綠色公共建筑的形體空間氣候適應性機理及其若干關鍵指標研究綜述

A Review of Research on Architectural Climatic Adaptability and Key Indicators of Green Public 

摘要：中國當前綠色公共建筑的理論研究與設計實踐注重設備與材料性能的提升，而對建筑空間組織與形體優化及其地域氣候適應性的關注有所不足。針對以上問題，本文基于國內外形體空間氣候適應性研究的綜述，開展機理分析，歸納綠色公共建筑的形體空間描述指標體系，提出場地、形體、空間、界面等方面的若干關鍵性指標，以作為建筑師主導下綠色公共建筑設計新方法構建的機理研究支撐。

作者單位：連璐，張悅，程曉喜，清華大學建筑學院；

黃獻明，袁朵，清華大學建筑設計研究院有限公司

1 研究背景與意義

根據中國建筑節能協會能耗統計專業委員會發布的《中國建筑能耗研究報告（2017）》[1]，全國建筑總面積達591.93億m2，建筑能源消費總量占全國能源消費總量的19.93%，其中公共建筑面積約107.65億m2，能耗占建筑能耗總量的34%；從單位面積能耗強度看，公共建筑能耗強度在4類建筑中最高，且近年來一直保持增長趨勢。因此建筑節能尤其是公共建筑節能成為節能減排的重要任務。

我國當前綠色公共建筑的理論研究與設計實踐存在重設備與材料性能的提升、輕空間組織與形體優化等問題。崔愷院士指出，綠色建筑的研究除了在技術手段或綠色建筑評定的層面之外，不能忽略與建筑設計方法的結合[2]。自2017年以來的“十三五”國家重點研發計劃綠色建筑領域項目開始注重從建筑設計的維度進行形體空間解析，該方向的研究對于地域氣候適應型綠色公共建筑設計的理論創新與實踐應用具有重要意義。

2 國內外綠色建筑形體空間氣候適應性相關研究的趨勢綜述

2.1 綠色建筑設計方法

理論研究方面，維克托·奧戈亞（Victor Olgyay）提出“生物氣候地方主義”的設計理論，系統地探討建筑、氣候、地域與人體生物感覺及其之間的關系，關注微氣候、建筑層面的氣候平衡、建筑選址、朝向、形態、氣流組織、圍護結構性能等參數[3]。巴魯克·吉沃尼（B. Givoni）從人的舒適度出發考察分析氣候條件，提出建筑平面布局、墻體與窗戶朝向、遮陽設施等方面的設計策略[4]。吉沃尼將研究領域拓展到城市設計，系統分析氣候與城市、建筑的關系，并針對不同氣候區提出城市與建筑設計方法與策略[5]。宋曄皓探討建筑系統結構與生物氣候緩沖層的建構問題，從宏觀、中觀、微觀3個層面與聚落空間、建筑實體、建筑細部3個方面具體討論城市布局、建筑密度、開放空間、建筑造型、朝向、功能、景觀、圍護結構開口與遮陽、選材的建筑設計要素等[6]。

實踐應用方面，哈?！しㄙ悾℉assan Fathy）主張，人是有機生態系統中的一員，與周圍環境相互影響相互改變，建筑則像植物一樣處于周圍環境的影響之中，并從建筑形態、建筑朝向、空間組織、建筑材料、肌理與顏色、開敞空間設計等影響微氣候的7個方面評價和提出設計策略[7]。查爾斯·M·科里亞（Charles M. Correa）結合印度濕熱氣候與自身設計實踐提出“形式追隨氣候”的口號，主張建筑不能只由結構與功能決定，必須尊重氣候[8]。楊經文（Ken Yang）提出生態設計的原則，將生物氣候學的設計原則運用于高層集中式的建筑設計中，指出生態設計與生物氣候學的設計方法在土地利用、總體布局、建筑形式、朝向、平面形狀、立面、開窗、屋頂、綠化等方面與其他設計方法的差異等[9]。

