基于城市微氣候視角下的參數(shù)化建筑策略探析
——以城市綜合體設(shè)計為例

陳環(huán)玉 朱隅菡

（河南科技大學(xué)建筑學(xué)院，河南 洛陽 471000）

0 引言

新時代城市發(fā)展背景下，城市居民生活需求多元化，單一的地產(chǎn)開發(fā)模式難以滿足需求。城市綜合體是集商業(yè)、辦公、居住等城市生活空間為一體的綜合性建筑，能夠極大限度地包含居民的日常活動內(nèi)容。城市綜合體是一座城市更新發(fā)展的必然趨勢。與此同時，城市微氣候?qū)θ藗冇兄豢珊鲆暤挠绊懀瑫r，對建筑的可持續(xù)發(fā)展以及節(jié)能耗能有一定的影響。因此，在對城市綜合體進(jìn)行建設(shè)時有必要對城市微氣候所造成的影響進(jìn)行研究，以減少其所帶來的不利影響［1］。

1 城市微氣候與建筑參數(shù)化表皮的關(guān)聯(lián)

建筑表皮是建筑與外界進(jìn)行物質(zhì)交換、接觸交流的主要界面，它影響室內(nèi)環(huán)境的舒適度和建筑的運(yùn)行能耗。

參數(shù)化數(shù)字模擬技術(shù)以及建筑設(shè)計方法為建筑應(yīng)對微氣候調(diào)控帶來了機(jī)遇，建筑參數(shù)化可通過對表皮構(gòu)件的智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)微氣候因素所帶來的影響進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不斷變化的外部微氣候環(huán)境以及建筑性能的需求。

2 城市微氣候?qū)τ诮ㄖO(shè)計的影響

2.1 建筑設(shè)計適應(yīng)微氣候變動的合理性

在實(shí)際建筑項(xiàng)目設(shè)計過程中，必須要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及外部環(huán)境的變化，綜合氣候條件以及建筑設(shè)計概念進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計。氣候變動是建筑設(shè)計的重要影響因素之一，故把控與調(diào)節(jié)氣候?qū)ㄖO(shè)計產(chǎn)生的影響尤為重要。因此，在設(shè)計前需了解建筑所在地的基本氣候要素，諸如溫度、降水、濕度等。在充分考慮實(shí)際情況后，進(jìn)行科學(xué)分析，將設(shè)計思路轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模式語言，以此保證建筑設(shè)計的有效性與先進(jìn)性。

2.2 建筑設(shè)計適應(yīng)氣候策略

2.2.1 建筑朝向選擇。對于建筑內(nèi)部的居住使用者來說，舒適度是體驗(yàn)感中最為重要的一點(diǎn)，而舒適度主要由建筑物的朝向決定。建筑物的朝向直接決定了室內(nèi)的采光、溫度和通風(fēng)等，滿足這幾點(diǎn)要求，居住使用者才能擁有最基礎(chǔ)的舒適體驗(yàn)。而建筑的主要朝向受到日照和風(fēng)向兩個因素制約。另外也應(yīng)該考慮建筑日照時長、建筑間距的影響，針對各地區(qū)的氣候環(huán)境不同，將建筑的朝向與間距進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整［2］。

2.2.2 建筑的通風(fēng)設(shè)計。在建筑設(shè)計中，建筑通風(fēng)也至關(guān)重要。根據(jù)建筑地理位置的不同，風(fēng)對于人們來說既是有利因素也是不利因素。在建筑項(xiàng)目設(shè)計中，對當(dāng)?shù)鼐用裆盍?xí)慣和本身地理氣候特征進(jìn)行綜合考慮，制定一個舒適度較高的通風(fēng)方案。例如：在一個小區(qū)的設(shè)計中，除了要考慮建筑日照以外，還要考慮通風(fēng)。當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件為冬季寒冷潮濕、夏季潮濕悶熱，應(yīng)當(dāng)將通風(fēng)防潮作為設(shè)計重點(diǎn)［3］。在對該小區(qū)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該將戶型定位兩梯兩戶，而不是兩梯四戶呈風(fēng)車式布置，以保證南北風(fēng)向貫通，有利于風(fēng)經(jīng)過時產(chǎn)生穿堂風(fēng)。不論在寒冷的冬季還是炎熱的夏季，形成對流，起到整體防潮通風(fēng)的作用。

