建筑体形性能机理与适应性体形设计关键技术

俺乃小潜mg · 发表于 2020-7-29 09:23:34

作者：

张彤（通讯作者），东南大学建筑学院教授，博士生导师；

肖葳，东南大学建筑学院博士研究生。

本文摘自“建筑体形性能机理与适应性体形设计关键技术”，原文刊登于《建筑师》杂志2019年12月刊，总第202期P16-24

体形是建筑适应气候并实现环境调控的方式、媒介与结果。本文聚焦环境调控语境下建筑体形的性能机理，归纳建筑体形与气候发生重要关联的体形因子与环境因子，阐释建筑体形与建筑环境性能之间相互决定和影响的内在机制；进而通过案例分析，从热性能调控形体、风性能调控形体、空间气候梯度和热压竖井四个方面探讨绿色建筑适应性体形设计的关键技术，从体形角度充分空间调度设计理论的方法与策略。

目录概览

▪ 一、体形与环境

▪ 二、建筑体形性能机理

▪ 三、适应性体形设计关键技术

▪ 四、结语

“Form as a Tool for Enviroment Control.”

——Manfredi Nicoletti

建筑与环境的关系经历了从顺从到隔离再回归适应的过程。随着绿色建筑的发展从指标导向向性能导向，从技术主导向设计主导转型，人们重新思考建造的环境调控本体：建筑是人类适应气候、调度能量的人工构筑；建筑通过建造形式和空间组织，在气候与身体之间建立平衡，创作发明舒适的环境。从环境调控角度而言，建筑体形包含形体组件与空间组织，与环境性能之间存在着相互决定和影响的作用机理，由此奠定的形态类型构成了地区建筑传统中最为稳定而坚实的内核。

一、体形与环境

对于因地制宜的乡土民居而言，气候环境在建筑形体上的反应敏锐而直接。体形系数是用以判断建筑能量积蓄或排除的参数，对体形系数的研究素质上指向对建筑体形的热力学类型研究。我们在每个气候类型中找到1~2种典型乡土民居，建立体形分析模型，计算获得各自的体形系数。根据体形系数计算值及与气候区域的分布对应，我们可以看出，建筑体形清晰显现出具备生物气候理性的应对机制与地区性特征。大致将各地的乡土建筑体形分为集约型、适中型和松散型三种类型。

▲乡土建筑体形类型示意图

建筑体形类型分布图揭示了各地原生建筑在所处气候条件下的选择和适应。持久以来，人们通过建造自己的形态调控环境，取得相对的舒适感，很少附加使用动力和能源。正如F·L·赖特曾经提倡的，建筑设计要力求依据“自然之理”（the nature of nature），发挥建筑所在处所的“自然之利”（the nature of site）。这促使我们重新审视建筑形体与环境性能之间的作用机理，发展通过建筑空间形态实现能量合理获取、输送与转化的策略与方法。

二、建筑体形性能机理

建筑体形性能机理是指建筑体形与环境性能之间相互影响和作用的机制，这是适应性体形设计研究的认识基础。本文的论证主要针对建筑热环境和风环境，为了揭示这一多维复杂相关的交互机制，我们分别选取了6项建筑体形因子和5项环境性能因子，对这两组因子进行聚类分析研究。选取的建筑体形因子包含热方位角、热倾斜角、风方位角、风倾斜角、负体形高宽比和负体形口底比，环境性能因子分别是操作温度、太阳辐射、相对湿度、空气流速和照度。

▲建筑体形因子与环境因子的界说及其相互作用路径示意

需要说明的是，本文引入“负体形”一词，用于表述与建筑形体具有紧密而明确几何相关性的外部空间，如庭院、天井、轩、廊等。负体形具备自力完整性质和几何形状，对建筑室内物理环境发生可以解析的作用与影响，一般情况下起到过渡、缓冲以及调度优化环境物理性能的作用。本文以高宽比和口底比作为描述负体形的因子，研究其参数变量对环境发生的影响。

在选取和界说了体形因子和环境性能因子之后，研究在两组变量11对交互关系间展开，采取的研究方法包含性能模拟、性状界面实测、参变计算、机制耦合等。以下主要介绍热方位角β与太阳辐射、热倾斜角θ与太阳辐射、风方位角α与空气流速、风倾斜角Ω与空气流速、负体形高宽比A与空气流速、负体形口底比B与空气流速6对因子间作用机制的研究。

