和居住環(huán)境和諧發(fā)展高層建筑生態(tài)設(shè)計(jì)和居住環(huán)境和諧發(fā)展高層建筑

1、和居住環(huán)境和諧發(fā)展高層建筑生態(tài)設(shè)計(jì)和居住環(huán)境和諧發(fā)展高層建筑生態(tài)設(shè)計(jì)    摘 要：本文結(jié)合筆者多年建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討了現(xiàn)代城市良好居住環(huán)境的宏觀控制策略，并從高層建筑的規(guī)劃與建筑生態(tài)設(shè)計(jì)的角度，著重對(duì)城市高層建筑營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)及室內(nèi)環(huán)境二方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以期實(shí)現(xiàn)未來城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：高層建筑； 居住環(huán)境; 生態(tài)設(shè)計(jì)； 營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)；宏觀控制 Abstract:Union author architectural design many years has carried out the main body of a book , has disc

2、ussed modern fine city habitancy environment macro-control tactics, and from the tower plan and the angle building organism's habits design's, be burning weight to service systematically and interior environment of city tower the expound detailedly , to look forward to realizing a future cit

3、y sustainable development targets having been in progress in two aspects. Keywords:Tower; Habitancy environment; Organism's habits design; Service systematically; Macro-control 高層建筑是當(dāng)今所有主要城市普遍存在的建筑形式。高層建筑的布局應(yīng)有一個(gè)總體戰(zhàn)略規(guī)劃進(jìn)行指導(dǎo)，規(guī)定環(huán)境管理的原則，強(qiáng)調(diào)在城市活動(dòng)與其支持系統(tǒng)的綜合之間的相互關(guān)系。戰(zhàn)略規(guī)劃能夠發(fā)展規(guī)模提供依據(jù)，它限制發(fā)展范圍，并且保證新建筑物及其組成部分能與周

4、圍土地利用和運(yùn)行系統(tǒng)廣泛協(xié)調(diào)。 許多建筑師認(rèn)為，高層建筑的生態(tài)設(shè)計(jì)要求應(yīng)該受到迫切的關(guān)注，因?yàn)檫@些地方資源消耗和環(huán)境污染相對(duì)嚴(yán)重，生活方式也是對(duì)全球自然資源和生態(tài)系統(tǒng)的最大威脅。而且，這些高密度的大型建筑由于與生態(tài)健康和生態(tài)設(shè)計(jì)相關(guān)，所以值得傾注更多的研究和努力。 1現(xiàn)代城市生態(tài)環(huán)境宏觀控制策略 對(duì)于現(xiàn)代城市良好居住環(huán)境而言，最直接有效的宏觀控制方法應(yīng)從以下二方面進(jìn)行： 1.1有效的利用土地 在高層建筑的功能布局中，強(qiáng)調(diào)土地的綜合利用是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。亦即在建筑功能布局時(shí)，把工作、居住、交通和其他服務(wù)設(shè)施結(jié)合起來綜合予以考慮，把人們能夠就近入學(xué)、就近工作、就近享用各種服務(wù)設(shè)施，縮短人們每天

5、的出行距離，減少能耗。 1.2合適的密度 建設(shè)生態(tài)化城市人居環(huán)境，需要在滿足人們適度舒適的前提下，適當(dāng)提高人口密度，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。與此同時(shí)，亦有助于城市中心的復(fù)興，提高城市中心的活力。但是另一方面，又要避免局部地區(qū)過分密集，高層建筑對(duì)城市的許多負(fù)面影響大多是由于高層建筑的過分密集造成的。 2高層建筑營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)的生態(tài)性設(shè)計(jì) 對(duì)高層建筑而言，從能源和環(huán)境的角度看，其生命周期是指從材料與構(gòu)件生產(chǎn)（含原材料的開采）、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)輸、營(yíng)運(yùn)與維護(hù)直至拆除與處理（廢棄、再循環(huán)和再利用等）的全循環(huán)過程。高層建筑營(yíng)運(yùn)期間所消耗的能源在整個(gè)生命周期中占有很高的比例。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，營(yíng)運(yùn)過程中能耗最高的是建

