節能構件與建筑立面一體化設計研究

胡亦明  王勇

1.陜西省建筑設計研究院有限責任公司 710003  2.新時代（西安）設計研究院有限公司 710054

    隨著能源問題的日益突出,節能逐漸成為全世界關注的焦點問題,我國是一個能耗大國,人口眾多,而建筑能耗約占全國能源總能耗1/3,這樣的背景下,建筑節能具有非常重要的現實意義,建筑的立面是建筑內部與外部空間進行物質、能量以及信息交流的重要媒介,一些節能構件,如遮陽構件、自然采光輔助構件、自然通風輔助構件等可以對進入建筑內部的光、熱起到調節控制的作用,降低建筑能耗并改善室內環境。而一些節能構件,如主動式太陽能系統相關構件,可以將接受到的太陽輻射轉換成熱能或電能,通過對可再生資源加以利用來達到節約傳統能源的效果,同時,這些節能構件相對于外圍護結構而言,具有較好的靈活性和可控性,可以根據自然環境的變化以及人的需要進行調節,對于建筑節能的產業化以及通用性具有重要意義。但是,節能構件作為建筑的立面的要素之一,也關系到建筑的造型和形象，節能構件與建筑立面如何結合,才能達到其預期的效果,同時又能成為建筑立面的有機組成部分,是建筑師在設計的過程中不可忽視的問題之一。本文中討論的節能構件指的是能通過影響建筑的遮陽、自然采光、通風、隔熱以及太陽能收集等來達到節約傳統能源,調節室內舒適度的輔助性構件,不包括墻體,門窗,屋頂等主要外圍護結構“重點討論的常見節能構件包括遮陽構件,自然采光輔助構件,自然通風輔助構件,主動式太陽能系統相關構件等”。

    本文中討論的節能構件指的是能通過影響建筑的遮陽、自然采光、通風、隔熱以及太陽能收集等來達到節約傳統能源,調節室內舒適度的輔助性構件,不包括墻體,門窗,屋頂等主要外圍護結構“重點討論的常見節能構件包括遮陽構件,自然采光輔助構件,自然通風輔助構件,主動式太陽能系統相關構件等” 。降低能耗有效的節能構件,可以對進入建筑內部的光、熱、風等起到一定的調節控制,降低建筑能耗;部分節能構件如主動式太陽能相關構件能將接受到的太陽輻射轉換成熱能或電能,對可再生能源加以利用,從而達到節約傳統能源的目的。改善室內物理環境“舒適的室內聲、光、熱環境,是人們正常工作,學習,生活,休息的需要”不同節能構件的合理使用,可以通過使室內避免過度的日光,調節進入室內的光線以防止眩光,改變進入室內的氣流的方向以加強自然通風,創造更加健康舒適的室內環境“滿足不同需要”作為輔助性構件,節能構件具有小巧靈活的特點,且多數具有可控性,可以滿足不同的用戶在不同情境中的需求“豐富建筑造型”節能構件是建筑造型與裝飾的有機組成部分“許多節能構件具有令人賞心悅目的造型和精美的細部,充分表現了建筑設計與藝術!技術的完美結合,是立面的重要造型元素”還有很多節能構件是當地建筑與當地氣候相適應的結果,其形式、材料等表達出強烈的地域性”。

    與建筑主體結構相比,節能構件具有以下特點:

    可控性“多數節能構件,如百葉、卷簾等,具有一定的可控性,可以根據不同季節、不同時刻以及通風和采光的需要進行調控變化,控制進入室內的光、空氣、熱,滿足不同情況下的不同需要,在節能的同時表現出人性化的特點”。

    靈活性“節能構件作為一種輔助性構件,通常體積較小,具有一定的靈活性,安裝、拆卸、調整和改裝相對其它建筑構件方便”

    A.產品化“一些小型節能構配件的工業制成品,由于尺寸、樣式的統一,可批量生產。規模經營,例如室外遮陽用的固定式、半固定式塑料遮陽篷等”這類小型產品可以比較靈活的拆卸,在材料選擇造型尺寸等方面也具有一定的模數“此類構配件的發展,對于建筑節能的產品化具有重要意義”。