2.2 綠色建筑評價體系

1990年代始，世界各國涌現了多項綠色建筑評價體系，如英國建筑研究所環境評價法BREEAM、美國綠色建筑評估體系LEED、日本建筑環境綜合性能評價認證體系CASBEE、德國可持續建筑評價體系DGNB等。目前，世界上大部分綠色建筑評價體系基于關鍵指標法，通過基礎研究、相關標準、專家訪談、社會調查等方法提煉指標，采用層次分析法確定指標權重，得到最終結論。例如：美國LEED與英國BREEAM通過對關鍵性指標進行賦值與評價，評價目標建筑的可持續發展程度，如建筑開發密度、建筑外圍護結構的熱工性能等；日本CASBEE提出建筑環境效率的概念，通過計算建筑環境質量與建筑環境負荷的比值評價目標建筑的可持續發展程度；德國DGNB考慮經濟性、人文性，從環境、經濟、社會文化與功能、技術、建設、區位等6個方面評價目標建筑的可持續發展程度，提出面積使用率、使用功能可改性與適用性等指標。

中國的綠色建筑評價體系的建構發展迅速。2001年9月《中國生態住宅技術評估手冊》[10]出版。2003年8月中國《綠色奧運建筑評估體系》[11]出版，在規劃、設計、施工、驗收與運行管理4個階段對奧運建筑提出具體的規范與要求，并將各項指標分為建筑環境質量與環境代價2類，進行定量與權重分配。其中，建筑設計部分主要涉及建筑規模、容積與面積控制、單個觀眾席的折合面積與造價、室內熱環境、自然采光、日照量、自然通風效果等。2006年3月《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2006）[12]頒布，明確了綠色建筑的定義、評價指標與評價方法，確立了我國以“四節一環?！睘楹诵膬热莸木G色建筑發展理念與評價體系，對影響建筑環境負荷的關鍵性指標進行賦值與評價。《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2014與GB/T 50378-2019）覆蓋了設計、施工、驗收、評價4個階段，其中與形體空間相關的指標共計42項，涉及節地與土地利用、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與綠色建材4個章節下的20項條目[13-14]。在此基礎上，綠色建筑評價地方標準、行業標準與針對不同建筑類型與領域的綠色建筑評價標準也相繼出臺，擴展了評價體系的適用對象。

3 綠色公共建筑的形體空間氣候適應性機理與關鍵指標

中國《綠色建筑評價標準》在發揮巨大行業影響力和貢獻的同時，也出現一定的問題和不足。第一，評價體系較為偏重設備與材料性能的提升，關注空間組織與形體優化不足。第二，評價對象主要針對空間形體結果，關注設計方法和過程不足。第三，強調綜合性普適性要求，缺乏對特定地域的環境與氣候條件差異的深入評價，針對地域性設置的相關條文較少，地域氣候適應性考慮不足。

針對以上問題以及基于前述國內外相關研究趨勢歸納，本文以建筑形體空間為關注點,分析地域環境與氣候條件對建筑形體空間產生影響的機理、方式、范圍及形體空間的適應方式，進而從場地、形體、空間、界面等方面對形體空間進行解析，構建綠色公共建筑的形體空間描述指標體系與設計方法指引。

3.1 綠色公共建筑的形體空間氣候適應性機理

劉加平院士指出，“建筑的產生，原本就是人類為了抵御自然氣候的嚴酷而改善生存條件的‘遮蔽所’（shelter），使其間的微氣候適合人類的生存”[15]。對建筑內微氣候造成主要影響的外界氣候要素包括溫濕度、日照、風。

人體對外界各氣候要素的感受存在一定的舒適范圍，而不同季節、不同氣候區自然氣候的變化曲線不同，其與舒適區的位置關系不同，相應的建筑與氣候的適應機理也不同。

1 綠色公共建筑的形體空間氣候適應性機理示意

（1）對過熱氣候的調節適應（圖1藍色箭頭）。要點為通過開敞散熱、遮陽隔熱將過熱氣候曲線往舒適區范圍內“下拽”，以達到縮短過熱非過渡季，同時降低最熱氣候值以減少空調能耗的目標；

