李珺杰 宋曄皓 / LI Junjie, SONG Yehao
影響建筑使用環(huán)境品質(zhì)與性能表現(xiàn)的空間信息參數(shù)類型解析
李珺杰 宋曄皓 / LI Junjie, SONG Yehao
要解釋一個(gè)空間,建立與建筑使用環(huán)境品質(zhì)及性能表現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)分析,需要對(duì)空間這個(gè)模糊的四維形態(tài)進(jìn)行分層級(jí)的因子化處理,依照邏輯的層級(jí)分類對(duì)其進(jìn)行參數(shù)信息化的描述。研究將抽象的空間信息分為4類物質(zhì)流:形、質(zhì)、量、構(gòu),對(duì)應(yīng)的4項(xiàng)公因子為幾何尺度、界面性質(zhì)、內(nèi)部容納和外部關(guān)聯(lián),歸納總結(jié)并論證潛在引發(fā)使用環(huán)境品質(zhì)與性能表現(xiàn)的空間信息參數(shù)類型及子因子參數(shù),為建立物質(zhì)、信息、效果3者之間的作用關(guān)聯(lián)做量化準(zhǔn)備。
使用環(huán)境品質(zhì) 性能表現(xiàn) 空間信息參數(shù)
埃德蒙 · N · 培根(Edmund N.Bacon)在《城市設(shè)計(jì)》(The Design of Cities)中指出“建筑形式、質(zhì)感、材料、光與影的調(diào)節(jié)、色彩等是決定空間品質(zhì)的關(guān)鍵因素,表達(dá)空間品質(zhì)或精神”(諾伯格 ·舒爾茲,1990)。布魯諾 · 賽維(Bruno Zevi,1985)認(rèn)為:“建筑不僅是面域呈現(xiàn)出的長(zhǎng)和寬的空間形態(tài),而且是一個(gè)三維的空間”。蘆原義信以“外部空間”為名加以研究,從建筑空間實(shí)踐的角度,把空間分為內(nèi)部空間和外部空間,著重對(duì)外部空間的概念、要素、設(shè)計(jì)手法和秩序建立等問題做了深入而系統(tǒng)的論述(蘆原義信,1985;黑川紀(jì)章,1997)。
彭一剛(1983)在《建筑空間組合論》中指出,單個(gè)空間中,功能對(duì)空間的需求可歸納為大小形態(tài)、性質(zhì)和容量3個(gè)方面;對(duì)于多個(gè)空間組合的情況而言,除了上述3個(gè)方面之外,還應(yīng)當(dāng)加上功能之間的聯(lián)系這一因素。在此基礎(chǔ)上,戴志中等(2006)對(duì)以上4個(gè)因素進(jìn)行了分類描述和解釋,將空間的要素分成4個(gè)方面,即形、質(zhì)、量、構(gòu)(聯(lián)系)。
空間的形是指空間的形態(tài)、大小,即空間的幾何尺度;質(zhì)是指圍合空間的點(diǎn)、線、面的實(shí)體的特性,也就是空間界面的性質(zhì);量是空間的容積,即內(nèi)部空間里面所包含容納的物質(zhì);構(gòu)是指多個(gè)空間之間的聯(lián)系,即外部空間的關(guān)聯(lián)狀態(tài)。
建筑實(shí)質(zhì)部分決定了建筑使用的環(huán)境品質(zhì)與性能表現(xiàn)效果,與建筑的空間信息參數(shù)直接相關(guān)。要解釋一個(gè)空間,對(duì)空間這個(gè)模糊的四維形態(tài)進(jìn)行量化處理,建立與建筑使用環(huán)境品質(zhì)及性能表現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)分析的可能性,需要對(duì)空間進(jìn)行分層級(jí)的因子化處理,依照邏輯的層級(jí)分類進(jìn)行空間參數(shù)信息化的描述。
依照上述空間類型解析方法,可將抽象的空間信息分為4類物質(zhì)流,包括空間的形、空間的質(zhì)、空間的量以及空間的關(guān)聯(lián),與其對(duì)應(yīng)的4項(xiàng)空間的公因子依次為幾何尺度、界面性質(zhì)、內(nèi)部容納和外部關(guān)聯(lián)。下文將通過文獻(xiàn)整理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)地調(diào)研、數(shù)據(jù)解析的方式,歸納總結(jié)并論證潛在影響建筑使用環(huán)境品質(zhì)與性能表現(xiàn)效果的建筑空間信息參數(shù)類型及其子因子參數(shù)類型。
圖1 氣候環(huán)境對(duì)建筑幾何尺度、朝向布局的影響(布萊恩 · 勞森,2003)
