住宅空间体量利用效率量化分析及其应用∗

王锦汇，潘永刚，谷成，陈佳慧，赵吉，张俊龙

(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830049)

0 引言

当前，城镇人均住宅用地十分紧张，盲目追求高大阔气，大量消耗资源的粗放型住宅设计模式已然过时，提升住宅空间使用效率的精细化设计即将成为住宅设计的主流[1]．

然而，对空间利用效率的研究在建筑学领域中始终是一个有争议的话题．首先，建筑学中的“空间”是一个极为宽泛的概念，诸多的论著都曾试图对其进行描述，大体集中在两个方向，一是以人为对象，从人的五感和心理感知出发来研究住宅空间，例如知觉空间（Perceptual Space）、存在空间（Existential Space）等理论；二是以空间的量、质为主题来描述空间，如空间原型、边界、温度、湿度、采光等．关于空间量化的理论有BillHillier的空间句法理论，张毓峰、杨秉德的“基本原型”理论等．其中空间句法理论从几何规律出发阐释空间元素之间的逻辑关系，近年来得到了广泛的认可和应用；“空间原型”理论则将人的视觉和运动的限定作为研究的出发点，从逻辑关系出发进行定性研究，设定最小空间单位为空间原型，再以此量化空间．

为了精确衡量住宅面积与层高的合理性，并为今后住宅空间体量的精细化设计提供参考[2]，本文试图从三维体量的角度来研究量化分析空间，将空间看做一个有边界概念的体量，不同功能的房间不仅开间、进深不同，空间布局也是在不同高度上展开的[3]．这种量化是通过个人刚性面积需求和竖向利用数据统计的曲线来建立的，是一个更加偏重于应用的数学模型．应用这种空间量化方式来进行住宅空间的精细化设计，控制住宅中每个空间的体量尺度，不但可以解决当前住宅空间设计不合理产生的诸多弃购事件，还可以大量节约我国住宅建设的资源和成本，更可以让住宅空间的趣味性和流动性更强，改善人们对集合住宅内部空间方盒子般单调的呆板印象．

1 “空间体量”分析

1931年，建筑师阿道夫卢斯的第一本作品集中明确提出Raumplan的概念，即“空间体量设计”[4]．该概念着重设计不以首层、上层或下层为明确分界线，却又相互联接、相互关联的空间．这种紧凑的三维空间有着不同的长、宽、高，带来节约空间，节约成本的经济效益的同时，也极大丰富了空间的表现．因此“空间体量”可以解释为不同功能的房间所对应的三维体量．

2 住宅空间体量利用效率计算分析

2.1 “面积”与“体量”概念

1）住宅使用面积：住宅使用面积是按住宅的内墙边界水平投影线计算，指住宅中全部可供使用的空间面积，包括居住面积与辅助面积两部分（现行的《住宅设计规范》中已经删除住宅居住面积与辅助面积的概念，但为了便于计算，将其引用）；

2）住宅居住面积：住宅的居住面积是指住宅平面中可供住户生活使用的起居室与卧室的净面积之和．根据国家规范，居住面积对应的层高不应低于2.4 m[5]；

3）住宅辅助面积：辅助面积是指住宅平面中除去居住面积之外的室内其它空间净面积，包括厨房、卫生间、阳台、贮藏室、交通空间等．根据国家规范，辅助面积对应的层高不应低于2.2 m[5]；

4）住宅使用空间体量：是指住宅使用面积所对应的三维体积；

5）住宅居住空间体量：是指住宅居住面积所对应的三维体积；

6）住宅辅助空间体量：是指住宅辅助面积所对应的三维体积．

2.2 建立空间量化方程

2.2.1 住宅使用空间体量计算式

式中V为住宅使用空间体量，单位m3；V1为住宅居住空间体量，单位m3；V2为住宅辅助空间体量，单位m3；h为住宅净高，单位m；S为住宅使用面积，单位m2．

2.2.2 住宅有效使用空间体量计算式

式中av为住宅使用空间体量利用效率；ah为住宅净高利用效率；as为住宅使用面积利用效率．

2.2.3 住宅使用空间体量利用效率计算式

式中av1为住宅居住空间体量利用效率；av2为住宅辅助空间体量利用效率；s1为住宅居住面积，单位m2;s2为住宅辅助面积，单位m2．

2.2.4 住宅居住空间体量利用效率计算式

式中as1为住宅居住面积利用率；ah1为住宅居住空间净高利用率．

2.2.5 住宅辅助空间体量利用效率计算式

式中as2为住宅辅助面积利用率；ah2为住宅辅助空间净高利用率．

2.2.6 住宅居住面积利用率计算式

式中s0为住宅居住空间最小面积，单位m2．

2.2.7 住宅辅助面积利用率计算式

式中s0为住宅辅助空间最小面积，单位m2．

住宅居住空间面积标准与住宅辅助空间面积标准：根据国家住宅设计规范，双人卧室不应小于9m2；单人卧室不应小于5m2；起居室(厅)的使用面积不应小于10m2；由卧室、起居室、厨房和卫生间等组成的住宅套型的使用面积，不应小于40m2；三件卫生设备集中配置的卫生间的使用面积不应小于2.5m2[6]；储藏空间按每人0.5m2计算，交通空间两室一厅及以下按6m2计入（市面上小户型一般在6m2以上），三室一厅及以上按10m2计算面积（三室一厅户型一般在10 m2左右）．阳台面积一律按照4m2计入．为方便计算，采用居住面积与辅助面积的概念，居住面积包括卧室与起居室的面积总和；辅助面积则是厨房、卫生间、阳台、储藏室、交通空间等的面积总和．

