基于生態氣候學的建筑形式策略研究

摘要：為了更好的節約能源、保護環境，世界各國相繼提出了“可持續發展”戰略。在這一模式影響下，生態氣候學的概念被廣泛運用于當今的建筑語言中，覆蓋諸多方面。本文通過對我國各個地區生態氣候策略的解讀，提出結合各個熱工分區的生態學設計策略。

關鍵詞：可持續發展 生態氣候學 設計策略

1 研究背景

自1973年第一次全球性石油危機以來，節約能源和保護環境成為全世界共同關注的話題。當代建筑在建造的時候往往過分依賴當代技術，忽略了自然環境的影響，而這又需要消耗大量的能源，結果是當代建筑在一定程度上失去了調控環境的能力，室內環境質量也不是很好，而隨著能源消耗的增加環境問題也在日益惡化。面對當代建筑能耗大、對環境產生污染的特點，如何尋找更優化、更合理的發展方向，如何與地方氣候等自然元素相結合成為未來建筑應用領域的發展方向。

2 適應當地氣候的建筑形式策略

根據《民用建筑熱工設計標準》（GB50176—93）的規定，我國可劃分為以下5個氣候區（圖1）：即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。這一分區反映了建筑熱工設計與氣候的關系，主要體現在氣象基本要素對建筑物及圍護結構的保溫隔熱設計的影響。

2.1嚴寒和寒冷氣候地區的“封閉保溫+太陽能利用”設計策略

在嚴寒和寒冷地區，春、夏、秋三季的溫度比較適宜，基本上不需要使用過多的能源進行室內溫度和濕度的調節，因此，嚴寒和寒冷地區的設計策略應著眼于建筑的保溫和采暖。要做好保溫和采暖，不僅要防止熱量的散失，也要主動的利用大自然中豐富的可再生能源——太陽能，也即“封閉保溫+太陽能利用”設計策略。

2.1.1 建筑的朝向、形體與布局

建筑的朝向、形體與布局直接關系到建筑的熱損耗，因此，在嚴寒和寒冷地區，除了要了解當地的宏觀氣候外，還要充分分析當地的小氣候環境，在此基礎上合理安排建筑的朝向、形體與布局。

位于澳大利亞獵人谷瓦塔岡森林的四重地平線住宅（圖2），由建筑師林塞·約翰斯敦設計。該住宅的設計完全是基于當地氣候條件的設計策略。建筑體量被覆蓋在一個獨立的雙坡屋頂下面，由電鍍金屬制成的鋼結構，模仿了典型的澳大利亞谷倉的形式，在夏天室內可以保持比室外低10℃，冬天則相反。

2.1.2被動式太陽能的利用

（1）特朗伯（Trombe）墻

這是法國學者Trombe等在1956年提出的一種方案，這種采暖方式（圖 3）主要依靠建筑外維護結構的蓄熱性能。就是在直接受益式太陽窗（頂部和底部分別開有通風孔，并設有可控制的開啟活門）后面10cm左右筑起一道涂有深色的選擇性涂層的結構墻。其工作原理是將帶有涂層的結構墻作為儲熱工具。這種儲熱的結構墻的材料一般為混凝土或實心磚墻，這些重質量的墻體熱容大、惰性大，因此儲熱多、放熱慢，有利于減緩夜間室內溫度的下降。

（2）水墻式集熱蓄熱墻

如果將上述儲熱材料用水代替就成為水墻式集熱蓄熱墻（圖4）。因為水的比熱是混凝土的2倍，因此用水作儲熱材料也能達到同樣的效果。但水墻式集熱蓄熱墻運行管理相對麻煩，我國較少采用。

（3）附加陽光間式集熱蓄熱墻

這種太陽房是直接受益和集熱墻技術的混合產物。其工作原理是在建筑物的南向附加一個玻璃罩著的陽光間，陽關間和室內空間之間由墻或窗隔開，利用這道墻或窗作為集熱構件（圖 5）。這種形式的太陽房通過陽光間和室內空氣的對流交換達到采暖的目的。陽光間除了集熱保溫的作用外，還可以作為白天休息活動場所或溫室花房。這種太陽房適用于民用住宅，越來越受到人們的重視。

