办公建筑中具有被动式潜力的节点设计分析

王强 马静

摘 要：针对办公建筑高能耗的现象，从空间组织中各节点的设计优化入手，以实现办公建筑的绿色设计和节能设计。应用类型学和案例分析的研究方法，分析相关实例的空间组织，分别从外部空间、内部空间和围护界面三个方面提取与办公建筑空间组织相关的各节点的设计策略。

关键词：办公建筑；空间组织；绿色建筑；空间节点

作为一类重要的公共建筑，办公建筑的建筑面积占公共建筑的40%以上，其总能耗也呈此趋势[1]。由此可见，办公建筑具有较高的节能潜力且兼具重要的现实意义。如何降低办公建筑的能耗，实现可持续的发展，一直是绿色建筑领域的热点议题。为解决由建筑设计欠缺引发的人际交往问题，将建筑空间组织与被动式设计相结合，可以在创造丰富的空间形态的同时，创造舒适的物理环境以满足人际交往需求。被动式设计被人们普遍认为是建筑师在绿色建筑设计中可以掌控的一个切入点，自20世纪50年代以来，世界诸多气候区的建筑师做出了相应的建筑实践，值得借鉴[2]。

一、建筑外部设置可调节微气候的缓冲空间

根据空间类型及要素，其分为绿化和水体、庭院和冷巷、灰空间等形式。这类空间对于建筑内部的气候环境有着间接的影响，因此这类空间的环境是一个不容忽视的设计点，可设置可调节微气候的缓冲空间。

（一）绿化和水体的设计

绿化和水体对微气候的影响主要体现在温度、湿度、风速等气候因子上。

相关研究表明，国内外对于绿化的研究主要包括植物群落类型、布局形式和植物配置结构等与微气候的关系，这些研究强调了树木遮阴蔽凉的重要性，提出乔—灌—草的最优植物配置模式。选用叶面积指数大的植物，以乔灌结构为主、带状布局的植物群落，对微气候的调节作用较好[3]。合理设置不同高度的高大植物，会对场地风环境产生不同的影响。具体来说，高低错落的不同树木的组合使风导向不同的方向。基于建筑通风需求，可以将低矮的树木设置在建筑主导风向一侧的较远处，而将高大的树木设置在建筑近侧，以收集不同高度的自然风。基于建筑防风要求，则通过相反的逻辑，将高大的树木设置在较远处，低矮的树木设置在近处，使自然风向建筑上端进行疏导。人造水体具有良好的降温加湿的作用，在水体的处理上，尽量设置在夏季主导风向的迎风面一侧。

（二）庭院和冷巷空间的设计

庭院是在建筑中间开放的外部场所，通过半融入建筑的形式，对建筑内部环境采光、通风等因素都有着较大影响。冷巷是我国南方地区特别是岭南地区的建筑外部空间形式，指房屋之间相互交错而成的一种相对狭窄的小巷。单纯的院落民居天井通常情况下只起风压作用，增加了冷巷，就可以有热压作用。冷巷的通风效果与朝向有密切关系，岭南地区主导风向为东南或南，因此冷巷一般为南北向。

针对不同的气候类型，庭院和冷巷空间有着不同的设计要求。在主要考虑夏季的炎热地区，可采用进深较浅的庭院和小的通风天井的形式以促进气流的流动，也可以考虑利用冷巷空间。在主要考虑冬季寒冷气候的地区，需要尽量保持界面的开阔性，同时加大庭院的进深以保证充足的日照时间。由于冬季气候寒冷，我国北方的建筑以较大的楼间距和低矮的楼体为特征，内院式的建筑也尽量保持院落的长进深，因此，为吸取太阳辐射热，需要保证室外空间足够开敞。

（三）灰空间的设计

在色彩中，灰色代表着具有不明确或不明显的倾向性的色彩。灰空间在某些意义上，既不属于室外，也不属于室内，是一种“第三空间”。从气候属性上看，灰空间偏向于室外空间，受到自然风环境和光环境的直接影响并拥有更多的环境接触面。灰空间对于室内空间的主要影响是可以利用自身形体遮阳形成阴影区，并疏导自然风。室外灰空间主要有架空式、檐下式、双层外墙式等设计形式。

二、内部空间设计挖掘被动式潜力

办公建筑的内部空间主要由主要功能空间和辅助空间构成。办公建筑内部空间各要素的组织设计都具有较大的被动式潜力，探索内部空间各节点的针对性设计策略，能够大幅度提升办公建筑的节能效率。

