李麟學 王馳迪 徐姝蕾 喬靈

技術(shù)進步推動了建筑舒適研究的發(fā)展。工業(yè)革命以來，在機器取代人力的浪潮中，建筑依靠空調(diào)、照明等技術(shù)設備精準調(diào)控環(huán)境，從而創(chuàng)造標準化的舒適空間，抵御不斷惡化的外部條件。然而大量的能源消耗與隨之而來的健康、環(huán)境問題為我們敲響了警鐘，成為當今國際關(guān)注的問題。在我國，黨的十九大報告中將實施“健康中國”戰(zhàn)略納入國家發(fā)展基本方略，并提出“節(jié)能減排”背景下實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的宏偉目標。通過構(gòu)筑人體所處外部環(huán)境，建筑成為城市人居環(huán)境的媒介。因此，在合理降低資源消耗的前提下，探索建筑環(huán)境的主動式舒適健康特征以及設計策略整合，將是當前建筑研究的重點內(nèi)容[1]。

1 舒適研究的進程

對舒適感受認知的不斷更新，是涉及歷史、技術(shù)、社會的一項復雜議題和綜合敘事。在古羅馬時期，維特魯威將原始人類的“集合、聚議及共同生活”歸因于身體對于火的熱氣感到舒服，人群的聚集為發(fā)明原始“建筑”的遮蔽形式創(chuàng)造了條件[2]。其中應對地域氣候的“建造遮蔽”與反映能量消耗的“燃木取熱”，成為歷史進程中人類謀求舒適的兩種基本策略[3]。工業(yè)革命以來，環(huán)境惡化的問題與技術(shù)革新的潛力愈發(fā)凸顯，以柯布西耶為代表的現(xiàn)代建筑派探索“中性墻體”“雙層幕墻”“遮陽百葉”等新技術(shù)應用（圖1），在空調(diào)系統(tǒng)的推廣下實踐18℃的恒定舒適溫度構(gòu)想。能量與建構(gòu)從而得到建筑設計上的統(tǒng)一，進一步定義了舒適感受的可復制、通用性與標準化。伴隨不同學者對人體生理感受、舒適理性計算、舒適心理評價等認知的不斷加深，也使舒適概念逐漸拓展至熱、風、光、聲、空氣等復合環(huán)境維度。我國于2016年推出了《健康建筑評價標準》（T/ASC 02-2016)，其以《綠色建筑評價標準》（GBT 50378-2014）為申請前提，規(guī)定了以物理環(huán)境參數(shù)為控制項的“舒適”，與空氣、水、健身、人文、服務共同成為評價健康建筑的指標?？梢钥吹?，人們的觀念正從追求單一環(huán)境舒適向追求綜合的健康評價轉(zhuǎn)變，意味著對生理與心理、物質(zhì)與非物質(zhì)、個人與環(huán)境因素之間更微妙的平衡關(guān)系的考慮[4]。

2 既有工業(yè)建筑改造新模式

2.1 設計結(jié)合舒適

早在古羅馬時期，建筑空間設計與舒適評價就是緊密關(guān)聯(lián)的?？ɡɡ–alacalla）浴場以熱力學規(guī)劃和人體生理舒適為設計原則，在迎合太陽朝向的建筑空間布局中整合了加熱供暖系統(tǒng)。這一公共建筑從而成為濕度與熱力分布的協(xié)同器，在平面空間中創(chuàng)造使用者行為序列上的熱感愉悅[5]（圖2）。從中世紀到工業(yè)革命，不論是開放式火塘占據(jù)主導地位的住宅廳堂，把健康舒適融入到平面和剖面設計中的圓廳別墅，還是依靠機械設備精準控制室內(nèi)舒適的環(huán)境實驗室，都將生理學、熱力學與建筑環(huán)境調(diào)控整合起來，并最終反映到建筑實體形式的設計上[6]。現(xiàn)代建筑以來，以有限的測量驗證結(jié)合實踐經(jīng)驗的傳統(tǒng)設計方法，在應對更全時段的環(huán)境考量、更高效率的設計協(xié)同、更精準的空間分布反饋時受到很大限制。在同樣的舒適目標下，從經(jīng)驗向理性，從數(shù)值向空間的建筑設計轉(zhuǎn)型需求愈發(fā)強烈。