幾何屬性在“形”與“體”的層面上限定了空間的邊界,確定了空間的類型,規(guī)劃了流線,因此,能在很大程度上決定一個(gè)建筑的視覺感知與空間體驗(yàn)。在劃分人類關(guān)系的空間距離的研究中,愛德華 · T · 霍爾的有關(guān)研究最為權(quán)威,他將人類的關(guān)系距離分為“親密”、“個(gè)人”、“社交”和“公共”??臻g設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于,需要?jiǎng)?chuàng)造能夠促進(jìn)而不是抑制適合空間行為的設(shè)計(jì)目的的行為場(chǎng)景(布萊恩 ·勞森,2003)。
不僅如此,幾何尺度也是影響建筑被動(dòng)式調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵因素,對(duì)室內(nèi)的熱環(huán)境、通風(fēng)、采光、聲環(huán)境等物理環(huán)境性能都會(huì)產(chǎn)生影響??臻g形態(tài)與布局方式影響空間與外界的接觸面積,從而影響空間對(duì)熱量的需求。集中的形體有利于避免熱量的損失,形體越分散則能量損失越大。不同幾何形體的建筑及空間在寒冷、溫和、干旱和炎熱環(huán)境下適宜選用的幾何形態(tài)和比例尺度如圖1所示(Klaus Daniels,1997)。
從圖2、3中可以看到,當(dāng)建筑表面積與空間所占體積的比值由9:1變至1:2時(shí),即在表面積減小、體積增大的過程中,建筑相對(duì)熱損失Qt先是劇烈減少,當(dāng)比值為1:4時(shí),Qt達(dá)到最低值,而當(dāng)表面積繼續(xù)減少、體積增大時(shí),Qt又開始逐步增大。
筆者在地處寒冷氣候區(qū)的北京和西安選取了8座建筑①,對(duì)其夏、冬兩季的室內(nèi)物理環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,得出以下結(jié)論:在冬季,室內(nèi)溫度受主動(dòng)式熱源的影響,依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,冷空氣下沉熱空氣上升,室內(nèi)溫度的波動(dòng)隨層數(shù)的增高而增加,平均每層增加2~4℃,層數(shù)越高的建筑的整體室內(nèi)溫度分布不均勻的現(xiàn)象越顯著(李珺杰等,2014;Yehao Song et al.,2014)。在過渡季和夏季,在不受任何主動(dòng)式空調(diào)設(shè)備控制的情況下,室內(nèi)逐層溫度差別較小,但下層溫度仍然低于上層溫度,每層的溫差為0~2℃(圖4、5)。在夏季,主動(dòng)式空調(diào)系統(tǒng)開啟時(shí),室內(nèi)溫度受空調(diào)設(shè)備的調(diào)節(jié),在能源消耗不同的情況下,能夠保持各層溫度的基本一致。
圖2 不同平面比例對(duì)建筑得熱和散熱的影響(Klaus Daniels,1997)
圖3 不同體形系數(shù)對(duì)建筑相對(duì)熱損失的影響(Klaus Daniels,1997)
空間的幾何尺度不僅影響全年氣候條件下整棟建筑垂直溫度場(chǎng)的分布情況,存在的“煙囪效應(yīng)”也能在很大程度上決定其通風(fēng)效率。熱壓作用下的自然通風(fēng)量N可以根據(jù)公式1計(jì)算:
其中,A1、A2分別為進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口面積(單位:m2),tn、tw分別為室內(nèi)外溫度(單位:℃),H為進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口之間的高度差(單位:m)。
圖4 一周內(nèi)室內(nèi)各層溫度分布曲線(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院)
圖5 冬季建筑逐層平均溫度分布(西安浐灞商務(wù)中心)
基于上述分析,一個(gè)單一的建筑空間幾何尺度不僅應(yīng)該包含三維立方體的形狀特征以及長(zhǎng)、寬、高等幾何信息,還應(yīng)包含建筑所特有的空間尺度信息,例如空間所容納的建筑層數(shù)、各層層高及空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)體系,例如柱網(wǎng)的尺寸、空間相對(duì)于地面的標(biāo)高等信息。因而,可以將影響建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的幾何尺度的因子項(xiàng)歸納為4個(gè)大類和若干可以量化計(jì)量的子類(圖6)。
