高密度城市建筑立面開口設(shè)計探究

城市不斷向高密度城市模式的發(fā)展使得城市中心區(qū)域建筑規(guī)模與日俱增，建筑密度的加大、高度的提升以及人群的大規(guī)模聚集導(dǎo)致大量熱量的釋放，這些原因均讓城市風(fēng)環(huán)境日趨惡化。我們知道高密度城市空間形態(tài)對其所在區(qū)域內(nèi)的空間構(gòu)成和風(fēng)環(huán)境都會產(chǎn)生影響，已形成有別于自然環(huán)境的城市風(fēng)環(huán)境[1][2]。目前高密度城市的建設(shè)，在建筑單體設(shè)計時，過度依賴主動式通風(fēng)設(shè)備而忽略對自然通風(fēng)的考慮，立面封閉的建筑實體易在建筑背風(fēng)面形成風(fēng)影區(qū)，且建筑內(nèi)部缺少自然風(fēng)導(dǎo)致氣流運行不暢，致使沒有足夠的清潔空氣[3][4]。

建筑形態(tài)的設(shè)計應(yīng)基于可持續(xù)、綠色、節(jié)能等如今建筑設(shè)計的核心價值觀，從城市、街區(qū)、單體方面進(jìn)行多層次、多角度考量，主動回應(yīng)日漸突出的高密度城市室內(nèi)風(fēng)問題，以形成良好的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，促進(jìn)空氣循環(huán)，提高空氣的呼吸性能和污染物擴(kuò)散速率，進(jìn)而提高室內(nèi)環(huán)境舒適度[1]。

1 典型案例選取與研究方法

上海和新加坡都是典型高密度城市，在近幾十年城市化高速發(fā)展的過程中，面對人口大量聚集和有限的可建設(shè)用地面積之間的矛盾，為使基礎(chǔ)設(shè)施和社會資源的配置

史潔，同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師；朱丹，同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士研究生；宋德萱，同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國建筑學(xué)會建筑技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員，中國綠色建筑專業(yè)委員會委員，國家一級注冊建筑師。使用更高效、合理，逐步形成高密度、大體量的城市空間形態(tài)[1]。在城市發(fā)展的同時，也同樣面對嚴(yán)峻的城市環(huán)境問題，如熱島效應(yīng)、空氣污染、能耗過大等等。二者同為沿海城市，均有良好的自然通風(fēng)條件，在自然風(fēng)利用方面有很多相似之處可以借鑒，同時在建筑立面開口設(shè)計方法上也有很多共同之處。因此，本文將二者作為對比研究對象。

在對建筑立面基本開口方式、自然通風(fēng)進(jìn)行理論研究和初步案例調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取上海和新加坡4個體量相似的典型建筑為案例展開研究（表1）。在滿足建筑功能的前提下，為充分利用自然風(fēng)改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，4個案例風(fēng)道形式上各有不同，分別為直線形風(fēng)道（上海中信廣場）、“L”形風(fēng)道（新加坡WESTGATE商場）、弧形風(fēng)道（新加坡BUONA VISTA商場）和多風(fēng)道（新加坡國立大學(xué)教育資源中心，Education Resource Center，以下簡稱ERC）；同時，立面開口方式也各有特征，有單側(cè)開口、雙側(cè)開口、不同高寬比、不同位置、不同開口形狀等等。4個案例的選取考慮多樣化、差異化，又兼顧相似性和可比性。

在研究方法上，采用案例現(xiàn)場實測的方法在各建筑關(guān)鍵節(jié)點處布置測點，以掌握4個建筑在日常使用情況下，建筑內(nèi)部活動空間的真實通風(fēng)情況，測試結(jié)果為不同開口方式之間比較研究提供數(shù)值依據(jù)。

