外形设计对节能型小型建筑体形系数影响分析

陈黎明 巫秀萍

0 引言

随着可持续发展理念的推广实施，节能减排已成为建筑设计必须考虑的问题。政府相关部门也已颁布一系列的文件和规范[1，2]，对建筑节能提出详细的设计要求。而在建筑节能设计中，建筑物体形系数是目前常用的控制指标。目前有关建筑节能设计的文献资料很多[3-6]，其主要集中在节能设计中主要指标影响的定性分析，而关于某个指标其影响因素的定量分析尚没有涉及，也没有如别墅等小型建筑其外形尺寸在节能设计中的影响分析相关研究成果。

为分析外形设计对建筑体形系数的影响，本文通过不同形状所对应的体形系数对比分析，探讨节能设计中在体形系数限制条件下是否可通过外形优化设计满足要求，以期为别墅等小型建筑的节能设计提供参考。

1 建筑体形系数的节能设计要求

《民用建筑节能设计标准》中规定[1]，建筑体形系数宜控制在0.30及0.30以下，否则对屋顶和外墙等围护应加强保温。围护的保温要求提高，建筑的造价也将增加。

建筑体形系数的定义是:建筑与空气接触的外围护面积与其所围的体积之比。众所周知，建筑物外形尺寸较大时，体形系数就可以比较小。这也很容易理解:若把10个别墅合并成一行成联排别墅，就省下了9堵侧墙，而其体积没变，那么建筑体形系数就变小了。大型建筑一般容易达到小于0.3这个目标。但对小型建筑，例如别墅，一般很难达到。在此可举一例说明:

某5层建筑，长L=40 m，宽B=10 m，层高均为3.3 m，高H=3.3×5=16.5 m。其体形系数为:

同样长宽的建筑，若为6层，则:长L=40 m，宽B=10 m，层高均为3.3 m，高 H=3.3×6=19.8 m。其体形系数为:

或者长40 m，高16.5 m的建筑，把宽度加到12 m时，其体形系数为:

从以上计算举例可以看出，若房屋的长度、宽度均相同，总高度越高，建筑体形系数越小。当长宽高尺寸均增加，都可减小建筑的体形系数。因此，对大型建筑一般容易达到体形系数小于0.3这个节能设计指标。但对小型建筑，例如别墅，就很难达到。

2 建筑外形对体形系数的影响分析

别墅类的小型建筑是否一定达不到体形系数小于0.3这个目标也不尽然。本文试提供几种体形系数等于0.3的小型住宅(别墅或农村住宅)的外形设计方案。

1)矩形建筑。

从几何学基本知识上可知，当矩形的长和宽相等时，相同边长所围的面积最大。矩形的建筑系数计算公式:

因此，对小型建筑可以把长宽设计得接近。从上面的计算实例中知道，占地面积400 m2的建筑，在长宽比为4时，高度要达到6层(近20 m)体形系数才能达到0.3，若长宽相同时则不需要。例如，对3层楼，高10 m的别墅，长宽高均是20 m时，其建筑体形系数:

当然，别墅住宅一般是供一家人住的，这个别墅每层建筑面积达400 m2，3层总建筑面积达1200 m2，作为别墅面积过大。而且宽度20 m对住宅而言比较大，对房间采光有点影响。所以建议在别墅中加个采光天井，假设在房子的东南面加一个100 m2左右的大厅(高度10 m)，或者说是100 m2的封闭式院子。有了这个大厅或院子则既解决了房子采光问题，还使总建筑面积降到1000 m2。若想建筑面积再小，则可将其设计成两套别墅(双拼别墅)，面积上就比较合适。

按上面所说，同样满足体形系数不大于0.3，楼层增高，可减小底面积。例如对5层楼(设高度为15 m)的住宅，经计算，长和宽可减小到17.2 m，便可满足这个要求:

此时，房屋总建筑面积达1479 m2。也就是说，尽管建筑占地面积小了点，但总的建筑面积却增加了。

2)圆柱形建筑。

一般别墅的总建筑面积希望能比刚才的矩形方案更小，若如此，体形系数是否就达不到小于0.3。从刚才的算例可知道，如果3层的矩形外形别墅尺寸小于20 m×20 m时，其体形系数确实不能小于0.3。所以既要盖建筑面积更小的建筑，又要达到体形系数小于0.3，必须在建筑外形上动脑筋。

从几何学中知道，圆是同样长度线段所围面积最大的形状。所以，圆柱形的建筑是首先可以选择的。圆柱形建筑体形系数的计算公式:

所以，高度H为10 m(3层楼高)的圆柱形建筑，体形系数要达到小于0.3，从计算公式可得，其半径R应不小于10 m，或直径D应不小于20 m。

这时三层的总建筑面积变成了940 m2，略小于1000 m2。20 m直径，同样可以加采光天井;有了采光井后，总的建筑面积还可更小。与长宽各20 m的矩形房屋比，圆柱形建筑中由于房间的分割往往不是方的，与人们的习惯以及家具形状不太一致，所以建筑平面布置较困难，而且面积的利用率也较低一些。

3)半球体形建筑。

圆柱形建筑并不是外表面各与所围体积之比最小的形状，从几何学上可以知道，球体形才是外表面与各所围体积之比最小的形状。所以可以设计半球体形状别墅。

半球体形状(蒙古包式)的建筑，体形系数公式:

简化后:

所以，R≥10 m，就使直径应大于20 m时，建筑体形系数才小于 0.3。

与圆柱形房屋比较，其占地面积直径一样，只是二楼、三楼的面积变小了，以每层层高约为3.3 m计算，二楼的半径为9.4 m，三楼的半径只有7.5 m，总建筑面积约769 m2。半球体建筑的建造难度增大很多，空间布置也较困难，但外观别致。

4)加屋顶建筑。

众所周知，球体是表面积与所围体积比最小的形状，球体的直径需要20 m，那么何种外形既能使房屋的尺寸更小而同时又满足体形系数小于0.3。笔者发现在房屋上再加个锥形屋顶或者半球形屋顶时，其房屋体形系数相较原来矩形要小。

例如在长宽均为18 m、高10 m的矩形房子上，加个顶高为3 m的四方锥体房顶，其体形系数:

若将锥体房顶的高度再增加，其体形系数还能更小。

而在矩形房屋上再加一个半球体屋顶，也一样能减小建筑的体形系数。例如在长宽均为17 m，高为10 m的矩形房屋上再加一个直径为15 m的半球体屋顶，这时其体形系数为:

当然，这时房屋成了有个大圆顶的罗马式建筑，而且屋顶最高处高度达到17.5 m。

在建筑设计中这些屋顶下的建筑空间也可利用起来，自然其建筑面积也增加了。

以上提供的是几个体形系数约为0.3的小型建筑的外形设计，这些尺寸也是小型建筑的极限尺寸，可供别墅等建筑设计参考。当然这些建筑的外形也可供大型建筑设计参考，以设计出体形系数特别小的节能建筑。

3 结语

本文通过多种建筑外形设计算例说明，要使节能型小型建筑达到体形系数不大于0.3的指标要求，并非不可实现，只需在建筑外形上进行优化设计，则可以设计出既节能、外观又别致的小型建筑。

[1]JGJ 26-95，民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].

[2]DB 33/1015-2003，居住建筑节能设计标准[S].

[3]李 锋.浅谈节能在建筑单体设计中应注意的问题[J].山西建筑，2007，33(23):245-246.

[4]陈 聪.住宅节能设计中的体型系数[J].建设科技，2009(18):86-88.

[5]詹 林，余晓平.夏热冬冷地区板式住宅体型系数分析[J].住宅科技，2007(7):11-15.

[6]丛 林.提高住宅建筑节能技术探讨[J].江苏煤炭，2004(3):67-68.