建筑热环境优化设计

建

筑

热

环

境

优

化

设姓名：樊潇学号：201106532 计指导老师：卢玫珺

经典案例热环境分析

1.诺曼·福斯特

2.托马斯·赫尔佐格

3.查尔斯·柯里亚（印度气候环境）

4.杨经文（马来西亚气候环境）

解读建筑大师

诺曼·福斯特被誉为“高技派”的代表人物，是国际上最杰出的建筑大师之一。因其建筑方面的杰出成就，在四十多年的建筑设计生涯中几乎获得了建筑界所有重要的奖项和荣誉。迄今为止，他已经获得280多项奖励，并在50多次在国内国际的设计竞赛中胜出。

建筑设计理念——1、重视高技

?诺曼·福斯特对技术十分重视，他执着的在他的大量设计作品中实践着，采用新技术、新材料于工程中，并将他的观点表述出来。他一直认为：“技术是人类文明的一部分, 反技术如同向建筑即文明本身宣战一样站不住脚”。

?在诺曼·福斯特这一代大师手里, 更新、更高的技术就成为一种手段, 一种更为先进的新观念, 通过它们去创造和实现人类与自然合谐的生活环境。他曾说：“高技术不是其本身的目的，他是实现社会目标和更加广泛的可能性的一种手段。高技术同样关注砖瓦砂石乃至木材和手工活。”

建筑设计理念——2、生态思想

（more with less——1922——富勒）

?充分利用自然采光。

?充分利用自然通风。

?空中花园

?建筑遮阳。

?高效节能的外窗和幕墙系统。

?地下蓄水层的循环利用。

建筑设计理念——3、尊重历史文脉

?既不向传统妥协、简单地模仿其风格或形式, 又不过分张扬、漠视城市文脉;

既自然融洽地植根于当地的环境, 又恰如其分地展示了自我的时代风采, 为城市空间的交响曲增添了新的华彩乐章。

建筑设计理念——4.“弹性空间”

?如同柯布西耶的第一代“居住机器”一样，柯布西耶对自由平面的阐述是，要完美的适应他们预订的功能。

?福斯特的主张，可称“可变机器”或“弹性空间”，也就是所设计的建筑必须是可变的且能适应将来发展的。最常见的是采用先进工程技术的大跨结构、不封闭的空间和无障碍的巨大区域。这样使用者可以按照其意愿安排，甚至可以适应预想计划之外的情况。

?福斯特提出“弹性空间”是生态建筑的重要内容之一。

?重点作品解析----香港汇丰银行大厦方案基本信息：高度：180米

?竞赛/建成：1979/1986

?建筑面积：99000平方米

?建筑层数：地上46层,地下4层

平面形状：矩形（70*55）

造价：10亿美元

?这座建筑拥有一个公共的底层、一个私密顶层和由半私密、半公共空间组成的中间楼层，兼顾到建筑的人性和美感。在街面层，有一个12m高的公共步行广场在建筑下面穿过；两部自动扶梯通向主要银行大厅（半公共空间）和10层高的中庭，

?背景：1978年，银行董事会决定, 要把新的总部建成为“世界上最好的银行大楼” , 于是不惜重金, 聘请了英国、美国、澳大利亚、香港等国家和地区的七家国际知名的设计事务所, 参加新楼设计方案的竟赛角逐, 并请英国皇家建筑学会执掌其事。

?设计难点：

? 1.有限高(180m)

? 2.用地紧张，只能在75*76m范围内做文章。

? 3. 希望在施工期间首层能维持部分银行业务。

? 4.能适应下个世纪新科技和银行迅速扩展的要求, 内部具有最大的灵活性。

?设计构思——“桥”符号的获得

?针对以上难点，经过分析他认为, 唯一的办法就是要寻求一种能同时向上向下进行施工作业的方案, 最好还是一币种大跨度的结构, 这样才有可能全面地满足各种需要。

?结论是桥, “一道横跨海湾的大桥”。银行的功能就是一座桥‘一座架设在个人与企业间, 大众与政府间、国家与国家间的金融大桥, 汇丰银行的目标就是要努力成为横跨维多利亚海湾, 把香港、与中国大陆以及世界各地联系在一起的金融大桥。