對(duì)建筑空間最基本的要求是能夠遮風(fēng)避雨、抵寒御暑,再進(jìn)一步則是提供必要的視覺體驗(yàn),滿足采光、通風(fēng)和日照的要求??臻g的質(zhì)指圍合空間的點(diǎn)、線、面的實(shí)體的特性,也就是空間界面的性質(zhì)。對(duì)于建筑體而言,界面為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu);對(duì)于單體空間而言,界面為形成空間的邊界實(shí)體。建筑表皮的材料與建構(gòu)方式不僅形成了建筑所特有的形態(tài)面貌,還是其所處的環(huán)境、面向的使用者的直接體現(xiàn)(大師系列叢書編輯部,2004)。
界面性質(zhì)對(duì)建筑(空間)的影響不僅體現(xiàn)在使用者體驗(yàn)和物理環(huán)境等方面,建筑表皮的設(shè)計(jì)還會(huì)在很大程度上影響建筑的保溫隔熱能力,從而影響建筑運(yùn)行期間的一次能源消耗水平。窗墻比不同的情況下,建筑南側(cè)、東西側(cè)和北側(cè)在年單位平米的能量需求上皆有差異(Klaus Daniels,1997,圖7)??傮w上看,南側(cè)最少,單位平米的能耗約為53kWh/(m2·a),東西兩側(cè)次之,約為61kWh/(m2·a),北側(cè)能耗最多,約為67kWh/(m2·a)②。
建筑材料的熱工性能對(duì)建筑使用環(huán)境的舒適度和運(yùn)行期間的能耗也具有很大的影響。物體的導(dǎo)熱能力通過導(dǎo)熱系數(shù)來衡量,材料的導(dǎo)熱系數(shù)是其特有屬性,受厚度、兩端的溫度、表面積、含水率等因素的影響。
總體來看,影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的因素包括墻體、窗、孔洞以及遮陽措施(圖8)。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步細(xì)分為決定建筑界面性質(zhì)的各類因子指標(biāo),包括透質(zhì)或不透質(zhì)界面的材質(zhì)種類、窗戶的位置和窗墻比、可開啟扇的比例、遮陽系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度和熱工性能等。
圖6 空間的幾何尺度與因子項(xiàng)
圖7 窗墻比、朝向與年平均熱量需求之間的關(guān)系
圖8 空間的界面性質(zhì)與因子項(xiàng)
為了容納一定的功能,滿足使用者的需求,空間需要具有一定的容積,容納可能存在于其內(nèi)部的環(huán)境、人和功能,滿足各種活動(dòng)的要求??臻g內(nèi)部容納的物體一方面影響著空間使用環(huán)境的品質(zhì),滿足人們精神和物質(zhì)上的需求,另一方面也影響著空間的物理環(huán)境性能表現(xiàn),對(duì)建筑的健康、節(jié)能、舒適度起到積極的作用。這些因素與建筑、人和環(huán)境密切相關(guān),影響著空間的可持續(xù)性能表現(xiàn)。
人群占有密度能夠表現(xiàn)不同空間內(nèi)使用者的占有密度,該數(shù)值與使用者的心理需求相關(guān),能直接反映使用者對(duì)環(huán)境品質(zhì)的滿意程度。不僅如此,它還反映了空間利用效率的合理性,不同功能性質(zhì)的建筑空間應(yīng)該具有不同的密度尺度,一方面要考慮到提高空間的使用效率,減少浪費(fèi),另一方面要能夠保證使用者在環(huán)境中的心理、生理需求。
在研究空間內(nèi)人群與使用環(huán)境之間的關(guān)系時(shí),為了便于統(tǒng)計(jì)使用者對(duì)空間的使用情況,量化統(tǒng)計(jì)人群數(shù)量,引入了FTEs③(Full Time Equivalents)和ρO(Occupied)兩個(gè)物理量,作為量化空間信息要素的基礎(chǔ)。
單位時(shí)間內(nèi)的使用人數(shù)當(dāng)量FTEs計(jì)算方法如式2所示:
式中,n為同一段時(shí)間內(nèi)在對(duì)象空間停留的人數(shù),T為1h內(nèi)人群在被測(cè)空間的停留時(shí)間。FTEs指空間1h內(nèi)的使用人數(shù)當(dāng)量,例如3個(gè)人在1h內(nèi)均在空間內(nèi)停留0.5h,則該空間在指定的1h內(nèi)的使用人數(shù)當(dāng)量為1.5FTEs。
人群占有密度ρO可根據(jù)式3計(jì)算:
式中,ρO為每100m2使用面積中,對(duì)象空間的人群占有密度(單位:FTE/h·100m2), 為工作時(shí)間段中指定1h的FTEs值, 為使用者的占有面積(單位:m2)。
