建筑风环境的模式研究论文.pdf

论文提要 本文以模式研究的方式 通过对建筑风环境的历史性考察和现代性研究 从传统建筑学中归纳风作为一种自然环境因素在古代建筑发展进程中的作用模 式 并以现代城市气候学和空气动力学的角度综合分析风与建筑及城市形态所 发生的相互作用模式 在此基础上 建立建筑风环境的模式体系 从而为正确 理解与把握建筑风环境 促使 建筑 一人 自然 的和谐发展提供借鉴及 参考o a b s t r a c t w i t ht h ew a yo fm o d et h e o r ys t u d y i n g t h e e s s a ya n a l y s e s t h e a r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tt os u m m a r i z et h ea c t i o nm o d eo f w i n di n t h ea c i e n ta r c h i t e c t u r e d e v e l o p i n gp r o g r e s s a n dt h e i n t e r a c t i o nm o d e b e t w e e nw i n da n dm o d e r na r c h i t e c t u r em o r p h o l o g y r e l y i n go na l l t h e s ed e p e n d e n c e s t h e e s s a y e s t a b l i s h e st h e m o d e s y s t e mo f t h ea r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tf o ru n d e r s t a n d i n g t h e a r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tp r o p e r l ya n do f f e r i n gr e f e r e n c e f o rt h e t u n e f u ld e v e l o p m e n to ft h ee n t i r e t yo f a r c h i t e c t u r e p e o p l e n a t u r e 一1 一 论文提要 本文以模式研究的方式 通过对建筑风环境的历史性考察和现代性研究 从传统建筑学中归纳风作为一种自然环境因素在古代建筑发展进程中的作用模 式 并以现代城市气候学和空气动力学的角度综合分析风与建筑及城市形态所 发生的相互作用模式 在此基础上 建立建筑风环境的模式体系 从而为正确 理解与把握建筑风环境 促使 建筑 一人 自然 的和谐发展提供借鉴及 参考o a b s t r a c t w i t ht h ew a yo fm o d et h e o r ys t u d y i n g t h e e s s a ya n a l y s e s t h e a r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tt os u m m a r i z et h ea c t i o nm o d eo f w i n di n t h ea c i e n ta r c h i t e c t u r e d e v e l o p i n gp r o g r e s s a n dt h e i n t e r a c t i o nm o d e b e t w e e nw i n da n dm o d e r na r c h i t e c t u r em o r p h o l o g y r e l y i n go na l l t h e s ed e p e n d e n c e s t h e e s s a y e s t a b l i s h e st h e m o d e s y s t e mo f t h ea r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tf o ru n d e r s t a n d i n g t h e a r c h i t e c t u r a lw i n de n v i r o n m e n tp r o p e r l ya n do f f e r i n gr e f e r e n c e f o rt h e t u n e f u ld e v e l o p m e n to ft h ee n t i r e t yo f a r c h i t e c t u r e p e o p l e n a t u r e 一1 一 鼍圭 刖看 风对建筑物的室内外环境有显著的影响 这一概念早在数千年前就为我们 的祖先所理解 而且也早已有在建筑中对风进行人工控制和改善的理论与实践 但是 数千年后的今天 风环境问题却未能引起应有的重视 尤其是从事设计 决断工作的设计人员 实际工程中因未能妥善处理风环境问题的例子亦屡见不 