?方案特点：1.巨型框架悬挂结构在委托的有关部门协作下, 将桥梁结构技术和航天用高技术应用到这座建筑结构体系中。主要结构为八组“通天柱”, 每组主柱由四根钢柱所组成；在这八组主柱上牢扣着五层三角形垂悬衍架；分为五区的各层楼板是由这些衍架悬吊着,。从底层到顶,这五区悬吊的层数由八个递减至四个；悬吊结构本身占两层。

? 2.采用高科技材料

?材料

运用最新钢、铝、玻璃材料, 甚至航天业产品, 这些配件来自世界各地,有英国的结构用钢件, 美国的玻璃、铝外壳和地板, 日本的服务设施组件等, 配件高度精确, 实属高科技产物。

在地面形成一个有顶盖、没有柱子遮挡的广场，为寸土寸金的香港中环商务区慷慨地贡献出一个开放的公共空间来。体现了建筑师对城市空间的尊重和政府的开明。

银行的营业大厅改在第三层上（首层大堂跨两层层高）, 用两部加长的自动扶梯相联系, 并以弧形玻璃天棚作分隔, 市民们站在底层广场上, 透过天棚就能看到上部十层内银行的各种业务活动, 天棚成为了银行的橱窗。

? 3.开敞的底层

在地面形成一个有顶盖、没有柱子遮挡的广场，为寸土寸金的香港中环商务区慷慨地贡献出一个开放的公共空间来。体现了建筑师对城市空间的尊重和政府的开明。

银行的营业大厅改在第三层上（首层大堂跨两层层高）, 用两部加长的自动扶梯相联系, 并以弧形玻璃天棚作分隔, 市民们站在底层广场上, 透过天棚就能看到上部十层内银行的各种业务活动, 天棚成为了银行的橱窗。

4.取得最大使用面积

将垂直交通和其他服务设施安排在东西两侧预制组件中, 又取得了最大的使用面积7万平方米,占总建筑面积的71%。（一般高层建筑有效面积比65%

5.具有高度的灵活性

?由于所有服务设施布置在两侧, 免除了中央核心结构,使中间为宽阔的楼面, 具有高度的灵活性。所有内墙均为活动隔断, 可根据需要, 随时变动、修改办公室设计, 无须作任何结构性更改。

?内部空间具有相当的灵活性。建筑自1985年投入使用以来，银行内的人员已多次改变办公位置，1995年，仅仅用了6个星期就在建筑北部新增了一个证券厅。

6.方便的垂直交通

?电梯只将人从底层大厅快速的送至双数楼梯，然后人们在层间通过自动扶梯，上下联系。整座楼共置自动扶梯62 部, 数量之多为世界高层建筑之最。由地面广场还有两部自动扶梯直达银行中庭, 这两部是世界最长的虚悬自动扶梯。

7.采用日光收集器系统

为了使封闭式无直接采光的中庭“活” 起来, 在建筑南立面的相应部位, 设计了一种由电子计算机控制、终年跟踪太阳运行的日光收集器系统, 可以把阳光反射到内庭上空20 个支架上的480 面镜子上, 阳光由镜面倾泻而下, 使得沉闷阴深的中庭光明普照, 满堂生辉, 透过下面的玻璃天棚还可照射到底层的公共广场上, 十分奇特迷人。

设计中还打算把广场地面也装上玻璃, 这样反射的阳光还可以照到地下室内, 使公众对上对下的活动一目了然, 增加帐户的主人翁感, 后因犯“财不外露”之忌（地下室设有金库等）, 只得遗憾地放弃。

生态建筑

托马斯·赫尔佐格先生(Thomas Herzog)是德国著名的建筑师和建筑学教授。他以其关注技术、注重生态的建筑设计享誉世界。

托马斯·赫尔佐格很少把自己的创作愿望强加于环境之上，而是推测和听从生态环境的变化过程和循环，本着参与及合作的精神去做他的工作。他的生态建筑思想是人类和所有的人工制造物达到一个自然和人造自然的亲切和睦的境地。他始终坚持“从生态到建筑，从技术到自然”的原则，他已经把生态升华成一种思想和精神，并以此贯穿他一生的建筑设计过程。

