自然通风导向下的大空间建筑腔体植入研究＊

白晓伟 夏柏树 张宁 冯香媛

随着城市大型公共建筑的功能日趋复杂，大空间的竖向层叠、大空间与常规尺度空间的立体组合已成为常见的布局模式。空间布局的紧凑性降低了建筑界面与外部环境的接触机会，切断了气流运动的连续路径，增加了自然通风的难点。在大空间内部恰当地植入竖向腔体，可以重建内部空间与外部环境的关联，在热压作用的驱动下构建气流运动的连续路径。

在自然通风性能的导向下，既有研究围绕大空间内部的腔体布局类型、气流组织方式等已经展开了一定的探索。陈晓扬针对大空间建筑自然通风的难点，提出单元分区的气流组织策略，并根据不同空间类型的腔体植入方式，提出平面单元竖井式、大空间单元热压式、竖向单元组合式3种气流组织模式[1]。李钢等将建筑腔体按气流的组织方式划分为能量流的贯穿、拔取和引导三种类型，并在此基础上提出了类型的变异、并列、叠加和杂糅的转换模式，强调了腔体的通风性能[2]。李珺杰等根据不同的尺度、形态和位置，将建筑内部类似于腔体的“中介空间”划分为室外开放的“院落空间”、室内封闭或半封闭的“中庭空间”、室内封闭或半封闭的“井道空间”和半室外半开放的“界面空间”四种类型[3]。张帆等根据腔体的导控方式，将其分为缓冲导控的表皮腔、植入导控的内置腔和协同导控的共生腔三种类型，强调腔体既是气候调节器，也是生态、场所和空间导控的多目标复杂性存在[4]。夏柏树等依据腔体的不同尺度、界面状况及空间形态，将腔体划分为井道腔、中庭腔和天井腔三种基本类型，并拓展了各基本类型的若干典型形式[5]。

从本质上讲，建筑内部的腔体是一种可以引导物质、能量的流动与交换，具有生态调节作用的贯通性空间。腔体通过其形态和界面的限定，控制物质和能量的流动方向和交换方式，发挥空气对流、烟囱效应等物理作用，从而提升与改善空间物理环境[5]。相比于其他类型的腔体，井道腔体的平面尺寸较小、布局灵活、环境调控能力强[4]，而且井道腔体的植入对建筑的环境稳定性、建筑形象、功能布局、空间使用效率等方面的影响最小，更适宜大空间建筑的自然通风。根据界面开放程度和屋顶开闭状态，可将井道腔体进一步划分为导风墙、拔风楼梯间、通风塔、天井等类型。结合当前大空间建筑的发展趋势和腔体通风特性，本研究重点探讨小尺度的井道腔体在层叠式大空间建筑中的植入方式，并针对典型案例进行CFD（计算流体动力学）数值模拟，精确探索大空间内部的气流运动轨迹和分布特征。

1 大空间建筑的腔体布局类型

1.1 周边式腔体

通过在大空间周边并列布置井道腔体，可以构建跨越进深方向的气流运动路径。如图1所示，室外气流从大空间建筑外界面开口进入室内，在流经人员活动区域的过程中温度逐渐升高，最终在热压作用的驱动下由井道腔体排至室外。在周边式布局中，腔体沿大空间周边均匀布置，不介入建筑内部，保持了大空间的完整性。

1.2 内置式腔体

对于内部无需设置统一完整大空间的建筑而言，多个竖向腔体可以均匀地嵌入大空间内部，有效发挥气流调控作用。在内置式腔体的引导下，气流由建筑外界面开口进入室内，在热压作用的驱动下由腔体排至室外（图2）。内置式腔体可以结合功能布局自由植入大空间内部，与空间充分接触并进行气流交互，均匀调控气流。

1.3 复合式腔体

在特殊的设计条件下，当单一类型的腔体难以实现整体建筑的自然通风时，需要植入多种类型的复合式腔体，通过协同作用引导与调控气流。在复合式腔体布局中，气流不经由建筑外界面开口进入室内，送风与排风均设置单独的腔体（图3）。在复合式腔体的介入下，整体大空间被划分为若干个控制分区，在各分区单元的内部和周边分别植入通风腔体，通过协同作用实现自然通风。

