1、与城市环境和谐发展的高层建筑生态设计分析探讨摘 要：本文结合笔者多年建筑设计实践及生态建筑设计及其理论研究，探讨现代城市良好居住环境的宏观控制策略，并从高层建筑的规划与建筑生态设计的角度，着重对城市高层建筑营运系统及室内环境二方面进行了详细阐述，以期实现未来城市可持续发展目标。 关键词：高层建筑； 城市环境； 生态设计； 营运系统；宏观控制 中图分类号：TU2 文献标识码： A 高层建筑是当今所有主要城市普遍存在的建筑形式。其布局应有一个总体战略规划做指导。战略规划能够为发展规模提供依据，它限制发展范围，并且保证新建筑物及其组成部分能与周围土地利用和运行系统广泛协调。 1. 现代城市生态环境宏
2、观控制策略 对于现代城市良好居住环境而言，最直接有效的宏观控制方法应从以下二方面进行： 1.1 有效的利用土地 在高层建筑的功能布局中，强调土地的综合利用尤为重要。亦即在建筑功能布局时，把工作、居住、交通和其他服务设施结合起来综合考虑，使人们能够就近入学、就近工作、就近享用各种服务设施，缩短人们的出行距离，减少能耗。 1.2 合适的密度 建设生态化城市人居环境，需要在满足人们适度舒适的前提下，适当提高人口密度，以达到节约能源的目的。与此同时，亦有助于城市中心的复兴，提高城市中心的活力。但是另一方面，又要避免局部地区过分密集，高层建筑对城市的许多负面影响大多是由于高层建筑的过分密集造成的。 2.
3、 高层建筑营运系统的生态性设计 高层建筑营运期间所消耗的能源在整个生命周期中占有很高比例。因此设计目标应该是选择一种建筑形式和营运系统。可以尽可能的利用自然采光和通风，以减少高层建筑营运期间所需的能源。以下是一些用于绿色生态高层建筑中被动模式营运系统最大化的生态设计策略。如果达不到理想的效果，可以通过主动系统或混合模式系统的辅助来加以补充。 2.1 建筑平面与体型系数 设计须根据基址周边环境能量和当地气象特征来设计高层建筑的形状以获得最佳能量。减少采暖能量的需求并不仅仅是建筑朝向问题，也受到建筑平面形式和体型系数的影响。建筑体形系数 S 系指建筑物与室外大气接触的外表面积 F 与其所包围的建筑
4、体积之比（S=F/V） 。资料表明，体型系数每增大 0.01，耗热量指标约增加 2.5%。对于正多面体而言，表面积与体积呈几何基数关系，此时建筑的体积，即空间的量和维持室内气候的能耗之间不是线性关系，而是几何关系，因此建筑在体积扩大时可以只投入较小的能耗增量而获得较多的舒适空间增量，这意味着减少体型系数可以降低舒适空间的平均成本。在常见的平面形式中，圆形平面可以拥有最小的外围面积，其次是方形。 高层建筑体形系数相对于多层建筑来说比较小，并且高层建筑屋面面积相对于外墙面积要小很多。通过控制体型系数往往可以一举三得：节能、节材及提高功能运作效率，通常可以通过以下途径来减小建筑的体型系数：加大建筑进
5、深；规整建筑体型；集中建筑体量。图 2分别表明在每个气候带，最适宜的建筑比率，正立面最好的是南北朝向。研究表明，建筑可取的边长长度，即 X、Y 值最适宜的建筑比率，如图二所示。 建筑服务核的布置决定了平面外围的哪些部分对外开放（例如为了通风和更好的视野） ，合适的位置有利于建筑的热表现。在平衡设计时必须结合其因素考虑太阳光路径和当地的风向（如最佳的视野方向、基址形状和邻近建筑等） 。研究表明，在温带和寒带地区通过双核外形设计，窗户开在南北向，服务核放在东向或西向，可以大大节约空调的能耗。这种方案亦适用于赤道地区的纬度小于 40的地区。这种布置通过“空间隔热”缓冲区，大大减少了进入建筑内部空间的
6、热量，同时也最大限度地防止了建筑内部热量的流失。在各种可能的服务核布置中，双核是最可取的（见图三） 。围服务核的优势在于： a 无消防加压管，降低最初和营运成本； b 使用空间更具有灵活性；c 电梯间自然通风，节能； d 太阳光缓冲效应和风力缓冲效应。 2.2 朝向选择 建筑朝向的被动设计与建筑的平面形态、基址上的位置及对太阳光路径的朝向和当地的风向有关。建筑朝向的决定将影响后续的每个设计决策。在决定如何使基址内的新建筑有利于环境时，必须考虑两个主要的基址因素：当地气候和基址内建筑的环境影响。当地气候的影响可以是正面的或是负面的，建筑朝向可以通过遮阳带植物或渗透性墙体加以缓和。通过仔细研究基本