2.2 舒適研究的新數(shù)字工具

結(jié)果導向的性能評估與過程導向的設計進程難以協(xié)同，這歷來是設計師、工程師著力解決的問題。由監(jiān)測節(jié)點與無線傳感網(wǎng)絡構(gòu)建起的數(shù)據(jù)采集終端，實時獲取氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、空間狀態(tài)、人體運動等指標，使高精準、全覆蓋的數(shù)據(jù)積累成為現(xiàn)實。而基于數(shù)據(jù)積累的智能算法與編程技術(shù)，進一步推動了建筑信息模型、人體熱生理模型和適應性心理模型在計算機網(wǎng)絡平臺中的可視、協(xié)同和聯(lián)動。舒適研究的數(shù)字化路徑因而被打通：從工程導向的封閉式特定軟件，到完善自身編程環(huán)境的信息化建筑建模軟件，逐漸實現(xiàn)與Honeybee、OpenFOAM、EnergyPlus等模擬平臺的調(diào)用串聯(lián)（圖3）。隨著模擬性能與準確性的提升，在實際應用中兼顧多性能目標，建構(gòu)環(huán)境、人體、建筑的評價與反饋系統(tǒng)，將使舒適導向的建筑設計真正成為可能。

2.3 舒適導向的既有工業(yè)建筑改造

工業(yè)建筑在工業(yè)化進程中孕育發(fā)展，在全球“去工業(yè)化”進程和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整中成為了城市更新的難點。這些建筑往往空間尺度巨大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜，材料性能簡單，其既有的適合工業(yè)活動的環(huán)境特征與民用建筑相去甚遠，在空間改造與置換中難以適應當下的舒適需求。然而工業(yè)遺產(chǎn)同時也是場所和人的復雜聚合體，是工業(yè)文化的實物體現(xiàn)，在改造過程中必須正視其時代性、歷史性價值[7]。因此，以環(huán)境性能為參數(shù)，探索舒適導向下的既有工業(yè)建筑改造的路徑、工具、方法和策略，既是設計實踐的新挑戰(zhàn)，也是在節(jié)能減排、美觀適用、歷史傳承目標下對未來城市環(huán)境新思路的探索。

3 上海電站輔機廠案例研究

3.1 項目概況

上海楊樹浦工業(yè)帶是上海近代工業(yè)最重要的發(fā)源地，經(jīng)歷了從興建大量輕工業(yè)和市政工業(yè)建筑，到后工業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，再到歷史廠區(qū)開發(fā)的城市現(xiàn)代化更新過程[8]。在上海市規(guī)劃中，楊樹浦工業(yè)帶已經(jīng)開展了許多既有工業(yè)遺產(chǎn)改造，這些案例雖極力保留工業(yè)建筑內(nèi)部原有的大空間特征，但都通過修繕呈現(xiàn)出封閉的建筑界面，依賴機械設備來維持環(huán)境舒適。可以認為，工業(yè)建筑的環(huán)境特征尚未得到充分挖掘和利用。

上海電站輔機廠緊鄰楊浦大橋，前身為鋼制造廠和鍋爐廠，1980年后經(jīng)產(chǎn)業(yè)劃分，獨立經(jīng)營成為國內(nèi)規(guī)格最大、品種最多的電站輔機制造企業(yè)，后于2010年完全停產(chǎn)空置。屋頂、外墻、結(jié)構(gòu)等構(gòu)件保存完好，廠房內(nèi)部設備與臨時架構(gòu)則被拆除（圖4）。作為歷史保護建筑，也是楊浦濱江濱水改造的重要節(jié)點之一，電站輔機廠將在未來承擔藝術(shù)、展覽等復合功能，重新融入城市。應對以電站輔機廠為例的大量工業(yè)建筑遺存，以舒適為導向的改造方法實踐具有很大潛力。

