建筑剖面的被動式設計研究

紀屏蘭 武漢紡織大學外經(jīng)貿(mào)學院助教

剖面最初是設計師為了更清晰地表達復雜的內(nèi)部結構的一種圖式，歷經(jīng)多年的實踐成為建筑設計方案中重要的環(huán)節(jié)。由于設計師對于建筑設計方法的創(chuàng)新一直在進行探索，對建筑剖面、豎向的關注與研究從未停止，因此對于建筑豎向性的研究又重新回到了建筑師的視線里。

建筑的綠色、生態(tài)、節(jié)能的理念已經(jīng)被設計師與大眾逐漸所接受。但如今的綠色建筑過于注重科學與技術方面的設計與創(chuàng)新，很少能從設計自身去研究綠色建筑。因此在資源與成本上往往出現(xiàn)更大的消耗和浪費。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 被動式設計理論

20 世紀70 年代，日本建筑師加藤義夫利用誘導式太陽能對建筑的外圍護結構進行了設計，實現(xiàn)了建筑的節(jié)能。

1988 年，“被動式建筑”第一次被兩位科學家Mr.Wolfgang Feist 和Mr.Bo Adamson共同提出。他們在20 世紀90 年代初，主持設計了全球首座被動式建筑。

20 世紀90 年代，托馬斯·赫爾佐格在被動式太陽能利用方面的研究成果獲得了同行的一致好評，其作品出色體現(xiàn)了生態(tài)設計的理念。

21 世紀，環(huán)境問題專家丹尼爾·D·希拉在《太陽能建筑—被動式采暖和降溫》中詳細敘述了被動式建筑設計的基本原理。

1.2 建筑剖面設計結合被動式建筑設計

目前，在建筑剖面結合被動式綠色建筑設計方面，國外研究的領域中，印度著名建筑師查爾斯·柯里亞所設計的干城章嘉公寓大樓能夠將建筑的剖面設計與基地環(huán)境充分相融合，是氣候干燥炎熱區(qū)域高層建筑設計的范本。該類型建筑的設計策略都是將剖面設計成通風管的結構，熱空氣順著斜坡屋頂上升，從建筑頂部的通風口流出，建筑外的空氣從底部進入，因此形成了內(nèi)部空氣的微循環(huán)。同時，建筑師為了適應多變的氣候環(huán)境，針對不同的季節(jié)設計了不同的剖面空間，來實現(xiàn)被動式設計目標[1]。

目前在建筑剖面結合被動式綠色建筑設計方面，國內(nèi)研究較少。湖南大學由徐峰副教授指導的朱琳的碩士論文《建筑中庭的被動式生態(tài)設計策略》中，總結了被動式生態(tài)建筑中庭的剖面設計，羅列了被動式中庭剖面形式、重要部位與剖面布局的設計，對于建筑剖面空間的設計有很大的參考；天津大學曾旭撰寫的碩士學位論文《基于綠色建筑案例的個性化分析及研究》中，從綠色建筑的體型、外圍護結構和內(nèi)部系統(tǒng)這三個論點出發(fā)，經(jīng)過了充實的案例分析，對其設計方法進行了分析與研究，也提及了的建筑剖面的設計；大連理工大學李泉的碩士學位論文《被動式綠色建設計研究》中，總結了被動式設計中節(jié)約用地因素與剖面垂直性的關聯(lián)性，對于剖面內(nèi)部空間的設計具有有很大的借鑒意義。

2 建筑剖面和被動式建筑設計的概念

2.1 被動式建筑設計概念

被動建筑設計主要依靠大自然的力量和條件來保證和維持建筑內(nèi)的使用條件。采用被動建筑設計以達到節(jié)能目的的建筑，可在滿足室內(nèi)熱舒適性需要的條件下，盡量減少建筑中能源設備裝機功率，充分利用外界環(huán)境與能源[2]。

在比較理想的構想下，一個較好的被動建筑在一年的大部分時間里，建筑內(nèi)部應該會冬暖夏涼、通風效果良好，只需要一個小功率的空調(diào)或者采暖系統(tǒng)作為補充就可以滿足人們的生活日常與工作場景的需要。被動建筑設計主要內(nèi)容包括建筑保溫、建筑遮陽、建筑結構、建筑自然通風、最佳窗墻比和建筑布局[3]。