▲体形因子与环境因子的相互作用机制

三、适应性体形设计关键技术

适应性体形是指在建筑设计中通过建筑构形与空间组织，调度和控制室内外物理环境，提高舒适度，减少能源消耗的设计策略与技术方法。建筑体形性能机理的研究和揭示，直接导向在建筑设计中如何通过形体及其组成构件的设计对建筑环境，尤其是热环境和风环境施以调控，由此得出适应性体形设计的若干关键技术。

▲体形性能机理与适应性体形设计关键技术

1.热性能调控形体：自得热与自遮阳形体

热性能调控形体是指利用建筑形体塑造来获得或屏蔽太阳辐射得热的设计技术，主要依据热方位角和热倾斜角对太阳辐射，并进而对室内操作温度的作用机理。热性能调控形体设计体现在建筑体形的倾斜、旋转和扭曲等，建筑根据太阳高度角和方向角以及环境需求来确定各体形面的热方位角和热倾斜角，塑造自得热或自遮阳形体，以此调控优化室内外热环境。

蝴蝶温室（Greenhouse for Tropical Butterflies）是由意大利建筑师曼弗雷第·尼科勒提（Manfrdi Nicoletti）为卡塔尼亚大学动物学研究所设计的一座提供给热带蝴蝶使用的不规则多面玻璃温室。由于热带蝴蝶无法在空调房间中生存，为了模拟出类似热带雨林的气候条件，只能通过调控太阳辐射来选择性获取适度的热量，取得较为恒定的室内温度。建筑师通过分歧方向、倾角和形状的围护界面及其在西西里特定日照条件下的巧妙组合来实现蝴蝶温室的热力学机制。

▲蝴蝶温室实景照片

▲蝴蝶温室模型

与规整形态的建筑分歧，蝴蝶温室通过计算模拟，采取设置多向折面以延展热交换界面的方式进行热量抵偿，主要体现在对各立面倾斜角度的巧妙设计，以达到在分歧季节获得几近平衡的太阳辐射热。温室所在的卡塔尼亚地处北纬37.71°，冬至日和夏至日正午太阳高度角分别为28.79°和75.79°。热倾斜角为-25°的围护界面在冬季不会阻碍室内获得足够的太阳辐射热；而在夏季则形成了形体自遮阳，屏蔽了过多的太阳辐射热，在夏至日正午，向南的立面甚至完全无法直接获得太阳日照。另外，建筑师也考虑了全日分歧时间的太阳辐射强度，正午12时，太阳照射到的建筑受热面远比早上8时少，以此来平衡全天分歧时刻的建筑得热量。

▲分歧季节及分歧时刻得热示意

笔者根据这一纬度的太阳轨迹图，选择夏至日的太阳轨迹，获得6：00到17：00可接受太阳直射辐射的建筑外立面示意图。虽然在综合考虑热方位角和热倾斜角后获得了最佳平衡得热方案，在14：00后蝴蝶温室仍会受到周边建筑的遮挡，于是建筑师选择玻璃和钢材作为主要材料按热需配合使用，实现最洪流平的温度平衡。

▲卡塔尼亚太阳轨迹图

▲全天分歧时刻建筑外立面接受太阳直射辐射示意图

建筑剖面的通风示意图显示了一个梯形的室内空间，形体和材料的选择为热压通风创作发明了条件，新鲜空气从底部进入，内部积聚的热空气从顶部排出，包管蝴蝶生活空间空气流通、温度适宜。

▲自然通风剖面示意

卡塔尼亚的蝴蝶温室完全通过建筑形体与空间的形状，精确地营造了一个热平衡空间，这是热调控形体设计的极端案例。经过实测，温室内一天分歧时间以及一年分歧季节的温度可以连结基本恒定。

由诺曼·福斯特（Norman Foster）设计的伦敦新市政厅（London City Hall）也是热性能调控形体的经典案例之一。建筑设计以减少夏季太阳辐射热的吸收和增大冬季保温效果为解缆点，通过精确的计算和实验模型验证，建筑的整体形态最终显现为一个向南倾斜的球形变体。

▲伦敦新市政厅实景

向南倾斜的目的是使南向玻璃幕墙以最小面积流露在阳光下，同时各层逐层向外挑出而形成阴影，由此也构成建筑南立面的遮阳倾斜角。遮阳倾斜角角度在10°~25°之间，与推导获得的最优遮阳倾斜角约20°的结论符合，形成了建筑的“自遮阳”。而北向底部外延式的倾斜增大了该向得热，设置于建筑北部的交通空间构成腔体，自然成为热缓冲空间，形成建筑的“自得热”。

