白曉偉 夏柏樹 張寧 馮香媛

隨著城市大型公共建筑的功能日趨復雜，大空間的豎向?qū)盈B、大空間與常規(guī)尺度空間的立體組合已成為常見的布局模式。空間布局的緊湊性降低了建筑界面與外部環(huán)境的接觸機會，切斷了氣流運動的連續(xù)路徑，增加了自然通風的難點。在大空間內(nèi)部恰當?shù)刂踩胴Q向腔體，可以重建內(nèi)部空間與外部環(huán)境的關聯(lián)，在熱壓作用的驅(qū)動下構(gòu)建氣流運動的連續(xù)路徑。

在自然通風性能的導向下，既有研究圍繞大空間內(nèi)部的腔體布局類型、氣流組織方式等已經(jīng)展開了一定的探索。陳曉揚針對大空間建筑自然通風的難點，提出單元分區(qū)的氣流組織策略，并根據(jù)不同空間類型的腔體植入方式，提出平面單元豎井式、大空間單元熱壓式、豎向單元組合式3種氣流組織模式[1]。李鋼等將建筑腔體按氣流的組織方式劃分為能量流的貫穿、拔取和引導三種類型，并在此基礎上提出了類型的變異、并列、疊加和雜糅的轉(zhuǎn)換模式，強調(diào)了腔體的通風性能[2]。李珺杰等根據(jù)不同的尺度、形態(tài)和位置，將建筑內(nèi)部類似于腔體的“中介空間”劃分為室外開放的“院落空間”、室內(nèi)封閉或半封閉的“中庭空間”、室內(nèi)封閉或半封閉的“井道空間”和半室外半開放的“界面空間”四種類型[3]。張帆等根據(jù)腔體的導控方式，將其分為緩沖導控的表皮腔、植入導控的內(nèi)置腔和協(xié)同導控的共生腔三種類型，強調(diào)腔體既是氣候調(diào)節(jié)器，也是生態(tài)、場所和空間導控的多目標復雜性存在[4]。夏柏樹等依據(jù)腔體的不同尺度、界面狀況及空間形態(tài)，將腔體劃分為井道腔、中庭腔和天井腔三種基本類型，并拓展了各基本類型的若干典型形式[5]。

從本質(zhì)上講，建筑內(nèi)部的腔體是一種可以引導物質(zhì)、能量的流動與交換，具有生態(tài)調(diào)節(jié)作用的貫通性空間。腔體通過其形態(tài)和界面的限定，控制物質(zhì)和能量的流動方向和交換方式，發(fā)揮空氣對流、煙囪效應等物理作用，從而提升與改善空間物理環(huán)境[5]。相比于其他類型的腔體，井道腔體的平面尺寸較小、布局靈活、環(huán)境調(diào)控能力強[4]，而且井道腔體的植入對建筑的環(huán)境穩(wěn)定性、建筑形象、功能布局、空間使用效率等方面的影響最小，更適宜大空間建筑的自然通風。根據(jù)界面開放程度和屋頂開閉狀態(tài)，可將井道腔體進一步劃分為導風墻、拔風樓梯間、通風塔、天井等類型。結(jié)合當前大空間建筑的發(fā)展趨勢和腔體通風特性，本研究重點探討小尺度的井道腔體在層疊式大空間建筑中的植入方式，并針對典型案例進行CFD（計算流體動力學）數(shù)值模擬，精確探索大空間內(nèi)部的氣流運動軌跡和分布特征。

1 大空間建筑的腔體布局類型

1.1 周邊式腔體

通過在大空間周邊并列布置井道腔體，可以構(gòu)建跨越進深方向的氣流運動路徑。如圖1所示，室外氣流從大空間建筑外界面開口進入室內(nèi)，在流經(jīng)人員活動區(qū)域的過程中溫度逐漸升高，最終在熱壓作用的驅(qū)動下由井道腔體排至室外。在周邊式布局中，腔體沿大空間周邊均勻布置，不介入建筑內(nèi)部，保持了大空間的完整性。