1 柯布西耶環(huán)境調(diào)控技術(shù)的設計實踐

2 熱力學視角下的卡拉卡拉浴場平面

3.2 模型建構(gòu)與工作流建立

上海電站輔機廠長約228m，共19跨，寬約48m，共有形制相似的東西兩大開間。建筑朝向為北偏東約38°，其中西側(cè)的11跨為二期擴建，東西兩廠延續(xù)了結(jié)構(gòu)與空間，一、二期立面均保存完好。大空間的采光主要得益于在建筑南側(cè)凸起的天窗，光線通過其結(jié)構(gòu)兩側(cè)的玻璃面進入室內(nèi)，并經(jīng)屋頂反射形成均勻的自然光環(huán)境（圖5-7）。在本模擬研究中，為兼顧效率與實踐意義進一步簡化了立面與空間，從而重點關(guān)注舒適導向的設計工作流（圖8）：1）根據(jù)場地調(diào)研、現(xiàn)場測繪和工程文件確定建筑尺度，利用Rhinoceros軟件建立三維模型，設定相應材質(zhì)參數(shù)；2）根據(jù)《建筑風環(huán)境氣象參數(shù)標準》（DG/TJ 08-2328-2020）選取上海地區(qū)數(shù)據(jù)，通過與建模軟件聯(lián)動的Ladybug+Honeybee+Butterfly平臺，模擬在四季典型月（3、6、9、12月）中全開窗條件下的室內(nèi)熱舒適滿意度與自然通風，以及當月9:00、12:00、15:00的平均自然采光情況；3）在方案調(diào)整優(yōu)化階段，以9月為例，基于歷史建筑保護要求、結(jié)構(gòu)和實踐可行性，對現(xiàn)有天窗高度進行形態(tài)試驗，對比分析室內(nèi)風光熱舒適指標的相應變化情況；4）從整體指標轉(zhuǎn)向精細化的平面分布策略，通過疊加獲得多目標舒適的平面區(qū)域，以針對性地指導空間改造或分區(qū)利用。

3 以Rhino+Grasshopper 為基礎(chǔ)的性能模擬插件系統(tǒng)

4 電站輔機廠內(nèi)部空間環(huán)境現(xiàn)狀

3.3 舒適評價指標建構(gòu)

本研究通過平均值計算評估建筑整體的風光熱環(huán)境舒適情況，并求解舒適達標的面積比例（表1）。

（1）平均風速(Vav)：既有研究表明，自然通風建筑的用戶比空調(diào)建筑的用戶更能容忍室內(nèi)熱條件[9]，從而用平均風速描述室內(nèi)空間整體風環(huán)境。

（2）舒適風速區(qū)比例(Rv)：1m/s的室內(nèi)風速即會吹起紙張，影響日常辦公，而對于公共活動等用途，該風速限值可適當提升[10]。本研究中以1m/s作為風速臨界值。

（3）平均采光系數(shù)(Dav)：平均采光系數(shù)被定義為平均照度與室外無陰影水平處測點照度之間的比率。上海屬于中國Ⅳ類光氣候區(qū)，室外設計照度值按13 500lx制定。

（4）標準日照面積比(Rd)：根據(jù)《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）對不同功能的建筑室內(nèi)自然光照度要求，在距離地面0.75m的干燥環(huán)境下，采光系數(shù)應為2%～7%。

（5）平均熱舒適滿意度(Tav)：既有研究表明，使用CFD模擬預測室內(nèi)熱舒適是有效的[11]。Tav是在建筑內(nèi)部每一測點的熱舒適滿意度的平均值，描述了對熱舒適感到滿意人群的百分比。