6、筑的HVAC系統(tǒng)，其次是人工照明系統(tǒng)；其他因素（如電梯、管道和排放）在建筑營(yíng)運(yùn)能耗中只占很小部分。因此我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該是選擇一種建筑形式和營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)，可以盡可能的利用自然采光和通風(fēng)，以減少高層建筑營(yíng)運(yùn)期間所需的能源。設(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)基址氣候條件找到適合的被動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并使之最大化。被動(dòng)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是不通過電子-機(jī)械手段，而是通過建筑特殊的形態(tài)組織達(dá)到的低能耗設(shè)計(jì)。以下是一些用于綠色生態(tài)高層建筑中被動(dòng)模式營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)最大化的生態(tài)設(shè)計(jì)策略。如果不能達(dá)到理想的效果，可以通過主動(dòng)系統(tǒng)或混合模式系統(tǒng)的輔助作用來加以補(bǔ)充。 2.1建筑平面與體型系數(shù) 我們必須根據(jù)基址周邊環(huán)境能量和當(dāng)?shù)貧庀筇卣鱽碓O(shè)計(jì)高層建筑的形

7、狀以獲得最佳能量。減少采暖能量的需求（例如通過優(yōu)化進(jìn)入熱量）并不僅僅是建筑朝向問題，也受到建筑平面形式和體型系數(shù)的影響。建筑的體形系數(shù)是圍值，因此它不僅僅是一個(gè)熱工性能參數(shù)，而且還體現(xiàn)了作為手段的外界面對(duì)空間的建構(gòu)面積成線性正比，而對(duì)于正多面體而言，表面積與體積呈幾何基數(shù)關(guān)系，此時(shí)建筑的體積，即空間的量和維持室內(nèi)氣候的能耗之間不是線性關(guān)系，而是幾何關(guān)系，因此建筑在體積擴(kuò)大時(shí)可以只投入較小的能耗增量而獲得較多的舒適空間增量，這意味著減少體型系數(shù)可以降低舒適空間的平均成本。在常見的平面形式中，圓形平面可以擁有最小的外圍面積，其次是方形（見圖1）。 同時(shí)，小的體型系數(shù)往往與空間布局緊湊、功能流線短捷

8、相聯(lián)系，所以小的體型系數(shù)在某種意義上還常常與較高的功能運(yùn)作效率相聯(lián)系。通過控制體型系數(shù)往往可以一舉三得：節(jié)能、節(jié)材及提高功能運(yùn)作效率。通?？梢酝ㄟ^以下途徑來減小建筑的體型系數(shù)：加大建筑進(jìn)深；規(guī)整建筑體型；集中建筑體量。圖2分別表明在每個(gè)氣候帶，最適宜的建筑比率，正立面最好的是南北朝向。研究表明，建筑可取的邊長(zhǎng)長(zhǎng)度，即X、Y值最適宜的建筑比率，如圖2所示。 建筑服務(wù)核的布置決定了平面外圍的哪些部分對(duì)外開放（例如為了通風(fēng)和更好的視野），合適的位置有利于建筑的熱表現(xiàn)。設(shè)計(jì)者在平衡設(shè)計(jì)時(shí)必須結(jié)合其他因素考慮太陽光路徑和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向（如最佳的視野方向、基址形狀和領(lǐng)近建筑等）。在熱帶地區(qū)，服務(wù)核可以設(shè)在建筑