1.2 內(nèi)置式腔體

對于內(nèi)部無需設置統(tǒng)一完整大空間的建筑而言，多個豎向腔體可以均勻地嵌入大空間內(nèi)部，有效發(fā)揮氣流調(diào)控作用。在內(nèi)置式腔體的引導下，氣流由建筑外界面開口進入室內(nèi)，在熱壓作用的驅(qū)動下由腔體排至室外（圖2）。內(nèi)置式腔體可以結(jié)合功能布局自由植入大空間內(nèi)部，與空間充分接觸并進行氣流交互，均勻調(diào)控氣流。

1.3 復合式腔體

在特殊的設計條件下，當單一類型的腔體難以實現(xiàn)整體建筑的自然通風時，需要植入多種類型的復合式腔體，通過協(xié)同作用引導與調(diào)控氣流。在復合式腔體布局中，氣流不經(jīng)由建筑外界面開口進入室內(nèi)，送風與排風均設置單獨的腔體（圖3）。在復合式腔體的介入下，整體大空間被劃分為若干個控制分區(qū)，在各分區(qū)單元的內(nèi)部和周邊分別植入通風腔體，通過協(xié)同作用實現(xiàn)自然通風。

2 周邊式腔體的并置式植入

對于在功能上有完整大空間需求的建筑而言，腔體無法直接植入空間內(nèi)部，沿空間周邊并列布置井道腔體成為必然選擇，可以在保證空間完整性的同時，構(gòu)建跨越進深方向的氣流運動路徑。

在天津大學新校區(qū)綜合體育館設計中，主體大空間運動廳采用了豎向?qū)盈B的組合方式，緊湊的空間布局導致大空間僅有一側(cè)外窗與室外連通。在高校體育場館日常低成本運維的要求下，建筑內(nèi)部精心構(gòu)建了一套完整的自然通風系統(tǒng)。上層運動廳利用地面上的通風口和可開啟的高窗進行自然通風；底層運動廳在保證空間完整的前提下，沿縱深部位植入一系列并置的雙層夾墻作為通風腔體（圖4）。在夏季和過渡季，上下層運動廳分別利用屋頂天窗和周邊腔體的熱壓驅(qū)動作用進行自然通風[6]。

為了深入探索大空間運動廳內(nèi)部的氣流分布特征，研究搜集天津大學新校區(qū)綜合體育館的建筑信息，在CFD數(shù)值模擬平臺Fluent 17.0中建立空間模型，通過網(wǎng)格劃分、迭代計算及后處理等一系列流程展開模擬分析。有關CFD模擬的外部計算域尺寸、網(wǎng)格尺寸、邊界條件、湍流模型等各項參數(shù)，均參照《民用建筑綠色性能計算標準》（JGJ/T 449-2018）[7]進行設定，在后續(xù)實際案例的模擬中均采取相同的參數(shù)設置方法。

天津大學新校區(qū)綜合體育館的CFD模擬結(jié)果如圖5所示。底層運動廳的室外氣流經(jīng)由建筑立面開口進入室內(nèi)空間，沿空間底部向縱深部位呈水平向運動。氣流在進風口處風速較大，在流經(jīng)運動人員活動區(qū)域的過程中風速逐漸衰減。部分氣流在熱壓作用下由交界面開口進入周邊腔體排出，還有部分氣流反向流回底層外窗一側(cè)，在剖面上形成較大“渦旋”。二層運動廳的氣流分布與底部類似，但由于腔體的拔風作用較強，底層運動廳內(nèi)的風速整體高于二層。在天津大學新校區(qū)綜合體育館內(nèi)部，自然通風組織的難點在于大空間立體疊加組合導致縱深部位與外部環(huán)境隔絕。在縱深部位沿大空間周邊均勻植入并置式腔體，可以在保證空間完整性的同時，重建跨越縱深方向的氣流路徑。