市政厅内还设置了冷却和换热系统。夏季，地下水源相对室外空气温度较低，通过与室内热空气进行热质交换可有效地降低室温；冬季，地下水源相对室外空气温度较高，通过热质交换可以升高室温，同时北部腔体积蓄的太阳辐射热将被输送至使用空间。

▲建筑节能形体与主动式节能设备示意

建筑最洪流平采取性能化形体设计，在夏季避免了办公区域接受过多热量，在冬季延缓了内部热量的损耗。它既是自遮阳形体，又是自得热形体，是通过适应性体形取得热平衡的典型案例，整体的供暖和制冷系统能耗只有相同体积方形建筑的四分之一。

2.风性能调控形体：阻风与导风形体

利用建筑形体塑造来抑制或增进室内外自然通风的设计技术被称为风性能调控形体。风性能调控形体设计体现在建筑体形的倾斜、旋转和扭曲等。建筑根据本田主导风向和环境需求确定各体形面的风方位角和风倾斜角，来塑造阻风或导风形体，调控优化室内外风环境。

意大利建筑师马里奥·库奇内拉（Mario Cucinella）在阿尔及利亚ARPT总部大楼（ARPT New Headquarters）设计竞赛中的方案体现了建筑形态的空气动力逻辑。

建筑所处位置雨量少，夏季酷热，基地的南边有一小片绿洲。建筑师以本地气候为设计依据，提出了一种空气动力学形态——在北侧凸起以转移夏季热风，在南侧凹陷以捕获夜间从绿洲吹来的凉风，在建筑内部置入负体形与绿植，因势利导，调度建筑物的自然通风。

▲北向阻风外壳

▲南向迎风凹面

▲建筑形体与环境适应分解示意

建筑北立面总体显现微凸的壳形，立面风倾斜角Ω2约为80°~85°，是阻风立面倾斜角。本地夏季主导风向为北风，夏季从北向吹来的热风会受到建筑北立面凸壳的阻挡。在凸壳概况上还设置了雨水回收系统，充分利用本地稀缺的雨水资源。

南立面显现微凹的扇形，立面风倾斜角Ω2约为30°~40°，是导风立面倾斜角。同时建筑上部接收大量太阳辐射，顶部与底部呈现较大温差，增进热压通风机制的实现。建筑师通过对建筑形态的控制，最洪流平上获得通过绿洲降温后的凉爽空气。不但如此，建筑师通过在凹概况安装角度精确的遮阳构件、在建筑中设置A形负体形等方式来满足建筑内部的热量和照度需求。

▲建筑立面风倾斜角示意

▲建筑被动式环境策略图解

建筑运用立面风倾斜角对外部气流进行组织与引导，在特殊的沙漠气候中起到阻热风、导凉风的作用。结合表皮及负体形设计，在晦气的外部环境中创作发明舒适的室内环境。

德国建筑师托马斯·赫尔佐格（Thomas Herzog）以高大空间通风和采光为切入点，在2000年世界展览会上为汉诺威展览公司设计建造了26号展厅（Hall 26 for the Deutsche Messe AG Hannover）。

▲汉诺威26号展厅实景

建筑以屋面作为主要迎风面倾斜安插，同时通过控制负压面面积来加大文丘里效应的吸附作用。倾斜的屋面使得高起部分吸收更多太阳辐射，形成建筑内部的上下温差，激活热压通风机制，增进自然通风。

▲设计初步构想

建筑师沿交通和服务区域安插供新鲜空气进入的管道，温度较低的新鲜空气由4.7m高的大型进气口进入室内，略微向下流通，均匀地分布到展区各处，又吸收室内余热后逐渐上升直至被排出，形成均匀的室内气流。新鲜空气进入的另一条渠道是地面进气口，气流引入室内后吸收低空聚集的热量向上运动。污浊的空气流经安装在屋脊的排风叶片排向室外，排风叶片经过计算，确保出风口根据风向开闭至分歧角度。展厅有效利用屋面导风倾斜角，在为展览提供高大空间的同时，也利用空间高度实现了自然通风，为高大空间的被动式环境调控提供实证借鉴。

▲自然通风示意图

3.空间气候梯度

如果热性能调控形体和风性能调控形体主要针对建筑形态，那么空间气候梯度则主要指向空间组织。这种被俗称为“温度洋葱”的设计策略是指针对建筑内部分歧空间的功能和环境性能需求，通过合理的空间配置构建建筑内部的气候梯度，使对环境有严格调控要求的区域处于非严格调控区域和气候缓冲区的层叠包裹之中，以空间组织自己实现对主要使用空间的环境调控。