2.3 城市綜合體設(shè)計中對于微氣候的考量

城市綜合體包含內(nèi)容廣闊，是以建筑群為基礎(chǔ)，融合商業(yè)零售、商務(wù)辦公、酒店餐飲、公寓住宅、綜合娛樂五大核心功能于一體的“城中之城”，其中商務(wù)辦公和公寓住宅一類可考慮高層建筑。高層設(shè)計中，建筑的朝向與通風(fēng)更為重要，建筑表皮所接收的熱輻射直接關(guān)系到建筑室內(nèi)能耗，若是能夠通過調(diào)節(jié)建筑表皮對太陽熱輻射變化的適應(yīng)，則能夠有效減少不利的太陽熱輻射對室內(nèi)溫度的影響。建筑的通風(fēng)可以根據(jù)建筑開合形態(tài)從室外導(dǎo)入風(fēng)，再從建筑體內(nèi)導(dǎo)出風(fēng)，帶走一部分可直接排放的廢氣和熱量，維持建筑內(nèi)氣和熱的平衡［4］。

3 氣候分析

洛陽市位于河南省西部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°16'—112°37'，北緯34°32'—34°45'，屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和，冬季寒冷，年平均降水量530~1 100 mm，年平均氣溫14.86℃。

本次城市綜合體基地選取河南省洛陽市澗西區(qū)的一處地塊，基地大環(huán)境氣候依照洛陽市整體而定。

3.1 夏季與冬季風(fēng)速以及風(fēng)向

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進(jìn)行模擬得到夏季主要風(fēng)向如圖1所示和冬季主要風(fēng)向如圖2所示，由圖中可以得到夏季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和西南風(fēng)，風(fēng)速最大超過7 m/s；而冬季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和西北風(fēng)，風(fēng)速最大超過7 m/s，由以上測算模擬結(jié)果得出在建筑設(shè)計上應(yīng)當(dāng)采取夏季形成穿堂風(fēng)，使建筑產(chǎn)生微氣候適應(yīng)自然風(fēng)速朝向，在冬季時能夠抵御寒風(fēng)的侵蝕。建筑高層自然形成閉合的形態(tài)抵御冬季寒風(fēng)［5］。

3.2 全年溫度變化

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進(jìn)行模擬得到基地全年溫度變化，7—9月的溫度最高達(dá)到37.20℃，此時段溫度最高，在3—5月溫度在9.42～23.31℃之間浮動，呈現(xiàn)上升趨勢，在9—11月也在9.42～23.31℃之間浮動，呈現(xiàn)下降趨勢，而在其他月份溫度都在14.05℃以下。綜上所述，在建筑設(shè)計過程中，應(yīng)該注意夏季散熱、冬季保暖措施的實(shí)施，結(jié)合圖1和圖2進(jìn)行通風(fēng)綜合處理。

圖1 夏季風(fēng)玫瑰圖

圖2 冬季風(fēng)玫瑰圖

3.3 全年輻射變化

根據(jù)Grasshopper中的工具Ladybug Tools進(jìn)行模擬得到基地全年輻射變化，得到總輻射朝向主要為西南方向如圖3所示；故在建筑的表皮設(shè)計中應(yīng)該注意防輻射，結(jié)合開窗設(shè)計，抵擋太陽的輻射，保障基本的居住或者使用者的舒適度。

