建筑物理環境的探討

唐慧華

廣東白云學院 廣東 廣州 510450

1 建筑的熱環境考慮

1.1 濕熱環境

首先，我們應當明確熱環境包括干熱和濕熱兩種。以廣州為例，屬于典型的濕熱環境，氣候特點是溫度高，空氣濕度大。特別春夏之時，該地區降雨量大，空氣中的含水量多。濕熱地區的建筑設計，針對濕和熱兩個問題，會考慮相應的措施。比如，為改善室內濕環境，通常有通風措施。通風既能快速帶走熱量，也能使室內的空氣濕度降低。在大量降雨的時候，空氣含水量非常高，而春末夏初之際，室內的材料表面溫度較低，含水量較大的空氣遇到室內的冷表面，容易冷凝結成水。室內的水量過多時，引來諸多不便，十分妨礙人們的生活。為解決這種冷凝水的煩惱，可以考慮通風帶走水汽。不過通風的時間段，要選擇合適時間，需在室內溫度回升后打開窗通風才可以達到效果。如果在室內溫度低外界濕度大的情況下開窗通風，只會讓室內的冷凝水越來越多。冷凝水會使家具受潮、地面打滑等等，妨礙人的室內活動。

改善建筑的濕環境除了通風，還有很多其它措施。濕熱地區出現受潮最嚴重的區域是底層，因為底層房屋貼近地面，而地面的土體量大，蓄熱能力強，經歷一個冬季后，土體的溫度較低。如果外界相對高溫高濕的氣體遇到較低溫度的土體表面，就會冷凝出水，所以在建筑設計時會考慮首層架空，不做居住用途。在古建筑中，南方有很典型的干欄式建筑，常就地取材用竹木搭建而成，而首層都是架空，可作飼養家畜之地。上層住人，有效地避免居住環境太過潮濕。當代建筑首層設計為架空層時，可將首層作為居民活動休閑之地。當然，建筑的其它樓層也要考慮防潮措施，比如室內的建材考慮得當，也可以有效地防潮。一般來說，室內地面鋪設大理石磚會比鋪木地板的更容易出現泛潮現象，因為不同材料的蓄熱性能不一樣，回溫時間不同，所以出現的潮濕狀況也不同。合理地考慮材料，能使得室內的濕環境得到有效的改善。

對于改善室內的熱環境，在建筑上也有多種考慮。比如古建筑中，常做冷巷、天井等設計，都是為了改善熱環境。狹長的冷道為冷巷，人走在其中感覺到非常涼快。因為風在狹小面積經過時，風速會增大，加快人體表面熱蒸發，使人感到涼爽。而天井的設計，可以避免大量的陽光直接照射進入房屋，使建筑處于陰涼之中。而且小開口的天井還具有拔風效果，因為天井上部的溫度較高，熱空氣密度較小就會往上走，在天井高處形成低壓區，吸引下部的高壓區氣體來補充，這樣形成從下往上的風流動效果，稱之為拔風。風的流動使人感覺到涼爽，改善了熱環境。如今的建筑要設計出天井形式，一般在公共建筑多見，公用建筑下部開闊設計用于人流走動，上部小開口避免陽光直射，是類似于古建筑的天井作用。不過現代公共建筑多采用空調系統，所以上部開口不經常開啟，拔風效果不如古建筑的天井。

上述建筑的拔風效果主要是通過熱壓形成的風流動，另外，建筑的風環境還可以通過風壓形成。比如，廣州地區夏季主要吹的是東南向的海風，因為我國東南向是大面積的海洋，夏季的時候容易形成海陸風。海陸風的形成是因為陸地和海洋的蓄熱量不一樣，炎熱白天的時候，陸地升溫快，熱空氣往上走，地面形成相對低壓區，而海洋因為蓄熱量大所以升溫慢，近海面氣壓相對較高，較高壓力的海面氣體流向較低氣壓的陸面，便形成了從海面吹向陸地的風。那么設計建筑的時候，可以考慮南北通透，這樣夏季白天，南向的風從建筑正面進入，貫穿建筑從北向出去，使得風在建筑中經過的時候有效地帶走熱量，給建筑通風散熱。

