高层建筑的生物气候学――杨经文设计理论研究提要 系统地介绍高层建筑的生物气候学设计方法。该设计方法从分析环境、气候因素出发，对高层建筑平面布局、立面处理及其他诸多方面提出了具体的处理方案，进而创造出独具风格的低能耗建筑。
关键词 高层建筑 生物气候学设计方法 服务核 垂直城市设计 垂直景观 空气井
杨经文（Ken Yeang）先生1948年出生于马来西亚，曾在英国AA建筑学院学习建筑学，后在剑桥wolfson学院获硕士学位，1975年在剑桥大学获博士学位。在wolfson学院期间，他的研究课题为建筑与环境学，根据研究需要，他学习了生物系的课程，对生态学和生物系统的特性产生了浓厚的兴趣。
杨经文先生一直在进行建筑的生物气候学研究，不仅写了专门的论文，还做了大量的实践工作。1996年他的著作The Skyscraper Bioclimatically Considered - A Design Primer的出版，标志着他的生物气候学建筑设计理论的全面的成熟。
生物气候学在高层建筑中的运用是杨先生对目前高层建筑设计的改革与完善。在美国，40－50年代经济萧条时期，生物气候学已在低中层建筑中加以考虑了，但到了60年代，由于石油价格降低，建筑师不太注重场所的环境因素，很少考虑能源问题。直至今天，生物气候学方法仍未在高层建筑中得到足够的发展。
高层建筑的生物气候学主要是在设计中运用被动式低能耗技术与场地气候和气象数据相结合，从而降低能耗，提高生活质量。其具体方法是通过建筑外形的塑造、材料的选择等，而不是通过电器设备或系统来完成。如果使用电器设备或系统来进一步降低能耗，可被当作低能耗被动设计手段的二次设计。
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。杨先生认为，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。
下面我们对杨经文先生的生物气候学设计理论的主要方面进行探讨。
一 垂直循环系统
垂直循环系统包括楼梯、自动扶梯、电梯、货物升降机和所有的垂直通道，在设计中通常是作为一个"服务核"设置在建筑中，该系统是高层建筑的最重要部分，如果它停止了工作，那么整个建筑将无法运作。
以往的高层建筑，服务核均放在中心位置，电梯厅、楼梯和卫生间等均需要人工照明与机械通风，这样就需要大量的电器设备，耗能也很大。生物气候学方法认为服务核应设在建筑表面"热"的一侧或两侧，一是可以使电梯厅、楼梯和卫生间都能得到自然光和自然通风；二是可以在外部与内部空间之间形成清晰度的"缓冲区"，在热带它是热的缓冲，在温带和寒带则能阻止冷风直接影响内部空间。
在服务核中，电梯是最主要的因素，为此，生物气候学设计法对电梯及电梯厅做了详细的研究。电梯厅不仅可以得到足够的自然光和自然通风，还设有休息区域，监控系统，并配有绿色植物等，且电梯本身也是一种新型的安全电梯。
二 室内空间设计
高层建筑内部空间的设计是很重要的，它直接影响室内的生活质量。目前，很多在高层建筑中办公的公司已陆续迁移至郊区低层建筑中。这说明，高层建筑内部空间存在着不少严重问题。生物气候学方法通过设计改善室内环境质量。首先是对平面设计设定了一些原则，以利自然风和自然光进入。
·平面内边到周边的尺寸应在8－10m之间，建筑进深（不含中庭）以16m左右为宜。
·由于服务核放在建筑的侧面，中间部分就形成了完全通透的均质空间。
·人均密度由20年前的10平方米/人到现在13平方米/人，但随着电子通讯技术的引入，人均密度又将升至10平方米/人，并要有超过25％的空间作为会议空间。
