高密度城市建筑立面开口设计探究

高密度城市建筑立面开口设计探究

城市不断向高密度城市模式的发展使得城市中心区域建筑规模与日俱增，建筑密度的加大、高度的提升以及人群的大规模聚集导致大量热量的释放，这些原因均让城市风环境日趋恶化。我们知道高密度城市空间形态对其所在区域内的空间构成和风环境都会产生影响，已形成有别于自然环境的城市风环境[1][2]。目前高密度城市的建设，在建筑单体设计时，过度依赖主动式通风设备而忽略对自然通风的考虑，立面封闭的建筑实体易在建筑背风面形成风影区，且建筑内部缺少自然风导致气流运行不畅，致使没有足够的清洁空气[3][4]。

建筑形态的设计应基于可持续、绿色、节能等如今建筑设计的核心价值观，从城市、街区、单体方面进行多层次、多角度考量，主动回应日渐突出的高密度城市室内风问题，以形成良好的室内风环境，促进空气循环，提高空气的呼吸性能和污染物扩散速率，进而提高室内环境舒适度[1]。

1 典型案例选取与研究方法

上海和新加坡都是典型高密度城市，在近几十年城市化高速发展的过程中，面对人口大量聚集和有限的可建设用地面积之间的矛盾，为使基础设施和社会资源的配置

史洁，同济大学中德工程学院副教授、博士生导师；朱丹，同济大学建筑城规学院博士研究生；宋德萱，同济大学建筑城规学院教授、博士生导师，中国建筑学会建筑技术专业委员会副主任委员，中国绿色建筑专业委员会委员，国家一级注册建筑师。使用更高效、合理，逐步形成高密度、大体量的城市空间形态[1]。在城市发展的同时，也同样面对严峻的城市环境问题，如热岛效应、空气污染、能耗过大等等。二者同为沿海城市，均有良好的自然通风条件，在自然风利用方面有很多相似之处可以借鉴，同时在建筑立面开口设计方法上也有很多共同之处。因此，本文将二者作为对比研究对象。

在对建筑立面基本开口方式、自然通风进行理论研究和初步案例调研的基础上，选取上海和新加坡4个体量相似的典型建筑为案例展开研究（表1）。在满足建筑功能的前提下，为充分利用自然风改善室内风环境，4个案例风道形式上各有不同，分别为直线形风道（上海中信广场）、“L”形风道（新加坡WESTGATE商场）、弧形风道（新加坡BUONA VISTA商场）和多风道（新加坡国立大学教育资源中心，Education Resource Center，以下简称ERC）；同时，立面开口方式也各有特征，有单侧开口、双侧开口、不同高宽比、不同位置、不同开口形状等等。4个案例的选取考虑多样化、差异化，又兼顾相似性和可比性。

在研究方法上，采用案例现场实测的方法在各建筑关键节点处布置测点，以掌握4个建筑在日常使用情况下，建筑内部活动空间的真实通风情况，测试结果为不同开口方式之间比较研究提供数值依据。

表1 案例介绍

2 实测实验设计

2.1 实验准备

本实验使用的主要测试仪器为TES-1341热线风速测量仪（图1），该仪器数据可以自动记录。为获得较为稳定可信的数据，每组测试时间为15min，同一组数据的各测点同时开始计数。测试的第一个案例中信广场，记录时间间隔设置为30s，每个测点记录30个数据。在对数据进行初步分析之后发现数据样本不足，测量数据的变化趋势不够精确。为提高测量精度，对记录时间间隔进行调整，案例2～4在测试时数据记录间隔为10s，每个测点共记录90个数据。

该实验分为室内和室外两部分，室外主要是监测气候环境的温度、风速，与室内参数进行对比。室内测试参数为风速、相对湿度、温度、湿球温度、露点温度等。

2.2 测点布置

各案例在进行设置时，除室外布置一个测点记录测试环境外，室内分别布置水平对比测点和垂直对比测点。根据各个案例不同的形体和通风情况，测点布置原则如下。

案例1中信广场（上海）水平测点整体沿东西向直线形主通风廊道均匀布置，同时在南北向风口对位的次通风廊道布点；垂直测点布置在南侧典型风口处一、二、三层垂直方向相同位置。

案例2 WESTGATE商场（新加坡）水平测点布置在各层“L”形风道的两端口、转角处和两边中间位置；垂直测点布置在典型风口和室内连廊的一、二、三层垂直方向相同位置。

案例3 BUONA VISTA商场（新加坡）为弧形风道，水平测点布置在各个立面开口处和室内主要通道上，垂直测点布置在典型风口一、二、三层垂直方向相同位置。

案例4新加坡国立大学教育资源中心ERC（新加坡）为多通道通风，各个方向均有尺度较大的进、出风口，水平测点布置在各个开口处和室内主要活动区域，垂直测点布置在典型风口一、二、三层垂直方向相同位置。

各案例具体测点布置如表2所示，测试仪器探头高度设置为1.5m。

图1 TES-1341热线风速测量仪

3 实测结果分析

4个案例的实测工作分别在2015年6月和8月完成，共测得实验数据114组（其中因仪器故障，无效数据2组）。基于前期分析和初步的数据筛选，选取具有对比意义的典型数据分析如下。