不過，建筑的風環境設計還需注意很多方面。特別是越高的建筑受風力影響越多，大量的風吹到建筑迎風面時會形成一個正壓區，在建筑前方造成推力。而建筑背風面存在負壓區，會吸引風反流向建筑背面，亦是形成一個推力。當建筑迎風面和背風面都有推力的時候，建筑會在前后的推力作用下搖擺，越高的建筑搖擺越嚴重。為了避免這種風力的影響，一般需要專門設計考慮。比如可以在建筑上開貫通風口，直接使得迎風面的風力降低。且可考慮在貫通風口加入垂直風力發電機，讓風力轉化為電力供給大樓應用，使得建筑更節能環保。貫通風口還可以使得迎風面的風盡快補給背風面，這樣背風面的負壓區慢慢變成正壓區，就不會產生過大的反推力。

當然，在濕熱地區的防熱措施還有很多。比如，屋頂設計考慮坡屋頂，會比平屋頂更適合。首先，因為濕熱地區降水量大，坡屋頂更利于排水。而且，一般來說，坡屋頂比平屋頂更高，其延長了熱量傳遞的時間。屋頂作為水平面，受陽光照射的時間長，將屋頂做的越高，其擁有更多的空氣層緩沖熱量向下傳遞，使得下部受熱時間延緩。以此類推可知，在一些高穹頂的大教堂等建筑里，炎熱夏季走進去時，總是感到很陰涼，便是因為屋頂有足夠厚的空氣層緩沖熱量向下傳遞。

綠植引入到建筑也是防熱的一大措施，綠色植物的枝葉能讓建筑住處于陰涼區，避免太陽直射。所以，現在通常會在墻體和屋頂栽種綠植，用于夏季遮陽。綠植宜選擇落葉喬木，夏季能保證遮陽，冬季喬木落葉后不能遮擋陽光，使得建筑暴露在陽光下，接受光和暖[1]。不過，為避免植物對結構層的破壞，不得選用深根植物。且要做好灌淋系統，保證植被有充足的水分不枯萎。

當然，除了綠植遮陽，還會考慮固定遮陽構件，比如窗口附近設計相應的遮陽板，根據太陽的高度角不同，有水平、豎直等遮陽構件。屋頂也可以做遮陽板用于遮陽，但考慮遮陽構件尺寸和造型時，要結合當地的太陽高度角來進行設計。比如夏季和冬季的太陽高度角明顯不會相同，我們在設計遮陽板的時候，要充分滿足夏季遮陽，還要考慮使得冬季的陽光能照射到建筑上，避免冬季時建筑處于陰冷環境而太冷。

1.2 干熱環境

某些地區是干熱環境，氣候特點是溫度高，空氣濕度低，全年降水量少。這樣的地區因為缺水，土地沙化嚴重。而沙化的土地蓄熱量低，所以即使這種地方白天溫度高，但日落以后，溫度會下降得非常快，會有早穿棉襖午穿紗的情況。

在干熱地區設計房屋，不能再開大窗通風以求達到降熱，因為該地區的風夾帶大量沙，吹進室內的沙會嚴重影響人的正常生活。這類地區主要設計為小窗，防止風沙進入室內。而為了防熱，圍護結構多考慮隔熱效果好的材料。以往，隔熱材料缺乏的情況下，居民一般通過加大墻體厚度，達到減少外界熱量傳遞到室內。如今，可考慮的隔熱材料非常多，選擇導熱系數小又輕質的隔熱材料，不僅隔熱，也不會給建筑帶來額外過多的重量。

