气候学视角下建筑设计的本质探索

气候学视角下建筑设计的本质探索

从气候学的角度来看，对建筑设计的研究实际上是对建筑本质的研究。因为建筑和气候是不同的。自古以来，人们就“挖井、建井、建木”。为了适应气候的变化，他创造了一个场所，可以避免人为降雨。由于世界上多样性的气候，形成了今天丰富多彩的建筑形式。因此,建筑从其本质上就是人类适应气候环境条件的自然产物,是共融于自然环境的.但是,随着社会的发展,现代化水平的提高,在现代建筑设计中逐渐淡化了对建筑本质的把握,忽视了对气候条件的适应.而是更多的依靠空调等机械手段来改变环境,这种忽视气候因素的设计方法,一定程度上也是促成当今建筑形象单调的重要原因.另外也会造成资源和能源的浪费.其结果必然会危及到自然生态环境的平衡.所以,在当今资源匮乏、能源危机、人类生存环境日益恶化的时代,真正从建筑的本质出发,充分考虑气候环境因素来进行建筑设计,这对于节约能源,维护自然生态环境,丰富建筑的形式特征,创造宜人的舒适环境等方面都具有深远的意义.1.微气候建筑是重要的建筑研究微气候建筑设计是指在大范围的气候条件(如区域性气候)影响下,针对建筑自身所处的具体的环境气候特征,在建筑设计中对其气候因素加以充分利用和改善,以创造能充分满足人们舒适条件的室内外环境的建筑设计.它与通常所讲的地域性建筑研究还有一定的差异:一方面表现在两者研究的范围不同(见表1).地域性建筑研究侧重于较大的空间区域,可以是寒冷地区、高原地区、华北地区等.主要是因为这一空间区域内有着类似的气候或环境条件.而微气候建筑设计是针对具体的单一建筑而言,它主要考虑单一建筑周边小范围的空间的气候特征,并对它加以利用和改善.像建筑物不同朝向的气候因素差异,墙和树木对风型的影响等都属于微气候的范畴.例如,四合院建筑的研究属于区域性建筑研究的范畴,因为四合院建筑形式是适应华北地区冬冷夏热,多风沙,干燥等气候因素而形成的.而在具体的不同四合院建筑设计中,有的设计进一步在庭院中打一口井,在周边和院中植树,更好地改变了干燥,风沙大,夏热等气候的不利因素.创造出了一个更为舒适宜人的微气候环境.这一设计就属于微气候建筑研究的范畴;另一方面两者的差异还表现在根据气候条件而进行的建筑设计的层次深度不同.地域性建筑研究侧重于建筑整体范畴上对区域气候条件的适应的设计.总结出这一区域建筑的总体形式特征.这对于整个区域的建筑设计具有普遍实用性.微气候建筑设计虽然侧重于具体的建筑单体的设计,但它扩大了通常所指的单体设计的范畴.因为微气候建筑设计中通过创造建筑外部环境条件以改变建筑内部微气候环境的设计也应属于建筑单体本身的设计.当然它还要考虑单体设计中空间、结构、构造和材料等方面的设计,以利用和改善相应的微气候条件,创造新的宜人的微气候环境.因此,微气候的研究对于具体的建筑设计有着更为直接的影响.2微气候空间设计的方法人类建筑历经几千年的发展,在适应不同气候条件进行微气候建筑设计过程中积累了丰富的方法和经验.近年来,随着科技的发展,众多的新技术、新材料、新方法也都不断应用到微气候建筑设计的实践中.极大地丰富了微气候建筑设计的方法.这些方法归纳起来主要体现在以下两个方面.2.1建筑外部微气候环境的营造微气候建筑的整体及外环境设计的特点也主要体现在对气候环境因素的着重考虑上.通过选址、规划、外环境和体型朝向等设计,首先使建筑获得一良好的外部微气候环境.2.1.1建筑微气候环境的确定中国历来在建筑设计中就特别讲求建筑选址的重要.象古代风水术中讲求的理想的建筑位址:“左右有山辅弼,前有环水,后有镇山”的环境.