2.2 建筑剖面概念

單純的平面空間上的動線是二維的、斷續(xù)的，然而在剖面上的動線才是立體的、整體的。可以說如果在同一建筑內(nèi)部空間中，剖面可以將動線從斷續(xù)轉變成整體，內(nèi)部空間從二維轉變成三維。

建筑剖面提供了一種豎向設計的思維，精確分析建筑中庭空間、空氣口、通風塔、通氣管、煙囪、回廊以及高屋頂?shù)冉ㄖ氐奈恢?、尺度及相互關系等問題。

2.3 建筑剖面和被動式建筑設計的聯(lián)系性

剖面表達的是建筑內(nèi)部空間的設計，但會被周邊環(huán)境、氣候條件所限制。所以如何清晰地表達被動式設計，如何使建筑的剖面讓建筑與周圍地形條件、地理氣候環(huán)境進行相互融合，是首先需要研究的對象。

在建筑的細部設計方面，剖面毫無疑問比其他圖面能夠更加全面地表達信息?？蓪G色建筑的外圍護結構、表皮的設計、內(nèi)部結構等單元的剖面進行分析并得出相應的結論，使綠色建筑在被動式設計中的實踐更加高效。

3 建筑剖面的被動式設計策略

3.1 基于節(jié)約用地

由于基地地形的地勢高差、土壤性質與自然資源不盡相同，通常不會直接在原始風貌的地形上進行建筑施工，所以會對基地以及周圍環(huán)境采取整合手段。針對基地地形的整合手法大致分為三類：填土、挖土或者保持地形原貌，例如運用架空、懸挑等手段。

面對建筑合適的落地手法本文無法進行全面的羅列與分析。但是，設計師仍然可在不斷地嘗試下總結經(jīng)驗進行歸納與總結，由此對建筑與基地之間的聯(lián)系進行分析，形成借鑒意義[4]。

與傳統(tǒng)建筑柱網(wǎng)劃分空間不同，從剖面設計入手的被動式設計是利用單元組合的形式來完成建筑的空間與內(nèi)部的布局。若每個建筑被改造的地形類型對應一個組合單元，則可生成多種基本建筑單元的組合形式。

3.2 基于氣候環(huán)境

3.2.1 減小體形

以寒冷區(qū)域的建筑為例，如果想減小建筑因為采暖所消耗的能源，其中最為根本的一個設計策略就是嘗試減小建筑表面與大氣熱交換的接觸度。如果是較為偏激的方法是在建筑的主導風向上，將建筑的剖面設計成圓形。例如，英國建筑師Richard George Rogers 所設計的諾丁漢稅務局就是采取此方法。

3.2.2 增加體形

在氣候較溫暖、炎熱的區(qū)域，使用者會更傾向于室內(nèi)外的環(huán)境與空間是相互連接、開放性的。例如法蘭克福商業(yè)銀行大廈是由英國著名現(xiàn)代主義建筑師Norman Foster 所設計的，該建筑營造了一個良好的室內(nèi)微氣候系統(tǒng)。除去建筑自身的花瓣仿生式的設計形式，這幢建筑設計的核心是針對垂直空間與形態(tài)的設計。從該建筑的剖面觀察，如果忽視掉建筑表面的雙層呼吸式的玻璃幕墻，那么建筑的體量、內(nèi)部的空間則呈現(xiàn)出相互融合、虛實相間的形態(tài)。而且因為透明性較高，增加了建筑與周邊環(huán)境的聯(lián)系，由此也提升了建筑內(nèi)部空間的舒適程度。

3.2.3 應對氣候條件

臺灣高雄的大東文化藝術中屯，是一個應對極端氣候作出回應的設計實例。由張瑪龍、陳玉霖建筑師事務所設計了11 個巨大的漏斗狀的遮蓋物來避免遭受到惡劣天氣的影響，除此之外，這些“漏斗”圍合在建筑的邊緣，由此創(chuàng)造出多種可能性的公共空間。

但是這些“漏斗”有著各自不同的功能。有的是將“漏斗”和地下儲水池結合在一起；有的使“漏斗”變成一個通風系統(tǒng)，冷熱空氣可以通過“漏斗”進行交替，因此可以產(chǎn)生自然風的不斷流通；有的還可以利用“漏斗”內(nèi)側墻布使光纖進行反射，來增加建筑內(nèi)部空間的自然采光。