（6）熱舒適區(qū)比例(Rt)：以75%閾值為例，對不同方案進行比較，通過多目標優(yōu)化設定，在滿足自然采光和室內(nèi)風速要求的同時，獲得最高百分比的室內(nèi)熱舒適滿意度。

4 結(jié)果與討論

4.1 模擬結(jié)果

針對建筑現(xiàn)狀進行模擬（表2）：自然通風方面，在窗全開啟狀態(tài)下四季室內(nèi)風速都相對偏高，風速在1m/s以下的測點數(shù)不足30%；自然采光方面，四季室內(nèi)自然采光照度整體較低，全年不足3%，室內(nèi)各類活動均需相應補充人工照明；熱舒適滿意度方面，6月和9月即夏秋兩季的室內(nèi)熱舒適滿意度平均值達到75%以上，而3月和12月只有35%～55%?？傮w模擬結(jié)果表明，廠房內(nèi)部的熱舒適滿意度受不同季節(jié)影響很大，為在特定的氣候情況下獲取綜合舒適，需將自然調(diào)節(jié)和機械調(diào)節(jié)結(jié)合。

表1 舒適評價指標

5 上海電站輔機廠數(shù)字模型

6 上海電站輔機廠物理模型1

7 上海電站輔機廠物理模型2

8 舒適模擬工作流

表2 現(xiàn)狀風光熱環(huán)境模擬結(jié)果

研究進一步選取9月結(jié)果作為樣本進行后續(xù)方案優(yōu)化，結(jié)果如圖9所示，對比天窗抬升高度0.5～3m，重點研究過渡季節(jié)中不使用空調(diào)等機械設備時室內(nèi)環(huán)境適宜性。在自然通風方面，風速在1.50～1.61m/s之間波動，且1m/s以下風速區(qū)域比例也穩(wěn)定在20%左右，形態(tài)變化對風速無顯著影響；在自然采光方面，各時段室內(nèi)平均采光系數(shù)變化明顯且整體呈升高趨勢，采光達標的比例也有明顯增加；在熱舒適方面，平均熱舒適滿意度從72.88%降至69.26%，所對應的滿意度達到75%的占比從38.43%降至19.77%?？傮w來看，調(diào)節(jié)天窗高度對室內(nèi)熱舒適和自然通風影響有限，對自然采光提升顯著。

4.2 多目標舒適區(qū)評價

為指導實際空間劃分，在模擬可視化圖示中擬合繪制各舒適區(qū)邊界，通過平面疊加獲取風光熱綜合舒適效果。選取過渡季節(jié)9月舉例研究，由圖10可見，現(xiàn)廠房南側(cè)靠窗區(qū)域采光符合使用要求，但近窗處過亮，其他區(qū)域采光分布較為均勻但整體偏暗；建筑空間中心位置的風速相對均勻，而東側(cè)空間存在風速過高、分布不均的問題；在熱舒適滿意度上，南側(cè)靠窗邊的熱舒適度相對較低，與南墻距離越遠熱舒適度越高，室內(nèi)總體分布均勻。

同理獲得天窗改造中各方案的平面舒適區(qū)變化情況，通過平面疊加獲得多目標舒適的空間分布特征（圖11）。隨著天窗升高，照度達標區(qū)域邊界線和75%熱舒適滿意度邊界線在平面上呈相反移動趨勢，因此呈現(xiàn)出建筑空間中部和天窗底部的光、熱舒適重合區(qū)。而在風、光環(huán)境上，建筑北側(cè)靠墻區(qū)域和南側(cè)中部則相對舒適。它們分別對應了是否開窗的空間實際使用情況，可以配合不同舒適要求和使用模式形成間歇調(diào)控的空間策略。但同時也可看到，并非改造動作越大室內(nèi)越舒適，還需進一步考量舊建筑保護的實際效果、可行性與經(jīng)濟性，提升1.5m的天窗高度綜合效果較為合適。

9 風光熱模擬分析數(shù)據(jù)

