基于浮力效应的建筑顶部开口设计研究

宋晔皓

0 引言

在实现双碳目标的背景下，如何降低建筑的能源、资源消耗，提升建筑自身的产能水平，成为建筑设计的重要关注点。针对大型公共建筑，单纯依靠增加光伏、降低建筑能耗，很难真正实现“零碳”的目标[1]，被动式设计策略因其资源消耗少，对性能影响大，成为无法忽视的重要手段。利用建筑顶部开口改善自然通风的被动式设计策略，由于可以充分利用热压和风压的效益，改善内部气流流动状态，是常见的被动设计策略[2]，国内外已有相关实践。

本文回顾了建筑顶部开口改善室内自然通风的建筑策略的发展，并结合运行实测与模拟分析，探索建筑顶部开口原型的重要意义。

1 建筑顶部开口改善通风设计策略的发展

科学史专家弗拉基米尔·扬科维奇（Vladimir Jankovic）将18 世纪视为理解建筑自然通风的转折点[3]，人们开始了解何时以及如何控制外部空气进入建筑环境，也得益于医务工作者的不断探索得出结论：宽敞的室内和大量清新的微风有助于降低疾病传染的风险，并利于促进恢复与愈合。例如，1803 年对爱尔兰军团医院的规定，“医院应该宽敞通畅，处于健康状态”[4]。

19-20 世纪各类改善室内环境的建筑技术与机械装置逐步涌现，建筑师开始关注利用建筑垂直方向来组织自然通风。例如，1909 年建成的格拉斯哥艺术学院项目，在设计阶段，建筑师考虑了供暖、制冷和新风设备的一体化方法[5]。勒·柯布西耶曾经提出为高层建筑设想的空气系统“中和屏障”（mur neutralisants）：通过双层空腔在建筑的垂直方向进行空气的流通与循环[6]。这种原型成为在20 世纪后期逐步成熟的双层表皮、特隆布墙等原型的开端。

随着1970 年代能源危机之后绿色建筑的飞速发展，建筑自然通风成为被动式设计策略的重要组成部分。随着城市密度的提升，由于街道尺寸和形态的限制，利用风压的建筑立面自然通风效率很难进一步提升，因此依靠屋顶通风塔等结构促进建筑内部通风的策略相继被提出[8]。例如，英国新国会大厦利用建筑顶部开口设计了复杂的机械系统引导空气系统，空气由顶部进入建筑后通过热泵系统调节空气温度，并进入每一层办公室的内部，净循环后由顶部回收至废气管，通过建筑最高处的开口排出[9]。

此外，建筑地方性与传统民居中的传统智慧被充分挖掘，例如哈桑·法赛（Hassan Fathy）在埃及民居利用顶部开口的烟囱效应的自然通风策略，与传统增大立面窗面积促进通风的策略有极大不同，更多地依托当地传统捕风窗将远离地面的温度较低、含沙量较少、风速较高的气流导入室内，并作为提升建筑内部及庭院区域空气流速的主要方式[10]。

2 建筑顶部开口通风的分析与验证

在不同建筑空间中，虽然建筑顶部开口促进内部自然通风基本原理相同，但在解决的核心问题、使用的外部环境、运用策略等方面都存在明显差异。通过选取实际运行中的建筑空间，对比天窗开闭、机械通风开闭、侧门开口开闭下的换气效率，定量化对比出了顶部开口促进自然通风的基础换气效率潜力的方式，随后对实际场景进行建模，通过CFD 模拟对实际换气过程进行模拟，梳理了影响这种通风效益的核心因素，得出如下研究结论：首先，证实建筑顶部开口促进自然通风这一基础原型可以作为有效的建筑设计策略支撑低碳建筑设计；其次，因通风效益主要依靠空气的流动，不能简单地依靠顶部开口实现，而需通过对流路径的设计，保障空气流动的通畅和各处气压的均衡来实现；最后，建筑顶部开口促进自然通风需要在深入分析项目所在地的环境特征、使用需求和其他相关问题的基础上，得出这一策略的侧重点。

团队设计的北京动物园水禽馆（图1）、贵安新区清华THE 示范楼（图2）、岳阳县三中风雨操场、清华旭辉可持续示范楼（图3）等项目，均为建筑顶部开口促进自然通风原型的系列实验。以建设运维成本极为低廉的岳阳县三中风雨操场为例，2019 年8 月，在建筑处于非舒适阶段的时间，笔者团队对建筑内部环境进行了实测研究，相关数据显示：建筑门口、高出的开口均有一定流速的空气流动，这说明设计之初设想的依靠建筑顶部开口提升大空间室内气流扰动的设想得以初步实现，保障了建筑室内的空气换气率。而中部区域空气流动则相对静止，运动场区域并无明显的吹风感，说明该策略对改善使用者的热舒适度影响较弱（图4、5）。

1 北京动物园水禽馆

2 贵安新区清华THE示范楼

3 清华旭辉可持续示范楼

4 岳阳县三中风雨操场

5 岳阳县三中风雨操场通风示意

3 结论

在建筑设计采用顶部开口来促进自然通风时，应仔细评估这种策略的使用需求和场景：促进空气流动、提升使用舒适、改善换气水平等不同的需求，可能对应着完全不同的建筑设计策略，这虽然在概念方案的表达和展示中都以适宜性箭头存在，但是对实际使用结果却有着巨大的影响，需要基于设计科学的研究与分析确定，并在全过程保障其实施效益。□