随风而筑

刘智伟 戎武杰

建筑的风环境是绿色建筑的特殊系统，它的组织与设计直接影响到建筑布局、形态和功能。室外风环境取决于气象和地形因素，室内风环境主要取决于新风量，两者都是以人的舒适度为依据。绿色建筑的通风设计是依风的特点来利用自然风，重点在于“随风”，即挖掘其可利用的季节、风速等要素。目前对风的利用方式最典型和最普遍的就是“烟囱效应”，但是都集中于中庭等公共部位的点式局部利用，有一定的局限性。而上海崇明生态艺术展示馆项目中，设计师对自然风利用的方式、途径进行了更多有意义和针对性的设计探索。

展示馆的目的与技术标准

崇明生态艺术展示馆位于崇明陈家镇国际生态实践区内的4号公园内，建筑总面积为5 511m2（图1，2）。建筑主要有以下两部分功能：

（1）公共性部分：为展厅、会议、多功能厅及活动室，为公众提供活动场所，一系列的生态教育活动与展览均在此处承办。

（2）半公共性部分（机房区）：作为4.5km2上海崇明国际生态实践社区的配套服务中心，需要配套社区的能源实时监控和智能管理系统、智能微电网系统等机房。因此建筑中的机房占比较高，常规公共建筑的机房面积比例通常小于5%，而崇明生态艺术展示馆建筑机房面积占比达到了17.7%。

崇明生态艺术展示馆绿色定位是实现国家绿色设计三星等级，所运用的低碳技术如表1所示。建筑本身也是绿色生态的重点展示对象，向来客展示各项绿色技术的应用与效果，契合建筑所在的国际生态实践社区与建筑功能定位。

本文主要是对自然通风设计做重点研究。研究的思路是设计根据总体和细节构思通风需要的总体布局、平面细节。之后，技术团队根据上海的风环境进行相应的技术分析和反馈，提供设计优化的依据（表2）。建筑室外风环境问题从概念上来讲由三个主体组成，即风、人、建筑本体。设计重点关注建筑周边人行活动频繁区域内的风环境状况。以《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2006）中规定的风舒适度要求：夏季和冬季在建筑物周边行人区1.5m处风速小于5m/s为评价标准。

从本体出发的自然通风设计研究

崇明生态艺术展示馆总体布局上，将建筑沿景观主轴方向布置，长边东西向布置，两个短边南北向布置，将中央景观引向公园纵深方向，营造较强的景观序列空间，辐射整个未来需要建设的国际生态实践社区。

建筑呈纵长方体，东西宽约25m，南北长约104m，两层高，建筑总面积为5 338m2。布局走势顺应4号公园景观空间序列，避免了沿湖面形成横向界面，而割裂了湖面景观与公园绿化景观的联系。东西朝向两侧堆土形成斜坡，作为景观屏障从视觉上弱化了建筑的整体尺度。另外，设计设想斜坡的挡土墙具备局部导风功能。在特定的建筑和景观效果下，建筑本体的通风设计需要解决导风和控制自然风利用方式的问题。

场地通风设计

（1）场地通风布局设计

在整体的空间分析后，建筑形成特定的空间布局（图3）。通过建筑与草坡的空间关系分析，确定了景观草埔高度为8.1～0.0m之间、倾角约11.0°，长边平行建筑，短边挡土墙与建筑成45°。

从总体通风角度设计，就是利用草坡形成两个方向的导风墙，同时在建筑主体与草坡之间保持空间，让导向的季风可以顺利地拂过建筑东西场面，形成顺畅的风场。

（2）基于室外风环境的堆土设计优化

针对由场地条件推演而来的建筑布局，辅以建筑师导风墙的构思，技术团队对此进行分析来优化布局细节。首先，验证建筑师设想的草坡对场地的风环境是否有利，构建夏季和冬季不同的工况条件分析。1）夏季工况分析：通过分析表3可以得出，在夏季和过渡季节的东南风的条件下，主入口处草坡竖壁兜风，会改善主入口区域的夏季风环境（图4）；2）冬季工况分析：通过分析表4可以得出在冬季工况，设置草坡可降低东北风对建筑入口的影响，配合乔木种植将极大改善主次入口的室外风环境的舒适度（图5）。

（3）场地风环境设计的必要性

经过以上分析，可以发现建筑在不利朝向下，设想的草坡对改善风环境有很大的作用，特别是在建筑的主次入口处，夏季风速提高，改善观展者室外排队时的舒适度。同时，草坡基本实现挡风和导风的功能，其中草坡侧墙的导风功能则是实现建筑内部风环境控制的首要条件。

建筑内部通风设计研究

崇明生态艺术展示馆的建筑布局决定了建筑南向和西向立面单位面积太阳辐射量较大，尤其西立面在夏季接受的太阳辐射量大，设计需要有针对性地进行通风设计。

（1）内部空间特点及物理模型

建筑空间特点是南北向尺度大，东西向较小。建筑两层，在中部设置了一个中庭，并有坡道联系上下层。上层以展览为主，为保证展示所需足够的墙面及避免眩光，仅在每层底部设置水平小窗。为促进通风效果，一是设置了高出屋面的通风塔，通过侧面可控百叶加强拔风；二是以一、二层之间的展示步道墙体上的洞口改善室内通风；三是使建筑二层端部立面可开启，实现长纵深平面的通风。

