住宅空間體量利用效率量化分析及其應用?

王錦匯，潘永剛，谷成，陳佳慧，趙吉，張俊龍

(新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊830049)

0 引言

當前，城鎮(zhèn)人均住宅用地十分緊張，盲目追求高大闊氣，大量消耗資源的粗放型住宅設計模式已然過時，提升住宅空間使用效率的精細化設計即將成為住宅設計的主流[1]．

然而，對空間利用效率的研究在建筑學領域中始終是一個有爭議的話題．首先，建筑學中的“空間”是一個極為寬泛的概念，諸多的論著都曾試圖對其進行描述，大體集中在兩個方向，一是以人為對象，從人的五感和心理感知出發(fā)來研究住宅空間，例如知覺空間（Perceptual Space）、存在空間（Existential Space）等理論；二是以空間的量、質為主題來描述空間，如空間原型、邊界、溫度、濕度、采光等．關于空間量化的理論有BillHillier的空間句法理論，張毓峰、楊秉德的“基本原型”理論等．其中空間句法理論從幾何規(guī)律出發(fā)闡釋空間元素之間的邏輯關系，近年來得到了廣泛的認可和應用；“空間原型”理論則將人的視覺和運動的限定作為研究的出發(fā)點，從邏輯關系出發(fā)進行定性研究，設定最小空間單位為空間原型，再以此量化空間．

為了精確衡量住宅面積與層高的合理性，并為今后住宅空間體量的精細化設計提供參考[2]，本文試圖從三維體量的角度來研究量化分析空間，將空間看做一個有邊界概念的體量，不同功能的房間不僅開間、進深不同，空間布局也是在不同高度上展開的[3]．這種量化是通過個人剛性面積需求和豎向利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的曲線來建立的，是一個更加偏重于應用的數(shù)學模型．應用這種空間量化方式來進行住宅空間的精細化設計，控制住宅中每個空間的體量尺度，不但可以解決當前住宅空間設計不合理產(chǎn)生的諸多棄購事件，還可以大量節(jié)約我國住宅建設的資源和成本，更可以讓住宅空間的趣味性和流動性更強，改善人們對集合住宅內部空間方盒子般單調的呆板印象．

1 “空間體量”分析

1931年，建筑師阿道夫盧斯的第一本作品集中明確提出Raumplan的概念，即“空間體量設計”[4]．該概念著重設計不以首層、上層或下層為明確分界線，卻又相互聯(lián)接、相互關聯(lián)的空間．這種緊湊的三維空間有著不同的長、寬、高，帶來節(jié)約空間，節(jié)約成本的經(jīng)濟效益的同時，也極大豐富了空間的表現(xiàn)．因此“空間體量”可以解釋為不同功能的房間所對應的三維體量．

2 住宅空間體量利用效率計算分析

2.1 “面積”與“體量”概念

1）住宅使用面積：住宅使用面積是按住宅的內墻邊界水平投影線計算，指住宅中全部可供使用的空間面積，包括居住面積與輔助面積兩部分（現(xiàn)行的《住宅設計規(guī)范》中已經(jīng)刪除住宅居住面積與輔助面積的概念，但為了便于計算，將其引用）；

2）住宅居住面積：住宅的居住面積是指住宅平面中可供住戶生活使用的起居室與臥室的凈面積之和．根據(jù)國家規(guī)范，居住面積對應的層高不應低于2.4 m[5]；

3）住宅輔助面積：輔助面積是指住宅平面中除去居住面積之外的室內其它空間凈面積，包括廚房、衛(wèi)生間、陽臺、貯藏室、交通空間等．根據(jù)國家規(guī)范，輔助面積對應的層高不應低于2.2 m[5]；

