高层建筑生态设计分析论文

1现代城市生态环境宏观控制策略

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是十分重要的一个环节。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予以考虑，把人们能够就近入学、就近工作、就近享用各种服务设施，缩短人们每天的出行距离，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高层建筑营运系统的生态性设计

对高层建筑而言，从能源和环境的角度看，其生命周期是指从材料与构件生产（含原材料的开采）、规划与设计、建造与运输、营运与维护直至拆除与处理（废弃、再循环和再利用等）的全循环过程。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的比例。调查发现，营运过程中能耗最高的是建筑的HVAC系统，其次是人工照明系统；其他因素（如电梯、管道和排放）在建筑营运能耗中只占很小部分。因此我们的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。设计的第一步是根据基址气候条件找到适合的被动设计方案，并使之最大化。被动设计本质上是不通过电子-机械手段，而是通过建筑特殊的形态组织达到的低能耗设计。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。如果不能达到理想的效果，可以通过主动系统或混合模式系统的辅助作用来加以补充。

2.1建筑平面与体型系数

我们必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（例如通过优化进入热量）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。建筑的体形系数是围值，因此它不仅仅是一个热工性能参数，而且还体现了作为手段的外界面对空间的建构面积成线性正比，而对于正多面体而言，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面积，其次是方形（见图1）。

同时，小的体型系数往往与空间布局紧凑、功能流线短捷相联系，所以小的体型系数在某种意义上还常常与较高的功能运作效率相联系。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：①加大建筑进深；②规整建筑体型；③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2所示。

建筑服务核的布置决定了平面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。设计者在平衡设计时必须结合其他因素考虑太阳光路径和当地的风向（如最佳的视野方向、基址形状和领近建筑等）。在热带地区，服务核可以设在建筑“较热”的东边、西边或两边，以作为太阳光缓冲带。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（即中心核、双核或单边核），双核是最可取的（见图3）。围服务核的优势在于：

a没有消防加压管，降低了最初和营运成本；

b使用空间更具有灵活性；

c电梯间提供自然通风，从而节能；

d太阳光缓冲效应和风力缓冲效应。

2.2朝向的选择

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。例如，根据热带地区的太阳路径，建筑形态应该是以东西向为轴线的矩形，以减少建筑开阔面的太阳辐射。这是因为获得热量最大的来源是通过窗户的太阳辐射。

当然，热量获得随着时间和角度的不同而不同。建筑朝向的决定将影响后续的每个设计决策。每个建筑基址都有其特殊性，因此高层建筑的设计毫不例外也与基址相关。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也可以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）；通过建筑形式、植被和遮避带最大限度地开发基址剩余区域的潜能。

2.3建筑外界与双极控制

高层建筑的外界面设计与一般建筑相比有其特殊性。首先高层建筑拥有得天独厚的通风优势，而且随着高度的不断增加，上面的风速和风压越来越大，在这种情况下上部直接开窗狂风可能吹袭室内，形成紊流和噪声，而且会导致建筑与外界热交换迅速增加，不利于建筑中的能量保存，热工能耗增多。此外高层建筑较少受到临近的建筑遮挡，所以投射在其上的日照包括直射的、漫射的或被低层建筑屋顶反射的辐射，要比照射在多层建筑上的日照辐射强度高，这在冬季是有利的，但在夏季却是不利的。

另外，气候是由多重对立要素综合决定的，各种气候要素总是在舒适要求的两极之间摆动变化，建筑随着气候的变化，要面临采暖与制冷、通风与防风等相互矛盾的要求，因此建筑外墙应该结合被动系统、混合模式和主动系统的优化来加以设计。因此，理想的外墙应该是对气候“用”和“防”的辨证统一，是有利于环境的过滤器。外墙上应该像过滤器一样提供自然通风，控制交叉通风，提供对外景观，予以太阳光保护，调节风雨，在寒冷季节提供保温，在炎热的夏天提供通风、隔热，使得与外部环境有更直接的关系。双层立面系统是目前处理高层建筑外界面比较理想的手段。

2.4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。当太阳光有效地分布到建筑各处而没有眩光的时候，就可以认为是很好的室内照明了。先进的日光采集系统设计有以下方法：

①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；

②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；

③仔细设计阻挡阳光直射的系统，可以减少阳光直射导致的眩光和温度不适。设计的难度在于每天和全年阳光位置及获得的不断变化。自然采光的建筑无论设计得多好，只有在日光有效利用和代替人工照明的情况下才能节约能源。当然，进行采光设计时，可以在人工照明节能和少量增加阳光热量获得之间寻求平衡。我们可以完善座位和工作平面规划，通过更好的窗户和立面设计来减少眩光，获得自然采光。研究表明，太阳光的适当获得和开阔视野可以提供一种舒适感。然而，为保证一个安全、舒适的工作环境，使用者应该可以控制光线的数量和质量；设计者需综合考虑能耗、背景光线、屋顶灯和窗户的自然采光等因素，并为使用者提供最好的视觉环境。

2.5使用自然通风

基址环境一个重要的能源就是风。在需要良好通风或风力支持下的舒适通风时，通过优化当地全年和每天不同时段的风力条件，我们可以利用规划建筑的平面形态和外墙以达到自然通风和更有效的制冷。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。此外，减少对机械通风和空调系统的需求可以提供一个健康的建筑环境。使用自然通风的能耗要比使用空调的能耗减少一半，而且减少了维护，以及建筑综合症的发生，二氧化碳的排放量也减少了。因此，在可能的条件下，不要设计全封闭的建筑，以减少对空调系统的依赖。

通过利用封闭的中央庭院或中庭来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。另外，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，使建筑室内温度能通过自然能源的使用而降低。在炎热潮湿的赤道地区，生物气候的设计技术涉及建筑设计和材料的选择，以最小量的制冷能耗来换取更舒适的环境。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。对于夏季炎热的项目基址而言，被动制冷系统应用的一个前提是当地的建筑生物气候设计，两种方法相辅相成。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，从而产生各种降温系统。以下是各种被动降温方法：

①舒适通风：主要是在白天提供直接通风的舒适感；

②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；

③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；

④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；

⑤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；

⑥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，虽处于比建筑更低的层次，但它与建筑本身之间、与自然环境之间以及室内诸要素之间都是一种相辅相成的整体关系，不可割裂。符合生态原则的室内环境设计，必须处理好室内与自然环境之间的关系问题，建筑室内环境作为整体环境的一部分，作为地球总生态链中的一环，它必须与其他各个环节协调发展。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、环保等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。这些空中花园以有机形式平衡了建筑硬件和组成部分的无机性，从而达到更平衡的生态系统。除了为建筑提供遮阳，这些中庭还有多种用途：作为紧急疏散区域、种植和园林、用于未来扩大（例如将来增加土地使用率）的灵活过渡区域、将来空间的增加（洗手间、厨房等等）。中庭还可以给高层建筑使用者一个更人性化的环境，使他们走出封闭的办公区域可以直接体验外部环境欣赏景色。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.

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[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.

摘要：本文结合笔者多年建筑设计实践，探讨了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；居住环境;生态设计；营运系统；宏观控制