節能構件的發展趨勢，隨著現代技術的日臻成熟,節能構件呈現出新的發展趨勢:

    B.多樣化“節能構件的多樣性包括兩個方面:一是節能構件本身是各地區建筑對當地文化!氣候的一種反映,具有一定的文化多樣性和地域多樣性;二是隨著技術的進步,節能構件的種類、材料、工藝都出現了更多選擇,呈現多姿多彩的發展”。

    C.智能化“節能構件的智能化控制通過電機控制系統和現代計算機集成技術,根據探測到的室外氣候數據以及人的需求,對節能構件的角度、開合、升降等情況進行控制,來實現建筑物的安全,健康,節能,舒適與高效率的工作環境"以遮陽百葉為例,目前的遮陽百葉系統,己經可以實現構件的單獨控制!組控!通過日光!風!雨的自動感應進行角度調節!通過時鐘及特定參數的設置實現中央智能控制等等,滿足多方面的需求”。

    D.專業化“針對不同功能的節能構件以及不同的需要,出現專業的公司及人員對產品進行研究和操作,各工種參與進行專業設計,從而提高節能構件的科學性,以達到經濟,合理,高效"建筑師的參與,對于普及節能構件在建筑中的使用有很大幫助”。

    E.系統化“節能構件的開發不僅僅局限于構件本身,其配套產品,如支撐框架,控制系統等,也都相應的得到發展和應用,逐步系統化”。

    F.復合化“國內常見的節能構件通常是功能明確,設計時與建筑其他構件分別考慮”近年來出現了另一種設計理念,即打破原有建筑各功能構件框架,節能構件與屋頂、陽臺、外廊!墻面復合化設計,使這些構件與建筑渾然一體“這種做法目前的得到越來越多的應用和實踐,創造出與眾不同的建筑立面”。

    節能構件的迅速發展,給建筑師提供了多樣的選擇“而對于建筑師來說,如何合理有效的使用節能構件,是建筑設計中不可忽視的一個挑戰,也為建筑設計開拓了新的方向。節能構件在建筑立面上的使用,密切關系到建筑的物理功能!立面造型等多個方面”。

    對于建筑而言,立面不僅僅起到圍合空間的作用,同時也是建筑內部與外部空間進行物質!能量以及信息交換的重要媒介“作為分隔自然氣候與室內環境的界面,建筑立面主要具有以下功能:視線聯系、引進日光照明、自然通風、保溫隔熱、遮陽、防止眩光等等"立面的這種交換、調節作用,是建筑節能的重要方面,并在圍護結構的采暖、降溫設計以及太陽能利用等方面有所體現”。同樣,節能構件也是建筑造型設計中非常重要的一個環節,是現代建筑整