（2）對過冷氣候的調節適應（圖1橙色箭頭）。要點為通過緊密保溫、增加得熱將過冷氣候曲線往舒適區范圍內“上拉”，以達到縮短過冷非過渡季，同時提高最冷氣候值以減少供暖能耗（或空調能耗）的目標；

（3）對過渡季氣候的調節適應（圖1綠色箭頭）。過渡季指春秋兩季外界氣候處于人體舒適區范圍內的時間，要點為通過建筑的冷熱調節延長過渡季，并在其間通過引導自然通風加強與外界氣候的互動；

（4）擴展舒適區范圍（圖1粉色箭頭）。這里是指根據人的停留時長、人在其中的行為等標準將建筑內的不同空間進行區分，走廊、門廳、樓梯等空間的氣候舒適范圍不必如辦公室、教室等功能房間一樣，可上下擴展一定范圍。

根據以上綠色公共建筑的形體空間氣候適應性機理，本文從場地、形體、空間、界面4個維度提出形體空間密度、復合綠化率、外表接觸系數、最佳太陽朝向面積比、迎風面積比、緩沖空間面積比、外區面積比、空間透風度、窗墻面積比、外遮陽系數、可開啟面積比等11個描述指標。

3.2 場地

（1）控制形體空間密度，調節場地微環境

場地層面，主要考慮建筑群體對場地微氣候的作用，在機理上聚焦場地微環境及熱島效應，其成因可分為地點熱源放熱、二次放熱與散熱不暢等[16]。因此重點剖析梳理與放熱相關的場地建設強度指標。2004年，貝格豪澤·龐特（M. Berghauser Pont）與豪普特（P. Haupt）提出空間伴侶（Spacemate）體系[17]，避免了使用單項建筑密度指標描述建筑和城市環境密度狀態的局限性。該體系由容積率、建筑覆蓋率、平均層數與開放空間率4個指標組成。其中，容積率與建筑覆蓋率（即建筑密度）一般作為土地開發強度的重要指標；建筑覆蓋率與平均高度分別反映建筑在水平方向與垂直方向的聚集度；開放空間率指未被建筑或構筑物占據的空地面積總和與總建筑面積之比，表征單位建筑面積對應的開放空間規模。基于以上研究綜述，本文提出形體空間密度指標，綜合分析建筑群體密度狀態對場地微環境和熱島效應的影響。

2 形體空間密度指標示意

（2）提高復合綠化率，減緩熱島效應

相關研究表明，植被和水體夠有效降低場地平均溫度，緩解熱島效應[18-20]。目前我國常用綠化評價指標如綠地率、綠化覆蓋率和人均公共綠地面積等，主要用于衡量城市綠地的平面綠量。1987 年，日本學者青木陽二提出“綠視率”的概念[21]，并于2004年成為日本綠色景觀評價體系的常規指標[22]。該指標評價人的視野中綠色所占的比重，可以用于衡量立體綠化的程度?；谝陨涎芯烤C述，本文提出復合綠化率指標，綜合分析垂直綠化、屋頂綠化、水平實土綠化與水體對熱島效應的緩解作用。

