徐斌 李東哲

1 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 北京建筑大學(xué)

高校作為培養(yǎng)人才和知識(shí)傳播的搖籃，一直引領(lǐng)著文化和科技的發(fā)展，校園的規(guī)劃建設(shè)也引領(lǐng)著建筑學(xué)前沿理論的發(fā)展和實(shí)踐。隨著時(shí)代的發(fā)展，高校的規(guī)劃建設(shè)在綠色人文、健康舒適與可持續(xù)發(fā)展等方面的需求不斷提升，高校建筑的發(fā)展也應(yīng)該與時(shí)代的背景和建筑理論的發(fā)展相適應(yīng)，不斷滿足社會(huì)發(fā)展的需求。圖書館作為校園的文化中心和標(biāo)志性建筑，具備了推動(dòng)高校建筑向綠色和可持續(xù)方向發(fā)展的示范作用，需要在充分尊重地域文化、氣候特點(diǎn)、自然環(huán)境和校園整體文化的基礎(chǔ)上，以人為本、傳承地域文化，推動(dòng)綠色生態(tài)技術(shù)的合理利用，實(shí)現(xiàn)校園的綠色發(fā)展。

1 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)理念

伴隨著環(huán)境問題的爆發(fā)，人類與環(huán)境的協(xié)調(diào)與適應(yīng)性問題引起各界的關(guān)注?！斑m應(yīng)性”一詞最早起源于生物學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)化論，是指生物體在自然選擇的過程中表現(xiàn)出的不斷與外部環(huán)境適合的過程。環(huán)境作為人類所生存的條件，包括自然環(huán)境和人工環(huán)境。其中，風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境、降水、空氣等作為自然環(huán)境中最為顯著的氣候要素，對(duì)城市格局、建筑布局及建成環(huán)境的影響很大。適應(yīng)氣候的設(shè)計(jì)對(duì)引導(dǎo)城市布局更加合理，人工環(huán)境更加舒適健康，促進(jìn)城市走向綠色生態(tài)發(fā)展的道路，具有重要意義。

鑒于此，在規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地域氣候與環(huán)境特點(diǎn)，合理把握溫度、濕度、風(fēng)、太陽輻射、降水等方面的氣候要素，構(gòu)建“環(huán)境—建筑—人”三者的融貫機(jī)制，并轉(zhuǎn)譯為建筑語言體現(xiàn)在具體的建筑設(shè)計(jì)中，建立建筑創(chuàng)作與環(huán)境條件的良好適應(yīng)性關(guān)系。這對(duì)于城市建設(shè)的綠色生態(tài)化發(fā)展及地域文化的傳承具有重要意義，應(yīng)該被更多的建筑師所掌握和應(yīng)用。

2 氣候特點(diǎn)分析與適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略篩選

建筑師在方案設(shè)計(jì)之初應(yīng)深入了解建筑所在地的氣候環(huán)境狀況和氣候分析工具，通過收集特定地區(qū)的氣候信息，對(duì)大量氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，供設(shè)計(jì)人員篩選相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略；進(jìn)而將氣象要素、人體舒適性及適應(yīng)氣候的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行有機(jī)展現(xiàn)；通過分析與實(shí)驗(yàn)，幫助建筑師直觀地理解和分析項(xiàng)目所在地的氣候特征，并對(duì)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行合理選擇與優(yōu)化集成。

2.1 北京地區(qū)氣候條件分析

北京地區(qū)四季分明，氣溫年較差較大，日照量豐富。夏季炎熱多雨，炎熱時(shí)間有兩個(gè)月，偶有冰雹、雷暴；冬季寒冷干燥且時(shí)間較長。春季干旱，雨雪稀少，秋季天高氣爽，春、秋兩季短促。

（1）氣溫方面：熱舒適性各月相差較大。4～6月溫度逐漸上升，較接近熱舒適區(qū)域；7～9月平均溫度處于熱舒適范圍之內(nèi)，但是最高溫度較高；11月～次年3月溫度較低，熱舒適性較差（圖1）。

（2）日照輻射方面：8～9月太陽直射輻射最小，漫射輻射值最大；12月～次年2月太陽直射輻射最大，漫射輻射最??；從總輻射量來看，5、6月的日照輻射總量值最大（圖2）。

（3）風(fēng)力風(fēng)向方面：冬夏兩季的主導(dǎo)風(fēng)向正好相反。冬季最多風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng)，發(fā)生頻率為14%，室外平均風(fēng)速為2.7m/s；夏季最多風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，發(fā)生頻率為12%，室外平均風(fēng)速為2.2m/s。

（4）濕度方面：1～3月的月平均含濕量最??；7～8月的月平均含濕量最大。夏季通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度為58%，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算相對(duì)濕度為37%（圖3）。