由奧雅納參與設計的英國天空廣播公司中心項目則通過在主要功能空間周邊設置雙側(cè)通風腔體，實現(xiàn)對氣流的整體調(diào)控。該項目為典型的大空間公共建筑，核心功能空間豎向?qū)盈B布置，上部為開敞的辦公空間，下部為雙層大型演播室。上部空間通過可開啟的外窗和縱深部位布置的通風煙囪實現(xiàn)氣流組織；底部大型演播室在電視錄制的過程中需要嚴格控制外部噪聲的傳入，既無法利用可開啟外窗作為通風口，也無法與上部的開敞辦公空間共用縱深部位的通風腔體，其自身是一個獨立的封閉空間。為了解決上述問題，沿建筑立面引入了一系列并置的通風井道，形成一套由演播室燈光余熱驅(qū)動的自然通風系統(tǒng)，與上部辦公空間的自然通風系統(tǒng)相互獨立。外界新鮮空氣通過演播室底部的聲音衰減裝置進入室內(nèi)，經(jīng)過演播室燈光系統(tǒng)加熱后逐漸上升，最終經(jīng)由外立面上的通風井道排至室外。在此過程中演播室內(nèi)形成的負壓吸入室外的新鮮空氣，促進氣流的連續(xù)運動（圖6）[8]。沿立面分布的通風腔體在實現(xiàn)建筑自然通風的同時，也營造出獨特的建筑意象（圖7,8）。

1 周邊式腔體示意圖

2 內(nèi)置式腔體示意圖

3 復合式腔體示意圖

4 天津大學新校區(qū)綜合體育館平面圖

5 天津大學新校區(qū)綜合體育館剖面云圖

3 內(nèi)置式腔體的嵌入式植入

對于在使用功能上沒有完整大空間需求的建筑，可以靈活嵌入內(nèi)置式腔體進行通風組織。在結(jié)合功能布置的前提下，內(nèi)置式腔體的植入有利于縮短氣流的運動路徑，實現(xiàn)更為充分的氣流調(diào)控。

在云智大數(shù)據(jù)中心的設計中，結(jié)合地域氣候條件植入一系列貫通室外的嵌入式天井腔體，實現(xiàn)對氣流的引導。整體建筑采用簡潔的方形體量，一層局部挖空，形成貫通南北的半室外空間。二、三層的大空間展廳層疊布置，通過植入貫通室內(nèi)外的天井腔體與一層的水平架空部分相連通。結(jié)合建筑功能布局，選用了多點分散型的腔體植入方式，包括東西兩側(cè)容納室外樓梯的長條型腔體及6個均勻分布的天井腔體（圖9）。腔體的植入將展覽空間劃分為內(nèi)部核心展廳和外圍附屬展廊兩個層次，腔體的間隙可供使用者自由穿行，為展廳引入自然通風采光，豐富了空間層次，營造出流動的觀展空間。

云智大數(shù)據(jù)中心的CFD模擬平面云圖顯示，氣流經(jīng)由外立面開口進入室內(nèi)空間，進風口處風速較大，氣流整體呈對稱分布。氣流進入室內(nèi)后主要匯聚于中心部位的各個天井，氣流路徑短、流場分布均勻（圖10）。剖面云圖顯示，室外氣流在底部架空空間穿行而過，在豎向腔體熱壓作用的引導下，室外氣流沿天井向上運動，使天井內(nèi)部形成負壓區(qū)；室內(nèi)各層空氣在負壓作用下，經(jīng)由幕墻通風器進入天井腔體，實現(xiàn)大體量展廳空間內(nèi)部均勻的自然通風（圖11）。