托馬斯·赫爾佐格（Thomas Herzog）設計了一棟位于雷根斯堡的住宅（圖6），該住宅以簡潔的造型獲得了功能、技術、生態與美學的高度統一。建筑的屋頂以傾斜的、向南向的玻璃頂形式一直延伸到地面，有利于這一側的陽臺與溫室，可以直接獲得太陽的光和熱，尤其在冬季，可以有效的改善室內的熱舒適環境。

2.2夏熱冬暖以及溫和地區的“通風+遮陽”設計策略

夏熱冬暖及溫和地區由于冬季溫度比較溫和，因此，可以不考慮其冬季的采暖，而主要考慮夏季的通風和遮陽，即“通風+遮陽”設計策略。

2.2.1建筑的自然通風

自然通風是調節室內空氣質量并獲得熱舒適的重要設計手段，在夏熱冬暖、溫和地區夏天的大部分時間內需要依靠建筑的自然通風來獲得較為舒適的熱環境。建筑室內自然通風的效果，主要取決于風速和流量，是熱壓和風壓兩種作用的結果，風壓通風效果主要取決于外部風環境以及進出風口的氣壓差，因此通風效果不穩定，而熱壓通風是利用煙囪效應原理進行的通風，其效果取決于進出風口的溫度差，其通風效果比較穩定，可以作為風壓通風的有效補充，既適用于建筑的平面設計也適用于建筑剖面設計。

柯里亞設計的位于印度孟買的干城章嘉公寓（圖7）利用兩層高的空中庭院將海風引入室內，通過建筑的躍層和夾層空間將風分流吹向起居室和臥室，起到了良好的通風降溫效果。

2.2.2建筑的遮陽

在夏季需要降溫的夏熱冬暖地區和溫帶地區，遮陽顯得十分重要，以避免過多的太陽光熱輻射進人室內，有效地控制室外空氣溫度對室內的不利影響。

在夏熱冬暖地區和溫帶地區的夏季，太陽的人射角度較高，因而房屋的頂部遮陽可以很好地控制房屋接收過多的太陽輻射熱；對于南向（南半球為北向）房間的遮陽則需要水平遮陽裝置，而對于東西向較低角度的陽光，就需要豎向的或水平與豎向相結合的遮陽裝置才能滿足遮擋的效果。

在楊經文設計的自住住宅（圖8）中，其屋頂上設置了一個拱形的百葉混凝土傘狀屋頂，覆蓋了住宅原有屋頂的室外空間，傾斜的百葉可阻擋強烈的太陽光入射，因而在屋頂形成一個溫度緩沖區，減少熱輻射對室內環境的不利影響，同時又建立一個適合熱帶地區的獨特建筑形式。

2.3夏熱冬冷地區的“活動通風+活動遮陽+活動保溫”設計策略

夏熱冬冷地區由于其氣候條件比較特殊，因此，其設計策略也比較復雜。在這些地區的建筑節能，既要做好夏天的隔熱與通風，又要做好冬天的保溫與采暖。也即“活動通風+活動遮陽+活動保溫”的設計策略。

由dRMM設計的位于英格蘭的薩福克郡的別墅，采用整體滑動式結構，可以使墻壁和屋頂進行整體移動，以適應不同季節和時段的不同的采暖、保溫和采光需要（圖9）。起到了很好的節能和調節室內熱舒適度的效果。這一活動外墻的調節能力很大，可根據季節和時段的需要調節外墻的形式，充分改變室內熱環境和通風狀況。

3 結論

氣候與資源，尤其是能源資源，是自然環境系統作用于建筑并影響建造方式選擇的兩個重要因素。在環境問題給人類施加的巨大壓力下，隨著可持續發展思想日益得到重視，不考慮氣候因素，高能源消耗的建筑設計觀應徹底改變。要應對當今所面臨的環境問題，建筑設計必須要尊重生態環境，關注氣候條件，向生態氣候學建筑方向發展。

參考文獻：

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