在空间组织中，以功能空间对热量的分歧需求为依据进行空间结构和体量经营。通过分歧区域对温度和光线需求水平的差别合理组织空间结构，最洪流平呵护主要调控空间，而次要空间和辅助空间则起到缓冲和调度作用，隔离晦气气候影响。例如根据主得热部分-主要功能空间-次得热部分，依次设置阳光间-主要功能空间-交通辅助空间，以空间自己的结构条理包管主要功能空间的热舒适。

▲空间气候梯度结构策略

BRT（Bothe Richter Teherani）建筑事务所设计的位于德国汉堡的双X大楼（Doppel-X），根据建筑各功能空间对热量的分歧需求进行空间结构，采取安插多个温度缓冲空间的方式在平面中进行了热梯度整合。办公楼平面呈双X形，共12层，每层有4个三角形的阳光间作为共享办公室，建筑共有6个屋顶可开启的三角形通高中庭作为热缓冲空间。双X形状中间部分由连接通道和绿植花园逐层交替安插，使得主要使用空间同时具备便捷交通和绿色自然环境。在X形的交叉处是修理房、复印室、水电中心等服务空间。用于居住的主要使用空间被包裹在阳光间、热缓冲空间和服务空间之间，拥有稳定的热环境。

▲双X大楼

▲双X大楼中心式气候梯度结构示意图

大楼的围护结构由双层幕墙组成，外层幕墙像一个“玻璃盒子”，两层幕墙之间形成过渡缓冲空间。缓冲空间的存在使得建筑在冬季可最洪流平存储太阳能并减少热损失，而在夏季可通过开启天窗增进热压通风以排除多余热量，起到了热平衡作用。

▲外层幕墙形成“玻璃盒子”

▲气候缓冲空间内景

与普通建筑相比，主要使用空间直接与外部环境的接触面减少，从而获得更好的呵护，建筑也充分利用温室效应。该办公楼建成后运行效果良好，合理的空间组织大大节省了能耗，冬季采暖费用较本地普通建筑节省50%。

4.热压竖井

热压竖井是利用热压通风机制调控室内外风环境的设计技术。在建筑的合适位置设计竖向通风空间，通过调剂竖井负体形高宽比和口底比，形成良好的热压通风，达到调控优化室内外环境的目的。

考文垂大学弗雷德里克兰切斯特图书馆（the Frederick Lanchester Library）由英国建筑师艾伦·肖特（Alan Short）设计。基地是一个由废弃物形成的斜坡，邻近主要交通道路发生延续噪音和汽车尾气，加之平安需求，建筑师最终选择了简单集约的平面形式，并最洪流平考虑天然采光、自然通风等被动式节能方法。

▲图书馆鸟瞰

▲图书馆外景

在满足图书馆使用功能要求的前提下，猛进深平面中规律插入间距均匀的5个采光天井。这种均布式多个采光井的方式比安插单一大中庭更能高效均匀的分配自然光，使得室内照度，尤其是光照均匀度获得明显提升。

单靠天井的置入并没有完全改善图书馆猛进深室内的自然通风，建筑师又在建筑四周增加了24个“烟囱”，烟囱沿建筑立面均匀排布。5个天井将建筑平面平均分为4个部分，每个部分拥有一个天井以及周边排布的6个烟囱。在建筑底部设置新风入口，向4个天井中送入新风。由于烟囱顶部快速吸收太阳辐射发生热压通风，周边烟囱和中央天井共同组成气流路径，减小了进风口与出风口的距离，增进了建筑室内自然通风。中央天井高宽比约为2∶1，排风烟囱高宽比远大于4∶1，与分析获得的有利于导风的负体形高宽比吻合。

▲热压竖井平面排布示意图

在冬季，空气由新风入口进入，经由预热盘管加热（盘管位于进风天井的底部及天井对应楼层壁面沟槽中），暖空气在室内循环流通；在夏季，空气循环带走室内多余热量。实测数据表白，夏季当户外温度达到27℃时，室内平均温度为24℃。由于中央天井口底比为1∶1，顶层会有热压中和面呈现。为避免呈现废气回流，建筑师在顶层设置了4个自力的通风管井来调度顶层通风。