3.1 不同通风廊道形式对风速的影响

3.1.1 直线形风道

案例1中信广场（上海）的测试时间为2015年6月25日，当日天气情况为阴转大雨，风向为南风和东风。图2为同时测试的中信广场主风道室外测点A与室内测点B、C风速逐时变化图，测点B为室内通道上一点（南侧有开口），测点C为通道尽端较窄处测点。由图可知，整体来看，C点风速＞B点风速＞A点风速。在同一风道上的开口越窄，风速越大。

同时可以看出，在测试时间段内，室外风速较小甚至无风。建筑中庭的烟囱效应可形成热压通风，促进大堂内部的自然通风，即使在室外较小甚至无风的情况下，室内也能够有良好的自然通风。

3.1.2 L形风道

案例2WESTGATE商场（新加坡）的测试因测点较多和天气原因，分两次完成，时间分别为2015年8月10日和12日，测试时间段内均为晴天，风向为南风和东南风。该案例一层和四层风道均为L形，但开口方式不同。一层L形风道两端、中间转角处和两个立面均有开口，四层平面L形风道只有一端开口，转角处和另一端均封闭，为单侧开口风道。

由图3所示一层同时记录的各测点风速可以看出，转角C点两侧开口，风速最大；两端风口A、E两点次之；中间测点B、C最小。由图4所示四层同时记录的各测点风速可知，单侧开口风道风速最大点为开口处A点，B点次之，随着风道深入，风速明显随之减小。以上分析可知，对L形风道而言，为达到良好的通风效果，除两端开口外，

L形风道转角处也是设计要点，需在转角两侧立面分别开口，在两边均可形成直线形风道。

表2 4个典型案例测点布置

图2 中信广场一层主风道各测点风速逐时变化图

图3 WESTGATE商场一层L形风道各测点风速逐时变化图

3.1.3 弧形风道

案例3 BUONA VISTA商场（新加坡）的测试时间为2015年8月11日，天气情况为晴天。测试当天主要风向为南风，在建筑南立面有3个开口将风引入建筑内部。图5所示一层同时记录的各测点风速可以看出，C点风速明显小于A、B两点。由此可知，在立面为迎风面的情况下，开口尺寸越大，风速越小。

值得注意的是，在室外风均较为平稳的情况下，对比图5（弧形开口）和图6（直线形开口）可知，在室外环境风速较为均匀的情况下，弧线形开口的风速更加稳定，而直线形风口的风速易产生剧烈波动。

图4 WESTGATE商场四层L形风道各测点风速逐时变化图

图5 BUONA VISTA商场一层各测点风速逐时变化图

图6 WESTGATE商场一层各测点风速逐时变化图

图7 新加坡国立大学ERC二层各测点风速逐时变化图

3.1.4 多风道

案例4新加坡国立大学教育资源中心ERC（新加坡）的测试时间为2015年8月13日，天气状况为晴转雨。由前文表1可知，ERC为流线形平面，南向开敞面向草坪，其它3个外立面也均匀布置尺寸较大开口（5～10m），为多风道通风模式，起到“捕风器”的作用，将各个方向的气流引入建筑，而在建筑内部没有形成明确的风道。图7所示二层同时记录的各测点风速可以看出，除北部较窄通道两点D和E风速较大外，其余各开口测点出风速相似，与室外风速相差不大，基本属于纯风压作用的自然通风。与案例3相似，由于弧线形的设计，建筑内部即开口处风速都很均匀。

3.2 不同开口方式对风速的影响

3.2.1 有/无开口对比

如图8所示为WESTGATE商场二层3个测点数据对比，其中测点A和测点C处对应外立面有开口，而测点B为走道内一点，对应外立面无开口。对比A、B、C3点风速变化情况可知，有开口的测点A和测点C风速明显大于无开口的测点B。由此可知，立面有无开口对气流的导入具有很大影响。

3.2.2 双侧开口与单侧开口对比

图9和图10分别为WESTGATE商场一层、四层风道同时记录的各测点风速逐时变化图，如前文所述，一层L形转角处外立面有开口，而四层L形转角处外立面封闭无开口。对比二图可知，图9中风道两端均有开口可在风道内形成穿堂风，同时C点开口较小易形成快速气流，测点C风速大于A点和B点；图10中风道北端封闭无法形成穿堂风，因此气流进入风道内迅速衰减，测点A风速最大，B点次之，C点最小。由分析可知，双侧开口的风道可以提高通风效率，通风效果明显优于单侧开口风道。

3.2.3 开口高宽比

如前文所述BUONA VISTA和ERC案例可知，立面开口的高宽比直接影响风速大小。在该案例中，当立面开口的高宽比小于1.5∶1时，随着高宽比的增大，风速明显增大。但此数据只是本案例得到的经验数据，具体的边界数值，仍需进一步研究和验证。