10 多目標舒適綜合圖解1

11 多目標舒適綜合圖解2

5 教學實驗探索

“熱力學建筑原型”課程實驗自2014年開展至今，在8年時間內(nèi)與哈佛大學建筑與設計研究生院、賓夕法尼亞大學建筑學院等院校合作，旨在以能量和熱力學系統(tǒng)建構(gòu)為主線進行教學、研討與設計訓練，從歷史與理論視角反思建筑環(huán)境調(diào)控。熱力學建筑原型通過自然能量流動、技術(shù)文化重構(gòu)、環(huán)境要素整合、舒適性能模擬、設計參數(shù)協(xié)同等方面重組建筑思考的整體性，實現(xiàn)空間、結(jié)構(gòu)和組織等的原型潛力和設計轉(zhuǎn)化[12]。筆者于2021年春季組織開展的“熱力學建筑原型——楊浦濱江舊廠房更新工業(yè)博物館”設計實驗，以上海電站輔機廠為真實基地，在應對豐富的工業(yè)遺產(chǎn)和復雜基地條件的同時，探索熱力學原型在工業(yè)建筑改造中的方法系統(tǒng)，研究多目標舒適導向的設計應用。

三組學生作業(yè)分別以“峽谷”“冷巷”“煙囪”為熱力學原型，綜合考慮整體方法論下的原型自組織與改造置入。

“峽谷”提案的理論原型來源于羚羊谷剖面和自然界鳥類的羽毛，通過空間變化以及表皮的調(diào)節(jié)作用，形成內(nèi)部空間的能量流動，從而實現(xiàn)溫度梯度和氣流調(diào)控。通過置入“峽谷”引入江風，調(diào)節(jié)塔樓高度和峽谷形狀，實現(xiàn)對風、熱的捕獲和傳導，并驗證廠房室內(nèi)空間綜合舒適的性能。

“冷巷”提案以“正墻開口-室內(nèi)冷巷-天井”實現(xiàn)雙向通風的青云巷，以及通過“街巷-廳堂-室內(nèi)冷巷-天井”實現(xiàn)進出風口轉(zhuǎn)化的手巾寮為原型，探索傳統(tǒng)民居中營造舒適環(huán)境的現(xiàn)代轉(zhuǎn)化策略。方案利用熱壓通風和風壓通風原理，調(diào)整天井的形狀大小、通風口的位置和開口數(shù)量/大小，從能量流動的視角探索大型工業(yè)廠房中置入冷巷的可能性。

“煙囪”提案從自然界植物蒸騰作用和蟻穴通風系統(tǒng)中尋找原型，利用孔隙中的能量流動效應，調(diào)整建筑中洞口、通道、腔體的形狀和大小，通過風光熱舒適指標多參數(shù)模擬比選，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動下的建筑生成和原型轉(zhuǎn)化。

6 結(jié)語

舒適量化研究與設計實踐的歷史已證明當下單一目標的評估標準并不可靠，從風、光、熱到聲音、空氣質(zhì)量以及建筑能耗、排放等綜合指標，展現(xiàn)了更宏觀的工具視角與理論視野。更可靠的模型與環(huán)境，更精細的模擬分析，更高效準確的舒適反饋，促使舒適協(xié)同的設計方法不斷優(yōu)化升級，形成系統(tǒng)。從經(jīng)驗到理性，再到智慧，數(shù)據(jù)支撐正是今天的建筑相較以往建筑的優(yōu)越性，推動了量化的精準決策[13]。未來人工智能的應用還將繼續(xù)改變這一設計過程，也將進一步重塑人們在整個系統(tǒng)中的角色和責任，不是面對一套新的約束，而是一種新的、更大程度的自由，可以搜索、迭代、評估、選擇，然后綜合應對我們?nèi)找鎻碗s的環(huán)境舒適挑戰(zhàn)。

圖表來源

1 來源于參考文獻[3]

2 來源于參考文獻[5]

3,5,8-11 作者自繪

4,6,7 作者自攝

表1-2 作者自繪