▲热压竖井边沿天井进风剖面示意图

▲热压竖井中央天井及烟囱排风剖面示意图

图书馆利用负体形的风调控机制，在猛进深平面中均匀置入天井，沿周边规律排布拔风烟囱，并针对性采取性能化通风管井，全面利用热压竖井的通风机制实现了均匀舒适的自然通风。

德蒙特福德大学女王馆（Queens Building，De Montfort University）同样由肖特福特事务所（Short Ford and Associates）设计，作为工程与制造学院的教学楼。基地是一个紧邻私人住宅的L形内城区地块，由于预算受限，只够在部分区域安装空调系统，而建筑内部涉及制造技术的实际操作，会发生大量的热。于是建筑师将大体量建筑切分成一系列小体块，既便于利用自然通风实现风环境调控，又能在标准上与周围的老街区相协调，形成一种有节奏的韵律感。

▲女王馆轴测图

▲女王馆西北侧实景

▲女王馆东侧实景

整个女王馆分为三部分——中央建筑、机械实验室和电子实验室。中央建筑包含了中央大厅、述说厅、教室和普通实验室。由于自然通风的驱动力一般较小，若进风口和出风口水平距离过大，则通风效率不高。因此建筑切分的小体量有利于自然通风。整体建筑的层高大于传统建筑，增加了进、出风口的垂直距离，进而加大由温度差发生的压力差，增进热压通风。从建筑外观可以看到设置有较多的“烟筒”，充分利用热压竖井机制增进自然通风。

▲女王馆平面图

中央建筑是功能最复杂的部分。中央大厅起到了连接各部分空间的作用。位于各分支的实验室、办公室进深较小，可以利用屋顶天窗进行自然通风；而位于中间部分的述说厅、中央大厅及其他用房则需更多地依靠热压通风。中央大厅的新风收集主要通过一层教室、二层述说厅和实验室引进，新风经中央大厅流入绘图室，然后由北向玻璃天窗排出。述说厅内部的新风通过外墙和座位底下倾斜的木地板引入，然后由一个13.3m高烟囱将空气抽出。在冬季，空气经由安装在竖向窗户上的真空管加热后再进入室内。通风烟囱顶部配有感应室内温度的自动调度开关装置，包管整个建筑室内温度的稳定。

▲中央建筑通风系统

▲中央大厅

为了避免设备噪音对机械实验室的影响，设备机房被置于实验室一侧，另一侧设置中空扶壁。扶壁作为进气腔的同时也起到平衡吊车横向移动侧力的作用，新风流经实验室后通过屋顶天窗排出。

▲机械实验室通风

▲通风进气口

▲机械实验室屋顶

电子实验室采取小进深设计，房间均可进行充分的风压通风和自然采光。外墙面小角度向内倾斜，利用形体自遮阳减少太阳辐射直接得热。

▲电子实验室通风示意

在场地给建筑带来诸多限制时，建筑师通过建筑空间的营造来实现环境调控。建筑主体采取热压竖井的设计策略，局部巧妙结合风压通风，德蒙特福德大学女王馆成为那时整个欧洲最大的自然通风建筑。

结语

人类出于平安和舒适的需求改变和调控环境是建筑的原始动因，从这个意义上说，建筑是气候与能量的调度构筑，而建筑的形体则是首要的调度手段和结果显现。在气候适应与环境调控过程中，形体的选择和塑造具有基本的决定和影响作用。在本文的研究中，经由体形因子和环境因子相互作用机制的聚类解析，这一多维交互的复杂关系被归纳为体形性能机理，对其中主要作用机理的揭示，引导出绿色建筑适应性体形设计的关键技术与策略。

以热性能调控形体、风性能调控形体、空间气候梯度和热压竖井为代表的适应性体形设计关键技术是绿色建筑“空间调度”方法体系的重要组成部分。“空间调度”是回归空间范式的环境调控，是绿色建筑在今世技术语境中回溯建筑学自主性本体的理论建构和方法探求。在形体层面，它激活建筑形态与建造体系在地区气候环境与资源组成中的敏感性、适应性与可调度性，以建筑构形调适气候与身体之间的平衡，发展通过建筑构形与空间组织实现能量的合理获取、输送与转化，建立起建筑与地区资源总体之间的平衡。

（本文节选自“建筑体形性能机理与适应性体形设计关键技术”，原文刊登于《建筑师》杂志2019年12月刊，总第202期P16-24，版权所有，未经允许，不得转载）

《建筑师》No.202丨2019年12月刊

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