鲜 这有多方面的原因 有的建筑师没有意识到他们的设计决断对环境和风环 境的重要性 因而忽视了这一内容 有的建筑师在接受专业教育时便未有接受 过这方面的知识 但有的建筑师可能在工程实践中早已注意到这一问题 却由 于种种原因而未能获得解决问题的途径 现有的大量关于建筑风效应的资料均趋于这样的形式 或足结构的风效应 问题 或是限于个案或理想状态下的模拟实验 其成果无法直接推广应用 本文的意图是在建筑设计与城市设计之形态操作的范围内研究风环境 试 图在风工程科学研究与建筑学的实践应用之间发挥桥梁作用 不仅是将目前分 散和难以找到的资料加以分类和分析概括 编辑成一本有效的参考资料 而且 更希望通过我们的研究 使建筑师控制和创造建筑空间的范围和能力得到扩展 和提高 以此提升居住环境质量 丰富建筑学的内涵 一3 一 一 建筑风环境的概念 第一章绪 论 1 风环境 风环境是泛指地区 城市 建筑组群 建筑单体以及室内空间环境中风作 用的总和 包括两大主要部分 一是纯自然条件构成的风环境 指未受构筑物 影响的风作用 例如平均风速 风向类型 自然风灾等等 二是指受构筑物影 响而在某些方面或全面发生变化的风作用 包括城市热岛环流 城市盛行风场 城市覆盖层内风的局地效应等等o 2 建筑风环境 建筑风环境 主要是指由建筑单体及建筑组群的空间要素所形成的特殊的 风作用 包括城市风场的局地效应 菏染物排放与堆积等等 此外 建筑风环 境的概念 还包括建筑基地的特殊空间要素所形成的风作用 表1 1 表1 1 建筑风环境构成 一4 一 建筑风环境 从根本上讲是属于风环境的一个子概念 随着城市化程度的 提高 与建筑单体和建筑组群关系紧密的建筑风环境问题对建筑设计和城市设 计将有较大影响 因此t 需要把建筑风环境概念从风环境概念中独立出来 作 为我们研究的对象 建筑风环境的形成 在一定程度上受风环境的影响 但是风环境的各个方 面 仅仅显形成建筑风环境的背景t 是设计决策的条件 而建筑风环境的优劣 则完全取决于建筑设计及城市设计的优劣 对此应引起我们足够的重视 这一 点 是本文研究建筑风环境问题的出发点 二 建筑风环境研究之必然性 建筑 作为人与自然交流的产物 其发展状况揭示了人与自然相处的地位 与能力的进步和延革 古代r 在人力与自然力相比显得渺小的时期 人充满了对自然王f 境的晨惧 崇敬与重视 在这种情彤之下 城市与建筑的规划建设 也大都有意识或无意 识地考虑到风环境的存在与影响 当然 由于知识和技术水平的低下 关于风 环境的知识与理解是肤浅的 粗略的 甚至是错误的 但其中的一些却是积极 i 面有效的 经过几千年的文明进步 人们早已脱离了刀耕火种 茹毛饮血的年代 今 天 城市拓展 高楼林立已成为文明发达杜会的标志 身处钢和混凝土城市中 人们已不再畏惧风雨侵扰 开始对 风 这个古老的词拒失去往昔的谨慎 但 我们应该知道 建造活动兼具创造性与破坏性 人工环境的创造伴随着自然环 境的改变 自然环境的改变也必然制约人工环境的创造 随着现代社会经济发展 一 世界的各个角落都出现丁城 市亿程度相当高的大城市和 特大城市 还有许多城市亦 即将加 这个行列 图1 1 譬如上海 作为中国最大的 经挤中心 在改革开放尤其 是 三年大变样 的几年中 城市范围扩大 人口激增 商业活动繁荣 市区 尤其 是中心区的建筑密度不断增 大 据统计 一九九五年五 一5 一 鬻1 z 3 一 复杂的方式 形成於建筑单体和建赫骠籁爨蓖糕嚣鲞鋈察嚣瀑蜇翟冀琵囊毫麓 筑组群的尺度 形状 相对位置以鲢辫躁鸶爨翳罐魏鎏5 l 鞣鞭黧鬻韵鬟覆霹 霎委 及周围的地形地貌 如果在建筑设霸蘸赣嚣露繇 鼋搿霹孑鬻尊 雾i 鬻 鬻 计和城市设计中忽视或无视风环境鬟g l l 麓餐 螽i l 磷呜如弹目 j j 翼 的存在 小则会使建筑环境功能的嚣蓉叠 蠢誊i j 孝名号 毫垂 l 强至疆 完全实现受到影响 大则造成风害 鬣鏊雾露龚疆 s 辫l 鬻墓i 巍暖黧螽藩瓣 破坏城市的户外环境小气候 降低镄籀鞭鳃鐾聪蒸霾睦麓露囊翳鹱瑶鬻l g l 翳 城市公共空间的使用率 图1 3 5 甓冀鬻墓錾强器錾骥蠹鐾謦霾鞲赣露霞 鳞 表 o 鹱鞣餐黼鬟篓臻鬻黧磐彗鬻囊鞭辫疆 随着工业社会的发展以及工业 禁 燃 慧 慧雩x 二慧 兰 了 j 一缀 村的家庭横式发生变化 家庭平均规模硪小 社会人口的构成发生变化 儿童 相对减少而老人相对增多 同时 由于技术和效率的提高 人们的工作负担和 工作时问减少 使许多人得到了更多的闲暇 人们对在家庭之外方便地参与社 会交流的要求也相应提高 i h t p 外活动正是满足这些需求的重要途径 因此 建筑师负有创造和改造室外环境 提供公众交往场所的责任 一6 一 表卜z 人的行为与风速 表l 5 人的感觉与风速 一7 一 一 马母lq百 引一 卑e上 土 吲 风级风速 m l s 风蜀1 人的影响程度 l0 1 j 风不被注意 zi 8 一j 1 脸上感觉至i j 风 jj 6 5 4 头发被吹动 45 8 8 1 头发被吹乱 灰尘被扬起 58 5 1 0 7 身体可感觉到风的力量 61 1 z l j 9 无法正常行走 风噪音影响大 71 4 j l7 o 行走时易失衡 81 7 4 0 1 阵风引起经常性的行走失衡 91 9 8 z 4 1风大足以击例行人 风速m s v 5 05 y 10lu y l5 