托马斯·赫尔佐格的设计不仅仅是一个鼓励的内部工作和外在形式；相反，他的设计扩大到影响建筑环境的所有方面及相互关系的塑造。另外，他十分注重和其他方面专业人士的紧密合作，通过对新材料、新构件、新系统和合适的设计工作的发展给予建筑设计活动更大的自由，并最终达到建筑与自然环境的统一协调，以及建筑自身的可持续发展。

托马斯·赫尔佐格的大量作品所遵循的生

态建筑设计原理和策略：

1 缓冲空间的营造

2 采光与遮阳的协调

3 自然通风的组织

4. 应变界面的构造（内外界面）

赫尔佐格的作品总是把使用频率较少的辅助空间置于北向，利用保温良好的材料形成封闭空间。这样的缓冲空间既可以遮挡北来的寒风侵袭，也由于分时供能而最大现对的节约了能源。在青年教育中心的平面布局中，经常使用的客房空间置于在南向，而辅助的卫浴布置在北向，仅在使用时快速升温即可。

尽管中庭空间由于温室效应能在冬季发挥重要的保温作用，但是也常常因夏季过热需降温而消耗大量的能源。赫尔佐格认为：解决其过热的措施，可利用空间高度以形成足够的温差来带走热气流，同时维护结构一定要真正起到遮阳的作用。

在霍次大街住宅开发项目中，在寒冷冬季，中庭收到太阳辐射而温度升高，能大幅度的减少临近住宅的取暖能耗；而夏季余量能够透过大厅屋顶上的开口排出室外，同时凉爽的空气从底层进入，以保证建筑能在夜里冷却下来。中庭空间发挥了良好的热缓冲的作用，从而使住宅空间的热环境相对稳定，从而节约能源供给。

（3）“温度洋葱”的措施

就是按照不同的使用温度要求，把不同使用空间从内向外依次布置。通过设置具有梯度的空间，达到最大限度的节能。

在Pfalz的小别墅项目中，将需要保持较高温度的洗澡间置于建筑最深处，其他空间依次布置，最外层还设置太阳房作为室内外缓冲空间，以保证室内温度稳定。

2采光与遮阳的协调

最大限度地利用自然光不仅能够节约大量能源，还是使用者生理和心理舒适的基本要求。伴随着现代大体量建筑的出现，建筑空间往往忽视了对自然光的利用。

但是，由于自然光的使用也容易伴随着过多的热量引入。因此，协调解决采光和遮阳是赫尔佐格作品的重要课题，其主要表现为两种策略：北向光线的利用，采光与遮阳的转换。

（1）北向光线的利用

北向光线属于漫射光，且带有的太阳热量较少，因此在赫尔佐格的作品中被大量使用。其常用手法是通过反射作用，把北向光线均匀引入室内。

在汉诺威26号展厅中，为了给高大展览空间提供质量的均匀照明，光线通过大面积北向天窗上的百叶，折射到展馆室内屋顶上巨大“反射板”而引入更远的公共区域，

从而使光线均匀分布。

（2）采光与遮阳的转换

南向日照是建筑主要的采光、得热来源，但是过多的日照也会影响室内舒适度。在赫尔佐格的作品中，常常将南向采光与遮阳相结合，根据实际情况进行采光与遮阳的调节转换。

在建筑工业养老金基金会扩建项目中，一种特殊的片状金属板（光偏转构件）被用在建筑立面上。在北立面，金属板可将自然光反射到房间内部的顶棚上；而在南立面，在天空阴暗时将顶光反射到楼地板底面上，当阳光照射强烈时，构件则转到垂直方向发挥遮阳板的作用。另外，汉堡亚特兰办公楼外立面的可滑动的遮阳板及奥斯那布吕克的环境信息中心的屋顶天窗遮阳百叶也表现了采光与遮阳的协调转换。

3 自然通风的组织

自然通风是在满足建筑换气量的同时并不增减额外能耗而是建筑降温，从而提高室内舒适度。相对于现今大量使用的机械通风和制冷来说，自然通风具有方便、清洁的优点，但是也具有低效的缺陷。

在赫尔佐格的作品中，一方面最大限度地利用和组织自然通风，另一方面也把机械通风作为必要的补充，进而满足室内舒适度的要求。这里重点分析其组织自然通风的方法。大致可分为：一般建筑的通风，大厅型空间的通风，高层建筑的通风。