圖3 總輻射

4 建筑表皮參數(shù)化適應(yīng)氣候

4.1 表皮系統(tǒng)概念

氣候表皮作為一種輔助功能被用于改變建筑被動式生長，展現(xiàn)出綠色低碳環(huán)保的一面，通常情況下通過構(gòu)件運(yùn)動、功能變化以及材料性能等一些控制手段，將室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)解以滿足居住使用者的舒適需求，良好的建筑表皮可以控制室內(nèi)的通風(fēng)、熱量、日照和眩光等，維護(hù)內(nèi)部環(huán)境的動態(tài)平衡。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這種與氣候環(huán)境十分貼切的表皮，則應(yīng)該將建筑表皮的各種變量進(jìn)行良好的控制。在表皮構(gòu)建的過程中，涉及兩種機(jī)制，一種是規(guī)避機(jī)制，利用建筑表皮作為建筑隔絕外界不利因素的保護(hù)罩，可在夏季抵擋炎熱，在冬季防御寒冷，但是不可避免的是會形成高能耗的設(shè)備代價［6］。第二種是調(diào)節(jié)機(jī)制，調(diào)節(jié)機(jī)制與前者不同的是，調(diào)節(jié)機(jī)制把表皮當(dāng)作過濾器，在室外氣候宜人的時候，以“積極”的方式將自然氣候資源引入室內(nèi)，調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候。調(diào)節(jié)機(jī)制應(yīng)最大限度利用氣候資源，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境更新為原則，主要利用自然通風(fēng)、自然采光和遮陽裝置等被動式技術(shù)手段來滿足室內(nèi)的舒適度需求，盡量降低建筑能耗［7］。

氣候適應(yīng)性建筑表皮應(yīng)該在綜合兩種機(jī)制同時，考慮以被動式為主，以主動式為輔，將規(guī)避機(jī)制和調(diào)節(jié)機(jī)制聯(lián)合運(yùn)用，冬季嚴(yán)寒和夏季酷暑要求建筑表皮啟用規(guī)避機(jī)制，氣候溫和的春秋兩季則可運(yùn)用調(diào)節(jié)機(jī)制。在一天中的不同時段，兩種機(jī)制應(yīng)根據(jù)氣候變化進(jìn)行切換，其切換頻率取決于當(dāng)?shù)氐臍夂騾^(qū)劃和天氣條件。兩種機(jī)制相輔相成，結(jié)合運(yùn)用，讓建筑表皮的氣候適應(yīng)能力更強(qiáng)［8］。

4.2 表皮系統(tǒng)的運(yùn)用

在此次設(shè)計中，綜合前期建筑基地分析、建筑功能分析以及氣候分析，最終先將建筑體塊進(jìn)行確定，再結(jié)合基地風(fēng)環(huán)境以及周邊建筑的日照時長影響，對建筑進(jìn)行綜合分析，最終確定表皮跟隨輻射大小的變化而變化。以城市綜合體的高層為例，高層高度高、面積大，受采光和通風(fēng)的影響較大。首先運(yùn)用Ladybug tools工具對建筑體塊進(jìn)行日照時長分析，對其受到的輻射影響進(jìn)行分析，以此作為開窗大小的依據(jù)。進(jìn)行模擬分析之后，運(yùn)用Grasshopper中插件組塊，將建筑表皮所受到的輻射進(jìn)行映射，映射成開窗大小，輻射較大的地方開窗小，輻射較小的地方開窗大，再結(jié)合運(yùn)用雙表皮系統(tǒng)，形成最終的建筑表皮系統(tǒng)。對于Grasshopper中算法的處理，具體如下。

首先，最重要的一部分為太陽熱輻射電池算法，首先導(dǎo)入EPW氣象文件，通過Grasshopper中的Ladybug電池組件進(jìn)行連接模擬，在電池塊中指定模擬對應(yīng)的時間、精度以及熱輻射結(jié)果要映射的模型表皮等，最后由附著藍(lán)色較冷色調(diào)到橙紅色較暖色調(diào)及其中間過渡顏色的表皮共同表達(dá)最終模擬結(jié)果。顏色越偏冷色調(diào)，則在模型表皮的位置受到的太陽輻射越少，反之，顏色越偏暖色調(diào)，則在模型表皮的該位置受到的太陽輻射較多。

