在建筑设计中, 建筑的形体空间构成不仅对其功能组织、结构选型等方面有着重要作用, 同时也直接影响着建筑的室内物理环境性能。瞬息变化的风、倾泻而下的光、四季轮回的温度等气候要素, 通过建筑形体空间元素传递给使用者, 因而建筑形体的气候适应性优化成为绿色建筑设计需要研究的核心问题之一。此次研究以中关村医药科技中心为对象, 结合寒冷地区气候特点, 探讨在方案概念设计阶段对建筑形体进行气候适应性 (光、热) 优化设计的方法和途径。

北京属于寒冷气候区, 四季分明, 大陆性气候特征显著。夏季受湿热季风影响, 气温炎热且湿润;冬季受西伯利亚气团影响, 室外寒冷、干燥。不仅如此, 北京还属于太阳资源分布较为丰富的地区, 水平面总辐射强度为504.21kJ/cm², 直射辐射强度为313.54kJ/cm², 散射辐射强度为190.67kJ/cm² (图1, 2) ^[1]。对建筑热环境来说, 太阳辐射是需要重点考虑的气候因子, 透过玻璃窗直接射入室内的辐射热, 对房间的温度状况有着巨大的影响。在夏季通过外窗进入室内的太阳辐射增加了夏季空调能耗, 而在冬季通过外窗进入室内的太阳辐射有利于降低冬季采暖能耗。

中关村医药科技中心位于北京市中关村科技园区发展区生命科学园东北部, 是生命科学园二期的标志性建筑 (图3) , 用地面积8 315m², 总建筑面积33 085m², 地上功能为研究实验室及办公室, 地下则主要为机房、食堂和停车库。项目以降低建筑能耗为目标, 结合项目选址、气候特点, 进而确定适宜的气候适应性设计策略。

在方案设计阶段, 形体空间的气候适应性设计策略^[2]主要包括:

(1) 窗墙比优化。外围护结构中的透明部分对建筑冷热负荷影响很大, 在合理控制窗墙比的基础上, 提高外窗的保温隔热性能是降低建筑冷热负荷的有效手段。

(2) 遮阳设计优化。根据北京日照条件分析, 夏天需要阻挡直射光, 冬天则需要考虑如何将斜射阳光引入室内。合理的遮阳设施, 应以避免夏季阳光直射、降低空调能耗和尽可能引入冬季自然光为目标。

(3) 自然采光优化。通过平面布局、立面调整、引入中庭等形体空间塑造手法, 优化室内自然采光水平, 避免形成眩光, 从而提升视觉舒适度, 减少室内对人工照明的依赖。

太阳辐射得热绝大部分来自透明围护结构, 因此减小立面窗墙比可以有效减少进入室内的热量, 但是过小的窗墙比也会引起室内光环境的不适感。窗墙比是影响建筑能耗的重要因素, 同时也受建筑日照、采光、自然通风等条件的制约^[3]。《建筑节能减排政策研究与推进——北京市大面积玻璃幕墙公共建筑节能研究》 (2009) 表明, 当北京市办公建筑的窗墙比从0.7减少至0.5时, 建筑总负荷平均可减少15.6%;当窗墙比从0.7减少至0.3时, 总负荷平均减少30.3%^[4]。因此, 从降低建筑能耗的角度出发, 窗墙比必须得到合理的控制。

按照《北京公共建筑节能设计标准》 (DB11/687-2015) 中的规定, 当乙类建筑体形系数≤0.3时, 每个朝向的窗 (包括透明幕墙) 在0.6<窗墙比≤0.7时, 传热系数K值不应大于1.6, 太阳得热系数东、西、南向不得大于0.35, 北向不得大于0.6;在0.3<窗墙比≤0.4时, 传热系数K值不应大于2.2, 太阳得热系数不得大于0.43^[5]。北京市对寒冷地区乙类建筑围护结构的热工性能要求非常严格, 尤其是传热系数K值, 优于国家节能标准要求。

医药科技中心建筑的体形系数为0.13, 远优于上述标准对体形系数不大于0.3的要求, 建筑原立面设计以幕墙为主 (图4, 5) , 建筑窗墙比为0.7, 根据节能设计要求, 外窗传热系数需要达到K=1.6W/ (m²·K) , 经施工及经济性评估, 此设计对建筑围护结构达到《北京公共建筑节能设计标准》外窗性能要求的门窗造价约为1 000～1 300元/m²。

在维持建筑体形系数0.13不变, 且合理控制采光的原则下, 对立面进行了优化调整, 由原方案的大面积幕墙调整为高宽比合适的矩形窗均布的方式 (图6, 7) , 调整后各个立面的窗墙比如表1所示。