輕質的隔熱材料有很多，比如空心磚，既能做圍護結構，又因為其有較為封閉的空氣層，比相同厚度的實心磚隔熱系數要小得多。如果在干熱地區采用空心磚砌筑墻體，不僅可用于白天的防熱，也能避免晚上室內的熱量散失，起到很好的隔熱保溫作用。除了空心磚，還可以考慮聚苯乙烯板等無機泡沫板材作為保溫隔熱的材料，這種板材可以直接貼裝在墻體上，可以安裝在室內也可以安裝在室外，一般情況下，安裝在室外比較常見。因為在室外不會擠占室內空間，施工的時候也不會對室內造成過多影響，還能保護墻體不直接受日曬雨淋的侵蝕。不過，安裝在室外，雖然保護墻體，但自身耐久性會降低，容易損壞。還可以考慮夾芯安裝，在空心磚里的空心間層里放置保溫隔熱板，既不會占用室內的空間，又不會受到外界日曬雨淋的破壞。不過，這種安裝仍然存在缺陷，比如室內外溫差和濕度相差較大時，容易在中間層產生冷凝水。而且材料達到使用年限以后，極其難換置，如果換置會把墻體弄壞，顯然是影響建筑和人的生活。所以如果要選擇夾芯安裝，一般考慮在建筑與材料同壽命的情況下比較適宜。

2 建筑的光環境考慮

2.1 天然采光

建筑的光環境分別考慮天然光和人工光照明。天然光照明，一般通過開窗設計滿足。理論上講，窗洞口開的越大，進入室內的光線越多。比如以廣州地區分析，本就因為需要通風散熱，所以開大窗，但該地區降雨量多，為避免大窗引入大量的雨水，窗戶上方應該還可以考慮設計雨篷，用于避雨。但單純的雨篷，用途單一，較為浪費。所以大多數情況下，特別是公共建筑設計會考慮外走廊。外走廊的設計，既可以避免雨水直接進入室內，還可以兼做雨篷用途。且能作為光的反射途徑，使得直接光不直接進入室內，而是通過外走廊的反射面，讓反射光進入室內。直射光容易帶來眩光問題，反射光就不會。所以，我們對于室內要引入的天然光，一般更喜用反射光。

窗洞口作為建筑的采光洞口，是室內獲得天然光的一種形式。常見的窗洞口有側窗，而側窗因為窗臺高度的不一樣，可以分為低側窗和高側窗。低側窗的近窗口處采光量大，所以在窗洞口附近的照度好。不過，窗間墻的大小、窗戶的形狀等因素都會影響到室內的采光效果。根據建筑的用途，合理考慮側窗的類型，如學生較多的教室設計，窗間墻盡量小，窗戶形狀多考慮橫長方形，這樣采光量多，利于照明。而居民樓的側窗，特別是臥室，窗間墻設計宜大，窗戶形狀一般考慮豎長方形，利于保護居民的隱私空間。一般來說，窗臺高于兩米的稱之為高側窗。高側窗可以改善建筑進深的照度，因為其窗臺高，所以照射進入到室內的光線比較遠，近窗口處的照度反而較低。而且高側窗因為窗臺高，所以下面的墻體可以有效利用，一些展覽館便是常做高側窗來使得室內有更多的墻體掛展品。如果有些建筑不適合在墻體上開側窗，就會考慮在屋頂開洞口采光，稱之為天窗。

除了窗戶作為采光洞口，有些地方還會采用采光筒。采光筒一般包括采光罩、反射筒、透光器三個部分。通常是把采光罩布置在直射光大的地方，使得光線進入到反射筒，光線在反射筒中不斷反射，最終到需要出光的地方設置透光的裝置，使光線散入室內。需要注意的是，采光罩可以是透明的且含有可選擇光波的涂層，當太陽光照射到罩表面時，長波紅外線和短波紫外線都可以被隔絕在外不進入室內，只讓可見光進入室內。采光筒可以用筒狀管道反射光傳輸到所需的場所，不過光筒不易于彎折，占用一定空間，所以也可以采用光纖，光纖易于彎折，占用面積小，反射率也高，適合代替采光筒反射光源。

2.2 人工照明

當天然光不足以照明之時，多采用燈具補給照明。燈具的種類很多，白熾燈之類照明燈具一般不會再使用，因為其電能轉化為光能的效率低下，大量的電能轉為熱能，帶來光亮的同時帶來大量的熱量，極為不環保節能。熒光燈是氣體放電光源，里面加了熒光粉，有可能含有汞，廢棄以后的燈管對環境有影響。而固體放電光源不僅發光效率高，而且并不含汞等危害元素，所以是現在大多數人的選擇。