4 復合式腔體的協(xié)同式植入

特殊設計條件下無法通過大空間建筑的立面開口引入外部氣流，需要植入復合式腔體通過協(xié)同作用精準調(diào)控內(nèi)部氣流。

由建筑師艾倫·肖特（Alan Short）設計的英國考文垂大學圖書館便是通過內(nèi)置式腔體和周邊式腔體的協(xié)同工作實現(xiàn)大空間自然通風的經(jīng)典范例。受到環(huán)境噪聲、空氣質(zhì)量的影響，以及圖書館安保要求的限制，立面外窗無法正常開啟，導致常規(guī)的自然通風無法實現(xiàn)。為了應對上述問題，建筑師將平面劃分為4個控制分區(qū)，在各分區(qū)中心分別植入一個送風井道，同時在整個平面的中心和四周分別設置排風井道，建筑的功能布置則圍繞上述腔體展開（圖12）[9]。

考文垂大學圖書館的CFD模擬結(jié)果顯示，新鮮的室外空氣經(jīng)由地下室進入4個送風井道，然后均勻擴散至空間各處（圖13）。在熱壓作用下，使用后的空氣逐漸上升，通過交界面開口進入中心和四周的排風井道排至室外，形成完整的氣流運動路徑（圖14）。排風井道頂部設集熱裝置，在吸收太陽輻射后溫度迅速升高，進一步增大進排風口的溫度差，從而增強熱壓自然通風的穩(wěn)定性。上述內(nèi)置式腔體和周邊式腔體的單元式協(xié)同工作，實現(xiàn)了對氣流的合理組織，在每個控制分區(qū)內(nèi)，氣流均以內(nèi)置式腔體為核心向四周擴散，促進圖書館大進深空間的整體自然通風。

6 英國天空廣播公司演播室和辦公室自然通風示意圖

7 英國天空廣播公司外景

8 英國天空廣播公司腔體局部

9 云智大數(shù)據(jù)中心平面圖

10 云智大數(shù)據(jù)中心平面云圖

11 云智大數(shù)據(jù)中心剖面云圖

表1 三種腔體植入方式的對比分析

5 結(jié)語

結(jié)合對典型案例的CFD模擬研究發(fā)現(xiàn)，在自然對流的情況下，周邊式腔體、內(nèi)置式腔體及復合式腔體的植入方式均可實現(xiàn)大空間內(nèi)部的自然通風。然而三種腔體的氣流組織方式和分布特征各不相同，由周邊式腔體、內(nèi)置式腔體至復合式腔體，腔體的調(diào)控性能逐漸加強，氣流組織作用更為精準、充分。三種腔體的布局特征及通風性能匯總分析如表1所示。

面對城市大空間公共建筑巨大的運行能耗，以自然通風為導向的腔體植入設計可以從空間設計的根本層面為建筑植入先天的綠色基因，有效降低運行階段的碳排放量。腔體植入與建筑的空間組織、功能布局等設計因素緊密相關，應該在方案構(gòu)思的初始階段納入建筑師的思考范圍。一方面，應從整體的視角出發(fā)，在遵循空間構(gòu)成邏輯的基礎上，充分發(fā)揮大空間自身的通風潛力，并結(jié)合豎向腔體構(gòu)建氣流運動的連續(xù)路徑，建立穩(wěn)定的熱壓自然通風系統(tǒng)。另一方面，自然通風是一種微動力的空氣運動形式，針對大空間建筑尺度巨大、室外氣候條件不穩(wěn)定及運行狀況多變等自然通風難點，建筑師應積極運用必要的低能耗技術(shù)集成（如在腔體頂部增設集熱裝置和機械輔助設施），增強腔體自然通風的穩(wěn)定性和適應性。

12 考文垂大學圖書館平面圖

13 考文垂大學圖書館腔體送風示意圖

14 考文垂大學圖書館腔體排風示意圖

圖片來源

1-3,9-11作者自繪

4,5作者根據(jù)文獻[6]改繪6-8來源于文獻[8]

12-14作者根據(jù)文獻[9]改繪

表格來源

1作者自繪