在空間內(nèi)的綠化種植對(duì)建筑空間的被動(dòng)式調(diào)節(jié)性能影響的研究中,筆者對(duì)12座辦公性質(zhì)建筑的目標(biāo)空間進(jìn)行了綠化率的考察計(jì)算,對(duì)其中的使用者進(jìn)行了空間滿意度的主觀問卷調(diào)研,并進(jìn)行了實(shí)際的物理環(huán)境(CO2濃度)的測(cè)試。12座辦公性質(zhì)的建筑中,有6座包含庭院空間,6座包含中庭空間。根據(jù)綠化率由大至小對(duì)建筑進(jìn)行編號(hào),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、2所示。
圖9的曲線反映了景觀環(huán)境滿意度與該空間總體滿意度的總體關(guān)系趨勢(shì)??傮w來說,良好的景觀環(huán)境對(duì)空間的總體滿意度有促進(jìn)作用,綠化率越高,景觀環(huán)境越好,使用者對(duì)空間的總體滿意度越高。
此外,研究中的11個(gè)(除b12以外)包含植物綠化的建筑空間均證明了植物綠化對(duì)降低空間內(nèi)的CO2濃度有積極的影響。
表1 景觀綠化的作用(院落空間)
表2 景觀綠化的作用(中庭空間)
圖9 調(diào)研建筑景觀環(huán)境滿意度與該空間總體滿意度的關(guān)系曲線
圖10 空間的內(nèi)部容納與因子項(xiàng)
圖11 空間的外部關(guān)聯(lián)與因子項(xiàng)
若從定量的角度來衡量3個(gè)方面所包含的內(nèi)容,那么需要再次將空間內(nèi)所包含的實(shí)體進(jìn)行量化分類。以植物、水體、景觀設(shè)施3個(gè)人造環(huán)境類型劃分空間環(huán)境,對(duì)應(yīng)量化為綠化率、景觀含水率和休息座椅數(shù)量;空間內(nèi)使用者存在狀態(tài)不同,可通過人群數(shù)量、停留時(shí)間和停留目的3個(gè)方向加以研究;按功能的性質(zhì)將空間劃分為主要功能和輔助功能,再根據(jù)建筑性質(zhì)進(jìn)行下一層次的細(xì)分(圖10)。
通常情況下,建筑空間不是孤立存在的,尤其在大型公共建筑中,往往會(huì)有幾個(gè)、幾十個(gè)甚至成百上千個(gè)空間??臻g以不同的方式組合在一起,可以形成更大范圍的組團(tuán)。
每個(gè)獨(dú)立的建筑空間與外部的聯(lián)系包括3個(gè)大類:與建筑中相鄰空間之間的連接關(guān)系、與外部空間人群存在狀態(tài)的聯(lián)系、與自然之間的聯(lián)系。空間之間的聯(lián)系可體現(xiàn)為空間的相對(duì)位置和空間交接的連接方式兩種,以矩形的平面幾何形態(tài)為例,通過判定矩形平面的4個(gè)立面是否與建筑的其他功能性空間相連,可將該空間與周圍空間的聯(lián)系方式分為單向、雙向、三向和四向。空間之間的連接方式是多樣的,可能直接相連或是通過某種中介空間相連,形成開敞、半開敞、半封閉、封閉的幾種狀態(tài)。與主體空間的連接因子類型相同,空間與室外環(huán)境(自然)的連接關(guān)系也同樣體現(xiàn)為位置和連接方式兩種,對(duì)應(yīng)不同朝向和關(guān)聯(lián)狀態(tài);與空間內(nèi)部容納的使用者的研究細(xì)則相同,外部主體空間的使用者可以按照存在狀態(tài),從人群數(shù)量、停留時(shí)間和停留目的3個(gè)方面加以研究(圖11)。與空間的界面性質(zhì)不同,界面性質(zhì)主要關(guān)注目標(biāo)空間邊界面的材質(zhì)類型、材質(zhì)特性、孔洞及窗戶的位置和大小,是從“面”的角度分解因子;而外部關(guān)聯(lián)主要關(guān)注空間之間的布局組織方式及關(guān)聯(lián)狀態(tài),是從“體”的角度分解因子構(gòu)成。
表3 建筑空間信息參數(shù)
要研究空間對(duì)使用環(huán)境品質(zhì)和性能表現(xiàn)的作用程度,首先需要了解空間所包含的信息中,影響各項(xiàng)性能的關(guān)鍵性參數(shù)。研究始于對(duì)空間有效信息的捕獲,建立合理的獲取邏輯和方法。對(duì)于一個(gè)單一空間來講,可以將其簡(jiǎn)化成一個(gè)三維的幾何體,對(duì)空間這個(gè)模糊的四維形態(tài)進(jìn)行分層級(jí)的因子化處理,依照邏輯的層級(jí)分類將空間進(jìn)行參數(shù)信息化的描述,4項(xiàng)空間的公因子依次為幾何尺度、界面性質(zhì)、內(nèi)部容納和外部關(guān)聯(lián)。在公因子的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步細(xì)化,將定性或模糊的問題進(jìn)行定量轉(zhuǎn)化,把問題分解為若干子因素,應(yīng)用兩兩比較的方法確定各個(gè)因素的相對(duì)重要性(表3)。