1 北京地區(qū)各月平均干球溫度圖

2 北京地區(qū)各月月總輻射圖

3 北京地區(qū)各月月平均相對(duì)濕度圖

2.2 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略的篩選

采用Climate Consultant軟件讀取北京的氣象數(shù)據(jù)[2]，選取公共建筑類型生成焓濕圖（圖4），發(fā)現(xiàn)在全年8 760h中，公共建筑僅有10%的時(shí)間不經(jīng)過任何技術(shù)措施的改善可處于舒適區(qū)域，其中46.8%時(shí)間可以通過“采暖、必要時(shí)加濕”和20.8%時(shí)間通過“被動(dòng)式得熱”改善建筑的舒適性。經(jīng)篩選歸類后的設(shè)計(jì)策略按照有效時(shí)長的排序依次如表1所示。可以看出該地區(qū)改善熱舒適度應(yīng)以“采暖兼顧制冷”為主的主動(dòng)式技術(shù)策略，同時(shí)以“被動(dòng)式得熱兼顧通風(fēng)降溫”為主的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，并可通過動(dòng)態(tài)復(fù)合式的建筑表皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改善與促進(jìn)作用。

4 氣候適應(yīng)性技術(shù)措施分析圖

3 項(xiàng)目氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)理念驅(qū)動(dòng)的綠色設(shè)計(jì)策略分析

3.1 和諧環(huán)境與適應(yīng)氣候的規(guī)劃布局

針對(duì)北京地區(qū)氣候條件，建筑布局和朝向的選擇應(yīng)在節(jié)約用地的前提下，結(jié)合場地基礎(chǔ)條件因地制宜地確定合理的朝向范圍和布局模式，使冬季獲得較多的日照并阻隔冷風(fēng)滲透，夏季避免日曬并利于場地自然通風(fēng)。本項(xiàng)目以氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)為目標(biāo)，建筑的適宜朝向?yàn)槟舷蚧蚪咏舷?，不宜朝向?yàn)槲飨蚝臀鞅毕?。同時(shí)，結(jié)合冬夏兩季的主導(dǎo)風(fēng)向的特點(diǎn)，為了阻擋冬季的主導(dǎo)風(fēng)且在夏季主導(dǎo)風(fēng)向方向留出通風(fēng)廊道，建筑布局采用了組團(tuán)式布局。根據(jù)校園內(nèi)建筑的整體布局特點(diǎn)，對(duì)西北角方向的建筑體量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)，形成較為封閉的布局形式；在東南方向上則更為開敞，布置了主要的室外活動(dòng)場地，實(shí)現(xiàn)了場地風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖書館、主教學(xué)樓、食堂、大學(xué)生活動(dòng)中心位于校園中央大道兩側(cè)，在功能上聯(lián)系了各教學(xué)區(qū)與生活區(qū)，流線合理高效。圖書館建筑面積12 653m2，正位南北，便于冬季向陽得熱，并可抵御冷風(fēng)滲透（圖5）。

5 圖書館布局與流線圖

3.2 功能空間與建筑形體的有機(jī)融合

根據(jù)場地用地大小和圖書館使用者的行為需求，確定主要使用空間的人性化設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合環(huán)境模擬等技術(shù)手段營造符合人體工學(xué)和良好視野的空間布局。設(shè)計(jì)確定東西向柱網(wǎng)主尺寸8 400mm，南北向柱網(wǎng)主尺寸6 600mm，東西和南北邊跨空間外挑2 800mm，平面根據(jù)功能排列形成東西向（4/3）:3:2:1:2:1:（4/3）比例的7個(gè)條狀單元空間[3]。其中，3個(gè)空間作為共享中庭，成為“氣候調(diào)節(jié)器”，穿插分隔了主要使用功能，造就了空間布局上的虛實(shí)融合。同時(shí)，通過控制形態(tài)、空間、功能及立面造型，形成既適應(yīng)寒冷地區(qū)氣候，又在內(nèi)部空間與外在形態(tài)上統(tǒng)一的建筑體形——緊湊的“方形”（圖6，7）。

表1 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略表

6 圖書館建成外景

7 圖書館并置空間分析圖

在氣候適應(yīng)性的形體設(shè)計(jì)上，相同平面面積條件下優(yōu)化建筑體形的外表面積——合理控制體形系數(shù)，是寒冷地區(qū)綠色節(jié)能的重要設(shè)計(jì)策略。圖書館緊湊的“方形”避免了體量過于凹或凸，減少了建筑表皮面積，降低了建筑熱輻射獲得與流失的速率，有效控制了能量的流失，因而減少了通過機(jī)械途徑維護(hù)室內(nèi)熱環(huán)境平衡的能耗。

3.3 共享空間與建筑腔體

自然光對(duì)閱覽者的身心健康有積極影響，充分利用自然光，可以在照明和制冷方面產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。項(xiàng)目通過共享中庭頂部鋸齒形的采光天窗，有效引入了室外的自然光，滿足了圖書館白天日常的采光需求。同時(shí)，為了改善局部陰雨天建筑室內(nèi)自然采光效果不佳和夜晚需要照明的情況，室內(nèi)人工照明系統(tǒng)保證了閱讀和工作區(qū)域適當(dāng)?shù)牟晒馑?，提高了采光質(zhì)量。此外，共享中庭頂部可開啟的鋸齒形天窗起到了有效組織室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的作用，而良好的通風(fēng)環(huán)境又能有效改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量（圖8，9）。