9、“較熱”的東邊、西邊或兩邊，以作為太陽光緩沖帶。研究表明，在溫帶和寒帶地區(qū)通過雙核外形設(shè)計(jì)，窗戶開在南北向，服務(wù)核放在東向或西向，可以大大節(jié)約空調(diào)的能耗。這種方案亦適用于赤道地區(qū)的緯度小于40°的地區(qū)。這種布置通過“空間隔熱”緩沖區(qū)，大大減少了進(jìn)入建筑內(nèi)部空間的熱量，同時(shí)也最大限度地防止了建筑內(nèi)部熱量的流失。在各種可能的服務(wù)核布置中（即中心核、雙核或單邊核），雙核是最可取的（見圖3）。圍服務(wù)核的優(yōu)勢(shì)在于： a沒有消防加壓管，降低了最初和營(yíng)運(yùn)成本； b使用空間更具有靈活性； c電梯間提供自然通風(fēng)，從而節(jié)能； d太陽光緩沖效應(yīng)和風(fēng)力緩沖效應(yīng)。 2.2朝向的選擇 建筑朝向的被動(dòng)設(shè)計(jì)與建筑的

10、平面形態(tài)、基址上的位置及對(duì)太陽光路徑的朝向和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向有關(guān)。例如，根據(jù)熱帶地區(qū)的太陽路徑，建筑形態(tài)應(yīng)該是以東西向?yàn)檩S線的矩形，以減少建筑開闊面的太陽輻射。這是因?yàn)楂@得熱量最大的來源是通過窗戶的太陽輻射。 當(dāng)然，熱量獲得隨著時(shí)間和角度的不同而不同。建筑朝向的決定將影響后續(xù)的每個(gè)設(shè)計(jì)決策。每個(gè)建筑基址都有其特殊性，因此高層建筑的設(shè)計(jì)毫不例外也與基址相關(guān)。在決定如何使基址內(nèi)的新建筑有利于環(huán)境時(shí)，必須考慮兩個(gè)主要的基址因素：當(dāng)?shù)貧夂蚝突穬?nèi)建筑的環(huán)境影響。當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懣梢允钦娴囊部梢允秦?fù)面的建筑朝向可以通過遮陽帶植物或滲透性墻體加以緩和。通過仔細(xì)研究基本微觀氣候條件，就可以確定最合適的基址和建筑外

11、形，消除不適合的基址區(qū)域（如被污染的和過于遮避的區(qū)域）；通過建筑形式、植被和遮避帶最大限度地開發(fā)基址剩余區(qū)域的潛能。2.3建筑外界與雙極控制 高層建筑的外界面設(shè)計(jì)與一般建筑相比有其特殊性。首先高層建筑擁有得天獨(dú)厚的通風(fēng)優(yōu)勢(shì)，而且隨著高度的不斷增加，上面的風(fēng)速和風(fēng)壓越來越大，在這種情況下上部直接開窗狂風(fēng)可能吹襲室內(nèi)，形成紊流和噪聲，而且會(huì)導(dǎo)致建筑與外界熱交換迅速增加，不利于建筑中的能量保存，熱工能耗增多。此外高層建筑較少受到臨近的建筑遮擋，所以投射在其上的日照包括直射的、漫射的或被低層建筑屋頂反射的輻射，要比照射在多層建筑上的日照輻射強(qiáng)度高，這在冬季是有利的，但在夏季卻是不利的。 另外，氣候是由

12、多重對(duì)立要素綜合決定的，各種氣候要素總是在舒適要求的兩極之間擺動(dòng)變化，建筑隨著氣候的變化，要面臨采暖與制冷、通風(fēng)與防風(fēng)等相互矛盾的要求，因此建筑外墻應(yīng)該結(jié)合被動(dòng)系統(tǒng)、混合模式和主動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化來加以設(shè)計(jì)。因此，理想的外墻應(yīng)該是對(duì)氣候“用”和“防”的辨證統(tǒng)一，是有利于環(huán)境的過濾器。外墻上應(yīng)該像過濾器一樣提供自然通風(fēng)，控制交叉通風(fēng)，提供對(duì)外景觀，予以太陽光保護(hù)，調(diào)節(jié)風(fēng)雨，在寒冷季節(jié)提供保溫，在炎熱的夏天提供通風(fēng)、隔熱，使得與外部環(huán)境有更直接的關(guān)系。雙層立面系統(tǒng)是目前處理高層建筑外界面比較理想的手段。 2.4建筑采光 高層建筑在生態(tài)設(shè)計(jì)中的目標(biāo)之一，是優(yōu)化日光的使用，減少人工照明的耗能需求。大部分被動(dòng)