    體藝術形式需要的組成部分“節能構件的材料、顏色、造型等不僅影響到建筑外立面的造型,同時體現出建筑師對于建筑細部的創作能力”。

    在國內,隨著節能意識的普及以及節能構件產品的豐富,越來越多人關注到節能構件輕巧靈活,便于控制的特點,節能構件的使用得到一定的普及“各種節能構件,如百葉、卷簾、太陽能集熱構件等,在建筑立面上開始有了較為普遍的使用”同時,作為表現建筑技術美的一個重要載體,節能構件也得到眾多建筑師的青睞,逐步成為建筑造型的重要元素“但使用的過程當中,也出現了比較多的問題".部分建筑師在設計中沒有充分考慮節能構件對于室內環境的調節作用,在設計中有所忽略,導致居民在使用當中自行添加或改造,材料東拼西湊,出現比較混亂的情況且室外的臨時節能構件由于受到日曬雨淋,容易毀壞或者變臟,節能效果和立面整體效果變差”。南向陽臺,出于防雨以及遮陽等多種原因,居民不得不自行安裝簡易的塑料遮陽罩“這些遮陽罩顏色不一,規格不一,時間一長后容易毀壞,并且因為積灰變臟而在立面上留下污漬,嚴重影響原有立面，此外,節能構件的自行添加,對于建筑的結構、管道、墻體構造等也都會造成一定的影響”。部分建筑中,節能構件的設計不能滿足功能需要,不能發揮其靈活節能、改善室內舒適度的特點;或者在使用一些特定功能的節能構件時,沒有考慮到節能構件是建筑這個整體中的一部分,忽略了該構件對于建筑物其他物理性能的影響“以百葉為例,是常用的遮陽構件,但同時也是遮光構件,在實際使用中,廠家綜合考慮兩種因素“在立面改造中在南立面添加了大片的金屬遮陽門葉,用簡單的方法賦予立面新的特點”但是這種百葉不易操作,調整角度需要用腳蹬,并且減弱室內的自然采光水平。針對目前使用中出現的問題,對節能構件與建筑立面一體化設計進行應用研究,使節能構件成為建筑的有機組成部分,保證其高效率運轉、節約常規能源的同時,又滿足建筑的使用功能和建筑藝術美的要求,是本文的研究目的“論文的內容主要包括:對建筑常用節能構件的特點以及案例調研,包括遮陽構件、自然采光輔助構件、自然通風輔助構件、主動式太陽能系統相關構件等;繼而對節能構件與建筑立面一體化應用設計進行探討,根據物理功能和建筑造型的要求提出適用性、整體性的設計原則,對節能構件與建筑屋頂、挑檐、外廊、陽臺以及平臺、外墻、門窗洞口等立面各部分的一體化設計進行討論;并提出節能構件與立面一體化設計的一般方法”。

    遮陽構件以減少太陽直接輻射熱進入室內為主要目的隔熱、防熱構件稱為遮陽構件“遮陽構件一般位于采光口、建筑物出入口等外墻開洞部分,減少直射陽光透過玻璃進入室內,防止陽光過分加熱建筑圍護結構以及直射陽光造成的強烈眩光,由此改善室內熱和光環境,減少因多余的制冷而造成的能源消耗”。

    自然采光輔助構件：自然采光,就是利用建筑物上的各種設施和各種材料,把自然光引進到建筑物內部,使之與人工照明結合起來,營造出舒適的光環境“自然采光的優點是人工照明難以達到的”它可以使我們感受太陽和天空形成的微妙變化,感知一天之內時間的流逝;它也可以使建筑物賞心悅目,富有光影變化,從而營造更加人性化的工作、學習和生活環境;除此以外,在建筑中采用自然光,可以減少人工照明的需要量,從而相應減少傳統能源的消耗,達到節能環保的效果，但是,自然光是難以控制的,使用不當的話,則可能引起眩光,或者對室內物品造成損害,不僅不能達到改善室內光環境的效果,甚至會增加室內的能耗，要成功的利用自然光進行設計,就要將光線應用在需要的地方,同時也要避免過度的對比,避免眩光、過多的熱和過高的照明水平“朝向、建筑物進深、窗口和建筑物立面設計等都是影響建筑中自然光的重要因素,而自然采光輔助構件的使用,對于改善室內光環境狀況,有較大的幫助”自然采光輔助構件可以通過對進入采光口的光線進行調節,使光線進入室內深處,并使采光口附近的光線柔和易于使用,從而達到減少人工照明以及改善室內光環境的效果"構件的位置、形狀、角度以及表面材料不同,采光效果也不同“由于采光和遮陽都是與日光有直接關聯,在設計當中,通常把二者結合起來考慮,避免顧此失彼”。

    常見自然通風輔助構件：建筑物外部設置通風輔助構件可以對自然通風進行控制和調節,對于改善室內通風質量有很大幫助。

    節能構件與建筑立面的一體化設計應用研究：設計原則

    根據節能構件兼具功能性與裝飾性的特點,以及對常用節能構件的使用情況的調研分析,對于節能構件與建筑立面的一體化設計提出以下兩個基本設計原則:

    1.適用性：節能構件應該根據實際情況,科學理性的使用。

    A.不同功能、不同形式的節能構件具有不同的應用范圍,不可盲目使用。“建筑設計中應當根據當地氣候特點、周邊環境、建筑的類型、朝向、房間性質、使用者的需求以及建筑師的表達需要來決定在什么位置使用節能構件,使用何種節能構件”。    

    B.節能構件可以作為裝飾性構件來表現,但它應該具備相應的物理功能,可以對改善室內舒適度或者降低能耗起到一定的作用“這一點主要指節能構件的材料、尺寸、角度、位置、控制方法等應該是經過科學的設計和計算,可以達到預期的效果”。

    2.整體性：建筑是一個整體系統,節能構件作為這個系統的一部分,必然對建筑整體有一定的影響,設計當中應該使節能構件與建筑整體和諧統一，這包括兩個方面的考慮:一方面,節能構件是建筑造型的要素之一,其本身的形態、材料、色彩、組織方式,與建筑以何種方式結合,對于建筑外立面的藝術效果來說非常重要。節能構件與建筑結合的好的話,可以使建筑立面增色不少,甚至成為建筑立面上的閃光點。另外一個方面指節能構件通常在實現相應物理功能的同時,可能影響到節能構件與建筑立面的一體化設計應用研究室內其它方面的物理情況,例如,位于門窗洞口附近的遮陽構件,會影響到建筑的自然采光和自然通風設計中應該綜合多方面因素,根據實際需要取最佳方案。

    嚴寒地區和寒冷地區設計要求：冬季防寒保溫要求較高,設計中以冬季保暖為主,要避免遮擋冬季陽光輻射。夏熱冬冷地區：以夏季防熱為主,兼顧冬季保溫;夏季遮陽不宜阻擋冬季陽光。

    遮陽措施：不要把大進深的陽臺或挑檐放在南面,以免擋住冬季的陽光。可以將陽臺封閉作為陽臺間,對進入室內的空氣進行預熱;添加保溫窗簾有助于保溫;避免在冬季遮擋南面的窗口,可以用上仰角度的屋檐或者提高窗戶上沿到屋檐底部的距離,以在冬季得到更多的太陽輻射。可利用竹簾、卷簾、百葉等可拆除或可調節的構件進行遮陽。由于夏季南向太陽高度角較高,可對于南向開口部分提供水平遮陽設備。采用可調節構件例如百葉、卷簾可以避免對冬季陽光的遮擋。可利用屋檐出挑或者陽臺來實現自遮陽，東西向窗口可采用可調節式遮陽構件來遮擋低角度的陽光，夏熱冬暖地區以夏季防熱為主,可利用走廊和大進深的陽臺來進行，可不考慮冬季保溫遮陽,冷卻即將進入室內的空氣,并提供了舒適的室外生活空間，遮陽屋頂即可以保護建筑的局部免受太陽直接輻射,并使涼爽的微風從其下吹過,降低屋頂表面的溫度。對南向窗口采用水平遮陽構件，北向窗口采用垂直遮陽構件，在東面和西面采用可調節式的遮陽構件或者深挑檐(也可兩者結合)。遮陽構件避免阻擋室外涼風的進入，帶遮陽的天井,如一個小而深的種滿植物的后院,能起到冷卻空氣的作用，溫和地區由于氣候夏熱冬冷遮陽設計可參照各城市相鄰地區的設計，一般可不考慮夏季防熱,部分地區注意冬季保溫。