3 復合綠化率指標示意

3.3 形體

（1）控制外表接觸系數，調節不同地域氣候下的建筑散熱

體形系數是建筑表皮設計與控制的重要指標，體現了建筑形體的復雜程度，一般認為，體形系數越小，外圍護結構的傳熱損失越少，建筑物與外界能量交換越少。針對體形系數的優化包括夏春海綜合考慮建筑熱性能與形體幾何關系的共同作用，引入考慮溫差傳熱與太陽輻射影響的權重因子對建筑不同朝向的圍護結構面積進行修正，提出圍護結構熱性能的綜合評價指標熱體形系數[23]；趙鵬等提出名義最佳建筑體形系數與實際最佳建筑體形系數的概念，分析體形系數的理解與計算誤區，提出以表征單位建筑面積所對應的圍護結構面積的指標形體系數以代替體形系數[24]；魯迪·奧恩哈克（Rudy Uytenhaak）關注高密度城市環境的空間品質，提出表征單位建筑面積所對應的立面面積的指標立面系數，反映建筑實體與外部環境之間可能發生滲透的程度[25]；鄧巧明考慮第五立面露天平臺或天窗等對空間品質與舒適度的影響，提出外部接觸系數以修正立面系數?；谝陨涎芯烤C述，本文提出描述建筑散熱狀況的指標外表接觸系數，綜合考慮建筑立面、屋頂與架空底面與室外大氣的接觸，同時消除高大空間中建筑層高對于原有體形系數指標的干擾影響[26]。

4 外表接觸系數指標示意

（2）控制最佳太陽朝向面積比，調節不同地域氣候下的建筑得熱

建筑的朝向與得熱密切相關，增大建筑朝陽面積有利于太陽輻射得熱。學者綜合考慮不同地域氣候下建筑各朝向墻面與室內空間可獲得的日照時間、日照面積、有利于地區氣溫特點的太陽輻射等主要因素，通過對有關數據進行實測統計和分析計算得出該地區建筑的最佳朝向或適宜朝向[27]，分析計算不同地區建筑在不同朝向時的能耗，得出建筑朝向對能耗有顯著影響的結論[28-29]。基于以上研究綜述，本文提出最佳太陽朝向面積比指標，描述形體與朝向對建筑得熱的影響作用。

5 最佳太陽朝向面積比指標示意

（3）減小建筑迎風面積比，改善建筑通風

場地環境的界面粗糙度反映形體空間對大氣流動的影響程度[30]?！冻鞘芯幼^熱環境設計標準》（JGJ286-2013）定義迎風面積比為迎風面積與最大可能迎風面積之比，通風阻塞比為各氣候區居住區的建筑密度與居住區的平均迎風面積比的乘積[31]。此外，學者提出迎風面積指數[32-33]、迎風面積密度[34]等參數以描述特定風向下空間形態對空氣流通的影響作用，并綜合考慮建筑朝向對自然通風的影響，計算得出建筑最佳來流入射角[35]?；谝陨涎芯烤C述，本文選取迎風面積比指標，描述形體與朝向對建筑通風的影響作用。

6 迎風面積比指標示意

3.4 空間

（1）設置適宜緩沖空間，進行分區控制和人行為引導

緩沖空間通常指在建筑內、外側或內外之間形成的氣候緩沖層，其在一定程度上實現外部環境氣候與內部建筑空間之間的緩沖過渡，在相關學者的研究中也有模糊性空間、過渡空間、中介空間、灰空間等不同側重的名稱和定義，通常可包括建筑門廳、走廊、中庭、天井、下沉庭院、露天平臺、屋頂平臺等。一方面，緩沖空間可以綜合利用多種被動式設計策略進行調節，實現改善環境、節約能源的目的[36-37]，同時有效遮擋太陽輻射，控制室內溫度，提供舒適的休閑場所[38]；另一方面，緩沖空間對功能布局和人的行為具有引導作用，進而可進行主動式設備的布局優化和運行調節，降低建筑能耗，對于公共建筑節能尤其具有積極作用?；谏鲜鲅芯烤C述，本文提出緩沖空間面積比指標，描述緩沖空間的設計對于改善環境和降低能耗所發揮的作用。

