建筑剖面的被动式设计研究

纪屏兰 武汉纺织大学外经贸学院助教

剖面最初是设计师为了更清晰地表达复杂的内部结构的一种图式，历经多年的实践成为建筑设计方案中重要的环节。由于设计师对于建筑设计方法的创新一直在进行探索，对建筑剖面、竖向的关注与研究从未停止，因此对于建筑竖向性的研究又重新回到了建筑师的视线里。

建筑的绿色、生态、节能的理念已经被设计师与大众逐渐所接受。但如今的绿色建筑过于注重科学与技术方面的设计与创新，很少能从设计自身去研究绿色建筑。因此在资源与成本上往往出现更大的消耗和浪费。

1 国内外研究概况

1.1 被动式设计理论

20 世纪70 年代，日本建筑师加藤义夫利用诱导式太阳能对建筑的外围护结构进行了设计，实现了建筑的节能。

1988 年，“被动式建筑”第一次被两位科学家Mr.Wolfgang Feist 和Mr.Bo Adamson共同提出。他们在20 世纪90 年代初，主持设计了全球首座被动式建筑。

20 世纪90 年代，托马斯·赫尔佐格在被动式太阳能利用方面的研究成果获得了同行的一致好评，其作品出色体现了生态设计的理念。

21 世纪，环境问题专家丹尼尔·D·希拉在《太阳能建筑—被动式采暖和降温》中详细叙述了被动式建筑设计的基本原理。

1.2 建筑剖面设计结合被动式建筑设计

目前，在建筑剖面结合被动式绿色建筑设计方面，国外研究的领域中，印度著名建筑师查尔斯·柯里亚所设计的干城章嘉公寓大楼能够将建筑的剖面设计与基地环境充分相融合，是气候干燥炎热区域高层建筑设计的范本。该类型建筑的设计策略都是将剖面设计成通风管的结构，热空气顺着斜坡屋顶上升，从建筑顶部的通风口流出，建筑外的空气从底部进入，因此形成了内部空气的微循环。同时，建筑师为了适应多变的气候环境，针对不同的季节设计了不同的剖面空间，来实现被动式设计目标[1]。

目前在建筑剖面结合被动式绿色建筑设计方面，国内研究较少。湖南大学由徐峰副教授指导的朱琳的硕士论文《建筑中庭的被动式生态设计策略》中，总结了被动式生态建筑中庭的剖面设计，罗列了被动式中庭剖面形式、重要部位与剖面布局的设计，对于建筑剖面空间的设计有很大的参考；天津大学曾旭撰写的硕士学位论文《基于绿色建筑案例的个性化分析及研究》中，从绿色建筑的体型、外围护结构和内部系统这三个论点出发，经过了充实的案例分析，对其设计方法进行了分析与研究，也提及了的建筑剖面的设计；大连理工大学李泉的硕士学位论文《被动式绿色建设计研究》中，总结了被动式设计中节约用地因素与剖面垂直性的关联性，对于剖面内部空间的设计具有有很大的借鉴意义。

2 建筑剖面和被动式建筑设计的概念

2.1 被动式建筑设计概念

被动建筑设计主要依靠大自然的力量和条件来保证和维持建筑内的使用条件。采用被动建筑设计以达到节能目的的建筑，可在满足室内热舒适性需要的条件下，尽量减少建筑中能源设备装机功率，充分利用外界环境与能源[2]。

在比较理想的构想下，一个较好的被动建筑在一年的大部分时间里，建筑内部应该会冬暖夏凉、通风效果良好，只需要一个小功率的空调或者采暖系统作为补充就可以满足人们的生活日常与工作场景的需要。被动建筑设计主要内容包括建筑保温、建筑遮阳、建筑结构、建筑自然通风、最佳窗墙比和建筑布局[3]。

2.2 建筑剖面概念

单纯的平面空间上的动线是二维的、断续的，然而在剖面上的动线才是立体的、整体的。可以说如果在同一建筑内部空间中，剖面可以将动线从断续转变成整体，内部空间从二维转变成三维。

建筑剖面提供了一种竖向设计的思维，精确分析建筑中庭空间、空气口、通风塔、通气管、烟囱、回廊以及高屋顶等建筑元素的位置、尺度及相互关系等问题。

2.3 建筑剖面和被动式建筑设计的联系性

剖面表达的是建筑内部空间的设计，但会被周边环境、气候条件所限制。所以如何清晰地表达被动式设计，如何使建筑的剖面让建筑与周围地形条件、地理气候环境进行相互融合，是首先需要研究的对象。

在建筑的细部设计方面，剖面毫无疑问比其他图面能够更加全面地表达信息。可对绿色建筑的外围护结构、表皮的设计、内部结构等单元的剖面进行分析并得出相应的结论，使绿色建筑在被动式设计中的实践更加高效。

3 建筑剖面的被动式设计策略

3.1 基于节约用地

由于基地地形的地势高差、土壤性质与自然资源不尽相同，通常不会直接在原始风貌的地形上进行建筑施工，所以会对基地以及周围环境采取整合手段。针对基地地形的整合手法大致分为三类：填土、挖土或者保持地形原貌，例如运用架空、悬挑等手段。

面对建筑合适的落地手法本文无法进行全面的罗列与分析。但是，设计师仍然可在不断地尝试下总结经验进行归纳与总结，由此对建筑与基地之间的联系进行分析，形成借鉴意义[4]。

与传统建筑柱网划分空间不同，从剖面设计入手的被动式设计是利用单元组合的形式来完成建筑的空间与内部的布局。若每个建筑被改造的地形类型对应一个组合单元，则可生成多种基本建筑单元的组合形式。