由此可見，針對不同的天氣與環(huán)境時，建筑的剖面會有多種相應的被動式設計手法。

3.3 基于細部做法

3.3.1 頂部設計

整體而言，屋頂?shù)男问椒譃閮煞N：整體式和組合式。

針對整體式的頂部設計，不同的建筑形態(tài)會影響到整個建筑剖面的被動式設計。例如，由Thomas Herzog 建筑事務設計的漢諾威HALL26，這座建筑完成了一個波浪的屋頂樣式，由此在造型上進行了獨特的創(chuàng)新，也在建筑的節(jié)能上進行了一定的考量。

面對組合式的頂部設計，通常是因為建筑內(nèi)部的中庭空間或其他功能空間直接高于建筑的頂部。由此一來，不僅可以使高于頂部的部分完成空氣流通，還可以提升整個空間的高度，也進一步增強了煙囪效應。例如，這樣的設計策略較好地應用于英國的Barclaycard 公司總部大樓。

3.3.2 底部設計

架空：使建筑內(nèi)部空間與外部空間融合，部分甚至可連通。例如馬拉西亞建筑師楊經(jīng)文所設計的加穆達總部大樓便是如此，此建筑把首層的中庭融合到建筑周邊的水體和熱帶花園里。這樣的處理不但加強了中庭的通風效果，而且美化了中庭的環(huán)境[5]。

設置夾層：指的是在建筑底層樓板或各層樓板之上設置夾層，在建筑內(nèi)增添相應的設備，用來幫助增加其空氣流通的程度。例如，英國考文垂大學圖書館、英國建筑研究組織大樓等都是運用這種設計手法的經(jīng)典案例。

與地下室結合：由于地下室自身冬暖夏涼的物理特性，在建筑剖面的底層設計中，會將其與地下室結合設置空氣緩沖區(qū)，由此利用地下室的這種特性可以更好地對冷卻空氣或者對空氣進行加溫。例如，較早的運用此設計手法是意大利最具影響力建筑師之一的Andrea Palladio 所設計的意大利圓廳別墅。

3.3.3 外圍護結構或表皮的設計

其實建筑的外圍護結構或表皮的設計，也是可以針對具體的現(xiàn)狀提出相應合適的設計。例如建筑師將英國諾丁漢大學朱比麗分校面對湖面的一端，將其設計為鼻子的形態(tài)，如此一來，十分有利于南側氣流經(jīng)過湖面后進行冷卻再進入建筑的室內(nèi)。僅僅是一處端部的設計，不僅豐富了建筑的形態(tài)，也提高了建筑的通風效率。

4 結語

本文的研究希望通過建筑剖面的視角來解決被動式建筑的設計問題。被動式建筑設計是在常見的建筑設計策略上更多地去考慮基地周邊環(huán)境、通風、采光等因素。剖面設計是針對豎向空間的思考，也是對垂直空間的設計。通過對建筑剖面的被動式設計案例的分析和歸納，基于節(jié)約用地、氣候環(huán)境和細部做法三個方面總結了建筑剖面的被動式設計策略，如圖1 所示。

圖1 研究框架

綜上，本文所羅列出的設計策略也只是為建筑師與學者提供了大致的方向，或者說是一個基礎的構思，無法涵蓋關于建筑剖面中所有的被動式設計方法。只因筆者在對被動式設計的探究過程中，發(fā)現(xiàn)了建筑剖面設計與被動式綠色建筑設計兩者之間較為密切的關聯(lián)。由此，筆者將建筑剖面設計作為出發(fā)點，對被動式設計進行了進一步的分析。

但是，由于被動式建筑設計是一個綜合性的問題，受到經(jīng)濟發(fā)展、國家政策、科學技術和公民意識等多種因素的影響。因此，在進行被動式建筑的剖面設計時，在剖面場地的分析中加入適當?shù)挠嬎銠C編程運算可使設計更加高效且準確。而本文只是為建筑剖面的被動式設計提供了一個線索，若要完成建筑的被動式設計，還需綜合與協(xié)調(diào)多個設計因素。