根据不同家庭组成类型与户型情况，依照住宅设计规范查表1可得满足居住最基本需求的最小居住面积s0与最小辅助面积s0．

表1 满足居住最基本需求的最小居住面积s0与最小辅助面积s0

2.2.8 住宅居住空间净高利用率计算式

式中ah1为住宅居住空间实际净高利用率；ah2.4为住宅居住空间最小净高利用率．

2.2.9 住宅辅助空间净高利用率计算式

式中ah2为住宅辅助空间实际净高利用率；ah2.2为住宅辅助空间最小净高利用率．

空间净高利用率与空间净高实际利用率不同，其中空间净高利用率是空间实际净高利用率与空间最小净高利用率的比值．

2.2.10 空间实际净高利用率计算

2010年我国男子平均身高约为1.70 m[7]，考虑到人在室内活动时的鞋与帽的影响，将1.8 m以下空间效率视作100%．对于高1.70 m成年男子来讲，举手摸高2.1 m左右，手持一件简单物品至2.2 m左右，即层高2.2 m为居住站立行为最低高度（符合我国住宅设计规范对于室内净高不宜低于2.2 m的规定），所以1.8 m到2.2 m的空间利用效率除去考虑空间的家居占有率之外还需考虑人的活动因素．人的行走跳跃摸高可达2.35 m，取大值约为2.4 m，所以2.2 m到2.4 m高的空间使用效率仍需考虑部分人的行为活动因素[8]．由于我国住宅层高普遍在2.7 m到3.0 m，所以在跳跃摸高以上的2.4 m到3.0 m之间均为心理可感知的缓冲空间，此时空间使用效率可以忽略人的活动影响[9]．即1.8 m到2.4 m空间使用效率需加人为活动的因子，而2.4 m到3.0 m层高的高度利用率与实际建模分析结果为准．

本文通过三维软件对市面上流行的住宅室内空间分布进行建模，将每个户型的室内层高每隔0.2 m进行竖向剖切分析（仅分析2.0 m到3.0 m，1.8 m及其以下按100%考虑），将剖到的每一层的家居空间利用色块覆盖，并逐层计算出空间的利用率，如表2所示．考虑到吊顶与灯不影响室内的空间分布，故将其忽略以精确计算．

表2 住宅室内不同高度的利用率（不计入吊顶与灯）

根据表3统计分析可得空间不同高度利用率变化趋势，如图1．

图1 空间不同高度利用率变化趋势

图2 空间高度利用率部分曲线优化为正态分布曲线

由于2.4 m到3 m空间高度利用率较为符合正态分布方程部分曲线特征，且1.8 m到2.4 m空间高度利用率需加入人行为活动的因子，为便于数值分析，优化1.8 m至2.4 m空间高度利用率曲线，使其符合正态分布曲线，如图2所示.根据数据建立空间高度利用率方程

式中f(h)为空间高度利用率.

图3曲线为优化后的空间实际净高利用率曲线，其中色块面积分别为层高到2.2 m空间高度利用率之和，色框面积为层高到2.4 m空间高度利用率之和，计算出到2.2 m空间高度利用率的加权平均值作为辅助空间最小净高的利用率．

即同理求出居住空间最小净高的利用率

为方便之后的计算，将2.2∼2.4 m与2.4∼3.0 m净高空间使用效率曲线分别简化为一次函数进行计算，如图4所示.

图3 ah2.2与ah2.4

图4 简化后线性方程

简化后线性方程

式中f(h)为空间高度利用率.

代入住宅净高高度并计算加权平均值，可求出空间实际净高利用率

代入式(9)与(10)中即可求出空间净高的利用率．

由上述推导公式可得：当居住空间层高为2.4 m，辅助空间层高为2.2 m，面积为住宅设计规范各必需空间最小值的住宅，室内空间使用效率为100%．

2.3 分析案例

以成都市成华荆竹西路保障性住房B-1户型为例[10]，见图5所示，房间各参数见表3.

图5 B-1户型平面图与B-1户型各房间色块填充图

表3 B-1户型参数

依上式进行计算得

即该户型的空间使用效率为58.96%．

对比一个使用面积相仿的住宅空间设计较为精细化的某住宅案例，如图6所示.各房间参数见表4.

表4 精细化设计住宅参数

可得av=76.11%.

即该户型的空间使用效率为76.11%．

以上两例都是两室一厅（4人）住宅类型，使用面积分别为66.64m2和56.07m2，前者为我国保障性住房设计，面积分配合理，符合现代人生活方式，但层高没有变化，后者面积略小，面积较为合理的同时各房间空间高度也随着住户的需求进行相应变化，空间利用率高出普通住宅近20%．所以，住宅空间利用效率是一个反应住宅空间设计合理度的数值，利用这种计算方法，可以对空间的利用进行明确量化．

图6 精细化设计的户型平面图与楼层剖面图

3 结论

通过对数个住宅室内布置进行仿真模拟分析，寻找出竖向空间的利用规律并建立数学模型，结合前人对住宅面积的理论数据，提出一种新的量化住宅室内空间的方法，这种方法可为今后住宅的精细化设计提供参考．住宅空间的精细化设计作为未来住宅设计发展趋势之一，不仅打破了传统单调的平面与竖向设计形式，使室内空间更富变化，也带来了相对低廉的建筑造价和较高的空间使用效率[11]．住宅空间体量利用效率的计算可以明确量化住宅空间体量．