表1 案例介紹

2 實測實驗設(shè)計

2.1 實驗準(zhǔn)備

本實驗使用的主要測試儀器為TES-1341熱線風(fēng)速測量儀（圖1），該儀器數(shù)據(jù)可以自動記錄。為獲得較為穩(wěn)定可信的數(shù)據(jù)，每組測試時間為15min，同一組數(shù)據(jù)的各測點同時開始計數(shù)。測試的第一個案例中信廣場，記錄時間間隔設(shè)置為30s，每個測點記錄30個數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析之后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本不足，測量數(shù)據(jù)的變化趨勢不夠精確。為提高測量精度，對記錄時間間隔進(jìn)行調(diào)整，案例2～4在測試時數(shù)據(jù)記錄間隔為10s，每個測點共記錄90個數(shù)據(jù)。

該實驗分為室內(nèi)和室外兩部分，室外主要是監(jiān)測氣候環(huán)境的溫度、風(fēng)速，與室內(nèi)參數(shù)進(jìn)行對比。室內(nèi)測試參數(shù)為風(fēng)速、相對濕度、溫度、濕球溫度、露點溫度等。

2.2 測點布置

各案例在進(jìn)行設(shè)置時，除室外布置一個測點記錄測試環(huán)境外，室內(nèi)分別布置水平對比測點和垂直對比測點。根據(jù)各個案例不同的形體和通風(fēng)情況，測點布置原則如下。

案例1中信廣場（上海）水平測點整體沿東西向直線形主通風(fēng)廊道均勻布置，同時在南北向風(fēng)口對位的次通風(fēng)廊道布點；垂直測點布置在南側(cè)典型風(fēng)口處一、二、三層垂直方向相同位置。

案例2 WESTGATE商場（新加坡）水平測點布置在各層“L”形風(fēng)道的兩端口、轉(zhuǎn)角處和兩邊中間位置；垂直測點布置在典型風(fēng)口和室內(nèi)連廊的一、二、三層垂直方向相同位置。

案例3 BUONA VISTA商場（新加坡）為弧形風(fēng)道，水平測點布置在各個立面開口處和室內(nèi)主要通道上，垂直測點布置在典型風(fēng)口一、二、三層垂直方向相同位置。

案例4新加坡國立大學(xué)教育資源中心ERC（新加坡）為多通道通風(fēng)，各個方向均有尺度較大的進(jìn)、出風(fēng)口，水平測點布置在各個開口處和室內(nèi)主要活動區(qū)域，垂直測點布置在典型風(fēng)口一、二、三層垂直方向相同位置。

各案例具體測點布置如表2所示，測試儀器探頭高度設(shè)置為1.5m。

圖1 TES-1341熱線風(fēng)速測量儀

3 實測結(jié)果分析

4個案例的實測工作分別在2015年6月和8月完成，共測得實驗數(shù)據(jù)114組（其中因儀器故障，無效數(shù)據(jù)2組）?；谇捌诜治龊统醪降臄?shù)據(jù)篩選，選取具有對比意義的典型數(shù)據(jù)分析如下。

3.1 不同通風(fēng)廊道形式對風(fēng)速的影響

3.1.1 直線形風(fēng)道

案例1中信廣場（上海）的測試時間為2015年6月25日，當(dāng)日天氣情況為陰轉(zhuǎn)大雨，風(fēng)向為南風(fēng)和東風(fēng)。圖2為同時測試的中信廣場主風(fēng)道室外測點A與室內(nèi)測點B、C風(fēng)速逐時變化圖，測點B為室內(nèi)通道上一點（南側(cè)有開口），測點C為通道盡端較窄處測點。由圖可知，整體來看，C點風(fēng)速＞B點風(fēng)速＞A點風(fēng)速。在同一風(fēng)道上的開口越窄，風(fēng)速越大。

同時可以看出，在測試時間段內(nèi)，室外風(fēng)速較小甚至無風(fēng)。建筑中庭的煙囪效應(yīng)可形成熱壓通風(fēng)，促進(jìn)大堂內(nèi)部的自然通風(fēng)，即使在室外較小甚至無風(fēng)的情況下，室內(nèi)也能夠有良好的自然通風(fēng)。