人工照明的布置需要合理布置，數量不能太少，以免光照不足影響視覺。但數量也不能過多，因為過多的燈具浪費電力，且光照太亮，會引起眩光，使得視覺不適。

3 建筑的聲環境考慮

3.1 吸聲材料

噪聲的問題是現在普遍值得重視的問題，一個良好的聲環境，使得室內更適宜人生活。避免聲音對室內的影響，可以從吸聲和隔聲兩個方面解決。

吸聲一般是把聲音消耗成熱能，通常室內采用的吸聲材料是多孔吸聲材料，可以讓聲音進入到材料內部，通過與孔道進行摩擦生熱，轉化為熱能消耗掉。不同多孔材料的吸聲性能不一樣，理論上說，材料內部孔隙率越大，孔道越彎折，消耗聲能越完全，吸聲效果越好。

還有很多影響吸聲系數的因素，比如材料的厚度，厚度越大，聲音消耗成熱能的通道就越長，吸聲系數就越大。但是過大厚度的材料，會占用更多的空間，特別是在室內使用吸聲材料時，過大的厚度擠占空間利用率，會使得空間顯得過于壓抑。

材料的密度越小，孔隙率越大，吸聲系數一般也越大。但也不能無限減小材料的密度，因為密度太小，材料內部的孔隙率大，孔道不夠蜿蜒曲折，消耗聲能不夠徹底，所以并不會使吸聲系數進一步增大。而過大密度的材料，其空隙被堵塞，消耗聲能的孔道不夠多，吸聲系數也低。所以，任何一種吸聲材料都有合適的密度，不能過小也不能過大。

還要注意材料的防水，因為材料濕潤后，水分會占據空隙，使得聲能因為有水的阻礙而無法消耗，為了避免水的侵蝕，一般情況下，我們都會將吸聲材料安裝在室內。如果安裝在室外，不可避免地受到風吹雨打，材料或多或少地遭受破損。吸聲材料的安裝也需要注意，如果是貼著墻壁安裝，其吸聲系數不如安裝時與墻壁留有一定距離。因為留有一定距離便是多了一層空氣層，能增加消耗聲能的途徑。

除了多孔吸聲材料，還有共振吸聲結構，其吸聲原理是讓聲波入射到材料上時引起共振，當聲波的頻率與材料的頻率達到一致時，振幅最大，共振消耗的聲能也就越多。但共振結構的缺陷也比較明顯，因為靠共振吸聲，所以共振頻率下的吸聲系數大，但其它頻率的吸聲系數就小。一般來說，該結構的對聲音的吸聲頻率較單一，不如多孔吸聲材料的吸聲頻率廣。常見的共振吸聲結構有穿孔板，其板的質量、穿孔率等因素影響了共振吸聲頻率。所以，可以通過調整影響因素改變共振頻率，使得其符合室內常見的聲波頻率，達到更好的吸聲效果[2]。

3.2 隔聲材料

聲音入射到材料表面時，一部分被反射，一部分被吸收，剩余的部分會透過材料傳遞到室內。隔聲是使聲能多被反射，被反射后的聲能因為沒進入到室內，所以不會對室內聲環境造成影響，但是聲音還是在室外傳播。隔聲屏障通常會和吸聲材料結合起來運用，所以，材料既能隔斷一部分聲能，也能吸收一部分聲能，最終使得室內保證更好的聲環境。

4 結論

1、建筑的熱環境有干熱和濕熱區別，每種熱環境的建筑設計考慮不同，因為空氣的濕度不一樣，所以建筑的相關設計不一樣。

2、建筑照明有天然采光和人工照明，天然采光和人工照明都是建筑光環境的需考慮的。兩者互補于光環境，使得建筑采光更有利于生活。

3、室內的聲環境，考慮吸聲和隔聲兩種控制，吸聲是把聲能轉化為熱能消耗掉，隔聲是隔斷聲音向室內傳播，使聲音反射到室外。