    建筑類型及特點：建筑類型、使用者、立面特征、高度以及經濟性等因素,同樣制約著遮陽構件的使用。

    由于住宅以單元為主要使用單位,遮陽構件最好采用獨立的、簡易的便于各單元獨立操縱的系統,可以讓住戶根據不同的需求進行調控，軟百葉、竹簾、卷簾等較為簡易輕便的系統,對于光、熱以及自然通風都能進行靈活的調節,并且容易拆卸,是常用的室內構件，但是室內構件的隔熱能力比室外構件差,所以在以夏季防熱為主的地區,適當設置室外構件是非常必要的，室外可控構件如具有良好耐候性的百頁、卷簾、可以折疊的垂直遮陽板等，針對玻璃幕墻的遮陽構件的選用要注意能反映出幕墻的輕巧和完整性的特點，用于室內可以采用淺色的輕質卷簾,百葉等;室外的則可以使用大面積的金屬百葉、網狀金屬板等作整體遮陽,形成完整而統一的立面，高層建筑中節能構件的設計則應該考慮風力過大這一不安全因素，超過50米的建筑高度不宜設置懸臂類的外置構件，如果要設室外構件的話,應該以安全的輕質構件為主,例如穿孔的金屬擋板、輕質固定百頁等,并且應該有很好的抗風性。

    外遮陽系數：遮陽系數指實際透過窗玻璃的太陽輻射的熱與透過3mm透明玻璃的太陽輻射的熱之比值"它是表征窗戶透光系統遮陽性能的指標,其值在0一1范圍內變化SC越小,通過窗戶透光系統的太陽輻射得熱量越小,其遮陽性能越好。外遮陽系數指窗口有建筑外遮陽時透入室內的太陽輻射的熱量與在相同條件下沒有建筑外遮陽時透入室內的太陽輻射的熱量的比值。外遮陽系數通常由窗口外遮陽形式、構造尺寸、安裝位置、材料、顏色等決定，外窗的綜合遮陽系數(Sw)是考慮窗本身和窗口的建筑外遮陽裝置綜合遮陽效果的一個系數,是窗本身的遮陽系數Sc和窗口的建筑外遮陽裝置遮陽系數SD的乘積:Sw=50x5c3，由以上各定義可看出,要改變外窗綜合遮陽指數Sw,可以通過改變窗本身的遮陽系數Sc或者外遮陽系數來實現，改變窗的遮陽系數可以通過采用吸熱玻璃或低反射率玻璃等,但這往往意味著建筑投資的增加,并且利用玻璃遮陽的時候,往往不能開啟窗戶進行自然通風;而在建筑外增加外遮陽構件,一方面可以利用較為低廉的投資成本來達到有良好的遮陽效果,另一方面,在遮陽的同時可以開啟窗戶自然通風,更為靈活實用。

    建筑開口：建筑的門窗洞口大小、高低以及分布情況,是影響室內通風質量的重要因素

    整體性設計：門窗洞口附近的擋板等構件,通過影響洞口附近的風壓值,改變通風的方向和強弱，例如百葉型擋板可以將氣流往下壓,實際加大了洞口間的相對高度,能夠改善通風效果;還可以通過擋板的不同位置,形成進風的正壓區和出風的負壓區,利用風力壓差,加強室內通風效果。

    美學因素：節能構件作為建筑立面的要素,它與建筑的關系以及自身的形態,影響著建筑的造型設計過程中應該從以下兩個方面來考慮:與整體協調:自身形態的塑造。

    1.節能構件要與建筑立面整體協調

    節能構件和建筑立面上的其他元素一樣,都服務于建筑這一整體,它與建筑立面的關系如何處理,直接影響到建筑的形象“研究整體與局部的關系,需要研究比例和尺度這兩個問題”。

    A.比例

    建筑的各個要素之間存在著一種內在的聯系,即尺度和比例。比例通常指建筑中一部分和另一部分或部分與整體之比，是大小尺寸方面的比較。“和諧的比例是建筑美的根本法則”對于節能構件的形式、大小以及數量,需要考慮到整體立面的效果,通過與建筑立面整體的對比、融合、微差,來達到協調的關系。