4）住宅使用空間體量：是指住宅使用面積所對應的三維體積；

5）住宅居住空間體量：是指住宅居住面積所對應的三維體積；

6）住宅輔助空間體量：是指住宅輔助面積所對應的三維體積．

2.2 建立空間量化方程

2.2.1 住宅使用空間體量計算式

式中V為住宅使用空間體量，單位m3；V1為住宅居住空間體量，單位m3；V2為住宅輔助空間體量，單位m3；h為住宅凈高，單位m；S為住宅使用面積，單位m2．

2.2.2 住宅有效使用空間體量計算式

式中av為住宅使用空間體量利用效率；ah為住宅凈高利用效率；as為住宅使用面積利用效率．

2.2.3 住宅使用空間體量利用效率計算式

式中av1為住宅居住空間體量利用效率；av2為住宅輔助空間體量利用效率；s1為住宅居住面積，單位m2;s2為住宅輔助面積，單位m2．

2.2.4 住宅居住空間體量利用效率計算式

式中as1為住宅居住面積利用率；ah1為住宅居住空間凈高利用率．

2.2.5 住宅輔助空間體量利用效率計算式

式中as2為住宅輔助面積利用率；ah2為住宅輔助空間凈高利用率．

2.2.6 住宅居住面積利用率計算式

式中s0為住宅居住空間最小面積，單位m2．

2.2.7 住宅輔助面積利用率計算式

式中s0為住宅輔助空間最小面積，單位m2．

住宅居住空間面積標準與住宅輔助空間面積標準：根據(jù)國家住宅設計規(guī)范，雙人臥室不應小于9m2；單人臥室不應小于5m2；起居室(廳)的使用面積不應小于10m2；由臥室、起居室、廚房和衛(wèi)生間等組成的住宅套型的使用面積，不應小于40m2；三件衛(wèi)生設備集中配置的衛(wèi)生間的使用面積不應小于2.5m2[6]；儲藏空間按每人0.5m2計算，交通空間兩室一廳及以下按6m2計入（市面上小戶型一般在6m2以上），三室一廳及以上按10m2計算面積（三室一廳戶型一般在10 m2左右）．陽臺面積一律按照4m2計入．為方便計算，采用居住面積與輔助面積的概念，居住面積包括臥室與起居室的面積總和；輔助面積則是廚房、衛(wèi)生間、陽臺、儲藏室、交通空間等的面積總和．

根據(jù)不同家庭組成類型與戶型情況，依照住宅設計規(guī)范查表1可得滿足居住最基本需求的最小居住面積s0與最小輔助面積s0．

表1 滿足居住最基本需求的最小居住面積s0與最小輔助面積s0

2.2.8 住宅居住空間凈高利用率計算式

式中ah1為住宅居住空間實際凈高利用率；ah2.4為住宅居住空間最小凈高利用率．

2.2.9 住宅輔助空間凈高利用率計算式

式中ah2為住宅輔助空間實際凈高利用率；ah2.2為住宅輔助空間最小凈高利用率．

空間凈高利用率與空間凈高實際利用率不同，其中空間凈高利用率是空間實際凈高利用率與空間最小凈高利用率的比值．

2.2.10 空間實際凈高利用率計算

2010年我國男子平均身高約為1.70 m[7]，考慮到人在室內活動時的鞋與帽的影響，將1.8 m以下空間效率視作100%．對于高1.70 m成年男子來講，舉手摸高2.1 m左右，手持一件簡單物品至2.2 m左右，即層高2.2 m為居住站立行為最低高度（符合我國住宅設計規(guī)范對于室內凈高不宜低于2.2 m的規(guī)定），所以1.8 m到2.2 m的空間利用效率除去考慮空間的家居占有率之外還需考慮人的活動因素．人的行走跳躍摸高可達2.35 m，取大值約為2.4 m，所以2.2 m到2.4 m高的空間使用效率仍需考慮部分人的行為活動因素[8]．由于我國住宅層高普遍在2.7 m到3.0 m，所以在跳躍摸高以上的2.4 m到3.0 m之間均為心理可感知的緩沖空間，此時空間使用效率可以忽略人的活動影響[9]．即1.8 m到2.4 m空間使用效率需加人為活動的因子，而2.4 m到3.0 m層高的高度利用率與實際建模分析結果為準．