l5 v z o 人的感觉舒适不舒适很不舒适不能忍受危险 城市建筑密度提高引起的风环境变化和公众的室外环境使用率提高是一对 需要解决的矛盾 矛盾解决的好坏 将直接影响公众的生活质量和工作质量 因此 对建筑风环境这一特殊的环境类型进行研究成为必然 三 建筑风环境的研究方法 城市的形成与发展 在现代社会是非常迅速的 特别是室外环境一旦形成 便较难发生彻底的变革 因此 从方案设计阶段便考虑各种因素的优化组合是 合理而有效的 风 流过建筑单体 建筑组群以及建筑基地时形成了建筑风环境 这种流 动是一个复杂的过程 其中伴随着流体分离与再附 流动加速与减速 回流和 旋涡现象 此外 建筑物的相互位置 空间形状 高度 温度效应 质量传递 等因素对建筑风环境的形成都有极为重要的影响 由此可见 建筑风环境问题 是一个极为复杂的问题 因此 建筑风环境的数值研究是困难的 在计算机技 术和计算方法迅速发展的今天 数值计算作为一项实验的手段 目前仅可以在 建筑风环境研究中作少量的模拟工作 目前比较实用且行之有效的研究手段是 风洞模拟 建筑风洞是一种环境风洞 配备模拟大气边界层气流的裟置 建筑风环境的数值模拟和风洞模拟研究是建筑风环境研究的重要手段和基 础 可以对具有较具体形状的建筑风环境作相对具体的研究 但是这两种研究 是建立在具体数值模型或实体模型已存在的基础之上 因而不可避免地带有设 计上的事后性 这个特性使数值模拟和风洞模拟这两种研究方法在建筑学领域 的直接推广和应用受到了局限 建筑设计和城市设计是多种技术和艺术的融合 过程 设计因素的任何单项都不应该也不可能在其他因素已得到肯定的情况下 再作研究和决定 事实上 建筑师和城市设计师 除了极为特殊的情况下 一 般也不可能在方案设计的各个阶段都依靠数值模拟和风洞模拟获取指导 不但 因为这阿种方法需耗费大量的物质与时间 而且由于其本身亦只是模拟过程 不可能完全真实地模拟实际场景的复杂性 因此 建筑设计与城市设计直接依靠数值模拟和风洞模拟是不现实的 本文认为 对于建筑设计和城市设计来说 在目前的设计方式下 有必要 借鉴模式研究的方法对建筑风环境进行研究 即建筑风环境的模式研究 这种 研究着眼于空间与物质约束的有无 着眼于定性的研究 而不同于数值模拟和 风洞模拟的定量研究 通过对建筑风环境模式的理解与掌握 帮助建筑师在方 案阶段就可以比较便利地结合风环境问题进行思考和设计 运用简单的推理与 分析方法便可了解方案的大致风环境状况 或者适时地采取有效的避免手段 从而使建筑设计和城市设计保持 原创性 和搿有机性 o 一8 一 建筑风环境模式是指建筑空间依其不同的组合方式而建立的风环境类型 建筑风环境模式研究的目的 是建立尽可能完善而合理的建筑风环境类型体系 作为建筑设计和城市设计的直接参考手段 作为一种定性化概念化的研究方法 建筑风环境的模式研究是粗线条的 不 精确 的 但这种不精确性是同方案设计的非确定性相适应的 也正是这 种特性使模式研究结果更具可能性和运用性 从这个角度考虑 模式研究比模 拟研究更具建筑学意义上的现实性 一9 一 第二章建筑风环境的历史性考察 在人力相对自然力来说显得渺小的时代 人类的一切活动都顺从自然力 否则便无法生存 当然 建构活动亦无法摆脱自然环境的制约 因此 研究考 察古代人类建构活动的历史 我们可以发现自然环境因素一包括风 对建构活 动产生巨大影响的痕迹 由此我们可以知道我们的先人是如何认识和创造建筑 风环境 并从中取得一些借鉴和启示 以利于今天和明天人类的建构活动朝着 尊重自然 利用自然 的方向发展 风水与风环境 i 风水 一般说 风水是指一种术数和技巧 是一系列指导人们如何确定阳宅和阴 宅的位置 朝向 布局和营建的方法和主张o 风水 二字始见於晋郭璞 葬 书 经日 气乘风则散 界水则止 古人聚之使不散 行之使有止 故谓 之风水 9 9 此处的 气 是中国古代思想史中的一个重要概念 它是从云气 水气 烟气以及人的呼吸之气概括而来 与生命有很大关系 如宋尹文所言 气 道通乃生 生乃思 思乃知口 通过对 气 这个抽象叉重要的概念 古人试 图把握万物的存在之象与存在之理 风水是一门研究气的学问 因为口 气挣是抽象概念 是无形的 所以为了 便于研究 古人以风与水作为 气 的 外象 通过研究控制风与水的方法来控 制气的聚落与运动 以此追求 宅居环境 城池聚落的美好 气 环境 取得自然与人伦社会的协同和协调 由此可见 在古人概念中 风是作 为一种可影响生命与生机的自然因素来 加以重视和研究的 从主体上来讲 从君王城邑到酉姓 民居 中国古代建筑受风水术的影响是 一1 0 一 广泛而深刻的 风水术的自身发展 不但说明了中国传统文化的丰富多彩与源 远流长 而且也同时说明了风水术中的确含有相当的合理见解 今天 对我们 来说 重新考虑风水术的本质思想及其研究具体问题的方法技术是很有意义的 z 风水术中的建筑风环境 中国位于北半球 欧亚大陆东都的太平洋西岸 这样的海陆位置有利于季 风环流的形成 使中国成为世界上季风气候最明显的区域之一 季风作用区的最大 特点是盛行风向随季节 变换而发生变化 冬季 中国境内大部分地区盛 行偏北风 北 东北和 西北风 夏季 则风 向正好相反 受东南季 风和西南季风的影响 其中中国东南部地区为 高温多雨的气候 而且 位于北纬j 0o 附近的副 热带无风带 从整个风 向变化周期的角度来考 