（一）主要功能空间设计

1.常规条件下主要功能空间设计

常规条件是指场地较大且无外部遮挡物的条件，在这种情况下，主要功能空间的设计就有了较高的自由度。

在常规条件下，主要功能空间的设计要点首先是保证良好的朝向，以最大化获取太阳辐射和自然采光。在北半球，最佳的朝向一般是南向，其次为北向。合理的进深是太阳辐射最大化直射到室内最深处的保障，进深太大会导致室内最深处常年无法接收到太阳直射而增加照明能耗。因此，主要功能空间可选择利用薄形平面，以优先利用自然通风与采光。薄形平面指的是长面宽、小进深的建筑形式，除了主要功能的布置外，公共空间只选择窄长的必要廊道作为交通连接。保证合适的楼间距是薄型平面发挥作用的关键，要保证薄型平面的底层也能接受到充足的太阳辐射。此外，利用“温度洋葱”理论，按照不同功能对于温度的要求，把不同空间从内向外依次布置。其主要原理是通过设置具有梯度的空间，实现最大限度的节能。

2.不利环境下主要功能空间设计

建筑设计在大多数时候都不能够保证场地条件充足、朝向和地形有利等，各方面都会受到实际环境条件的限制。具体的限制因素体现在气候因子上，可分为对最佳采光的遮挡和对气流的遮挡。

采光受遮挡的原因是多方面的。在城市中通常是周圍的高大建筑物遮挡，或是受地形地貌的起伏和场地构筑物的影响。可采用自适应的空间形式以面对不利的采光：如果南向采光被遮蔽了一部分，导致建筑底层空间没有良好的采光，可采用阶梯式的建筑形体以保证建筑上部的良好采光条件，或是采用底层架空的形式，将主要使用空间进行拔高处理；如果南向采光受到严重遮挡，可采用院落式或中庭式的建筑形式加强主要空间的采光，或是采用天窗采光或屋顶太阳房的形式；如果南向采光被完全遮蔽，建筑应该加大其他面的开窗面积以改善采光条件。采光受遮挡的同时，自然风也会受遮挡，使建筑所在场地内的风导向高处或两侧。为尽可能利用良好的自然通风，可通过优化建筑形体实现对自然风的捕捉，采用弧形的外部形态或是倒阶梯的建筑形式都能针对性改善不良的通风条件。

（二）辅助空间设计

辅助空间主要指建筑内部的公共空间以及辅助性的功能房间，其中最主要的是公共空间。这类空间又可以称为过渡性空间或缓冲空间，功能是为公共建筑引导人流向各方向集散，以保证与主要功能空间在功能和空间组织上的联系。在与气候环境的关系方面，这类空间由于与外界环境接触更为紧密，对于室内气候的影响和调节效益更加显著，因此在调节建筑物理环境方面发挥着重要的作用。根据空间功能属性及与外界界面的关系，辅助空间可以分为水平贯穿式、垂直缓冲式、引入式和隔绝式四种类型。

1.水平贯穿式空间设计

在办公建筑中，水平贯穿式空间主要指联系水平向交通且将各房间串联起来的走廊空间。这些走廊一般是通廊，能够通过联系不同布局的功能房间，形成南北向或东西向的橫向贯通空间，通过通廊尽头的透明围护结构实现与外界的能量交换。也有些走廊是首尾相连式的，形成各方向的环状空间，通过与一些特定节点或是庭院的外围护结构的交界形成能量的交换。水平贯穿式空间在被动式设计中所需要关注的设计要点，是保持空气的流通和适当引入采光。

由于水平贯穿式空间有利于加速气流在横向空间的流通，所以这类空间的一大特征是有利于促进风压通风。在夏季，为保证水平贯穿空间的气流流通，需要尽量开启尽端的通风窗口，将气流通过通风窗口引入室内，由于水平贯穿空间窄且长，气流加速通过，可以实现通风降温且排出室内余热的作用。在冬季，为保证室内温度的舒适，通风窗口需要关闭，且需要有尽量大的接触面，以保证白天能够吸收到足够的太阳辐射。

2.垂直缓冲式空间设计

在办公建筑中，垂直缓冲式的空间主要指贯穿建筑各层的高大庭院或井道空间。例如中庭、边庭和天井空间，都是体现建筑在垂直向上贯穿各层，实现能量从底层地面至屋顶的纵向传递的空间。

