从地理位置来说, 我国夏热冬暖气候区位于北纬27°以南, 东经97°以东。从行政区划来看, 夏热冬暖地区包括广东大部、广西大部、福建南部、云南小部分及海南、香港、澳门、台湾全境。从气候角度而言, 夏热冬暖气候区是指最冷月平均温度>10℃、最热月平均温度在25～29℃、全年日平均温度≥25℃的天数在100～200天的地区, 是我国五个气候区之一 (图1) 。

夏热冬暖气候区一年中极端高温可达40℃, 年平均相对湿度80%, 年降水量达1 500～2 000mm, 年总辐射照度为130～170W/m², 年平均风速为1～4m/s。总而言之, 夏热冬暖气候区长夏无冬、温高湿重、气温年较差和日较差均小;雨量丰沛, 多热带风暴和台风袭击, 易有大风暴雨天气;太阳高度角大, 太阳辐射强烈。

因此, 夏热冬暖气候区的建筑须充分满足夏季防热、通风、防雨的要求, 冬季可不考虑防寒、保温;尽量避免西晒, 在外界面设置遮阳构件, 并尽可能增强通风效果;注意防暴雨、防洪、防潮、防雷击等自然灾害, 夏季施工时应有防高温和暴雨的相应措施 (图2) 。

在夏热冬暖气候区的聚居历史中, 为应对区域气候环境, 人们形成了一系列质朴有效的气候适应性设计智慧, 集中体现在聚落、民居、庭园等方面。如典型广府梳式布局的广州塱头村, 由于冷巷和三合院天井的存在, 带动了村庄整体空气的流通;广州矿泉旅社利用底层架空引入水庭, 形成了通风条件优良的休憩场所;佛山梁园设计了大面积绿化和开阔水面, 降低了周围环境的温度。

经过近现代建筑师的传承与发展, 夏热冬暖气候区逐渐形成了相对完整且独具特色的建筑体系, 以满足自然通风、遮阳、隔热、防潮等要求 (表1) 。

(1) 布局通风:良好的朝向和布局可以获得适宜的引风条件。夏热冬暖气候区主要采用梳式布局和密集式布局两种主要形式, 天井与巷道 (冷巷) 在通风中起着重要作用。

(2) 院落、庭园:开敞布局和多层次的院落有利于通风散热, 缓解暑热闷湿。合理运用园林、庭院, 配置植物、水体, 将建筑与园林结合设计, 可以降低环境温度, 调节微环境。

(3) 敞厅、连廊:院落、天井、厅堂等功能空间通过敞厅、廊道相互联系, 空间融通。在这里廊道不仅是交通空间, 还具有遮阳避雨、组织通风、控制采光的功能。

(4) 架空、骑楼:架空的底层可以导风入室, 有效降低室内温度。骑楼是一种特殊的架空形式, 集遮阳、避雨、交通于一体, 有利于人行道和沿街店铺的通风、散热和除湿。

(5) 天窗、通透墙:天窗有利于吸收阳光, 加速通气、净化空气。通透墙可以将封闭的空间变为半开敞空间, 加强室内外空气交换。

(6) 遮阳设施:采用各种遮阳措施控制阳光的摄入量, 如骑楼、雨棚、凉廊、窗口遮阳构件等, 防止阳光直射入室内。老虎窗、阁楼、天井等措施既能通风, 又能遮阳和控制采光。

随着绿色建筑的设计理念不断深入人心, 如何适应当地气候以达到节能、节水、节地、节材和环保的要求, 成为建筑师的新追求。夏热冬暖气候区先后涌现出大量的经典绿色建筑, 建筑师充分结合其地域条件, 实现了绿色建筑设计目标。如广州市气象监测预警中心将应对地域气候的空间策略与其场地条件相结合;何镜堂工作室以内庭院为核心布置建筑, 使内庭院与巷道气候相互调节、配合;深圳建科大楼在设计中引入了“空间引导行为”的设计理念等。结合这些新的绿色公共建筑从建筑师的角度思考了达成绿色建筑的若干策略和方法, 并形成了一些有益的经验 (表2) 。

(1) 建筑布局利于自然通风。整体以梳式为宜或局部采用错列式、斜列式与自由式布局, 以增大迎风面, 避免采用周边式, 以防阻碍风的导入。

(2) 建筑考虑采用自遮阳的形式。结合不同类型建筑的特征, 利用建筑自身屋檐、悬挑体量等形成自遮阳系统, 减少建筑表面接收的太阳辐射。

(3) 设计注重屋顶、底层及垂直界面的遮阳隔热处理。通过设置架空层、屋顶花园等方式, 对建筑下部空间形成遮挡, 减少建筑物的辐射得热。

(4) 立体庭院和通风天井的置入或灰空间等中介空间的灵活设计, 有利于建筑内部的自然通风与采光。

(5) 通过平面温度分区解决大尺度空间节能问题。体量较大的公共建筑可根据空间功能和位置差异完成平面分区控制, 并采用多联机技术系统, 实现区域单独控制、有效降低能耗的目的。