虑 遮挡冬季季风并引 入夏季季风最合理的建 筑风环境模式 o 从对风水术的研究 中 我们可以发现中国 的整体风状况对风水术 理想基址选择模式的形 成有很大影响o 负阴抱阳 背山面 水 这是风水术关于从 住宅到城镇基址选择的 基本模式 对一座山而言 南 坡有阳光照射的山面为 阳 北坡无阳光照射的 一l l 山面则为阴 对於住宅 而言 以阳宅的正面 多 为南面 为阳 背面为 阴 而对于山与住宅的 整体关系而言 山为阴 住宅为阳 为了能 负 阴抱阳 房屋 阳 的 阴面与山 阴 的阳面相 对 o 因此 所 谓负阴抱阳 即基址后 有主蜂 龙 左右有次 峰或岗阜 砂 相护 建 筑基址 龙穴 坐北朝南 这样就形成了一个理想 的风水择址模式 从现 代的眼光来看 这种负 阴抱阳模式创造了一个 极好的建筑风环境 主峰 龙 位于基 址北面 山势须挺拔雄 伟 巍峨状观 以此便 可阻挡北来冬季寒风 同时通过由山地平地热 容不同以及昼夜温差不 同而产生的谷风起一定 的通风排气作用 图z 6 基址南面开敞并 绕以河流 有利导入夏 季凉风 同时在冬季则 可避免 冷气湖 即 冷空气由于前进方向上 的地形阻挡而停滞形成 气温较低的区域 的形 成 o 1 2 一 风水术对基址左 右之次峰 即搿砂 亦 有一定的规定 若风从 右边来则右砂为上砂 左砂为 f e 反之亦然 上下砂亦应有高下之分 根据各地自然条件不同 而各有区别 如 阳宅 会心集 卷上根据东南 地区地理环境与气候特 点认为该地区上砂要长 高 大 盖收气挡风 落头结构全赖乎此o 下砂应低平 忌高大湾 环 这同样出于对风环 境进行研究与创造的结 果 图z 一8 o 风水术中认为大 门为住宅之气口 除应 位于本宅吉方外 还须 避凶迎吉 方能导吉气 人宅 如浙江桐庐朱村 某宅建筑正对山谷 于 是大门偏转4 5 0 朝向小 丘以避煞气 在此 大 门转向实际上是避开由 山谷夹成之 风口 造 成的急流直人住宅 即 冲煞 图z 一9 o 以现代学科体系来 理解 风水理论是古代 地理学 气象学 景观 学 生态学 心理学 建筑学和城市规划的一 门综合学科 风水理论 一1 3 一 指导了中国古代数千年的建筑和城枣营建 图z lo 一12 即使是以现代科学 的 与以前迥然不同的 思维和分析方法来看风 水术 我们仍可以感受 到风水术对自然环境尊 重和利用态度的合理性 其创造和改造建筑风环 境的方法和思想 在现 代建筑中我们还可以找 到相合的实例 挪威建筑师r alp h er skine 的加拿大 r es ol u teb a y 地区的新 一1 4 城方案中 将新城置于高山之南坡 以北部高大山峰抵御冬季北风 此外新城 的东 北 西三面则绕以高大建筑 在围成的中心地带设置住宅 学校 商业 建筑及公共 交通空间 这样可利用东北西三面建筑抵御北风 南面开敞又有 利于纳阳通风及导入夏风 形成宜人的小气候 这一布局形式几乎完全符合风 水术中所谓负阴抱阳 坐南面北的择址模式 o 此外 由 于各地受季风的影响程 度不同 根据各地气象 台站的统计资料 可以 归纳出中国风向分区图 1 季节变化区 这一区域盛行风向 一1 5 随季节的转换而发生变 化 冬夏季风向基本相 反 风向稳定 一般冬 季或夏季盛行风向频率 在z 0 4 0 夏季较冬 季为小 根据气候分区和风 向分区 可以将季节变 化区划为北季变区和南 季变区 因为根据气温 和日照的差别 南北季 变区对待季风态度有所 不同 北季变区由于年 均温度较小 主要致力 建筑对冬季风的抵御 丽南季变区则由于湿度和温度的不同而重视建筑对夏季 季风的导入 侧重点的不同 形成了建筑风环境模式的不同o 2 主导风向区 这一区域 一年中基本上吹一个方向上的风 j 无主导风向区 无主导风向区域全年风向不定 无主导风向 各向风频相差不大o 4 准静止风型区 准静止风型区域常年风速较小 静风 v 1 o m ts 频率较高 以上四个分区是以大尺度划分的 由于地形 水体引起的局地环流的影响 各区中都有个别地区风向类型略有不同o j 中国传统比居的建筑风环境模式 由于经济 技术以及人口的原因 中国传统民居形成了低层低密度的聚落 形态 中国传统民居的建筑风环境主要是指对风的抵御 导人以及自然通风方 式 根据各地传统民居对待自然风的态度和创造风环境的方式不同 中国传统 民居可分为四种模式 一 高敞型 高敝型民居主要存在于准静止风型区的静稳偏西风区 以傣族的传统民居 竹楼为代表 其特征是尽可能多地将建筑物自身以及室内环境暴露于风中以 获得舒适 o 傣族聚居地位于准静止风型区的静稳偏西风区 湿热且风速小 不但给e l 1 6 一 常生活带来诸多不变 而且影响人体健康 因此傣家竹楼的防护 措施是底层架空 以 利隔湿和通风 楼板 的孔隙构造使地板上 下通透 利于通风排 湿 腰檐上端与大层 顶之间留出较大空隙 不设门窗 以利 穿 天井型 天井型民居主要存在于南季变区以及主导风向区的西南区 这些地区的风 特征是气温较高 风影响明显 因此夏天导入凉风 冬天抵御寒风以及建筑物 舂秋季的通风要求形成了特殊的建筑风环境模式 天井型民居的典型代表是皖 南民居 云南搿一颗印 民居 部分江浙民居等 其主要特征是以天井作为建 筑风环境的构成中心 o 一1 7 由于天井型民居所在地 区气温和风向变化明显 因 此既不可能过份通透也不可 份封闭 