7 緩沖空間面積比指標示意

（2）增加外區面積比，提升建筑被動調節潛力

建筑主體使用空間的內區和外區區分與建筑能耗控制高度相關。公共建筑的室內空間性能通常依靠人工照明、機械通風甚至空調調節，而建筑周邊的空間可以獲得良好的自然采光、通風，因此《綠色建筑評價標準》簡化界定外區為距離建筑外圍護結構5m范圍內的區域，并對內區采光系數滿足要求的面積比例做出要求。相似的研究還包括尼克·貝克（Nick Baker）與科恩·斯蒂莫斯（Koen Steemers）定義被動區為距離建筑外墻5.5m或室內空間凈高2倍的進深區域，建筑中庭周邊為室內空間凈高1~1.5倍的進深區域[39]?；谝陨涎芯烤C述，本文提出外區面積比指標，來反映建筑采用被動節能技術的潛力。該比例越高，建筑與自然環境互動潛力越大，最大限度利用自然環境滿足室內舒適度要求的可能性越大。

8 外區面積比指標示意

（3）增加空間透風度，改善建筑自然通風能力

建筑內部自然通風方式分為風壓通風、熱壓通風，多數情況下，兩種通風方式共同作用。在模擬建筑內部自然通風狀況時，建筑室內空間劃分與隔墻常被忽略，大多數建筑能耗模擬軟件缺乏通風計算模塊，房間與外界及各房間之間的通風換氣量只能根據經驗進行估算。章宇峰提出多區域網絡模型，將建筑內部各空間視為不同節點，從宏觀上反映建筑內部空氣流動特征[40]。學者研究中庭、天井等腔體通過熱壓效應對建筑內部自然通風狀況的改善作用，發現通過合理設置腔體高寬比例等參數，可以獲得良好的自然通風[41-44]?；谝陨涎芯烤C述，本文提出空間透風度指標，從內部空間設計的角度觀察其對建筑自然通風的改善。

9 空間透風度指標示意

3.5 界面

（1）控制窗墻面積比，調節不同地域氣候下的建筑得熱

外窗與玻璃幕墻的太陽輻射得熱對建筑能耗具有較大影響，簡毅文等以上海地區的居住建筑為研究對象，研究分析不同朝向下窗墻比對建筑全年供暖能耗、全年空調能耗以及全年供暖、空調總能耗的影響規律，發現東（西）、北向窗墻比的加大會導致建筑全年供暖、空調總能耗的增加，夏季采用外窗遮陽與有效夜間通風的條件下，南向窗墻比的加大有利于建筑全年供暖、空調總能耗的降低[45]；陳震等以南京地區的辦公建筑為研究對象，研究分析常見窗型與不同建筑朝向的組合關系，根據節能50%的要求計算各朝向的窗墻比取值，發現當建筑處于正南向時合理的窗墻比取值最大，隨著偏東或偏西角度的偏轉取值越來越小[46]?；谏鲜鲅芯烤C述，本文選取描述太陽輻射得熱率的指標窗墻面積比，綜合考慮其對建筑得熱的調節作用。

10 窗墻面積比指標示

（2）控制外遮陽系數，調節不同地域氣候下的建筑得熱

窗口外遮陽是改善建筑夏季室內熱環境、降低空調能耗的一個重要措施，但太陽輻射對于冬季室內熱環境卻非常有利，理想的遮陽形式及遮陽板構造尺寸應能同時滿足冬、夏季不同時刻室內熱環境對太陽輻射熱的不同要求[47-48]。建筑遮陽計算是復雜的動態過程，任俊等通過建立計算模型，根據動態模擬軟件的計算結果進行處理，得出簡化的外遮陽系數與外遮陽設施對太陽輻射得熱影響的關系并驗證其合理性[49]?；谝陨涎芯烤C述，本文提出外遮陽系數指標，綜合考慮各朝向遮陽對太陽輻射得熱的影響。