从现代生态环境科学角度看,这里的微气候环境在温度、湿度等方面的指标特别宜于人的生存.因此我国居落建筑及寺院皇家建筑等在建造时都首先考虑选择类似的位置.位址的选择主要根据当地的气候,土质,水质,地形条件及周围环境条件等因素的综合状况来确定.这些因素综合状况的优劣也决定了这一位址的微气候环境是否适宜.在现代建筑设计中,还要综合考虑整体的生态环境因素.既要使建筑完成前微气候环境适宜,还要在建筑整个生命周期中保持适宜的微气候环境,不破坏整体生态环境的平衡.2.1.2地遮沙,净化空气在建筑位址确定之后,应研究所建位址的既有微气候特征,根据建筑功能的需求,首先通过进行合理的外部环境设计来改善既有的微气候环境.主要方法有以下二种.一是在建筑周围布置树木、植被.这种方法能有效地遮挡风沙,净化空气;而且还能对建筑起到遮阳、降噪的效果.据检测:在华北地区,在建筑周围有绿地的情况下,一般可降低风速20%～30%,减少水分蒸发16%,提高空气湿度6.9%～9.2%.由此可见,植被对于改善微气候环境条件有着极为重要的作用.二是创造人工自然条件.象四合院中打井,以及在建筑附近设置水面,都是利用水来起到平衡环境温度、防风沙及收集雨水等作用.在英国的Baclaycard总部大楼的设计就是在建筑的北侧开挖了一大面积的人工湖.在夏季,还利用人工湖水设计了一套室内循环系统,来降低室内温度(如图1).另外,还可以在建筑周围设围墙、假山等来遮挡风沙,改善微气候条件.2.1.3建筑布局和体型设计对建筑的体型以及建筑形体组合进行合理的设计能有效的适应恶劣的微气候环境.像草原建筑蒙古包的圆型平面,圆锥形屋顶能有效的适应草原的恶劣气候,起到了减少建筑的散热面积,抵抗草原风沙的效果.近年来新建成的香港欣怡花园的建筑设计中考虑了当地的沿海的气候条件.在规划和体型设计上都很有特色.建筑在设计时为了适应当地湿热的微气候环境,力求引入自然通风.因此在建筑规划布局上将建筑单元组合成三个庭院(如图2),并且三个庭院正反向背,使建筑的向阳面和背阴面形成不同的气压,即使在无风的条件下也能产生通风.而且整个建筑在体型设计上将建筑联排高层中部洞开一面,形成大的风洞,使自然风能在其中回旋,得到极好的通风效果(如图3).合理的建筑规划和体型设计还包括对建筑整体体量的确定(建筑体量的高度,宽度的差异会对风影效应产生很大的影响等);还有对建筑日照及朝向的确定(建筑的不同朝向会对建筑的内部采光得热产生很大的影响).2.2建筑结构构造设计工艺这一部分是有效地利用和改善微气候环境的关键部分.在建筑的位址,体型体量,朝向等方面确定以后,已基本确定了建筑自身所处的外部微气候环境.因此,在进行建筑的本体设计时,就主要通过对建筑各部位的结构构造设计;建筑内部空间的合理分隔设计;以及一些新型建筑材料和设备的设计与选择等来更好的利用既有的建筑外部微气候环境条件,以达到改善建筑室内微气候环境的效果.2.2.1高度特殊的设计建筑各部位的构造设计主要是在满足其作为建筑的基本组成部分的要求之外,通过对其各部位(屋顶、楼板、墙体、门窗等)的造型、结构、材料等方面加以进一步的设计,以充分利用外部微气候环境条件,来改善室内微气候环境.这一部分主要体现在以下四个方面.一是屋顶的设计.屋顶在建筑中的作用除了它作为建筑围护结构的一部分外,主要还表现在它对风、降水、日照等气候因素的影响作用上.屋顶的设计主要通过其造型、构造和材料选择设计达到利用改善微气候条件的效果,在香港欣怡花园建筑的屋顶设计中,就采用了巨大的反弧形屋盖造型,出挑深远,有利于遮阳与通风.