2 周边式腔体的并置式植入

对于在功能上有完整大空间需求的建筑而言，腔体无法直接植入空间内部，沿空间周边并列布置井道腔体成为必然选择，可以在保证空间完整性的同时，构建跨越进深方向的气流运动路径。

在天津大学新校区综合体育馆设计中，主体大空间运动厅采用了竖向层叠的组合方式，紧凑的空间布局导致大空间仅有一侧外窗与室外连通。在高校体育场馆日常低成本运维的要求下，建筑内部精心构建了一套完整的自然通风系统。上层运动厅利用地面上的通风口和可开启的高窗进行自然通风；底层运动厅在保证空间完整的前提下，沿纵深部位植入一系列并置的双层夹墙作为通风腔体（图4）。在夏季和过渡季，上下层运动厅分别利用屋顶天窗和周边腔体的热压驱动作用进行自然通风[6]。

为了深入探索大空间运动厅内部的气流分布特征，研究搜集天津大学新校区综合体育馆的建筑信息，在CFD数值模拟平台Fluent 17.0中建立空间模型，通过网格划分、迭代计算及后处理等一系列流程展开模拟分析。有关CFD模拟的外部计算域尺寸、网格尺寸、边界条件、湍流模型等各项参数，均参照《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449-2018）[7]进行设定，在后续实际案例的模拟中均采取相同的参数设置方法。

天津大学新校区综合体育馆的CFD模拟结果如图5所示。底层运动厅的室外气流经由建筑立面开口进入室内空间，沿空间底部向纵深部位呈水平向运动。气流在进风口处风速较大，在流经运动人员活动区域的过程中风速逐渐衰减。部分气流在热压作用下由交界面开口进入周边腔体排出，还有部分气流反向流回底层外窗一侧，在剖面上形成较大“涡旋”。二层运动厅的气流分布与底部类似，但由于腔体的拔风作用较强，底层运动厅内的风速整体高于二层。在天津大学新校区综合体育馆内部，自然通风组织的难点在于大空间立体叠加组合导致纵深部位与外部环境隔绝。在纵深部位沿大空间周边均匀植入并置式腔体，可以在保证空间完整性的同时，重建跨越纵深方向的气流路径。

由奥雅纳参与设计的英国天空广播公司中心项目则通过在主要功能空间周边设置双侧通风腔体，实现对气流的整体调控。该项目为典型的大空间公共建筑，核心功能空间竖向层叠布置，上部为开敞的办公空间，下部为双层大型演播室。上部空间通过可开启的外窗和纵深部位布置的通风烟囱实现气流组织；底部大型演播室在电视录制的过程中需要严格控制外部噪声的传入，既无法利用可开启外窗作为通风口，也无法与上部的开敞办公空间共用纵深部位的通风腔体，其自身是一个独立的封闭空间。为了解决上述问题，沿建筑立面引入了一系列并置的通风井道，形成一套由演播室灯光余热驱动的自然通风系统，与上部办公空间的自然通风系统相互独立。外界新鲜空气通过演播室底部的声音衰减装置进入室内，经过演播室灯光系统加热后逐渐上升，最终经由外立面上的通风井道排至室外。在此过程中演播室内形成的负压吸入室外的新鲜空气，促进气流的连续运动（图6）[8]。沿立面分布的通风腔体在实现建筑自然通风的同时，也营造出独特的建筑意象（图7,8）。

1 周边式腔体示意图

2 内置式腔体示意图

3 复合式腔体示意图

4 天津大学新校区综合体育馆平面图

5 天津大学新校区综合体育馆剖面云图

3 内置式腔体的嵌入式植入

对于在使用功能上没有完整大空间需求的建筑，可以灵活嵌入内置式腔体进行通风组织。在结合功能布置的前提下，内置式腔体的植入有利于缩短气流的运动路径，实现更为充分的气流调控。

在云智大数据中心的设计中，结合地域气候条件植入一系列贯通室外的嵌入式天井腔体，实现对气流的引导。整体建筑采用简洁的方形体量，一层局部挖空，形成贯通南北的半室外空间。二、三层的大空间展厅层叠布置，通过植入贯通室内外的天井腔体与一层的水平架空部分相连通。结合建筑功能布局，选用了多点分散型的腔体植入方式，包括东西两侧容纳室外楼梯的长条型腔体及6个均匀分布的天井腔体（图9）。腔体的植入将展览空间划分为内部核心展厅和外围附属展廊两个层次，腔体的间隙可供使用者自由穿行，为展厅引入自然通风采光，丰富了空间层次，营造出流动的观展空间。