其次，建筑表皮的基本開窗形式，主要運(yùn)用Grasshopper中的Lunchbox電池組件進(jìn)行連接模擬，導(dǎo)入基本的建筑表皮，用Lunchbox電池組件中的相關(guān)電池將表皮按照指定的數(shù)量和大小進(jìn)行切分，分成若干個獨(dú)立的三角形表皮，同時將其改為MESH面，這樣有助于在計算機(jī)進(jìn)行模擬時，減少卡頓［9］。

最后，將上述的三角形表皮按照奇偶排序進(jìn)行分組，僅將其中一半的表皮作為開窗，分解原來的MESH面，找出某個頂點(diǎn)和頂點(diǎn)對應(yīng)的邊，取中點(diǎn)，隨后連線求中線。同時，將太陽熱輻射值通過MESH面進(jìn)行映射，映射目標(biāo)區(qū)間要位于“單位一”內(nèi)，根據(jù)輻射映射值，求出中線上的分割點(diǎn)，同時要注意曲線需要“單位一”化，根據(jù)原來的頂點(diǎn)及中線分割點(diǎn)重新生成2個MESH面（一個三邊面，一個四邊面），連接時點(diǎn)需要按順序逆時針方向連接。再將這兩部分的MESH面用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，可以將模擬的表皮顏色與太陽熱輻射值所對應(yīng)的顏色進(jìn)行對照，得出建筑表皮的開窗大小隨著太陽輻射值同步變化。

通過上述電池模擬過程可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)調(diào)節(jié)相應(yīng)的建筑表皮開窗大小，那么在一座城市中，若想要從建筑微氣候入手，實(shí)現(xiàn)建筑的被動式節(jié)能，可采用本研究所論述方式。

通常在高層建筑中，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的自然通風(fēng)也是至關(guān)重要的，不僅僅通過建筑體塊的布局適應(yīng)被動式氣流流向，也同時需要依靠具體的表皮系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)助，但是隨著建筑高度的增加，建筑表面的風(fēng)壓也隨之加大，因此并不利于高層建筑外表面窗扇的開啟［10］。所以，可以將調(diào)節(jié)氣流的任務(wù)置于雙層表皮系統(tǒng)中，將室外氣流引入室內(nèi)之后，外表皮首先降低了內(nèi)表皮的風(fēng)壓，使內(nèi)表皮可以直接開窗通風(fēng)。設(shè)計中運(yùn)用雙層玻璃幕墻和百葉狀雙層表皮。在雙層表皮系統(tǒng)中，外表皮不直接開窗，主要是起著遮蔽和防輻射作用，再利用通風(fēng)口將室外氣流進(jìn)行導(dǎo)入，讓氣流在內(nèi)、外表皮系統(tǒng)中形成自然通風(fēng)。

在建筑表皮系統(tǒng)上，運(yùn)用上述方案進(jìn)行優(yōu)化太陽輻射對于建筑本體的影響，同時參考洛陽市夏季風(fēng)與冬季風(fēng)以及全年風(fēng)向，運(yùn)用參數(shù)化對于建筑邊庭空間進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

在未來城市建筑發(fā)展過程中，不僅僅要注重建筑的內(nèi)部功能可使用性，以及建筑的美觀與否，還要關(guān)注氣候環(huán)境的影響，運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)解決城市建筑現(xiàn)有的問題，將更多的可適應(yīng)性綠色節(jié)能技術(shù)置于建筑設(shè)計中，與生態(tài)環(huán)境保持均衡，創(chuàng)造更適宜人居住的環(huán)境。