只能采取设置天井 的方法创造合适的建筑风环 境 天井是指由建筑围合成 的进深短浅而高度较大的室 外空间 因此天井只有通风 作用而无纳阳功能 o 当风吹过建筑顶部时 较少 直接进入天井内部 由于天 井顶部风速较大 风压较低 因此根据空气由高压流向低 压的原理 天井内形成由底 都流向顶部的空气流 因此 造成天井底部气压降低 由 此又引起室内空气向天井的 流动以及基于同一原理的室 外空气向室内的流动 从而 达到通风而不透风的效果o 三 庭院型 庭院型民居主要位于北 季变风向区和主导风向区的 温带地区 此类民居以争取 日照 抵御寒风为主要目的 其典型代表是北京地区四合 院民居 东北民居和青藏高 原平顶建筑等 图7 z l z z o 庭院型民居以房屋的全封闭 为主要特征 庭院的功能是 以建筑或院墙抵御寒风 造 就一个纳阳空问 或仪以围 墙或篱笆的围合限定一半公 共空间 z z j o 嬉一 一1 8 一 四 井院型 井院型民居是指介于庭院型和天井型之间的民居类型 主要分布于南季变 区及北季变区与之接壤的广大地域 包括苏北 皖北等地区 o 由于所 处地域的气候条件特殊性 其建筑构造风环境的要求也介于天井型民居和庭院 型民居之间 井院型民居的建筑风环境构成中心是一尺度介乎天井和庭院之间 的内院 可称之井院 井院既要满足纳阳要求 也须有通风要求 避免由于尺 寸过大引起的寒风侵入 井院型民居通常在 南北轴线上由南至北放 置较矮的次要建筑 井 院 较高的主建筑 o 这样 其中的 井院在顶部的风吹过时 可利用空气压差形成空 气流动 同时北面高大 的建筑有利于挡住北来 寒风 而南面低矮建筑 则可使夏季凉风顺势导 入 井院型民居的布局在形式上最接近风水术中所述 负阴抱阳 之势 合理 的主次建筑高度和距离的控制创造了合理的风环境模式 因此分布很广 从以上对中国传统民居从建筑风环境模式角度的研究中 我们可以发现 天井型和井院型民居由于地处夏季湿热而冬季湿寒的地域 因此建筑风环境模 式更为巧妙 更富启发性 天井和井院的没置以及建筑物高度的控制是构造合 理建筑风环境模式的关键 通过研究 我们更加确信 民居形成的自然条件是多样的 只有对自然条 一 9 一 件一包括阳光 空气和水的统一考虑才形成了如此丰富多彩的民居形态和风环 境模式o 4 古罗马建筑的风环境初探 关于古罗马建筑风环境的研究源于建筑学经典一维特鲁威的 建筑十书 o 此书成书於公元前后 不仅是全世界保留至今唯一最完备的西方古典建筑典籍 而且对后世的建筑科学有重要的参考价值 作者维特鲁威的主导思想受到当时 的唯物主义哲学和自然科学的影响 强调理论结合实际 主张全面地考虑问题 根据维特鲁威的叙述 古罗马人已开始了对风的气候学和生理学研究 根 据精确的方位确定 各方向的风已被赋于确定的名称 并且根据不同生理学结 果而给予区别的对待 o 拥有了气候学和生理学的基础 古罗马人 开始考虑风环境问题 古罗马包括今意大利半岛 西西里岛 希 腊半岛 小亚细亚 非洲北部 西亚洲西部和 西班牙 法国 英国 围绕地中海成一环状地 带 重要城市围绕地中海沿岸布局 属典型的 地中海气候 夏季由副热带高压控制 干热少 风 冬季由西风急流带控制 暖湿多风 风对 于古罗马城市结构的形成有重要影响 维特鲁 威写道 在这座城市里 当南风吹来时人们 就要患病 在西北风时要咳嗽 在北风时虽然 恢复了健康状态 可是由于严寒而不能停留在 删2 2 6 l 罗 h x t 幽 大街小巷 o 针对这种风特征 维特鲁威建议 在周围筑起城墙 接着 便在城里划分建筑用地 按照天空的各个方向 注 即风的方向 定出大街小巷 如果审慎地由小巷挡风 那就会是正确的设计o 按照维特鲁威的理论 城市 结构应按避免风的直接贯穿的方法去形成 而无须考虑因街道遮挡而造成的空 气污染 这种做法在当时无疑是可行的 因为当时的城市是低密度和零污染的 而现代城市则完全不同 此外 风对于古罗马民居的形态亦有较大影响 例如古城庞培中的若干大 型府邸 如维蒂府邸 潘萨府邸和银婚府邸 都可归结为典型的天 井式住宅 天井地面的水池加速了住宅内部自然通风 这一点相对于中国天井 型民居的不同可归结于当地夏季的干热气候 一2 0 一 风 作为一种古老的自然环境要素 在人类建构活动发展的每一阶段都发 生着巨大作用 认真考察历史上人类建构活动中形成的建筑风环境模式 不但 可以重颏认识建筑风环境的意义 而且可以从中吸取有益的经验 这些经验在 过去的几千年中屡试不爽 成为我们的研究目标 由于资料有限 我们无法对 每一地域 每一时期的建筑 尤其是民居 风环境作详尽的研究 但已取得的知 识将有助于对现代建筑风环境的理解和研究工作口 2 1 第三章建筑风环境的现代性研究 第一节建筑风环境与城市气候学 一 都市发展与城市气候学 自从古代的城市发展后 人们就开始注意到城市的大气环境已不同于乡村 关于城市大气环境的书面记载 始见于古罗马时代 随着城市的迸一步发展 使城市大气环境发生了明显变化 十九世纪初 欧洲人开始系统研究这一问题o l8 l8 年第一部系统解释城市气候的著作 伦敦气候 出版 作者是气象学家和 化学家l a k eh o w ar d o 其后一百七十余年来 城市气候学作为一门专门学科得 到了很大的发展 尤其是第二次世界大战后 城市规模扩大 工业发展 城市 大气环境的改变更加显著 而且给城市中的居民生活带来了较大影响 