7、微观气候条件，就可以确定最合适的基址和建筑外形，消除不适合的基址区域（如被污染的和过于遮避的区域） 。 2.3 建筑采光 高层建筑在生态设计中的目标之一是优化日光的使用，减少人工照明的耗能需求。大部分被动日光技术都是控制进入的直射光线，减少其对视觉舒适度的潜在负面影响，如眩光，以及通过减少热量获取来减少建筑制冷的负担。先进的日光采集系统设计有以下方法： 通过将阳光反射至屋顶平面，日光可以到达比那些靠传统窗户或天窗采光更深的工作区域，但不增加窗户附近的日光强度； 通过利用相对小的进光区域有效传统日光，可以不对阳光辐射产生严重的制冷负荷，从而达到节省能耗的目的； 仔细设计阻挡阳光直射的系统，可以减
8、少阳光直射导致的眩光和温度不适。 2.4 自然通风 基址环境一个重要的能源就是风。在最简单的层面上，自然通风确保了新鲜空气进入室内。大型项目可以利用混合模式系统的“烟囱效应“，新鲜空气可以进入到低楼层，在与冰冷的水泥地板相接触后进一步降温。随着空气升温，它也升温并最终在屋顶排出。合理的自然通风设计可以降低成本和节约能量。 2.5 通过利用封闭的中央庭院或中庭引入新鲜空气进入建筑内部并提供“预热” ，这样可以减少能耗。使用这种中庭的设计有利于自然通风，因为中庭的设计将改变进深过深的建筑形式，而在室外立面上开窗，形成良好的的交叉通风。然而，并非所有的建筑都是完全自然通风，实际上冬季应该注意避免过度
9、通风和由于过度新鲜空气降温导致的能量损失。所以，在高层建筑中，混合模式替代通风系统可以作为一种冬季保存能量的方式。 2.6 被动制冷 被动制冷适用于各种简单的制冷技术，使建筑室内温度通过自然能源的使用而降低。这要求最小化建筑的热量获得，减少建筑外层太阳光热量的获得和太阳光通过窗户的渗透，通过自然通风和其他技术来提供舒适环境。适当的应用一些设计元素（例如建筑的布局、朝向、窗户细部、遮阳装置、通风、隔热和外墙的热系数）能够将室内温度达到一个比室外平均温度更舒适的水平。建筑通过利用各种自然散热口，如周围空气、上层空气、水和地层下的土壤，这种被动系统来降温。每种降温资源都有多种使用方法，从而产生各种降
10、温系统。以下是各种被动降温方法： 舒适通风：主要是在白天提供直接通风的舒适感； 夜间通风降温：通过夜间通风降低建筑内部的温度，而在白天关闭建筑，从而降低室内白天的温度； 辐射降温：在夜晚通过屋顶散热，或利用特殊的屋顶散热器，用白天的冷能储藏，将获得的冷能量传送到建筑内部； 直接蒸发降温：机械或非机械蒸发空气降温，而将湿冷的空气引入室内； 间接蒸发降温：通过屋顶的蒸发降温，例如屋顶水池降低室内温度而不增加湿度； 外部空间降温：应用于外部空间的降温技术，如建筑旁的院子。3. 高层建筑室内环境的生态设计 作为建筑重要组成部分的室内环境，它与建筑本身之间、与自然环境之间以及室内诸要素之间都是一种相辅相
11、成的整体关系，不可割裂。生态室内环境设计主要着眼点有两方面：一是提供有益健康的室内环境，并为使用者创造高质量的生活环境；二是保护环境，减少消耗。因此生态室内环境设计应该在节能、环保即低碳方面进行周密的考虑。 高层建筑的室内生态设计同一般建筑相比除了室内热舒适度、室内声环境、室内空气质量等要达到标准以外，可以采用过渡空间与中庭的处理方法作为内外部的过渡空间。这些过渡空间可以保护建筑的“热”边或形成一个重要的景观。不管是布置在建筑中央或是周边，这种多层过渡空间都与传统过渡角色功能相当。这种空间实际上是在半封闭条件下“对外开放的空间” 。 4 结语 综上所述，高层建筑的“生态性”具有实现的意义。对于
12、高层建筑的生态设计，我们应该从城市的宏观层面、建筑本身的营运系统的中观层面、建筑室内环境的微观层面进行综合考虑，使建筑与外界环境统一成为一个有机的、互动的整体，实现建筑与现代城市未来的可持续发展。参考文献： 1 李华东.高技术生态建筑M.天津：天津大学出版社，2002. 2 吕爱民.应变建筑-大陆性气候的生态策略M.上海：同济大学出版社，2003. 3 董位，王建国.可持续发展的城市与建筑设计M.南京，东南大学出版社，1999. 4 绿色建筑.西安建筑科技大学绿色建筑研究中心.北京，中国计划出版社，1999. 5 曹伟.生态建筑.生态建材.发展战略.J新建筑，2005.5. 6 高建岭等. 生态建筑节能技术及案例分析. 中国电力出版社2007.10