（1）一般建筑的通风

小体量建筑的自然通风往往采取直接利用外窗进行空气交换的方式。同时，也有利用内部空间的得热不同，即热压通风（由于空间内不同的温度而产生了热空气向冷空气处流动的现象）而进行的通风设计。

在著名的雷根斯堡住宅中，南向的玻璃温室，在冬季，发挥白天收集储存热量、晚上释放热量、阻隔室外寒气的缓冲空间作用；在夏季，则因下部空气受热升温而向北侧上部出气口运动的气流，并把室内多余热带走

4. 应变界面的构造

有学者评价赫尔佐格的建筑作品“发挥主要作用的不是结构，而是动态而变化的表皮，它与特定场所发生联系，对变换的环境做出回应。”我们认为，在赫尔佐格的作品中，不仅仅是表皮发挥了构造良好的室内舒适环境，而是由内向外的各个界面共同构建了一个与自然相协调的生态环境。建筑界面存在的目的是分隔不同的空间质地，阻断光线和热量的交流、隔绝声音、遮蔽雨水等，同时，界面还作为不同空间质地的中介物，有将若干空间质地在不同空间之间转移传递的作用，如采光、通风、采声等。

（1）建筑的外界面

建筑的外界面直接收到自然环境变化的影响，因此，构建外界面的形式也直接表现了赫尔佐格对于自然环境的态度。在他的作品中，建筑外界面表现为一种选择透过的“膜效应”特征。在其众多作品中，有两种形式的外界面特别值得关注

一种是根据北极熊皮肤的特征而发明的TWD外墙板材。这是一种半透明的黑色板材上有透光保温材料的构件，其特征是大量吸收太阳辐射热并存储后缓慢释放到室内空间。在双户住宅和青年教育中心客房等项目具有使用。

?查尔斯·柯里亚简介Charles Correa（1930~）生于印度，曾在美国密执根大学和麻省理工大学学习建筑。1958年毕业后，在印度孟买成立建筑事务所，开始独立营业。其作品特别重视流行的资源，文化和气候条件。他的建筑作品被誉为石头的篇章，不仅仅是因为在建筑中广泛的使用石材，而且由于在他的建筑当中往往蕴涵着很丰富地方文化。透过建筑的表皮，人们在建筑空间中可以从不同角度感受到印度大地的气息、色彩、节奏。

?气候控制形式理念概念一：从传统平房发展而来的围廊。

?概念二：管式住宅（狭长的住宅模式）。

?概念三：中央庭院。

?概念四：跃层阳台（适用于高热多湿地区）

?概念五：一系列分离的建筑单元，注重空间与各个建筑单元之间的协调。

?杨经文与生物气候学

?杨经文提出的“生物气候摩天大楼”（Bioclimatic Skyscrapers）的理论和实践明显受到了生物气候地方主义的影响。

杨经文在Wolfson学院期间，研究课题为建筑与环境学。因课题需要学习了生物系的课程，对生态学和生物系统的特性产生了强烈的兴趣。他一直致力于建筑的生物气候学的研究与实践。他针对世界能源消耗量日益增多和能源资源有限的状况强调节能，并特别研究了高层建筑的节能问题。

生物气候学在高层建筑中的运用便是杨经文对目前高层建筑设计的改革与完善。

生物气候学方法并不能在高层建筑中完全取代电器设备与系统。杨经文认为，在温带、炎热的夏季还是需要空调制冷，冬季仍需采暖。如果建筑中考虑了生物气候学方法，就可以把一年中不需要空调与采暖设备的时间延长到八个半月，这样，就能比那些没有考虑生物气候学方法，一年四季都需要电器设备与系统的建筑节约很多能源，这就是生物气候学方法最可取之处。