云智大数据中心的CFD模拟平面云图显示，气流经由外立面开口进入室内空间，进风口处风速较大，气流整体呈对称分布。气流进入室内后主要汇聚于中心部位的各个天井，气流路径短、流场分布均匀（图10）。剖面云图显示，室外气流在底部架空空间穿行而过，在竖向腔体热压作用的引导下，室外气流沿天井向上运动，使天井内部形成负压区；室内各层空气在负压作用下，经由幕墙通风器进入天井腔体，实现大体量展厅空间内部均匀的自然通风（图11）。

4 复合式腔体的协同式植入

特殊设计条件下无法通过大空间建筑的立面开口引入外部气流，需要植入复合式腔体通过协同作用精准调控内部气流。

由建筑师艾伦·肖特（Alan Short）设计的英国考文垂大学图书馆便是通过内置式腔体和周边式腔体的协同工作实现大空间自然通风的经典范例。受到环境噪声、空气质量的影响，以及图书馆安保要求的限制，立面外窗无法正常开启，导致常规的自然通风无法实现。为了应对上述问题，建筑师将平面划分为4个控制分区，在各分区中心分别植入一个送风井道，同时在整个平面的中心和四周分别设置排风井道，建筑的功能布置则围绕上述腔体展开（图12）[9]。

考文垂大学图书馆的CFD模拟结果显示，新鲜的室外空气经由地下室进入4个送风井道，然后均匀扩散至空间各处（图13）。在热压作用下，使用后的空气逐渐上升，通过交界面开口进入中心和四周的排风井道排至室外，形成完整的气流运动路径（图14）。排风井道顶部设集热装置，在吸收太阳辐射后温度迅速升高，进一步增大进排风口的温度差，从而增强热压自然通风的稳定性。上述内置式腔体和周边式腔体的单元式协同工作，实现了对气流的合理组织，在每个控制分区内，气流均以内置式腔体为核心向四周扩散，促进图书馆大进深空间的整体自然通风。

6 英国天空广播公司演播室和办公室自然通风示意图

7 英国天空广播公司外景

8 英国天空广播公司腔体局部

9 云智大数据中心平面图

10 云智大数据中心平面云图

11 云智大数据中心剖面云图

表1 三种腔体植入方式的对比分析

5 结语

结合对典型案例的CFD模拟研究发现，在自然对流的情况下，周边式腔体、内置式腔体及复合式腔体的植入方式均可实现大空间内部的自然通风。然而三种腔体的气流组织方式和分布特征各不相同，由周边式腔体、内置式腔体至复合式腔体，腔体的调控性能逐渐加强，气流组织作用更为精准、充分。三种腔体的布局特征及通风性能汇总分析如表1所示。

面对城市大空间公共建筑巨大的运行能耗，以自然通风为导向的腔体植入设计可以从空间设计的根本层面为建筑植入先天的绿色基因，有效降低运行阶段的碳排放量。腔体植入与建筑的空间组织、功能布局等设计因素紧密相关，应该在方案构思的初始阶段纳入建筑师的思考范围。一方面，应从整体的视角出发，在遵循空间构成逻辑的基础上，充分发挥大空间自身的通风潜力，并结合竖向腔体构建气流运动的连续路径，建立稳定的热压自然通风系统。另一方面，自然通风是一种微动力的空气运动形式，针对大空间建筑尺度巨大、室外气候条件不稳定及运行状况多变等自然通风难点，建筑师应积极运用必要的低能耗技术集成（如在腔体顶部增设集热装置和机械辅助设施），增强腔体自然通风的稳定性和适应性。

12 考文垂大学图书馆平面图

13 考文垂大学图书馆腔体送风示意图

14 考文垂大学图书馆腔体排风示意图

图片来源

1-3,9-11作者自绘

4,5作者根据文献[6]改绘6-8来源于文献[8]

12-14作者根据文献[9]改绘

表格来源

1作者自绘