3.1.2 L形風(fēng)道

案例2WESTGATE商場（新加坡）的測試因測點較多和天氣原因，分兩次完成，時間分別為2015年8月10日和12日，測試時間段內(nèi)均為晴天，風(fēng)向為南風(fēng)和東南風(fēng)。該案例一層和四層風(fēng)道均為L形，但開口方式不同。一層L形風(fēng)道兩端、中間轉(zhuǎn)角處和兩個立面均有開口，四層平面L形風(fēng)道只有一端開口，轉(zhuǎn)角處和另一端均封閉，為單側(cè)開口風(fēng)道。

由圖3所示一層同時記錄的各測點風(fēng)速可以看出，轉(zhuǎn)角C點兩側(cè)開口，風(fēng)速最大；兩端風(fēng)口A、E兩點次之；中間測點B、C最小。由圖4所示四層同時記錄的各測點風(fēng)速可知，單側(cè)開口風(fēng)道風(fēng)速最大點為開口處A點，B點次之，隨著風(fēng)道深入，風(fēng)速明顯隨之減小。以上分析可知，對L形風(fēng)道而言，為達(dá)到良好的通風(fēng)效果，除兩端開口外，

L形風(fēng)道轉(zhuǎn)角處也是設(shè)計要點，需在轉(zhuǎn)角兩側(cè)立面分別開口，在兩邊均可形成直線形風(fēng)道。

表2 4個典型案例測點布置

圖2 中信廣場一層主風(fēng)道各測點風(fēng)速逐時變化圖

圖3 WESTGATE商場一層L形風(fēng)道各測點風(fēng)速逐時變化圖

3.1.3 弧形風(fēng)道

案例3 BUONA VISTA商場（新加坡）的測試時間為2015年8月11日，天氣情況為晴天。測試當(dāng)天主要風(fēng)向為南風(fēng)，在建筑南立面有3個開口將風(fēng)引入建筑內(nèi)部。圖5所示一層同時記錄的各測點風(fēng)速可以看出，C點風(fēng)速明顯小于A、B兩點。由此可知，在立面為迎風(fēng)面的情況下，開口尺寸越大，風(fēng)速越小。

值得注意的是，在室外風(fēng)均較為平穩(wěn)的情況下，對比圖5（弧形開口）和圖6（直線形開口）可知，在室外環(huán)境風(fēng)速較為均勻的情況下，弧線形開口的風(fēng)速更加穩(wěn)定，而直線形風(fēng)口的風(fēng)速易產(chǎn)生劇烈波動。

圖4 WESTGATE商場四層L形風(fēng)道各測點風(fēng)速逐時變化圖

圖5 BUONA VISTA商場一層各測點風(fēng)速逐時變化圖

圖6 WESTGATE商場一層各測點風(fēng)速逐時變化圖

圖7 新加坡國立大學(xué)ERC二層各測點風(fēng)速逐時變化圖

3.1.4 多風(fēng)道

案例4新加坡國立大學(xué)教育資源中心ERC（新加坡）的測試時間為2015年8月13日，天氣狀況為晴轉(zhuǎn)雨。由前文表1可知，ERC為流線形平面，南向開敞面向草坪，其它3個外立面也均勻布置尺寸較大開口（5～10m），為多風(fēng)道通風(fēng)模式，起到“捕風(fēng)器”的作用，將各個方向的氣流引入建筑，而在建筑內(nèi)部沒有形成明確的風(fēng)道。圖7所示二層同時記錄的各測點風(fēng)速可以看出，除北部較窄通道兩點D和E風(fēng)速較大外，其余各開口測點出風(fēng)速相似，與室外風(fēng)速相差不大，基本屬于純風(fēng)壓作用的自然通風(fēng)。與案例3相似，由于弧線形的設(shè)計，建筑內(nèi)部即開口處風(fēng)速都很均勻。

3.2 不同開口方式對風(fēng)速的影響

3.2.1 有/無開口對比

如圖8所示為WESTGATE商場二層3個測點數(shù)據(jù)對比，其中測點A和測點C處對應(yīng)外立面有開口，而測點B為走道內(nèi)一點，對應(yīng)外立面無開口。對比A、B、C3點風(fēng)速變化情況可知，有開口的測點A和測點C風(fēng)速明顯大于無開口的測點B。由此可知，立面有無開口對氣流的導(dǎo)入具有很大影響。