3.4 建筑的表皮與綠色建材

在建筑表皮的設(shè)計(jì)與材料選擇上，圖書館以天然厚重的清水混凝土和通透的玻璃幕墻為主要材料。清水混凝土為一次澆筑成型，不再使用其他裝飾，外立面體現(xiàn)了建筑功能與空間的內(nèi)在邏輯。東西向混凝土為主的立面與南北向玻璃幕墻為主的立面形成虛實(shí)對(duì)比的幾何秩序，體現(xiàn)了建筑立面材料與內(nèi)部功能使用需求的協(xié)調(diào)與呼應(yīng)，充分發(fā)揮了材料的實(shí)用性并達(dá)到了總體節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

8 圖書館自然采光和通風(fēng)的共享中庭

9 可開啟的鋸齒形天窗示意圖

10 立面幕墻內(nèi)凹形體與豎向分割一體化自遮陽構(gòu)造示意圖

在建筑表皮與室內(nèi)空間設(shè)計(jì)融合方面，南、北向兩個(gè)側(cè)立面使用豎向線條分割的玻璃幕墻，使室內(nèi)獲得了良好的日照、采光和視野；南向幕墻豎向分割的豎梃和頂板的懸挑結(jié)構(gòu)兼具遮陽作用（圖10）。同時(shí)，直射光線經(jīng)過玻璃格柵的散射，為室內(nèi)閱覽區(qū)塑造了明亮、舒適的光環(huán)境。東西向預(yù)制混凝土墻面采用豎向細(xì)條窗，有效避免了夏季日曬。此外，幕墻采用五種不同反光率的低輻射玻璃，在滿足室內(nèi)采光的需求下有效調(diào)節(jié)了室內(nèi)熱舒適度。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用真空絕熱板（VIP板），由填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，有效地避免了空氣對(duì)流引起的熱傳遞，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，提高了建筑的保溫隔熱性能。此外，二層的屋頂平臺(tái)使用混凝土預(yù)制架空板覆蓋，形成的空氣間層改善了屋頂平臺(tái)的保溫隔熱性能，并設(shè)計(jì)為雨水花園，形成開敞、舒適的屋頂活動(dòng)空間。

4 結(jié)語

教育是推動(dòng)人類進(jìn)步最有效的方式，大學(xué)則被稱為改革的先驅(qū)者，承擔(dān)著率先垂范和踐行綠色發(fā)展的重要角色，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的引擎和創(chuàng)新基地。一個(gè)綠色可持續(xù)發(fā)展的校園，除了校園文化的塑造，校園本身的建設(shè)亦應(yīng)該是以人為本、布局合理、環(huán)境適宜、建筑綠色且具有本土特色的和諧整體。

本文在對(duì)北京氣候特征分析的基礎(chǔ)上，篩選出適應(yīng)該地區(qū)氣候的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，并結(jié)合中央財(cái)經(jīng)大學(xué)沙河校區(qū)圖書館工程的設(shè)計(jì)理念與場地環(huán)境條件，分析了氣候適應(yīng)性的被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)策略在校園建筑中的有效應(yīng)用，為我國大學(xué)校園環(huán)境響應(yīng)與氣候適應(yīng)性的綠色建筑創(chuàng)作提出了新思考。

圖書館作為校園的標(biāo)志性建筑，代表著一個(gè)校園的文化，綠色圖書館的建設(shè)作為可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)模式，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)適應(yīng)的過程，其空間設(shè)計(jì)不僅受學(xué)習(xí)、交往習(xí)慣等行為模式的影響，功能空間的通風(fēng)、采光、日照、遮陽、保溫隔熱等性能也直接受外界氣候條件的影響。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)該全面關(guān)注本土文化、地域氣候特點(diǎn)、場地環(huán)境特點(diǎn)、能源資源條件，在以人為本的原則下，充分考慮使用者的需求，并優(yōu)先采用適宜的氣候適應(yīng)性被動(dòng)設(shè)計(jì)策略與設(shè)計(jì)技術(shù)。這一設(shè)計(jì)過程正是在充分考慮地域氣候、環(huán)境條件、能源資源的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)子系統(tǒng)自適應(yīng)于多系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合機(jī)制的過程，最終提升建筑空間的綜合性能，使圖書館建筑具有更深層次的結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵。

致謝：本文在項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的支持下梳理提升完成，在此感謝設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)本研究的支持。

圖片來源

圖1～3 的氣象數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[1]；圖5，7，9，10 由項(xiàng)目組提供；圖6，8 由張廣源拍攝；圖4 為作者自繪。