(6) 探索新能源替代传统能源的方法, 例如太阳能、地热能等可再生能源, 综合利用设备节能等新技术达到绿色建筑的目标。

绿色建筑设计是一个相对庞大的体系, 研究以“夏热冬暖”作为特定气候区和对应的地域范围, 以“绿色建筑”为设计目标, 以“公共建筑”为主要对象, 从建筑学本体的视角出发, 重点从被动式设计方向探讨夏热冬暖气候区的绿色公共建筑的气候适应性问题, 涉及建筑的舒适性、耐候性及安全性三方面¹。因为建筑是影响和调节气候的腔体, 为人所使用², 因此研究将从气候、建筑和人的相互关系层面, 探讨夏热冬暖气候区公共建筑设计的要点、传承以及基本方法, 在满足当代建筑功能和空间等要求的前提下, 结合地域条件, 如资源、材料、技术等, 进行合理的建筑设计, 以适应气候, 优化环境, 达到“绿色建筑”的目标。

针对夏热冬暖气候区日照时间长、太阳辐射强、潮湿多雨等气候特征, 以及绿色公共建筑遮阳隔热、通风散热、环境降温、防雨防潮防台风等关键问题, 以夏热冬暖气候区传统绿色建筑设计经验为基础, 借鉴其积极融入自然环境的被动式策略, 进一步研究和总结了夏热冬暖气候区新建筑的绿色建筑设计方法, 探讨了当代公共建筑在功能和空间新需求下的绿色建筑发展方向³。从夏热冬暖气候区既有历史经验和新实践中提炼并拓展出绿色公共建筑设计的一般性方法和创新性思路, 并与绿色建筑新技术、新材料等集成运用, 形成了适应夏热冬暖气候的绿色公共建筑设计新模式, 为夏热冬暖气候区绿色公共建筑的设计实践提供了科学指导。

综上所述, 拟解决的关键问题包括:1) 针对夏热冬暖气候特点与公共建筑的特征, 总结和探索绿色建筑设计的新理念与新方法, 提出可推广的夏热冬暖气候区绿色公共建筑设计模式与营造方式;2) 针对特定的项目实践, 进行绿色建筑设计模式的甄别与优选, 将其切实运用到设计实践的全过程当中;3) 通过技术手段确定在设计模式中涉及的建筑形体和表皮操作的量化指标。

针对绿色建筑节能、节地、节水、节材和环保等要求, 从空间规划设计、建筑空间设计、围护结构设计、建筑结构、建筑构造和建筑设备等多个层面, 归纳适应夏热冬暖气候的绿色公共建筑设计导则, 并在此基础上建构完善的设计策略集成优选机制, 最后以设计导则为成果导向, 对具体示范项目进行指导和实施后的验证, 并通过反馈内容进一步优化设计导则内容。

设计模式研究以先例、类比研究为起点, 首先, 对夏热冬暖气候区既有绿色建筑设计经验进行总结, 提取夏热冬暖气候区绿色建筑设计的基本原理和方法策略;其次, 在上述基础上形成适应夏热冬暖气候的绿色公共建筑设计模式框架体系和导则基本内容;最后, 运用设计模式和导则指导建筑设计过程, 通过模拟测评的效果反馈, 在设计模式探索和建筑设计过程中进一步优化相应部分的内容, 从而实现模式修正 (图3) 。

整理既有的绿色建筑研究和现行规范、标准可知, 常用的绿色建筑研究框架主要分为以下三种 (表3) 。

(1) 依据三大体系进行分类。《建筑气候区划标准》 (GB50178-93) 、《民用建筑热工设计规范》 (GB50176-93) 和文献[4]⁴在相关研究中将研究体系分为外部形态、内部性能、建构系统三大类别, 从城市、气候、建筑、场所构造、技术等多个方面进行深入探讨。

(2) 依据绿建指标进行分类。2006年《绿色建筑评价标准》 (GB/T50378-2006) 正式实施, 并于2015年发布了修订版本, 各个省市也先后出台了相应的绿色建筑评价地方标准。国标与地标的框架体系均分为节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用等类别。该框架体系更加侧重于对技术与资源的阐释说明, 主动式技术也在其中占据了大量内容。

(3) 依据专业类型进行分类。为便于对绿色建筑设计进行直接引导, 在《民用建筑绿色设计标准》 (DB331092-2013) 、《广州市绿色建筑设计指南》 (2012版) 等绿色建筑设计指导性文件和研究中, 将绿色建筑设计划分为规划设计、建筑设计、建筑结构、建筑设备等多个部分, 这与建筑设计过程中各专业、工种的分工协作方式相契合, 有助于在设计的各个阶段更为有效地运用其中的策略与方法。

