被动式建筑设计策略分析

本文以建筑剖面为入手点，分析了建筑空间与被动式绿色建筑的关系。建筑剖面设计在建筑内部空间的塑造上起到了决定性的作用，而建筑空间的好坏直接影响了其自然通风、采光等效果。文章从空气流动、采光优化、节约用地等方面，阐述了良好的建筑空间对于建筑内、外环境的影响，同时表明了营造良好建筑空间与建筑剖面设计的必然联系。

随着人类的建筑建造对生态环境的破坏日益严重，被动式绿色建筑越来越被人们所关注。建筑剖面从传统意义上讲是一种图式表达，反应了建筑的空间与结构。但是在当今的被动式绿色建筑实践中，剖面已成为了反映被动式策略、甚至是推动被动式设计提升的重要手段。

一、被动式绿色建筑与建筑剖面空间的基本联系

1.基于空气流动的角度

空气在建筑空间中的流动主要有两种形式：热压通风和风压通风。热压通风依靠室内外空气温差所造成的空气密度变小，从而产生了压强差，形成了热空气向上冷空气向下的空气流动现象。风压通风是因为建筑迎风面在风的作用下压力升高，因此与建筑背风面产生了压强差，产生了风由迎风一面向背风一面流动的现象。

（1）温室空间建筑温室空间的主要原理是“温室效应”，借助玻璃的物理属性：普通玻璃允许通过的太阳光的波长是在0.4～2.5μm之间的短波，太阳短波通过玻璃进入到室内被室内的物品所吸收，温度升高的物品会再次辐射出波长大于2.5μm的长波辐射波，使室内的温度升高，但是波长大于2.5μm的长波不能透过玻璃辐射到室外。

因此，太阳能的辐射热就被留在了室内。长时间的辐射可以使得室内的温度上升，这样就形成了建筑的“温室效应”。建筑的“温室效应”有利于得热，是一种常见的利用被动式太阳能的设计手法。从空气流动的角度来讲，太阳辐射使得该空间内的空气温度升高，温度高的空气密度变小，从而产生了向上运动的趋势。对于热空气具体的流动方向，还是由这个“温室空间”具体的位置和形态决定的。可以最直观地表达这个空间的建筑图示——剖面图，成为了分析和设计此空间的重要的方法。

（2）烟囱空间建筑烟囱空间的主要原理是“烟囱效应”，其原理是由于建筑内部的高差所形成的压强差。所以建筑的烟囱空间的主要目是加强建筑内部的通风。尽管现代建筑的空调系统已经非常完善了，但是借助机械设备来达到通风目的的同时，或多或少会造成环境的破坏。利用自然通风来达到建筑室内的通风要求则更加注重生态设计，是从建筑师的角度出发，设计更加合理的空间，以达到充分利用自然通风的目的。建筑内部空间的高差与其烟囱效应的效果是成正比关系的，高差越大，则效果越明显。

烟囱空间往往存在于建筑内部贯穿多层的竖向空间中，如中庭空间、通风井、楼梯间等。建筑师可以通过对竖向空间的合理设计来提高烟囱效应的效果。与风压通风不同，烟囱效应的应用范围更加广泛，能适应更加复杂的气候环境。剖面是单个竖向空间抽取的片段，将这些片段连续在一起，就可以表达竖向空间的整体设计意图和设计概念。在空间较为复杂的建筑中，剖面往往比平面蕴含着更多的信息，而“烟囱空间”往往存在于复杂且贯通的空间。

（3）双层表皮空间双层表皮是一个形态上的概念，我们把建筑的外围护结构三维化，含有多个层次或一定厚度的复合化的外围护系统统称为双层表皮。建筑的双层表皮的成因有很多种，如有的是为了把承重结构和围护结构分开，为了达到一种立面上的效果；有的是利用双层表皮的空腔来达到空气流通的效果；有的则是利用双层表皮来达到保暖的作用。

表皮系统的空间既不是外部环境空间也不是室内空间，表皮系统可以看作是建筑所处的环境中的除室外空间和室内空间外的剩余空间。建筑的室内空间始终和室外环境进行着能量的交换，表皮系统则承担起一个媒介的作用，即康所说的“服务空间”。然而，对于这个空间形态和比例的描述，我们一直缺少一种简单而直观的表达。如果我们从剖面的角度将双层表皮的形态和空间进行简化，在得到清晰表达方式的同时，将会对其设计和分析起到很好的辅助作用。

2.基于采光优化的空间

（1）退台空间建筑的退台空间指的是，建筑立面或是内部的中庭空间呈逐层退进或是逐层外挑。逐层退进的目的是为了使建筑上层对下层尽量少的遮挡，让每一层尽量多地接受自然采光，并加强热量的获得，对寒冷地区建筑的采光极为有利；逐层外挑的目的是为了让建筑上层对下层有稍微的遮挡，避免炫光的产生，并加强建筑的遮阳效果，对炎热地区的建筑比较有利。