注釋
① 八座建筑包括:清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院、清華大學(xué)逸夫圖書館、清華大學(xué)照瀾院食堂、西安浐灞商務(wù)中心、西安浐灞管委會(huì)辦公樓、陜西省圖書館、西安交通大學(xué)教學(xué)行政主樓以及北京嘉銘中心辦公樓。
② 建筑能耗與氣候環(huán)境、平面布局、體形關(guān)系、建筑材質(zhì)、構(gòu)造方法、系統(tǒng)構(gòu)成、使用方式等多方面因素相關(guān),決定能耗的因素相互影響,很難從單方面因素剝離單一變量考量。Klaus Daniels的能耗比較曲線以及數(shù)值是基于歐洲氣候環(huán)境下對(duì)建筑的數(shù)據(jù)分析,研究的是1990年代的能耗構(gòu)成,對(duì)于現(xiàn)今的建筑來講能源構(gòu)成可能會(huì)有較大出入,但作為比例關(guān)系研究不同朝向的窗墻比與能耗之間聯(lián)系,數(shù)據(jù)可以作為參考值輔助設(shè)計(jì)。
③ 參考 USGBC, LEED 對(duì) FTEs的定義。
④ 綠化率=植物及水體占地面積/目標(biāo)空間的建筑面積,該數(shù)據(jù)為實(shí)際測(cè)量數(shù)值。
⑤ 采用語義學(xué)解析法法(SD法)使用者主觀問卷的投票方式,取值范圍為[-3,3]。問卷的題目為:您認(rèn)為該空間的景觀環(huán)境如何?-3為不好,3為非常好。每座大樓發(fā)放問卷約40份。
⑥ 方法同上條注釋。題目為:請(qǐng)您為該空間的總體滿意度打分:-3~3。
⑦ CO2降低率=(建筑主體空間CO2濃度平均值-中介空間CO2濃度平均值)/建筑主體空間CO2濃度平均值
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2016-08-18
SPATIAL INFORMATION PARAMETER TYPE ANALYSIS OF INFLUENCE OF BUILDING ENVIRONMENTAL QUALITY AND PERFORMANCE
To explain a space and set up correlation analysis with environmental quality and performance, a fuzzy four-dimensional space should be described as hierarchical factors. This research classified abstract spatial to four material flow types: form, quality, quantity and structure, corresponded to four factors of geometry dimensions, interface properties, internal related categories, and external related categories. It summed up and demonstrated spatial information parameter types and its sub factor parameters which may influence environmental quality and performance, and finally established a basement of quantitative analyze among the three roles of material, information and effect.
Environmental Quality, Building Performance, Spatial Information Parameter
國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(基于可持續(xù)性的大型公共建筑決策與設(shè)計(jì)研究,編號(hào):51138004);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(綠色建筑參數(shù)化生成理論及整體設(shè)計(jì)方法研究,編號(hào):51378049)。
李珺杰,北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院
宋曄皓,清華大學(xué)建筑學(xué)院,生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室