11 外遮陽系數指標示意

（3）增加建筑可開啟面積比，實現良好自然通風

《綠色建筑評價標準》對建筑的通風開口面積與外窗、玻璃幕墻的可開啟與有效通風換氣比例提出明確要求，以實現良好的通風效果。建筑的通風開口結合主導風向，借助風壓與熱壓的雙重作用，可以最大限度的將自然風引入建筑內部，影響建筑內部的風速及分布，充分利用自然通風減少空調使用時間，降低建筑能耗?；谝陨涎芯烤C述，本文提出描述自然風引入效率的指標可開啟面積比，從界面設計的角度觀察其對建筑自然通風的改善作用。

12 可開啟面積比指標示意

4 結語：形體空間氣候適應性機理與指標對綠色公共建筑設計的指引

建筑形體空間與地域氣候以及建筑能耗之間的相關性分析，旨在從場地、形體、空間、界面的建筑設計維度上，充分考慮地域環境與氣候條件，對于如京津冀、長三角、珠三角、東北、華中等不同地域，建筑形體空間受地域環境與氣候條件的影響與適應方式不同，對能耗產生的影響也不同。本文的機理研究，在結合當前中國綠色公共建筑數據庫數據構建、以及開展形體空間和地域氣候之間耦合的定量分析之后，對于提出地域氣候適應型綠色公共建筑設計新方法，具有理論貢獻與實踐應用價值?！?

注釋

1）圖示所采用項目案例為雄安市民服務中心企業臨時辦公區。該項目具有臨時性和一定的示范意義，設計方案之初明確了可生長、輕介入的原則，選用“十字”單元組合模式并采用裝配化、工廠化的箱式建造體系。

2）圖示所采用項目案例為金港文化中心。該項目周邊地塊為高容積率的寫字樓，因此明確“城市綠洲”的理念，維持低密度、開放性，最大化保留場地原有水系，采用蓄水屋面+屋面種植+墻面綠化+場地綠化的綜合綠化手段補償建設工程對自然的侵占。

3）圖示所采用項目案例為龍湖順達近零能耗主題館。該項目位于河北省保定市高碑店市，屬寒冷氣候區，通過以完整體量包裹不同功能空間的方式減少與外界接觸散熱。

4）圖示所采用項目案例為深圳建科大樓。該項目位于廣東省深圳市，屬夏熱冬暖氣候區，通過分散、擴展功能空間增加與外界接觸散熱。

5）圖示所采用項目案例為2019年中國北京世界園藝博覽會中國館。該項目總平面呈弧線型，并采用雙坡屋頂有效增加接收太陽輻射面積。

6）圖示所采用項目案例為武漢航發金融創新基地總部大樓。該項目緊鄰曲線型景觀綠化帶與自然湖泊，順應場地邊界布局建筑體量，并結合模塊間的錯動獲得良好的自然通風。

7）圖示所采用項目案例為中國建筑設計研究院創新科研示范中心。該項目除門廳、走廊、地下室等緩沖空間外，還設置了連續的半開敞式中庭，并利用體量錯動形成的屋頂平臺，引導綠色健康生活。

8）圖示所采用項目案例為江蘇建筑職業技術學院圖書館。該項目整體呈上大下小的形態，由下至上逐漸擴展，并設置多個中庭，最大限度利用自然環境滿足室內舒適度要求。

9）圖示所采用項目案例為?？谑忻裼慰椭行摹Ｔ擁椖砍蕩钕蚝骈_敞，結合內部錯落、松散、開敞的空間布局，獲得良好的自然通風。

10）圖示所采用項目案例為東北大學渾南校區圖書館。該項目位于遼寧省沈陽市，屬嚴寒氣候區，采用完整方正的體量，在滿足自然采光要求的前提下，控制各向窗墻比，減少冬季散熱，并采用內收式窗臺增大自然光入射量。

11）圖示所采用項目案例為華南理工大學廣州國際校區一期工程C地塊。該項目位于廣東省廣州市，屬夏熱冬冷氣候區，采用局部架空、遮陽百葉、屋頂花園、采光中庭、生態天井等方式改善自然通風與采光，營造舒適宜人的建筑環境。