由于太阳高度角和日照方向的不同，基于建筑采光优化的退台空间也不尽相同。而建筑剖面，则为退台空间提供了一种“可调节”的设计方法。建筑南立面，为了防止其在夏季受到阳光强烈的照射，可以将其剖面外墙在沿太阳入射的方向进行稍微调整。这样一来，不仅解决了强光照射的问题，也没有影响到冬季的采光（由于冬季太阳的入射角较低），而且可以缩短建筑之间的日照间距。

（2）中庭空间对于大进深或大开间的建筑，建筑难免会存在自然光很难照射到空间。这时，一般的解决方法是，在建筑跨度大的地方加入中庭空间，调节其周围内部空间的采光。光是由上至下射入建筑中，平面图可以确定中庭的进深和面宽，但不能从光的入射方向对中庭的竖向空间进行调整。剖面是对空间的描绘，是将空间从二维提升到三维的一种图示表达。剖面不仅仅作为一种结果，它更是一个过程、一种方法。若从剖面对建筑的中庭空间进行设计和优化，必定会带来更加准确且有效的结果。

以顶部采光的中庭空间为例，其高度与宽的比值就决定了这个空间的类型与使用范围。当比值较小的时候，其空间较为低矮和开敞，有利于获得更多的自然采光，可以解决进深过大而造成的自然采光不足等问题，适用于寒冷地区的气候特点；当比值较大的时候，其空间较为高大和狭窄，有利于减少太阳光的直接照射，减少热量的获得，较大的高度有利于温室效应的发挥，加强自然通风的效果，适合于炎热地区的气候特点。此外，还可以根据当地不同的太阳高度角在其剖面上做出具体的调整，如图1所示。

二、营造良好被动式绿色建筑空间的剖面设计

1.类型的选择

按照建筑空间形式的不同，可以将被动式绿色建筑的剖面空间大致分为四种类型，即：矩形空间、V形空间、三角形空间和不规则空间。矩形空间是一种最常见的建筑空间，可以应用于诸多类型的建筑当中去，其设计的重点在于布置的位置和比例关系。根据不同的要求，在剖面上安排不同的矩形空间，这些都关系到被动式设计的效果。V形空间是一种典型的适用于寒冷地区的空间形式，由于建筑的上层对下层没有遮挡，可以使每一层都能充分地获得自然采光。

但由于下层建筑的进深会越来越大，有可能会形成黑房间，不利于使用。三角形空间与V形空间刚好相反，由于上部的空间比较狭窄，可以减少太阳光的直射。同时，由于文丘里效应，上部组件缩小的形态可以强化烟囱效应的产生，有利于自然通风。适用于炎热气候地区的建筑形式。异形空间指的是根据特定的功能需要所形成的不同于传统造型的空间，如异形的采光井、通风塔、双层表皮等。建筑剖面的空间往往与平面一样也存在着复合的形式，即多个基本空间形式组合的复合空间形式。在实际的项目中，很少存在只有单一空间的建筑，所以在进行剖面设计时要考虑到各种各样的空间形式，这样才能达到最理想的效果。

2.剖面设计与地形的结合

关于建筑场地设计的问题，平面设计要顺应地形设计，而剖面设计要结合地势来设计。只有将两者结合起来，才能形成丰富且富有特色的空间形式。正如查尔斯•柯里亚设计的考瓦拉姆海滨度假酒店，建筑师完全尊重当地的地形地貌，建筑与山、建筑与海都形成了一种良好的呼应关系，使得建筑就像是从场地里生长出来的一样，达到了与场地的和谐统一（如图2）。

3.剖面设计与节地设计

人们之所以要对场地进行整合，其目的是为了获得一个最基本的建筑平台。整合场地的方法一般有三种：填土、挖土和保持土地原貌（架空、悬挑等）。剖面图可以作为对地形的坡度进行分析的一种图解方法，从竖向的角度，分析和整合基地，对建筑的土方量加以控制和协调，并结合地形对建筑的竖向空间进行设计。举一个简单的例子，首先将一个45°坡九等分，通过上述的三种改造地形的方式将其进行改造，可以得到如图3所示的可能的改造图示；接着根据我们对建筑功能及类型的需求来选择适合的地形改造方案；最后，根据地形的剖面图示生成建筑基本单元的组合体。

被动式绿色建筑的设计往往体现在建筑设计的各个层面上，其中剖面空间设计在被动式设计上有其独特的表达。无论是在基地整合、还是内部空间的设计上，剖面都有其明确且直观地表达。在剖面设计中有很多平常不容易发觉的被动式设计因素是可以为我们所用的，可以提取出来为我们创造更加经济有效的被动式绿色建筑空间。