本文通過三維軟件對市面上流行的住宅室內空間分布進行建模，將每個戶型的室內層高每隔0.2 m進行豎向剖切分析（僅分析2.0 m到3.0 m，1.8 m及其以下按100%考慮），將剖到的每一層的家居空間利用色塊覆蓋，并逐層計算出空間的利用率，如表2所示．考慮到吊頂與燈不影響室內的空間分布，故將其忽略以精確計算．

表2 住宅室內不同高度的利用率（不計入吊頂與燈）

根據(jù)表3統(tǒng)計分析可得空間不同高度利用率變化趨勢，如圖1．

圖1 空間不同高度利用率變化趨勢

圖2 空間高度利用率部分曲線優(yōu)化為正態(tài)分布曲線

由于2.4 m到3 m空間高度利用率較為符合正態(tài)分布方程部分曲線特征，且1.8 m到2.4 m空間高度利用率需加入人行為活動的因子，為便于數(shù)值分析，優(yōu)化1.8 m至2.4 m空間高度利用率曲線，使其符合正態(tài)分布曲線，如圖2所示.根據(jù)數(shù)據(jù)建立空間高度利用率方程

式中f(h)為空間高度利用率.

圖3曲線為優(yōu)化后的空間實際凈高利用率曲線，其中色塊面積分別為層高到2.2 m空間高度利用率之和，色框面積為層高到2.4 m空間高度利用率之和，計算出到2.2 m空間高度利用率的加權平均值作為輔助空間最小凈高的利用率．

即同理求出居住空間最小凈高的利用率

為方便之后的計算，將2.2～2.4 m與2.4～3.0 m凈高空間使用效率曲線分別簡化為一次函數(shù)進行計算，如圖4所示.

圖3 ah2.2與ah2.4

圖4 簡化后線性方程

簡化后線性方程

式中f(h)為空間高度利用率.

代入住宅凈高高度并計算加權平均值，可求出空間實際凈高利用率

代入式(9)與(10)中即可求出空間凈高的利用率．

由上述推導公式可得：當居住空間層高為2.4 m，輔助空間層高為2.2 m，面積為住宅設計規(guī)范各必需空間最小值的住宅，室內空間使用效率為100%．

2.3 分析案例

以成都市成華荊竹西路保障性住房B-1戶型為例[10]，見圖5所示，房間各參數(shù)見表3.

圖5 B-1戶型平面圖與B-1戶型各房間色塊填充圖

表3 B-1戶型參數(shù)

依上式進行計算得

即該戶型的空間使用效率為58.96%．

對比一個使用面積相仿的住宅空間設計較為精細化的某住宅案例，如圖6所示.各房間參數(shù)見表4.

表4 精細化設計住宅參數(shù)

可得av=76.11%.

即該戶型的空間使用效率為76.11%．

以上兩例都是兩室一廳（4人）住宅類型，使用面積分別為66.64m2和56.07m2，前者為我國保障性住房設計，面積分配合理，符合現(xiàn)代人生活方式，但層高沒有變化，后者面積略小，面積較為合理的同時各房間空間高度也隨著住戶的需求進行相應變化，空間利用率高出普通住宅近20%．所以，住宅空間利用效率是一個反應住宅空間設計合理度的數(shù)值，利用這種計算方法，可以對空間的利用進行明確量化．

圖6 精細化設計的戶型平面圖與樓層剖面圖

3 結論

通過對數(shù)個住宅室內布置進行仿真模擬分析，尋找出豎向空間的利用規(guī)律并建立數(shù)學模型，結合前人對住宅面積的理論數(shù)據(jù)，提出一種新的量化住宅室內空間的方法，這種方法可為今后住宅的精細化設計提供參考．住宅空間的精細化設計作為未來住宅設計發(fā)展趨勢之一，不僅打破了傳統(tǒng)單調的平面與豎向設計形式，使室內空間更富變化，也帶來了相對低廉的建筑造價和較高的空間使用效率[11]．住宅空間體量利用效率的計算可以明確量化住宅空間體量．