    對比:對比指節能構件與建筑立面其它要素形成強烈的反差,從而使立面的造型更加豐富生動。

    融合:融合指節能構件與建筑立面差別不大,立面整體甚至可以看作是單一的要素構成。

    微差:指節能構件與建筑整體立面其他要素之間有一種不顯著的差異,是介于對比與融合之間的一種比例關系。

    B.尺度

    尺度指在不同空間范圍內,建筑的整體以及構成要素使人產生的感覺"比例體現的是建筑各構成要素之間的協調關系,尺度則涉及到建筑整體或局部給人感覺上的大小印象與真實大小之間的關系。一般情況下,相對于人體尺度和心理體驗模式,尺度大致可以分為大、中、小三個層面:大尺度表達出宏偉的感覺,其作用主要在于人的精神領域;中尺度能營造親切宜人的環境,可使人產生歸屬感;小尺度則易于感知和把握,可使人對環境產生認同感，尺度影響著人們對于建筑的感知體驗,建筑師對于節能構件的尺度的把握,影響著人們對于建筑的感受，例如,對于住宅等建筑宜采用中、小尺度的構件,使人們感覺到親切、易接近。

    C.節能構件的功能與比例、尺度

    研究節能構件與建筑立面整體關系,非常重要的一點,即要在滿足功能需求的基礎上來處理好比例、尺度關系，大部分的節能構件的自身尺寸對于功能有著重要的影響,在設計中應當進行科學的計算模擬,將其作為考慮的一部分。

    屋頂具有保溫、隔熱、擋雨、采光等多種功能,通過坡度、方向、方位、表面積、材料和顏色等與外部環境進行協調，此外,屋頂作為建筑的第五立面,也是建筑造型的重要組成部分，如何將其造型與物理功能完美結合,一直是建筑師探索的目標。

    節能構件與建筑屋頂的一體化布置

    節能構件與建筑屋頂的一體化布置主要有二種方法:

    A.節能構件與屋頂其他構件分離,只滿足其本身所具有的太陽能、遮陽、遮光、通風等功能,而不承擔屋頂系統在保溫、隔熱、防水、結構等方面的功能"。這種方式目前應用比較廣泛,其優點是較為靈活,如果有問題的話可以單獨調整而不會影響屋頂整體的使用"常見的如屋頂放置的太陽能裝置、遮陽構架以及針對天窗等采用的百頁、卷簾等自然采光輔助構件"。

    B.節能構件融合到屋頂中,即節能構件不僅具有其特定物理功能,而且是屋頂不可分割的一部分"常見的如捕風窗、太陽能集熱板等"。

    對以上進行總結,提出節能構件與建筑立面一體化設計的一般方法:

    (1)根據建筑物所處地區的地理條件、氣候特點、功能需要,選擇正確的規范,選擇采用什么樣的節能構件以及在什么部位采用;

    (2)根據當地太陽高度角、光氣候狀況、風向、風速等數據,對節能構件的尺寸、角度等進行計算、模擬,求得相應數據"；

    (3)根據建筑的立面整體造型,調整節能構件"角度、種類、材質、色彩、組織秩序等,來改變立面效果"；

    (4)對調整以后的節能構件進行計算、模擬,確保其仍滿足功能需求"；

    (5)對節能構件與建筑結合部位的防水、防裂、結構、管道進行計算和設計"主要針對屋頂、外廊、挑檐、陽臺、外墻、門窗洞口等建筑立面主要部分,就節能構件與建筑立面的一體化設計的可能性和方法作了一定的探討"。

    建筑是一個集技術、功能、美學多重因素為一體的復雜整體,各構件共同構成這一整體并決定其功能和外觀效果;同時,建筑設計總是要尊重地方條件的差異性和建筑項目的特殊性,節能構件與建筑立面的一體化設計同樣也不例外"建筑創造中應該具體情況具體分析,根據地理氣候條件、建筑功能、造型、經濟性等從多方面考慮,以整體性和適用性為基本的原則,從整體到局部來把握設計節能構件與建筑立面的一體化設計"。

參考文獻：

宋德置,建筑環境控制學,東南大學出版社,2003

宋德營,節能建筑設計與技術,同濟大學出版社,2004

(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)