经过调整, 医药科技中心窗墙比为0.34, 节能标准外窗的传热系数限值为2.2W/ (m²·K) , 最终方案采用了60系列平开铝合金断热窗 (5+12A+5Low-E) , 传热系数K值为2.0W/ (m²·K) 的外窗, 在该窗墙比下, 建筑标准层室内采光系数大于3%的空间比例为66.1%, 仍然满足绿色建筑室内采光的限值要求, 同时获得了更均匀的自然采光, 也降低了眩光引起的不适感。窗墙比优化后, 新方案门窗造价仅需500～800元/m², 比原玻璃幕墙方案节约投资近83万元, 经济效果明显。

建筑形体空间中的表皮设计因气候条件以及地域不同而有所差异。在过热情况下, 建筑表面温度往往达到70～90℃, 与建筑内部产生超过50℃的温度差, 这时设计师应该更多地考虑如何遮阳, 而不是探讨如何隔热^[5]。建筑遮阳对建筑冷负荷的影响显著, 建筑遮阳不仅适用于夏热冬冷及夏热冬暖地区, 在北京等寒冷B区的建筑设计中, 也需要考虑遮阳设计。当太阳辐射急剧升温时, 合理的遮阳设施就显得尤为重要, 尤其是北京地区的大型公共建筑, 其冷负荷大于建筑热负荷, 这就要求设计师在对建筑表皮进行设计时, 应充分考虑透明部分 (窗及幕墙) 的遮阳设计策略。在本项目方案设计前期, 设计师利用建筑表皮自遮阳的设计手法, 探究了外立面窗的夏季遮阳与冬季得热采光的效果。

根据不同立面方案, 模拟表皮透明部分 (外窗) 夏季太阳辐射值。优化方案通过设置表皮的遮阳构件, 优化立面遮阳效果。该模拟是针对医药科技中心南向立面遮阳进行的表皮优化 (表2) 。

设置如下对比方案:1) 方案一无幕墙出挑, 即无表皮遮阳形式;2) 方案二竖向石材幕墙出挑300mm, 即竖向遮阳形式;3) 方案三石材幕墙横向出挑200mm, 竖向出挑300mm, 即横向遮阳+竖向遮阳;4) 方案四石材幕墙横向出挑200mm, 竖向出挑300mm, 横向遮阳挡板200mm宽, 即横向遮阳+竖向遮阳+挡板遮阳。

模拟结果显示, 不同的方案外窗夏季平均太阳辐射得热量有明显不同。建筑表皮增加竖向遮阳后, 外窗的太阳辐射折减率为24%;立面调整为横向+竖向遮阳后, 太阳辐射折减率为45%;在方案三的基础上再增加200mm宽的横向遮阳板, 太阳辐射折减率为62%, 遮阳效果最佳。结合建筑立面完整性、后期施工难度、使用安全性以及绿色建筑增量四个方面, 方案三相对较优, 同时也达到了比较好的夏季遮阳和冬季采光效果 (图8) 。

合理设计室内光环境可有效提升室内环境品质。自然采光不仅是公共建筑一项有效的节能减排措施, 同时自然光对使用者的身心健康产生重要影响。美国能源部国家可再生能源实验室NREL的研究表明, 自然光对减缓室内工作人员视觉疲劳以及提高工作效率有积极的影响^[6]。

因此, 项目在方案设计阶段主要综合考虑了建筑形体、平面布置、采光中庭等改进室内采光的措施, 在已有建筑表皮及平面布置的基础上进行了优化, 同时综合建筑节能以及公共建筑采光要求, 对室内光环境进行优化模拟。

医药科技中心为研发实验用房, 在平面设计布局中, 将核心筒、设备及交通等非主要功能空间布置在建筑内侧, 办公、实验、研发等主要功能空间布置在建筑外侧 (图9) 。这样的功能布置方式为主要使用空间拥有充足的自然采光打下基础, 而人员停留短暂的非主要功能空间依靠人工照明进行采光, 从而实现空间资源利用的合理化。

考虑到进入室内的太阳辐射量与建筑自然采光的耦合关系, 项目对外立面设计方案进行了室内建筑自然采光的模拟分析, 以平衡遮阳与自然采光的效果, 寻求相对的最优方案。全阴天工况下典型楼层主要功能房间自然采光系数的模拟结果见图10和表2。

四种外立面设计方案模拟计算结果表明, 外墙立面遮阳构件对室内采光有较大影响, 随着外立面遮阳构件出挑面的增加, 建筑室内平均自然采光系数明显降低。其中, 方案四较方案一室内平均自然采光系数下降约2.1%外立面遮阳构件影响显著。根据建筑采光设计标准, 办公建筑室内自然平均采光系数应大于3%, 以满足视觉功能需求。在四个方案中, 仅方案一、二、三满足该要求。