现代城市气候学是目前气象科学中发展最快的学科之一 通过对城市大气 层中的辐射 气温 风 温度 雾 露 云 降水等气候特征的观测与研究 不仅论证了人类生活如何影响气候 而且对城市天气预报 城市环境保护 城 市卫生及城市建设等有实际应用的价值 二 城市气候与城市风场 城市气候是在区域气候的背景上受城市这一特殊下垫面的影响所产生的局 地气候 包括三个层次的小气候 城市边界层 城市覆盖层 城市尾羽 层 图j 1 o 其中对于建筑 风环境研究而 言 最重要的百 最重妥困 研究对象是城 市覆盖层小气 候 城市覆盖 层是指城市建 筑高度直至地 面的大气层 一2 2 由于城市发展 直接影响城市覆盖层小气候的城市下垫面 与原有的自然 环境相比 发生了根本性的变化 陶瓦 金属板 玻璃 砖石 混凝土 沥青 等坚硬密实 干燥而不透水的建筑材料代替了原来疏松的 覆盖着植物的土壤 高耸入云的高楼大厦和四通八达的大小道路 使城市地形起伏复杂 在城市化 地区 下垫面是城市气候形成的重要因素 它与城市覆盖层的大气之间进行着 复杂的物质和能量交换 因此 对空气的温度 湿度 流动速度 流动方向都 有很大的影响 城市风场是指受城市下垫面影响而形成的风的流动特征 是城 市气候的重要组成部分 与郊区风场相比 城市风场有两个特点 1 城市平均风速小 由于城市下垫面的粗糙度比较大 因此平均风速要比郊区小 图j z o 德 国城市气候学者克拉特采尔 kr a t z er 曾搜集洛杉矾与其郊区圣季耶尤 底特 律与其郊区休伦湖两组长期观测所得的风速资料进行对比 指出 随着城市的 发展 其年平均风速递减较快 而郊区的风速则未有改变 图j 一 o z 城市风场的局地差异 城市下垫面不但使平均风速减小 但更重要的是使风场的结构 包括风 的方向和速度都发生变化 产生局地差异 产生这种局地差异的原因是很多的 其中包括城市的热力局地差异 植被覆盏局地差异以及建筑布局的局地差异等 等o 2 3 兰 城市风场形成的自然因素 城市风场的形成过程是 个人工因素对自然因素的影响过程 人工因素是 指城市下垫面的各种构筑物 植被 以及种热力因素 自然因素主要指城市大 气层的大气环流 这种大气环流包括两个方面 1 季节风环流 季节风环流是指地球尺度上 因动力和热力原因引起的 按季节变化或全 季度保持的大尺度风场 可以从城市的盛行风向的风玫瑰图中获得本地季节风 环流的特征信息 季节风环流是考察城市风场的一个重要特征o z 局地风环流 局地风环流是指由于城市所处的地形地貌等局地热力条件所引起的大气环 流 局地风与季节风的不同之处 是季节风以季节或年作为变化的衡量单位 而局地风则是以日作为变化的衡量单位 局地风包括山谷风和水陆风 是以一 目为周期变化的风向 此外还包括风向不变的热岛风 局地风环流是考察城市风场的主要特征 对建筑风环境来说 局地条件造 成的支配大气流动的特殊因素往往比地球尺度上的动力和热力因素来说会引起 更多的问题 风的变化叠加在大 小尺度的各种形式的季节风上 会使季节风 发生较大改变 从而可能成为控制城市风场特征的一个主要因素o 山谷风 山谷风是由山谷地形 所造成的大气流动 白天 太阳辐射使山坡的地表空 气上升 因此空气将在山 谷中沿谷轴向上流动 形 成了谷风 在沿谷轴流动 的谷风发生的同时 还伴 有上坡风出现 这是因为 山谷的斜坡比谷底增热更 多的缘故造成的 图 4 5 o 夜晚 风向正好相反o 2 4 水陆风 水陆风是出现在滨水区域 因水陆热力状况差异而引起的大气流动 由于 水体的蓄热能力较强而岩石和土壤的蓄热铝力较差 因此在太阳辐射之下 水 体增热较慢丽岩石较快 因此陆地上空的空气受热上升形成低压区 使水体上 空的空气流回补偿 因此形成了近地层由水面吹向岸边的风 图3 6 在夜间 则风向相反 这种水陆风的典型风速为4 7 m s 但当低层大气有显著的逆温 层使空气收缩并加速流动时 则会发生较大的风速o 热岛风 热岛是指城市大气 层气温高于郊区的一种 现象 城市大气层由于z 城市中各种热源的影响 产生了气温由市郊向市 中心逐步递增的现象 使高温空气呈圆屋顶状 笼罩在城市上空 仿佛 是较冷大气层中的一个 弧岛 因此称为 热岛一 城市热岛的存在 早 在十九世纪就有记载o 一l 一一 叠骁曩 一风 鬻荔辍霸妻 潲3 7 热岛风之形成 但是随着现代城市迅速发展 热源增多 城市大气内外温差加大 并且对城市 气候产生较大影响 因此热岛现象开始引起广泛重视并被系统研究 热岛的热力状况 引起了热岛风 由于市区温度较高 所以市区大气层空 2 5 气呈上升趋势 因此在 近地层形成由城郊吹往 市区的气流 图j 一7 8 o 热岛风相对其他局地风 来说对城市风场的影响 较小 因为热岛本身存 在的基础是城市大气层 的稳定态 若风速较大 则会破坏热岛而使热岛 风无法存在 四 城市风场与建筑风环境构成 城市风场是一个表示城市范围内风运动状况的概念 建筑是构成城市的基 本单元 自然风以城市风场的形式与建筑发生作用 从而构成建筑风环境 因 此 建筑风环境研究首先的着眼点是城市风场 只有首先把握城市风场的特征 综合分析城市风场的变化情况 才能在分析建筑的几何要素的基础上真实地把 握建筑的风环境 城市风场对于建筑风环境的影响主要表现在两个方面 这两个方面与城市 风场的特点 即平均风速小和明显的局地差异有直接的关系 