对基于设计效果而采用的通风措施，技术团队对一些影响因素进行模拟分析，以期得到改善通风的设计方法。首先，根据建筑设计模型来建立物理模型和网格划分；然后，在不影响室内通风分析的条件下，对室内分隔及功能布局进行合理简化。依据模型开窗进行设置，在顶部高起的天窗侧面设开启通风百叶，双层幕墙下部设开启下悬窗，外层幕墙为3mm厚多孔板，穿孔率50%（图6）。

（2）通风塔自然通风设计

设计考虑到展览空间南部设有中庭，设置高出屋面的通风构造，可以增加中庭的拔风效果。通风塔的可开启窗底部距离屋面高度（b）现为0.5m，通风塔高（a）为1.0m，东西侧各设置5扇下悬外开启窗扇。中部屋顶高出屋面的总高度（c）为2.0m，南北通长。一般情况下，通风口高出屋面越多，拔风效果越好（图7）。

为了解决通风窗出屋面高度对通风的影响，保持其它因素不变，对b进行调整。三个工况下，其模型条件如表5所示可以看出，单纯增高顶部通风窗的通风口高度对通风改善效果作用较为明显，每增高0.8m，建筑通风换气次数约增加0.4～0.6。根据技术分析及结合整体造型考虑，建筑设计应充分考虑通风塔的拔风效果，b值取0.9m为宜。

（3）隔墙开洞对自然通风的影响

一、二层展厅垂直方向通过中部坡道连通。设计结合室内效果和设计意图，在坡道两侧设置大小不一的洞口，希望通风塔的拔风效果扩散到展厅中部，改善该区域的自然通风效果（图8）。

从表6可以看出，二层墙体不开洞主要影响二层的自然通风。由于东西侧气流流通不畅，导致二层的平均风速降低。二层通过隔墙开洞，静风区域面积降低2.7%，有效改善了二层中部区域东西向空气的流通。

（4）立面立转窗的自然通风设计

在建筑南北部端头设立轴立转窗，增强建筑南部区域的自然通风效果。立轴中转导风效果好，可使气流近直角地大角度转向，二层轴立转窗的位置如图9绿色部分所示。通过比较南北部端头轴立转窗是否设置来比较其对于室内自然通风效果的影响，其计算结果如表7所示。

从表7可以看出，若二层南北端设置轴立转窗，对于二层的自然通风效果影响非常明显，建筑整体换气次数也由10.05提升至16.02，所提升比例达到37.3%，二层静风面积比例也由13.1%降低至5.1%。一层1.5m人行高度处的平均风速非但没有升高，反而降低了5.2%。这说明二层通过设置轴立转窗后，一层向二层的空气流通性加强。

优化后整体模型通风换气效果

通过上述对建筑构件和开启方式的优化分析，设计结合技术反馈优化定性相关的设计细节。经模拟计算优化后，建筑方案自然通风的综合效果在不考虑机房、卫生间和楼梯间等区域，过渡季节东北偏北风向下室内风速分布如图10所示，室外风北向和东北向门洞进入，一层整体通风换气次数达到了19.7次/h，二层整体通风换气次数达到了47.3次/h。

经过分析，南北端部设置中轴立转窗的设置，增大了建筑的引风口面积，可以提高37.3%的自然通风换气量；其次，建筑南端中庭顶部设置通风塔，增强自然通风的效果较为明显，每增高0.8m高度，建筑内部通风换气次数约增加0.4次；在隔墙上增设洞口，特别是西侧墙上的洞口，可以明显改善中部东西区域的气流流通性（图11）。

通过对上述增强自然通风措施的综合效果分析，可以看出建筑设计的平面布局、剖面形式和空间细节，都对建筑的室内自然通风效果有一定的影响，同时也满足绿色建筑的美学要求。

随风而筑——研究本体自然通风设计的意义

上海崇明生态艺术展示馆是随风而筑的典型实践，其建筑从总体布局、建筑平面、剖面、空间和细部的构思和发展都与风这个无形要素相互影响，继而相生，称之为本体自然通风设计。建筑建成后的整体效果、通风效率及通风构件在整体细节上的美学体现都让建筑师满意，其对建筑整体的贡献不在构件本身有多精美、多复杂，而在于建筑构件的通风功能性。建筑师可将技术问题看作一种设计为先的思维回归和拓展，让无形的风遵循特定的方式、途径在建筑内外游走。此刻，建筑仿佛有了生命。这些技术和思路在老祖先的民居建筑中早已实现和应用，并且千百年来一直发展。只是到了近代，受制于建筑的快速建造、设备的发展，建筑师和业主都忽略了这一传统或没有时间去研究发展，于是就慢慢不用了。

通过对本案风利用的设计分析，我们可以重拾绿色建筑设计中自然通风的一些建筑思路。建筑设计应注重对风环境、风资源的分析，更重要的一点是建筑师对营造室内环境的责任感和设计思维的延续性，即不能将室内环境设计职责甩手暖通工程师，用造价昂贵、先进的空调新风系统来解决一切室内环境问题。本体自然通风设计辅以现代分析技术，室内的风环境、风路径其实也可以通过平面、空间和细节构建出来，而不是完全依赖设备（图12～14）。自然通风技术本就是低技术、地域性和传统性的，应得到适当的推广宣传。