另外它还在屋顶安装平板式太阳能集热器,为建筑提供能源.在另一例东京港北“NT”大厦的设计中,其中庭屋顶就采用了类似中国古建卷棚屋顶的曲面造型.其构造是精心设计的双层玻璃的“呼吸外壁”,能充分利用自然采光,而且能导入自然通风,最大限度的降低环境气候因素的不良影响(图4).二是楼板层设计.楼板层主要是利用其结构中空空间,以及对楼板吊顶造型加以设计.例如,在英国某大楼的楼板处理中,将循环水管布置在其中(图5).在夏季,可以利用冷水循环来降低室内温度;冬季还可利用热水循环取暖.在上例东京港北“NT”大楼的设计中则将楼层吊顶设计成了折线形式.使得即使在阴天,室外照度为1500lx时,中央办公桌面自然采光照度也能达到3000lx.能取得良好的采光效果.三是建筑外围墙体设计.墙体的设计除了适应气候条件做好保温、防潮、隔热等措施以外,还应体现在能够改善微气候环境条件的特殊构造设计上.像寒冷地区的夹心墙体设计;被动式太阳房中的各种蓄热墙体(如水墙)设计;还有在中东巴格达地区为了适应当地干热气候条件在墙体中的“风口”设计等.而在马来西亚杨经文设计的槟榔屿州MenaraUmno大厦外墙中,则外加了一种“捕风墙”的特殊构造设计.它在建筑两侧设阳台开口,开口两侧外墙上布置两片挡风墙,使两道风墙形成喇叭状的口袋,将风捕捉到阳台内,然后通过阳台门的开口大小控制进风量,形成“空气锁”,可以有效地控制室内的通风.四是建筑门窗的设计.门窗在改变建筑室内微气候环境中起着重要的作用,主要由它来调节建筑室内的通风、采光及空气质量等.在香港欣怡花园的例子中,其建筑外窗的设计就很有特点.它将外窗、遮阳板、立面绿化综合到一起,形成一体化的“环境过滤器”,产生良好的降温、降噪、遮阳、美化的效果.在德国科学园大楼的设计中,在建筑北侧设计了一个通常的倾斜的大玻璃窗,形成一整体的室内中庭.可以通过控制其下部窗的开合程度,来适应不同季节的气候变化.在冬季,将窗完全关闭,可使中庭形成大的太阳房,利用太阳能采暖.在夏季,将窗完全打开,形成良好的通风效果(图6).2.2.2墙体保温、防水材料.建筑材料的选择应遵循健康、高效、经济、节能的原则.随着科技的发展,大量的新型高效的材料不断被研制并应用到建筑设计中去,能更有效地利用和改善微气候条件.像新型保温材料、防水材料在墙体屋顶中应用,达到更好的保温防潮效果;新型透光隔热玻璃材料在门窗中应用,起到更好的透光隔热效果.在东京的港北“NT”大楼中庭屋顶设计中应应用了一种隔热效率高而且特殊透明的Low-ξ玻璃,而且其中还复合了铝材遮阳板,仅使用一种材料便综合起了采光、隔热、遮阳的作用.2.2.3竖向分隔.作为各类微气候环境的因素合理的空间设计应在充分满足建筑功能要求的前提下,对建筑空间进行合理分隔(包括平面分隔和竖向分隔).以改善室内保温、通风、采光等微气候条件.在平面设计中,不同室内分隔会对室内微气候环境产生相当大的影响(图7).例如,在北方寒冷地区的住宅设计中,就经常将使用频率较少的房间,如厨房、餐厅、次卧室等房间布置在北侧,形成对北侧寒冷空气的“温度阻尼区”.以保证使用频率较多的房间,如起居厅,主卧室等房间的舒适温度.在印度柯里亚的管式住宅及干城章嘉公寓楼的设计中,就通过空间的竖向分隔,起到了极佳的通风降温的效果.3微气候建筑的发展建议由于气候环境的多样性,人们在适应不同的气候环境过程中,形成了丰富多样的建筑形式.我国各地多彩多姿的传统民居形式,四合院,吊脚楼,傣家竹楼,一颗印等.都凝聚着劳动人民适应气候特征创造的丰富的经验和做法.在当今的建筑设计中,应充分吸收借