1 大气污染问题 城市污染问题是城市化过程中出现的一个重要问题 与建筑风环境问题有 关的城市污染主要是指大气枵染 大量的观测实验结果表明 在人口密集 工商业繁荣的城r 仃中 其空气组 成成份与广阔的原野不同 图5 9 a 共中增加了多种有害成份 对城市居民的 健康 动植物的生存以及各种设备正常使用形成了一定的威胁 图5 9 b c o 这种污染称之为大气污染 大气中的有害成份称为 污染质 大致可以分为 粒状 固体及液体 和气体两类 一2 6 图3 9 a 我国三十个城市大气几种污染物日平均浓度 污染 物 清洁对照区居民区商业交通区工业区 一氧化碳 1 1 5 2 3 02 1 0 5 9 02 5 0 一l2 2 0 1 1 0 5 3 0 毫克 米3 日 二氧化硫 0 0 i 一0 3 l0 0 t i 830 0 3 0 5 40 0 2 一1 52 毫克 米3 日 二氧化氮 0 0 i 一0 0 30 02 0 0 80 0 4 0 1 00 0 2 0 0 9 毫克 米3 日 苯并并 0 o l 一2 4 40 1 3 7 5 6 0 4 3 2 4 0 o 14 3 5 7 微克 米3 日 飘尘 0 0 6 2 1 10 0 8 2 6 0 0 2 0 8 3 00 0 4 3 7 0 毫克 米3 日 沉降尘 3 2 2 8 0l o 3 96 9 l3 5 2 5 571 3 1 一l82 2 吨 公里2 月 图3 9 b 污染标准指标与人体健康 污染2 4 小时 8 小时l 小时 质量估价对人体鲢康影响 指标 t s p s 0 2 c o 0 3n 0 2 标准限 2 6 03 6 510i6 01 6 0对老人和病人有致命的影响 需警惕 3 7 580 0l74 0 0ll3 0 有危险的 需发警告 82 51 6 0 03 48 0 02 2 6 0对健康有害的 紧急状态 8 7 52 1 0 0 4 51 0 0 03 0 0 0 对链康非常有害 重大的危险1 0 0 02 62 0 5 7 5l2 0 03 7 5 0不能忍受的 表中浓度单位除c 0 为m g l m 3 外 其余皆为 9 1 1 3 t s p 指浮悬在大气中的颗粒状物质 图3 9 c 大气污染对金属的腐蚀 不同金属的腐蚀程度 微米 年 铁锌铝铜镍镁 农村 4 6 0i 一3 51 4i 91 1 城 市3 0 一t 0 2 8 6 02 02 92 5l3 2 0 工业区 1 0 一l6 03 8 一l9 03 74 05 8 2 7 城市风场中较低的平均风速 使城市大气中的污染物难以排除 建筑室外 环境设计应避免形成无法进行必要通风的空间 以防成为污染物的停留区 造 成局部污染程度提高o z 都市风问题 都市风问题是与大气污染问题相对的一个问题 都市风是指城市风场中被 加大 以至可能对人体造成不适甚至危险的风的流动 都市风的形成 与城市 风场局地差异有密切关系 城市中复杂的建筑布局 形成了城市的街道 广场 和街区 其几何形状对大气流动发生动力作用 使有些地段风流速减小甚至停 滞 而有些地段则造成 聚流 现象 使风的流速突然加快 从而对行人等产 生不良影响 例如巨风击例行人或风速过大从而使室外休息场所无法充分利用 等等问题 所谓良好的建筑风环境 包括两个方面 一是具有良好的通风性能 使室 外环境能够避免城市大气污染的侵害 二是不受 都市风 的影响 两者缺一 不可 在城市风场一定的情况下 对建筑和建筑组群进行合理布局和必要的风环 境处理 从而创造良好的建筑风环境 是建筑师的职责 风环境在概念上的重 要性应不低于对阳光和水体的考虑 第二节建筑风环境与空气动力学 一 建筑空气动力学发展 风 是一种极为平常的自然现象 在古代 人们用宿命论的态度来对待风 的存在 但从现代科学的角度来解释 风是大气层中空气发生流动的现象 由 于实际工程的需要 空气动力学作为一门学科 从二十世纪初开始 逐渐从更 为古老的流体力学中发展出来 并以风工程 工业空气动力学 的方式开始应用 于各种工程技术领域 由于风工程学科非常明显的实际应用背景 除了基本的 基础研究外 结合工程实际还在各门应用领域形成了较为系统的学科分支 如 建筑空气动力学 车船空气动力学 桥梁空气动力学等等 建筑空气动力学便 是一门专门研究建筑风效应的分支学科 建筑空气动力学从研究对象来看 是一门钝体低速空气动力学 所谓钝体 是相对流线型体而言 建筑空气动力学研究风 低速流体在绕过建筑 钝 体时发生的变化 这种绕钝体流动可归结为三大基本特征 即大范围的流体分 一2 8 离 特别在物体前缘 宽阔的尾流区和常伴有旋涡现象 作为一门工程学科 建筑空气动力学在近三十年中得到了很大发展 但是 从目前国内外的研究成果来看 建筑空气动力学的研究内容主要局限于风的建 筑结构荷载效应 关于风的建筑环境效应的专门研究尚未被充分重视 因此从 现有的研究成果中提炼相关内容供建筑风环境研究十分必要 二 建筑空气动力学的风特征 1 风的性质 自然风 是大气边界层气流 从大气层的尺度来观察 风具有一定的湍流 度 所谓湍流 是相对平稳气流而言 指流体流动过程中 存在不规则横向流 动 使得流体中相邻的流体层不再保持分层流动 而发生强烈的混合现象 湍 流的存在 使对空气流动的整体性精确把握变得困难 但在建筑单体和组群的 尺度内 