生物气候学建筑是生态建筑的前奏，它的进一步发展应该是完全生态的、与自然环境相融合的，具有最低能源消耗的生态学的

?杨经文在热带高层建筑设计中运用生物气候学所采用的方法大体上有下列几个方面：

1、在高层建筑的表面和中间的开敞空间中进行绿化。

2、沿高层建筑的外面设置了不同凹入深度的过渡空间。

3、创造通风条件加强室内空气对流，降低由日晒引起的升温。

4、在屋顶上设置固定的遮阳格片。

5、平面处理上主张把交通核设置在建筑物的一侧或两侧。

6、外墙的处理上除了做好隔热，他还通过研究，建议采用墙面水

花系统。

杨经文认为通过这些措施，在热带地区的高层建筑可节省运转能耗的40％。虽然可能有人从不同角度提出非议，但是生物气候学在高层建筑中

的运用已能带来节能，给外形提供了变化的机会，使人能在高层上接触自然以及能改善建筑物周围的环境条件等优点，其发展前景是乐观的。

以上对大师作品的分析已感受到他们对热工、光、声等的要求和处理。通过学习我对我的建筑系馆方案进行完善和优化

1、优化建筑朝向：南向采光能让人们更加舒适

2、优化建筑体型（体形系数）

?建筑物体形系数(S)shape coefficient of building建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积，不包括女儿墙，也不包括屋面层的楼梯间与设备用房等的墙体。突出墙面的构件如空调板在计算时忽略掉，按完整的墙体计算即可。单位：1\m。

?为了减少建筑物外围护结构临空面的面积大而造成的热能损失，节能建筑标准中对建筑物的体型系数做出限定，限定不同地区的住宅体型系数应在限定值以内。建筑的耗能量随着体型系数加大而增加，体型系数小，建筑物耗能效果好。为了减少建筑物的体型系数，在设计中可以采用以下几点：

?1．建筑平面布局紧凑，减少外墙凸凹变化，即减少外墙面的长度。

?2．加大建筑物的栋深。

?3．加大建筑物的层数。

?4．加大建筑物的体量

3、优化屋顶形式

?种植屋顶

?屋顶绿化和地面绿化一样，大面积绿化后，能够减轻市中心的热岛效应；屋顶绿化?后，室内温度在夏季可降低

?2-4

?摄氏度，起到“天然空调”的神奇效果；尤其是那些有大

?量的建筑垃圾的屋顶，如果让位于植物，不仅减少了“视觉污染”

?，

?更为城市上空增添了

?一道美丽的风景线。同时屋顶绿化可选择对有害气体，粉尘具有吸附过滤的植物，这样

?也大大有利于改善城市空气。

4、优化建筑窗墙面积比

?《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005第4.2.4条：建筑每个朝向的窗(包括透明幕墙)墙面积比均不应大于0.70。当窗(包括透明幕墙)墙面积比小于0.40时，玻璃(或其他透明材料)的可见光透射比不应小于0.40。

5、组织自然通风

南向开窗，面积依次减小，室内负压区面积增大，同事室内换气率较小。由此得出，在保证建筑节能标准下，增大南向开窗面积有利于自然通风

6、优化建筑遮阳

在夏热地区，遮阳对降低建筑能耗，提高室内居住舒适性有显著的效果。建筑遮阳的种类有：窗口遮阳、屋面遮阳、墙面遮阳、绿化遮阳等形式。在这几组遮阳措施中，窗口是无疑是最重要的。

?固定窗口外遮阳。

?固定外遮阳有水平遮阳、垂直遮阳、挡板遮阳三种基本形式。

?A．水平遮阳。能够遮挡从窗口上方射来的阳光。适用于南向外窗。

?B．垂直遮阳。能够遮挡从窗口两侧射来的阳光。适用于北向外窗。

?C．挡板遮阳。能够遮挡平射到窗口的阳光。适用于接近于东西向外窗。实际中可以单独选用或者进行组合，常见的还有综合遮阳、固定百叶遮阳、花格遮阳等。7、选用热工性能更好的围护结构

在夏热冬冷地区必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。夏热冬冷地区，增强外墙的保温性能，降低外墙的传热系数，可使冷热负荷影响因子增大，也即使夏季冷负荷，冬季热负荷均降低，但敏感的程度不同，对热负荷的改善作用大大高于对冷负荷的改善作用，对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响且在五到七倍之间。根据夏热冬冷地区门窗的热工环境特点，可以通过如下途径减少夏季的外窗得热：把建筑主朝向尽量安排在南北向，减少建筑东西向窗的面积，在东西向窗尤其是西向窗采用遮阳措施。另外，加大南向窗的面积对冬季太阳能得热有利，且不明显增大夏季得热。还可以采用遮阳设施的改善可大大降低建筑的冷热负荷