3.2.2 雙側(cè)開口與單側(cè)開口對比

圖9和圖10分別為WESTGATE商場一層、四層風(fēng)道同時記錄的各測點風(fēng)速逐時變化圖，如前文所述，一層L形轉(zhuǎn)角處外立面有開口，而四層L形轉(zhuǎn)角處外立面封閉無開口。對比二圖可知，圖9中風(fēng)道兩端均有開口可在風(fēng)道內(nèi)形成穿堂風(fēng)，同時C點開口較小易形成快速氣流，測點C風(fēng)速大于A點和B點；圖10中風(fēng)道北端封閉無法形成穿堂風(fēng)，因此氣流進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)迅速衰減，測點A風(fēng)速最大，B點次之，C點最小。由分析可知，雙側(cè)開口的風(fēng)道可以提高通風(fēng)效率，通風(fēng)效果明顯優(yōu)于單側(cè)開口風(fēng)道。

3.2.3 開口高寬比

如前文所述BUONA VISTA和ERC案例可知，立面開口的高寬比直接影響風(fēng)速大小。在該案例中，當(dāng)立面開口的高寬比小于1.5∶1時，隨著高寬比的增大，風(fēng)速明顯增大。但此數(shù)據(jù)只是本案例得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體的邊界數(shù)值，仍需進(jìn)一步研究和驗證。

圖8 WESTGATE商場二層各風(fēng)口測點風(fēng)速逐時變化圖

圖9 WESTGATE商場一層L形風(fēng)道各測點風(fēng)速逐時變化圖

圖10 WESTGATE商場四層L形風(fēng)道各測點風(fēng)速逐時變化圖

3.2.4 開口形狀

如圖11所示，為BUONA VISTA商場北側(cè)兩開口處風(fēng)速逐時變化圖，測點A和測點B的開口尺寸大致相同，而開口方式不同，測點A為喇叭形開口。兩側(cè)點風(fēng)速如圖所示，測點A風(fēng)速明顯大于測點B，可見在引風(fēng)道尺寸相似的情況下，喇叭形開口可導(dǎo)入更多氣流，相當(dāng)于擴(kuò)大了有效開口尺寸，可形成更好的通風(fēng)效果。

圖11 BUONA VISTA商場一層各風(fēng)口風(fēng)速逐時變化圖

4 結(jié)語

在城市規(guī)劃階段，基于對城市風(fēng)環(huán)境改善的考慮，會對建筑容積率、建筑密度、建筑機(jī)理等指標(biāo)進(jìn)行控制。但相同的密度和容積率，會產(chǎn)生完全不同的建筑形態(tài)，又將對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。建筑立面開口可有效降低建筑迎風(fēng)面面積，所形成的建筑內(nèi)部通風(fēng)廊道，既可以作為大尺度城市通風(fēng)廊道的重要補(bǔ)充，又可以在小尺寸的建筑層面有效地促進(jìn)局部空氣循環(huán)，對形成自然通風(fēng)、改善局部風(fēng)環(huán)境有很大幫助。