我们可以认为空气的流动是平稳气流为主 再加上一定的湍流度的影 响 根据以上认定 在 同一水平面中 自然风 的分布是均匀的 在同 一竖直面中 风速随高 度变化 即风速变化具 有一定的梯度 愈靠近 地面者 由于受地面影 响较大而速度较小 愈 远离地面则风速愈大 图j 一 o o 6 0 0 郊区 郊外 5 0 0 遗4 0 0 1 一 艇3 0 c 妊 i 0 2 0 0 1 0 0 一 n 0 sl oo5 1 0 0弓一1 o 风速 米 秒 列3 1 0 缸内外的风速变化 z 风的运动原则 风具有扰动的特性 图j 1 1 扰动是指流体运动过程中 由于流 体层受到外来干扰 使各相邻流体层发 生速度和方向的变化 而且这种变化的 程度是由近及远逐渐减小的现象 风是粘性流体 图j lz 在粘性力作用下 风在流动过程中 遇到障碍物后 发生了流体分离 分成 一2 9 一 l 丝竺塑塑堡塑塑翌筵丝堡塑坚丝旦壁 两个区域 一是分离区 由于有大量的 旋涡存在 亦可称为旋涡区 旋涡区的 风速一般较小 另一个区域是惯性力起 主要作用的主流区 由于惯性力作用 这部分空气流的方向和速度受建筑平面 形状及大小的影响而发生了有规则的改 变o 障碍物的不同平面形式 对风的 绕流方式有较大影响 流线形截面的障 碍易于被风绕过 风动能损失较少 而 折线形或有尖角平面的障碍物则相反 形成较大旋涡区 图j lj o j 文丘里现象 图j i4 文丘里现象是指 流体在通过缩小或放 大的洞孔时 其速度发生变化 且与其通过 的洞孑l 面积成反比 即s t v s 2 v zo 文丘里 定律可以应用于风的主流区 借助於文丘里 现象 可以对风速的变化作粗略估算 对建 筑风环境的模式研究是一个比较重要的依据o 注 g 文丘里是十九世纪意大利物理 学家 这种现象由他首先发现并记录下来 因此以其名命名 o 一3 0 三 建筑空气动力学的风效应 1 尖角效应 图3 一l5 尖角效应是指风在流经建筑物的尖角或 拐角时 发生流体分离产生尖角旋涡区的状 态 发生流体分离后 风分为两部分 一部 分是依附在建筑侧面表层的旋涡区 风的流 速较慢 另一部分则离开建筑向前流动形成 主流区 流线清晰 根据扰动的原则 愈靠 近扰动源 尖角的流线更密 流速愈大 在一定的自然风湍流度的影响下 尖角旋涡 区沿流动方向会逐渐渐小 甚至消失 即主 流附体 使风的通道增大 因此根据文丘 里现象我们可以得知 靠近洞口处的风速要 大于风道中间的风速o z 兜风效应 图j l6 兜风效应是指大量的风在流动过程中 在地形的阻挡及引导下 使气流更加集中地 进入通道从而使通道处风速加大 城市中的 兜风效应几乎随处可见 不合理的建筑布局 尤其是在主导风向的垂直面布置的板状高层 会使其之间的通道空间的风速加强o j 回风效应 图 一l7 回风效应是指高层建筑在对风的流动发 生阻挡时 将较高处的一部分风挡回地面处 而形成方向相反且具有较高风速的回风 造 成这种捌象的原因是高层建筑上部的风速大 于下部风速 回风效应可以用来解释高层建 筑底部室外空间的风环境特征 一3 l 一 4 抬升效应 图5 一l8 抬升效应是指风进入通道后 由于 地面和两侧壁的阻挡 使气流在流动过 程中发生了一定的抬升现象 这种效应 造成通道中沿风流动方向的风速逐渐降 低o 5 遮蔽效应 图j l9 遮蔽效应是指建筑物对其下风向一 定范围内的区域起风的遮蔽作用 亦称 风影效应 这种现象是由风的流 体分离作用所形成的 风的遮蔽 区内空气以旋涡形式存在 流速 较小 风的遮蔽区后方风速逐渐 增加以至最终完全恢复正常流速 图3 z o o 冈3 1 9 遮献效应 j 札影效应 一3 2 第四章建筑风环境模式的建立 第一节建筑风环境模式与建筑空间模式 自古以来 建筑空间模式就存在并时刻发生其作用 在同一地域 按照相 同或相近的功能要求而构筑的建筑空间往往参照同一空间模式 从空间模式出 发的设计 可以使设计者 创造者从最佳的起点开始工作 从本论文第二章的 记述中我们可以注意到 传统的建筑空间模式包含着丰富的自然环境的精神 人们建造建筑物 不但考虑到使用功能 而且比较尊重自然界的存在 以创造 合乎自然规律的构筑物从而获得人与自然的合谐统一 因此 建筑空间模式本 身就包含了风环境的因素 与此相辅相承 建筑空间模式又是建立建筑风环境 模式的基础 同时 建筑风环境模式的建立过程 也是一个对建筑空间模式再 认识的过程 随着社会文明程度的提高 社会活动的复杂程度也相应提高 社会分工明 确 同时 建筑空间的创造过程逐渐发生着变化 首先 这种创造活动的操纵 权已从使用者手中 移交到业主和设计师手中 使用者与创造者分离 其次 城市商业活动所特有的经济投机性使建筑空间的创造动机发生了变化 一些因 素被重视了 而另一些基本因素则被忽视了 经济的繁荣更刺激了这种情形的 存在 商业竞争激发了对黄金地段的争夺 由此引发地价上涨和拥有者对经济 价值实现的渴望 一位从自我的商业价值为出发点的业主 只能考虑到建筑物 的经济指标和建筑形象带来的商业价值 而极少考虑对环境的影响和带来的社 会价值 如果建筑师也只关注于这一表现主题的实现而无视使用者的利益 则 只能创造以价格为衡量单位的建筑空间 这种弊端正是源于对建筑空间模式的 不全面理解 传统民居空间的风环境模式表现了前人对风环境模式的理解及应用 而今 我们研究建