3.2 基于气候环境

3.2.1 减小体形

以寒冷区域的建筑为例，如果想减小建筑因为采暖所消耗的能源，其中最为根本的一个设计策略就是尝试减小建筑表面与大气热交换的接触度。如果是较为偏激的方法是在建筑的主导风向上，将建筑的剖面设计成圆形。例如，英国建筑师Richard George Rogers 所设计的诺丁汉税务局就是采取此方法。

3.2.2 增加体形

在气候较温暖、炎热的区域，使用者会更倾向于室内外的环境与空间是相互连接、开放性的。例如法兰克福商业银行大厦是由英国著名现代主义建筑师Norman Foster 所设计的，该建筑营造了一个良好的室内微气候系统。除去建筑自身的花瓣仿生式的设计形式，这幢建筑设计的核心是针对垂直空间与形态的设计。从该建筑的剖面观察，如果忽视掉建筑表面的双层呼吸式的玻璃幕墙，那么建筑的体量、内部的空间则呈现出相互融合、虚实相间的形态。而且因为透明性较高，增加了建筑与周边环境的联系，由此也提升了建筑内部空间的舒适程度。

3.2.3 应对气候条件

台湾高雄的大东文化艺术中屯，是一个应对极端气候作出回应的设计实例。由张玛龙、陈玉霖建筑师事务所设计了11 个巨大的漏斗状的遮盖物来避免遭受到恶劣天气的影响，除此之外，这些“漏斗”围合在建筑的边缘，由此创造出多种可能性的公共空间。

但是这些“漏斗”有着各自不同的功能。有的是将“漏斗”和地下储水池结合在一起；有的使“漏斗”变成一个通风系统，冷热空气可以通过“漏斗”进行交替，因此可以产生自然风的不断流通；有的还可以利用“漏斗”内侧墙布使光纤进行反射，来增加建筑内部空间的自然采光。

由此可见，针对不同的天气与环境时，建筑的剖面会有多种相应的被动式设计手法。

3.3 基于细部做法

3.3.1 顶部设计

整体而言，屋顶的形式分为两种：整体式和组合式。

针对整体式的顶部设计，不同的建筑形态会影响到整个建筑剖面的被动式设计。例如，由Thomas Herzog 建筑事务设计的汉诺威HALL26，这座建筑完成了一个波浪的屋顶样式，由此在造型上进行了独特的创新，也在建筑的节能上进行了一定的考量。

面对组合式的顶部设计，通常是因为建筑内部的中庭空间或其他功能空间直接高于建筑的顶部。由此一来，不仅可以使高于顶部的部分完成空气流通，还可以提升整个空间的高度，也进一步增强了烟囱效应。例如，这样的设计策略较好地应用于英国的Barclaycard 公司总部大楼。

3.3.2 底部设计

架空：使建筑内部空间与外部空间融合，部分甚至可连通。例如马拉西亚建筑师杨经文所设计的加穆达总部大楼便是如此，此建筑把首层的中庭融合到建筑周边的水体和热带花园里。这样的处理不但加强了中庭的通风效果，而且美化了中庭的环境[5]。

设置夹层：指的是在建筑底层楼板或各层楼板之上设置夹层，在建筑内增添相应的设备，用来帮助增加其空气流通的程度。例如，英国考文垂大学图书馆、英国建筑研究组织大楼等都是运用这种设计手法的经典案例。

与地下室结合：由于地下室自身冬暖夏凉的物理特性，在建筑剖面的底层设计中，会将其与地下室结合设置空气缓冲区，由此利用地下室的这种特性可以更好地对冷却空气或者对空气进行加温。例如，较早的运用此设计手法是意大利最具影响力建筑师之一的Andrea Palladio 所设计的意大利圆厅别墅。

3.3.3 外围护结构或表皮的设计

其实建筑的外围护结构或表皮的设计，也是可以针对具体的现状提出相应合适的设计。例如建筑师将英国诺丁汉大学朱比丽分校面对湖面的一端，将其设计为鼻子的形态，如此一来，十分有利于南侧气流经过湖面后进行冷却再进入建筑的室内。仅仅是一处端部的设计，不仅丰富了建筑的形态，也提高了建筑的通风效率。

4 结语

本文的研究希望通过建筑剖面的视角来解决被动式建筑的设计问题。被动式建筑设计是在常见的建筑设计策略上更多地去考虑基地周边环境、通风、采光等因素。剖面设计是针对竖向空间的思考，也是对垂直空间的设计。通过对建筑剖面的被动式设计案例的分析和归纳，基于节约用地、气候环境和细部做法三个方面总结了建筑剖面的被动式设计策略，如图1 所示。

图1 研究框架

综上，本文所罗列出的设计策略也只是为建筑师与学者提供了大致的方向，或者说是一个基础的构思，无法涵盖关于建筑剖面中所有的被动式设计方法。只因笔者在对被动式设计的探究过程中，发现了建筑剖面设计与被动式绿色建筑设计两者之间较为密切的关联。由此，笔者将建筑剖面设计作为出发点，对被动式设计进行了进一步的分析。

但是，由于被动式建筑设计是一个综合性的问题，受到经济发展、国家政策、科学技术和公民意识等多种因素的影响。因此，在进行被动式建筑的剖面设计时，在剖面场地的分析中加入适当的计算机编程运算可使设计更加高效且准确。而本文只是为建筑剖面的被动式设计提供了一个线索，若要完成建筑的被动式设计，还需综合与协调多个设计因素。