如何平衡遮阳与自然采光之间的矛盾, 是此次形体空间表皮方案的核心问题。综合上文对外遮阳效果的分析, 方案三外立面形式的遮阳及室内自然采光性能相对最优, 与无构件遮阳立面方案相比, 其太阳辐射折减率为45%, 同时室内主要功能空间平均自然采光系数为3.29%, 满足建筑采光的设计标准, 于是该方案成为项目的最终方案。

外窗可见光透射比是影响室内采光的主要因子之一, 《北京市公共建筑节能设计标准》 (DB11/687-2015) 第3.1.9条规定, 建筑单一立面窗墙面积比低于0.4时, 透光材料的可见光透射比不应小于0.6。由于遮阳性能好的外窗其可见光投射能力大多相对较弱, 需要对玻璃的自遮阳和透光性进行权衡, 因此对典型楼层外窗玻璃可见光透射比为0.6, 0.7和0.8三种工况进行了采光数值模拟计算, 模拟工况为全阴天, 计算结果如表3所示。

通过模拟计算得出可见光透射比为0.8时, 主要功能房间平均采光系数较工况一提升约0.4%, 提升幅度不大。玻璃透射比对室内采光影响不明显的原因是方案选定形体的窗墙比和透光面积较小, 所以调整外窗可见光透射比对室内采光影响有限。此外, 由于同时满足外窗遮阳性能以及较高的可见光透射比的外窗类型较少, 且可见光透射比对室内采光影响不大, 故设计方案最终选择了可见光透射比为0.6的外窗玻璃, 也保证了在挑选玻璃产品类型时具有较大的选择余地。

根据图10的模拟结果可知, 典型楼层主要功能房间外窗附近自然采光系数明显高于房间内墙附近采光系数值, 这种室内与外窗表面显著的亮度差异易形成眩光, 造成人眼的不适感。

对上述四种表皮方案进行春分日全晴天典型楼层南侧办公区域室内眩光模拟计算, 以通过外立面表皮的方式优化室内采光舒适性, 模拟结果见图11。由于外窗选定可见光透射比为0.6的玻璃材料, 已在较大程度上降低了玻璃内表面的亮度, 因此四种方案窗的不舒适眩光指数DGI均小于25, 满足《建筑采光设计标准》中自然采光III级的要求。方案二、三、四在外墙立面设置了遮阳构件, 降低了窗及内墙表面的亮度, 减小了内部空间表面亮度差异, 同时遮阳构件在一定程度上增加了进入室内的漫反射光, 使室内自然采光均匀度有所提升。根据不舒适眩光指数DGI计算结果, 方案三在缓解眩光性能方面依然为较优解。

采光中庭不仅是人员交流的主要场所, 还是被动式设计策略的重要设计手段。中庭设计需要考虑的因素较多, 包括太阳辐射控制、采光效果、通风效果等。项目原方案缺乏对中庭采光问题的思考, 在内核布置了会议室等其他功能空间, 经计算机模拟验证 (图12) , 平面内核部分的功能空间必须完全依靠人工采光, 这在很大程度上增加了后期的运行费用。

为提高室内空间的光舒适性, 减少后期运行费用, 设计进行了方案调整, 将会议室调至北侧, 原有空间改为中庭, 以增加办公人员沟通、交流的机会。中庭屋面部分设置了采光天窗, 能有效改善中庭及两侧走廊部分的自然采光。经再次模拟分析, 中庭部分平均自然采光照度值为397lux, 完全满足自然采光要求 (图12) 。24.5%的走廊面积自然采光照度值达到150lux以上, 较无中庭方案走廊采光面积提升6.7%。采光中庭增加了室内接触自然光的机率, 提升了空间视觉舒适度, 同时减少了部分照明负荷和后期运行费用。

设计方案同时考虑到采光中庭会引入室内较多热量, 因此在天窗顶部增加了机械排风机, 以促进夏季及过渡季楼内的空气流动, 方便热量快速排出, 在一定程度上降低了中庭的负面影响。

通过对中关村医药科技中心建筑形体空间气候适应性 (热、光) 设计策略的讨论, 总结了项目方案在改善建筑环境性能 (热环境、自然采光) 、减少能耗与后期运行费用等方面的综合技术策略。

(1) 结合建筑的朝向、不同立面空间的使用功能等因素以及建筑造型需要, 对建筑立面的窗墙比进行合理的设计调整, 确保建筑能耗的控制。

(2) 通过建筑表皮设计控制优化程度, 调整窗口附近的檐口出挑方式及尺寸, 改良外遮阳, 以达到夏季有效遮挡太阳直射光线、冬季引入太阳光、减少采暖负荷的目的。

(3) 以平面功能优化为基础, 通过立面细部设计优化、在建筑空间内增设中庭采光天窗等方式, 避免建筑南向主要功能空间的眩光问题, 并兼顾室内其他空间的自然采光照度要求, 实现降低照明能耗、减少建筑后期运行费用的目标。