基于上文對4個典型案例的實測結(jié)果分析可知，合理的建筑立面開口可形成高效的建筑內(nèi)部風(fēng)道，即使在室外處于弱風(fēng)時，依然可在建筑內(nèi)部形成良好的自然通風(fēng)，并有效降低室內(nèi)溫度。為此，建筑立面的開口設(shè)計要注意處理好“引風(fēng)”和“導(dǎo)風(fēng)”兩方面問題，一是要有利于將風(fēng)引入建筑內(nèi)部，二是要提高通風(fēng)效率和通風(fēng)質(zhì)量。具體建議如下：①開口朝向和位置。立面開口宜設(shè)置在需通風(fēng)降溫季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)的迎風(fēng)面，以利于將室外風(fēng)導(dǎo)入。同時，建筑立面開口要注意對位關(guān)系，應(yīng)有助于在建筑內(nèi)部形成兩端開口的風(fēng)道，單側(cè)開口室內(nèi)廊道的通風(fēng)效率降低很多。建筑內(nèi)部風(fēng)道不宜過長，在主風(fēng)道兩側(cè)可均勻布置小尺度開口，輔助主通道加強(qiáng)通風(fēng)效果。對于L形風(fēng)道來說，轉(zhuǎn)角處是立面開口設(shè)計重點，應(yīng)盡量在轉(zhuǎn)角兩側(cè)立面均設(shè)置開口。②開口大小。在立面為迎風(fēng)面的情況下，開口尺寸越大，風(fēng)速越小。在開口尺寸相同的情況下，喇叭形開口相當(dāng)于擴(kuò)大了有效開口尺寸，可導(dǎo)入更多氣流，形成更好的通風(fēng)效果。另外，立面開口的高寬比也直接影響風(fēng)速大小，在該案例中，當(dāng)立面開口的高寬比小于1.5∶1時，隨著高寬比的增大，風(fēng)速明顯增大。然而此數(shù)據(jù)只是經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具體的邊界數(shù)值，仍需進(jìn)一步研究和驗證。③開口形狀?；【€形平面比折線形平面在開口更易形成穩(wěn)定風(fēng)場，且在一定程度上增大有效開口面積，具有更好的引風(fēng)效果。

應(yīng)對高密度城市熱環(huán)境問題的立面開口方式設(shè)計研究，作為建筑是對城市問題的回應(yīng)，為建筑師在設(shè)計方法上提供了更有價值的形式問題，也使設(shè)計工作更有意義。

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Exploration on Opening Design of Building Facade of High-density City

■ 史 潔 Shi Jie 朱 丹 Zhu Dan 宋德萱 Song DeXuan

高密度城市的模式發(fā)展使得城市中心區(qū)域建筑規(guī)模與日俱增，隨著建筑密度、高度的攀升以及城市空間中人群大規(guī)模的聚集，使得釋放出的大量熱量不能及時排除，導(dǎo)致城市空間中微環(huán)境的惡化。城市空間的風(fēng)環(huán)境是城市物理環(huán)境重要的影響因素，如何利用大氣壓差引起的空氣運動，形成城市空間的一定的通風(fēng)，是改善微環(huán)境的一個重要議題。目前城市微氣候領(lǐng)域的研究已呈現(xiàn)出相關(guān)學(xué)科基于研究的需求向建筑學(xué)問題的滲透，為建筑學(xué)的研究提出了新的命題。文章試圖研究城市弱風(fēng)或靜風(fēng)環(huán)境下，由城市空間內(nèi)部環(huán)境的非均一性而產(chǎn)生城市區(qū)域的大氣環(huán)流來改善微環(huán)境，促進(jìn)空氣循環(huán)，降低城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度，提高城市空氣的呼吸性能和加快污染物擴(kuò)散速率，進(jìn)而提高城市空間整體舒適度。

高密度城市；室內(nèi)風(fēng)環(huán)境；立面開口；風(fēng)道

The building scales in the downtown areas of high-density cities are increasing due to the development mode. Along with increase of architectural density and height as well as massive gathering of population in urban space, the large amount of heat cannot be dissipated so as to result in deterioration of urban microenvironment. The wind environment within the urban space is a key influential factor of urban physical environment. Therefore, it is an important subject for improving the micro-environment that how to utilize the atmospheric pressure difference to produce air flows, and then form certain ventilation within the urban space. At present, the studies in urban micro-environment field shows the trend that relevant disciplines infiltrate towards architectural issues on the basis of research requirements such that new propositions are raised for architecture studies. The paper tries to study on utilizing the atmospheric circulation within urban area that is generated by inhomogeneity of internal environment of urban space to improve the micro-environment, promote the air circulation, reduce the intensity of the urban heat island effect, improve the urban air breathing performance and accelerate the diffusion rate of the pollutant, and then enhance the overall comfort of the urban space.

high-density city, indoor wind environment, facade opening, air duct

2016-12-01）