑設(shè)計(jì)還需要依據(jù)耐洪澇和防風(fēng)化等設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保極端天氣事件下住戶的安全和舒適。采用環(huán)保、高隔熱性能和可循環(huán)再利用的建筑材料可顯著保護(hù)住宅區(qū)環(huán)境，提高能源利用效率。

為了保證面臨能源挑戰(zhàn)時(shí)能夠滿足住宅區(qū)居民的基本生活需求，計(jì)劃中應(yīng)該包括單獨(dú)設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)，如安裝屋頂太陽能板等，這樣不僅可以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，還可以保證主電網(wǎng)發(fā)生故障情況下居民基本用電需求。緊急預(yù)案的健全及通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能夠發(fā)生確保自然災(zāi)害時(shí)重要信息快速傳遞給每位居民，顯著提高住宅區(qū)應(yīng)急響應(yīng)能力及災(zāi)害恢復(fù)速度。居民積極參與對于建設(shè)這類社區(qū)至關(guān)重要，需通過教育、培訓(xùn)等方式增強(qiáng)居民氣候變化意識(shí)，激勵(lì)居民參與住宅區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等活動(dòng)，這些措施對實(shí)現(xiàn)具有氣候韌性的住宅區(qū)建設(shè)目標(biāo)至關(guān)重要。

3.3 氣候適應(yīng)性住宅區(qū)景觀規(guī)劃策略

為迎接氣候變化挑戰(zhàn)，住宅區(qū)景觀規(guī)劃必須采用氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)并通過本土植物種群的修復(fù)與使用來提升生物多樣性，在營造戶外休閑空間的同時(shí)，通過科學(xué)規(guī)劃對雨水進(jìn)行有效治理，緩解城市洪澇壓力。在景觀規(guī)劃的雨水管理方案中，如雨水花園和生物滯留池等措施，不僅可以有效過濾雨水，降低洪水的風(fēng)險(xiǎn)，還可以為城市中的野生動(dòng)植物提供豐富的生態(tài)棲息地。通過提高樹木、植被等覆蓋率，住宅區(qū)能夠有效降低地表溫度和緩解熱島效應(yīng)，為居民打造更加舒適的生活環(huán)境[5]。另外，建立綠化帶、生態(tài)走廊，將住宅區(qū)內(nèi)與住宅區(qū)外不同綠地聯(lián)系在一起，可以為居民提供豐富的休閑娛樂場所，提升居民幸福感、歸屬感。

3.4 災(zāi)害預(yù)防與應(yīng)對措施

在房屋建設(shè)的規(guī)劃過程中，應(yīng)將災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)對策略集中在風(fēng)暴、極端氣溫和暴雨等與氣候有關(guān)的災(zāi)害上。房建規(guī)劃策略要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、能源管理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)幾個(gè)方面進(jìn)行思考，增強(qiáng)建筑物對氣候的適應(yīng)性，應(yīng)注意：第1，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮建筑物抵抗強(qiáng)風(fēng)、風(fēng)暴作用的能力，如優(yōu)化建筑外形，以減少風(fēng)壓影響、保證屋頂及外墻結(jié)構(gòu)安全。第2，在選材上，要優(yōu)先選擇耐候性和隔熱性能較好，可持續(xù)發(fā)展的材料。例如，采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料，可減少極端天氣事件對建筑物的破壞；隔熱材料的應(yīng)用能提高建筑能效并降低極端高溫或者低溫環(huán)境中建筑對能源的需求。第3，建筑物應(yīng)盡量做到能源自給自足，如設(shè)置太陽能板、風(fēng)力發(fā)電等設(shè)施。這既有利于減少對外部電網(wǎng)的依賴，又可以保證極端氣候事件下建筑物的能源供應(yīng)。第4，房建規(guī)劃要采取生態(tài)敏感設(shè)計(jì)，借助自然地形與植被保護(hù)建筑物不受氣候變化影響。比如，修建樹籬、綠化帶等生態(tài)防護(hù)帶，以減少強(qiáng)風(fēng)、暴雨等天氣對建筑物的直接影響。

4 結(jié)語

兼顧氣候適應(yīng)性房屋建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃對環(huán)境與社會(huì)可持續(xù)性具有重要意義。只有從建筑形態(tài)、材料、工藝等方面進(jìn)行周密思考，才能營造出一個(gè)舒適與節(jié)能并存的居住環(huán)境。與此同時(shí)，主動(dòng)迎接氣候變化的挑戰(zhàn)并通過合理規(guī)劃來降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是城市與社區(qū)今后發(fā)展的重點(diǎn)。本文著重指出需要集成或運(yùn)用多學(xué)科方法來保證在房建設(shè)計(jì)與規(guī)劃時(shí)充分考慮氣候的多面性和動(dòng)態(tài)性，以實(shí)現(xiàn)人與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)共生。