综合上述三种关于绿色建筑设计研究的分类方式和主要内容, 重点从建筑设计角度切入, 以被动式设计为主要设计方法, 对建筑设计进行指导。研究最终形成的设计导则的结构体系为“总则+分则+导则权重与优选” (图4) 。其中总则部分对“夏热冬暖”“绿色建筑”“公共建筑”三个关键词进行了相关阐述, 分则部分结合“三大体系分类”和“专业类型分类”两种方式, 从空间规划、建筑空间、建筑界面及其他 (结构、设备等) 四个层面展开研究, 并将“绿建指标分类”中的节地、节能、节水、节材纳入其中, 以完善相关内容。

设计导则的总则部分重点阐述夏热冬暖气候区的设计原则、公共建筑设计要求、绿色建筑设计标准等普遍性问题:1) 夏热冬暖气候区设计原则主要包括遮阳隔热、通风散热、环境降温、防雨防潮防台风四个方面;2) 公共建筑设计要求主要阐述公共建筑的类型特征和设计原理, 提出在公共建筑的空间、功能、尺度及活动要求下如何有效适应的问题;3) 绿色建筑设计标准从节地、节能、节水、节材、环保方面确立绿色建筑设计目标。

分则部分从空间规划、建筑空间、建筑界面及其他层面 (结构、设备等) 分别确定指导设计的详细导则, 其中:1) 空间规划层面包括选址、土地使用、规划布局、外部空间、景观与环境;2) 建筑空间层面包括场地规划、体型设计、功能组织、流线安排、空间设计;3) 建筑界面层面包括建筑材料、水平围护结构、垂直围护结构、门窗洞口;4) 其他层面包括结构、给排水、暖通空调、建筑电气、可再生能源等偏向于新技术和新材料的主动式节能措施 (图4, 5) 。

研究在得出夏热冬暖气候下绿色公共建筑设计导则的基础上, 参照《绿色建筑评价标准》 (GBT50378-2014) 的评分方法, 试图建立导则 (主要指分则中指导设计的详细条款) 并进行权重和方案优选, 对其适用性和重要性实现进一步的研究, 以期在面对具体实践项目时, 对导则的甄别能更具有针对性 (图6) 。

(1) 优选方法1:将分则内容B与总则条款A进行相关性分析。

主要考量分则B中的具体条款与总则A中夏热冬暖气候区设计原则A1 (如通风、遮阳、隔热、防潮等) 及绿色建筑设计标准A2 (如节地、节水、节材、节能、环保等) 的关联频次, 关联频次多的条款重要性较高, 反之则重要性较低。

(2) 优选方法2:根据夏热冬暖气候区地域特征进行权重。

确立地域特征体系A中的各项地域特征因子Ra, 并求取其在体系A中的重要性权重a (其中选取的特征因子Ra应具备气候影响大、具有独特性、与绿建评价关联度高、能通过指标反映等特征) 。例如, 夏热冬暖气候区的重要问题是“温高湿重”, 那么选择“温高湿重”为特征因子Ra, 相应的a“通风 (散热防潮) ”重要性权重较高, 然后通过专家问卷和相关案例数据分析的方式具体确立a的数值。

分则B中的不同类别条款亦有重要性高低, 如某类条款是其他标准规定的控制项或在《绿色建筑评价标准》 (GBT50378-2014) 中的计算分值较高, 则该类条款Rb的重要性权重b较高, 然后通过专家问卷和分值计算的方式具体确立b的数值。

综合权重W进一步明确体系A与分则B的影响关系, 特定条款的重要性评价用权重a与权重b乘积的数值f (ab) 表示。例如分则B的某项条款在分则中的权重是b1, 在地域特征体系A中能影响气候特征的因子Ra1对应的权重是a1, 则该条款的重要性数值为a1×b1 (如果该条款不能影响体系A中选定的任何特征因子, 则该条款重要性极低, 乘积数值为0) ⁵。

(3) 优选方法3:根据具体项目场地与建筑特征进行权重。

每个建筑项目都具有特殊性, 特别是场地条件和建筑要求, 如某项目场地三面环水, 但南侧受到严重的地形遮挡, 由于水陆风的作用场地通风条件极佳, 但采光条件差, 那么即使是在夏热冬暖气候区, 其绿色建筑设计要点也不再是“通风”而是“采光” (夏热冬暖气候区设计要点通常是遮阳而非采光) 。

优选方法3与优选方法2类似, 通过分析具体项目场地与建筑特征体系A的关系, 再选择场地与建筑特征因子Ra并求取其权重a, 然后按照优选方法2依次计算。

空间模式的探索已经具有较强的研究基础, 并且有大量设计实践可作为参照。在此基础上, 公共建筑的夏热冬暖气候适应性设计模式和导则的确立一方面需要关注系统性与全面性的问题, 另一方面如果要对具体的设计实践有更直接的指导作用, 则需要对导则进行权重分析以及优选组合, 研究提出的三种方法还需要进一步讨论其间的关系及适用范围。另一个可行的思路是加强设计导则对空间形体、建筑表皮等参数的定量研究, 将相关的气候适应性经验转化为在建筑设计过程中须遵循和可操作的一些常量, 这无疑需要更加深入、大量的测评、模拟和实证研究。

图片来源

图1为作者改绘;图2～6, 表1～3为作者自绘。