13、日光技術(shù)都是控制進(jìn)入的直射光線，減少其對(duì)視覺舒適度的潛在負(fù)面影響，如眩光；以及通過減少熱量獲取來減少建筑制冷的負(fù)擔(dān)。當(dāng)太陽光有效地分布到建筑各處而沒有眩光的時(shí)候，就可以認(rèn)為是很好的室內(nèi)照明了。先進(jìn)的日光采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下方法： 通過將陽光反射至屋頂平面，日光可以到達(dá)比那些靠傳統(tǒng)窗戶或天窗采光更深的工作區(qū)域，但不增加窗戶附近的日光強(qiáng)度； 通過利用相對(duì)小的進(jìn)光區(qū)域有效傳統(tǒng)日光，可以不對(duì)陽光輻射產(chǎn)生嚴(yán)重的制冷負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的； 仔細(xì)設(shè)計(jì)阻擋陽光直射的系統(tǒng)，可以減少陽光直射導(dǎo)致的眩光和溫度不適。設(shè)計(jì)的難度在于每天和全年陽光位置及獲得的不斷變化。自然采光的建筑無論設(shè)計(jì)得多好，只有在日光有效利

14、用和代替人工照明的情況下才能節(jié)約能源。當(dāng)然，進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時(shí)，可以在人工照明節(jié)能和少量增加陽光熱量獲得之間尋求平衡。我們可以完善座位和工作平面規(guī)劃，通過更好的窗戶和立面設(shè)計(jì)來減少眩光，獲得自然采光。研究表明，太陽光的適當(dāng)獲得和開闊視野可以提供一種舒適感。然而，為保證一個(gè)安全、舒適的工作環(huán)境，使用者應(yīng)該可以控制光線的數(shù)量和質(zhì)量；設(shè)計(jì)者需綜合考慮能耗、背景光線、屋頂燈和窗戶的自然采光等因素，并為使用者提供最好的視覺環(huán)境。 2.5使用自然通風(fēng) 基址環(huán)境一個(gè)重要的能源就是風(fēng)。在需要良好通風(fēng)或風(fēng)力支持下的舒適通風(fēng)時(shí)，通過優(yōu)化當(dāng)?shù)厝旰兔刻觳煌瑫r(shí)段的風(fēng)力條件，我們可以利用規(guī)劃建筑的平面形態(tài)和外墻以達(dá)到自然通

15、風(fēng)和更有效的制冷。在最簡(jiǎn)單的層面上，自然通風(fēng)確保了新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)。大型項(xiàng)目可以利用混合模式系統(tǒng)的"煙囪效應(yīng)"，新鮮空氣可以進(jìn)入到低樓層，在與冰冷的水泥地板相接觸后進(jìn)一步降溫。隨著空氣升溫，它也升溫并最終在屋頂排出。合理的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)可以降低成本和節(jié)約能量。此外，減少對(duì)機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的需求可以提供一個(gè)健康的建筑環(huán)境。使用自然通風(fēng)的能耗要比使用空調(diào)的能耗減少一半，而且減少了維護(hù)，以及建筑綜合癥的發(fā)生，二氧化碳的排放量也減少了。因此，在可能的條件下，不要設(shè)計(jì)全封閉的建筑，以減少對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的依賴。 通過利用封閉的中央庭院或中庭來引入新鮮空氣進(jìn)入建筑內(nèi)部并提供“預(yù)熱”，這樣可以