垂直缓冲式空间主要利用了热压通风的原理，通过底层界面和中庭顶部界面的温度差，空气遇冷体积收缩密度增加，气流自下而上流动，将底层较低的温度通过气流传递到上面各层，以降低夏季的室内温度，而顶部的玻璃界面可以吸收到自然光，进一步加热了顶部空气，增强了热压通风效应。在冬季，垂直缓冲空间可以形成一个温室，吸收白天的自然采光以提升室内温度。垂直缓冲空间的不同形状对于温室效应和热压通风效应的加强有着不同的体现：上窄下宽的正梯形有利于增强热压通风，而上宽下窄的倒梯形有利于加强温室效应以带来更多的采光。因此，正梯形的垂直缓冲空间和进深小且高大的垂直缓冲空间更加适应主要满足夏季需求的地区，而倒梯形的垂直缓冲空间和进深较大的垂直缓冲空间更加适应主要满足冬季需求的地区。

3.引入式空间设计

引入式空间主要指用于引导人流集聚与疏散的厅式空间，它是将人流从入口处集聚，并通过门厅空间连接水平贯穿的廊道或垂直的交通空间，将人流引导至建筑各处的空间。在空间形态上，引入式空间的主要形式是高大入口空间与上述的水平贯穿空间或垂直缓冲空间的结合。

为提升被动式设计的综合效益，公共建筑在过渡性辅助空间的设计上不止会采取一种过渡性空间形式。引入式空间中的能量流动综合了水平贯穿式和垂直缓冲式的形式，对于气流的引导既存在风压作用下的通风形式，又存在热压作用下的通风形式，分别体现在其中的入口人流引入空间和与之相连接的贯穿走廊。目前许多办公建筑都会采取这样的引入式空间，但是在能量过渡逻辑上缺乏系统性的思维，导致其被动式效应不佳。

4.隔绝式空间设计

隔绝式空间的空间逻辑体现的主要是对于外界自然环境的抵御性。隔绝式空间分为遮蔽式空间和包裹式空间。遮蔽式空间是通过建筑形体或者构筑物将建筑部分空间进行遮蔽，以避免受到强烈的采光的影响，根据遮蔽的面积大小又可进一步分为部分遮蔽式和整体遮蔽式。包裹式空间是将独立于建筑主要功能形体外的部分辅助空间进行包裹，以实现对于自然风环境的抵御，这类空间通常采用大面积的透明围护结构以吸收自然采光，根据与主要空间的接触面的大小可分为部分包裹式和整体包裹式。

隔绝式空间对于建筑内部自然和气候环境的调节具有显著的效果，能为建筑内部提供相对舒适的人工环境，并直接影响到建筑主要功能的物理环境。

三、围护界面设计适应空间模式

围护界面的设计往往是独立于建筑空间，针对自身构造上的不同组合以满足传热系数、热惰性指标等的要求，同时通过减少渗透率以满足自身的热工性能，实现建筑的节能设计。围护界面通常既与室内空间产生关联，又与外部环境有着密不可分的联系。按照具体表现形式，可分为开放型维护界面和联通型围护界面。

开放型围护界面是指围护界面各要素尽量对外界敞开，包括透明围护结构拥有较大的可开启窗扇面积和非透明围护结构设置洞口等形式，增加与外界环境的交流。在不同的季节，应对不同的使用场景，开放型围护界面可以进行灵活调节，其中最主要的方式就是调整界面的开闭，即冬季用于蓄热储热的较为封闭的空间，夏季可以形成遮阳通风的开放或半开放空间。

传统的围护界面为避免与外界的过度接触，往往与外界接触面积较小，除了外围护结构性能不佳造成的渗透之外，平时仅通过必要的开窗通风保持与外界的气流交换。而顺应自然气候环境，利用自然风和自然光对室内气候进行疏导，需要能够与外界联通的围护界面。所谓的联通型围护界面，就是结合建筑内部空间对气候的疏导，将其进一步与外界进行联系，通过通风塔或导风构件联通气流，实现建筑内外能量转换的围护界面形式。

四、结语

针对外部环境、内部空间、围护界面这三类不同的空间形式分类，利用类型学的研究方法细化各类要素或空间节点，并提出各节点具有针对性的设计策略。这三类空间节点要素之间存在互相影响、相互制约的关系，要想使建筑整体最大化发挥自身的被动式设计的作用，不可能仅凭一项要素的完备设计就一劳永逸，而是需要各要素的协同而发挥整体性作用。

参考文献：

[1]中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告2020[J].建筑节能（中英文），2021（2）：1-6.

[2]STEELE J.Ecological Architecture： A Critical History[M].London：Thames & Hudson，2005.

[3]许晨，黄奕婷，迟晓立.基于建筑与绿化因素对城市居住区微气候影响综述[J].现代园艺，2022（23）：35-37.

作者简介：

王强，河南工业大学土木建筑学院硕士研究生。研究方向：建筑设计及其理论。

马静，博士，河南工业大学土木建筑学院教授，硕士研究生导师。研究方向：建筑设计及其理论。