图8 WESTGATE商场二层各风口测点风速逐时变化图

图9 WESTGATE商场一层L形风道各测点风速逐时变化图

图10 WESTGATE商场四层L形风道各测点风速逐时变化图

3.2.4 开口形状

如图11所示，为BUONA VISTA商场北侧两开口处风速逐时变化图，测点A和测点B的开口尺寸大致相同，而开口方式不同，测点A为喇叭形开口。两侧点风速如图所示，测点A风速明显大于测点B，可见在引风道尺寸相似的情况下，喇叭形开口可导入更多气流，相当于扩大了有效开口尺寸，可形成更好的通风效果。

图11 BUONA VISTA商场一层各风口风速逐时变化图

4 结语

在城市规划阶段，基于对城市风环境改善的考虑，会对建筑容积率、建筑密度、建筑机理等指标进行控制。但相同的密度和容积率，会产生完全不同的建筑形态，又将对室内风环境产生不同的影响。建筑立面开口可有效降低建筑迎风面面积，所形成的建筑内部通风廊道，既可以作为大尺度城市通风廊道的重要补充，又可以在小尺寸的建筑层面有效地促进局部空气循环，对形成自然通风、改善局部风环境有很大帮助。

基于上文对4个典型案例的实测结果分析可知，合理的建筑立面开口可形成高效的建筑内部风道，即使在室外处于弱风时，依然可在建筑内部形成良好的自然通风，并有效降低室内温度。为此，建筑立面的开口设计要注意处理好“引风”和“导风”两方面问题，一是要有利于将风引入建筑内部，二是要提高通风效率和通风质量。具体建议如下：①开口朝向和位置。立面开口宜设置在需通风降温季节主导风的迎风面，以利于将室外风导入。同时，建筑立面开口要注意对位关系，应有助于在建筑内部形成两端开口的风道，单侧开口室内廊道的通风效率降低很多。建筑内部风道不宜过长，在主风道两侧可均匀布置小尺度开口，辅助主通道加强通风效果。对于L形风道来说，转角处是立面开口设计重点，应尽量在转角两侧立面均设置开口。②开口大小。在立面为迎风面的情况下，开口尺寸越大，风速越小。在开口尺寸相同的情况下，喇叭形开口相当于扩大了有效开口尺寸，可导入更多气流，形成更好的通风效果。另外，立面开口的高宽比也直接影响风速大小，在该案例中，当立面开口的高宽比小于1.5∶1时，随着高宽比的增大，风速明显增大。然而此数据只是经验数据，具体的边界数值，仍需进一步研究和验证。③开口形状。弧线形平面比折线形平面在开口更易形成稳定风场，且在一定程度上增大有效开口面积，具有更好的引风效果。

应对高密度城市热环境问题的立面开口方式设计研究，作为建筑是对城市问题的回应，为建筑师在设计方法上提供了更有价值的形式问题，也使设计工作更有意义。

[1]Allwine K J, Shinn J H, Streit G E, et al. Overview of URBAN 2000: A multiscale field study of dispersion through an urban environment [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2002, 83(4): 521-536.

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[4]Kubota X Miura M, Tominaga Y, et ai. Wind tunnel tests on the relationship between building density and pedestrian-level wind velocity: Development of guidelines for realizing acceptable wind environment in residential neighborhoods^]. Building and Environment, 2008,43(10): 1699-1708.

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Exploration on Opening Design of Building Facade of High-density City

■ 史 洁 Shi Jie 朱 丹 Zhu Dan 宋德萱 Song DeXuan

高密度城市的模式发展使得城市中心区域建筑规模与日俱增，随着建筑密度、高度的攀升以及城市空间中人群大规模的聚集，使得释放出的大量热量不能及时排除，导致城市空间中微环境的恶化。城市空间的风环境是城市物理环境重要的影响因素，如何利用大气压差引起的空气运动，形成城市空间的一定的通风，是改善微环境的一个重要议题。目前城市微气候领域的研究已呈现出相关学科基于研究的需求向建筑学问题的渗透，为建筑学的研究提出了新的命题。文章试图研究城市弱风或静风环境下，由城市空间内部环境的非均一性而产生城市区域的大气环流来改善微环境，促进空气循环，降低城市热岛效应强度，提高城市空气的呼吸性能和加快污染物扩散速率，进而提高城市空间整体舒适度。

高密度城市；室内风环境；立面开口；风道

The building scales in the downtown areas of high-density cities are increasing due to the development mode. Along with increase of architectural density and height as well as massive gathering of population in urban space, the large amount of heat cannot be dissipated so as to result in deterioration of urban microenvironment. The wind environment within the urban space is a key influential factor of urban physical environment. Therefore, it is an important subject for improving the micro-environment that how to utilize the atmospheric pressure difference to produce air flows, and then form certain ventilation within the urban space. At present, the studies in urban micro-environment field shows the trend that relevant disciplines infiltrate towards architectural issues on the basis of research requirements such that new propositions are raised for architecture studies. The paper tries to study on utilizing the atmospheric circulation within urban area that is generated by inhomogeneity of internal environment of urban space to improve the micro-environment, promote the air circulation, reduce the intensity of the urban heat island effect, improve the urban air breathing performance and accelerate the diffusion rate of the pollutant, and then enhance the overall comfort of the urban space.

high-density city, indoor wind environment, facade opening, air duct

2016-12-01）