16、減少能耗。另外，使用這種中庭的設(shè)計(jì)有利于自然通風(fēng)，因?yàn)橹型サ脑O(shè)計(jì)將改變進(jìn)深過深的建筑形式，而在室外立面上開窗，形成良好的的交叉通風(fēng)。然而，并非所有的建筑都是完全自然通風(fēng)，實(shí)際上冬季應(yīng)該注意避免過度通風(fēng)和由于過度新鮮空氣降溫導(dǎo)致的能量損失。所以，在高層建筑中，混合模式替代通風(fēng)系統(tǒng)可以作為一種冬季保存能量的方式。 2.6被動(dòng)制冷 被動(dòng)制冷適用于各種簡(jiǎn)單的制冷技術(shù)，使建筑室內(nèi)溫度能通過自然能源的使用而降低。在炎熱潮濕的赤道地區(qū)，生物氣候的設(shè)計(jì)技術(shù)涉及建筑設(shè)計(jì)和材料的選擇，以最小量的制冷能耗來換取更舒適的環(huán)境。這要求最小化建筑的熱量獲得，減少建筑外層太陽光熱量的獲得和太陽光通過窗戶的滲透，通過自然通風(fēng)

17、和其他技術(shù)來提供舒適環(huán)境。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用一些設(shè)計(jì)元素（例如建筑的布局、朝向、窗戶細(xì)部、遮陽裝置、通風(fēng)、隔熱和外墻的熱系數(shù)）能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度達(dá)到一個(gè)比室外平均溫度更舒適的水平。對(duì)于夏季炎熱的項(xiàng)目基址而言，被動(dòng)制冷系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)前提是當(dāng)?shù)氐慕ㄖ餁夂蛟O(shè)計(jì)，兩種方法相輔相成。建筑通過利用各種自然散熱口，如周圍空氣、上層空氣、水和地層下的土壤，這種被動(dòng)系統(tǒng)來降溫。每種降溫資源都有多種使用方法，從而產(chǎn)生各種降溫系統(tǒng)。以下是各種被動(dòng)降溫方法： 舒適通風(fēng)：主要是在白天提供直接通風(fēng)的舒適感； 夜間通風(fēng)降溫：通過夜間通風(fēng)降低建筑內(nèi)部的溫度，而在白天關(guān)閉建筑，從而降低室內(nèi)白天的溫度； 輻射降溫：在夜晚通過屋頂散熱，或

18、利用特殊的屋頂散熱器，用白天的冷能儲(chǔ)藏，將獲得的冷能量傳送到建筑內(nèi)部； 直接蒸發(fā)降溫：機(jī)械或非機(jī)械蒸發(fā)空氣降溫，而將濕冷的空氣引入室內(nèi)； 間接蒸發(fā)降溫：通過屋頂?shù)恼舭l(fā)降溫，例如屋頂水池降低室內(nèi)溫度而不增加濕度； 外部空間降溫：應(yīng)用于外部空間的降溫技術(shù)，如建筑旁的院子。 3高層建筑室內(nèi)環(huán)境的生態(tài)設(shè)計(jì) 作為建筑重要組成部分的室內(nèi)環(huán)境，雖處于比建筑更低的層次，但它與建筑本身之間、與自然環(huán)境之間以及室內(nèi)諸要素之間都是一種相輔相成的整體關(guān)系，不可割裂。符合生態(tài)原則的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)，必須處理好室內(nèi)與自然環(huán)境之間的關(guān)系問題，建筑室內(nèi)環(huán)境作為整體環(huán)境的一部分，作為地球總生態(tài)鏈中的一環(huán)，它必須與其他各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)主要著眼點(diǎn)有兩方面：一是提供有益健康的室內(nèi)環(huán)境，并為使用者創(chuàng)造高質(zhì)量的生活環(huán)境；二是保護(hù)環(huán)境，減少消耗。因此生態(tài)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)該在節(jié)能、環(huán)保等方面進(jìn)行周密的考慮。 高層建筑的室內(nèi)生態(tài)設(shè)計(jì)同一般建筑相比除了室內(nèi)熱舒適度、室內(nèi)聲環(huán)境、室內(nèi)空氣質(zhì)量等要達(dá)到