·每层的建筑面积按国家不同而不同，东西亚800－1000平方米，欧洲500－2500平方米，其他地方在1200－2000平方米。
·使用面积与建筑面积之比应不少于75％，80％－85％较合适。
·结构柱网应根据使用情况而定，如办公部分在停车场上部，柱网以8.4m为宜，因为8.4m柱网能放置三辆车。
·窗台高度为73－78cm。
·今天的电力消耗已是10年前的约10倍。
·用户能从一侧到另一侧，无需穿公共服务核的休息厅。卫生间的位置应适当。
·主楼梯须接近电梯。
除了对平面上的规定之外，生物气候学设计法最突出的贡献是在高层建筑中引入了垂直城市设计的思想。21世纪的城市设计应是垂直的而不是水平的，可以在空中提供各种活动场所，在高层部分考虑水平的及垂直向上向下的景观以及各种空中联系，如能到上层的楼梯、通道、桥及层内的坡道等。
空中庭园是生物气候学设计法中最突出的设计手法。空中庭园是一种高层中的较大的露台，可以有几层高，可供私用或公用，设在高层建筑的上部，它是建筑内外空间的转换层，也可提供非工作时的交往，如午餐和休息。庭园后面是全玻璃，阳光可直接进入办公空间。空中庭园也能起到组织自然通风的作用。通往庭园的可以是楼梯或坡道。
三 垂直景观
垂直景观就是高层建筑的绿化，把植物或其他有生命元素引入高层建筑中，或在地面层引入景观，如此处理可以在高层建筑中改善微气候。绿色植物可以吸收二氧化碳和一氧化碳，通过光合作用产生氧气，为使用者提供舒适的环境与新鲜的空气。垂直景观主要是通过对空中庭园的绿化，伴随着风的作用，共同改善室内环境。这使我们想起勒·柯布西埃曾构想的空中花园，柯布真是一位具有超越时代的预见与洞察力的大师。
将绿色植物引入高层建筑，还需在设计与施工上加以充分的考虑，在这里要考虑灌溉和通风的要求。
四 风与通风
风既是高层建筑的敌人，也是高层建筑的朋友。如果能巧妙地利用它，将会促进室内外空气的交换，保证室内空气新鲜，同时还可改善建筑的微气候。
杨经文先生设计的海口大厦2号楼方案，建筑平面顺风设置，呈卵形，在风的作用下，使室内产生正压区，在服务核处形成负压区，两区之间设置压力释放区，这样使室内能保持自然通风。在海口大厦3号楼方案中，他也是将中间服务核部分顺主导风向放置，形成了风道，使其形成了自然通风厅。
自然通风有三种功能，一是保持室内环境；是热舒适，帮助身体与周围空气进行热交换；三是结构冷却。
为了最好地利用风，杨先生在海口大厦中设计了一种"鳍"，它可以人工开启。当有轻风作用时，可把"鳍"打开，风顺其吹入室内，形成对流；当有强风作用时，可把"鳍"关闭，让风围绕建筑表面吹过；当建筑受到偏风作用时，可关闭一侧，打开另一侧。"鳍"的运用，使建筑有了生命，可以对自身进行调节。
五 外墙
高层建筑的外墙对室内环境会产生很大的影响。传统的建筑外墙由于是固定不变的，对冷热气候无法予以调控。运用生物气候学方法设计的建筑外墙具有可调节特点。因此，外墙应该是多面或多层的，可以关闭或开启某个层以适应不同的气候，其目的还是要降低能耗，减少空调和采暖的使用。
例如，上海Armoury大厦，当需要自然通风时，外墙最外层可以开启，允许自然风的通过；当冬季有寒风时，将这一层关闭不让寒风吹入室内。
六 生物气候学在城市设计中的运用
在考虑单体高层建筑的同时，生物气候学还要考虑较大环境及城市中其他建筑环境对高层建筑的影响，这就涉及城市设计问题。
为了在设计中充分考虑环境对高建筑的影响，主要探讨以下几个方面。
首先是建筑的朝向与阴影。在设计前期，建筑师要考虑如下因素：一是阳光的方向，以确定建筑的发展形态和阳光通道；二是对建筑作全年的严格的太阳控制；三是研究建筑与附近建筑物和植物之间的相互遮挡问题。
第二考虑环境关系。在城市范围内，高层建筑物质与气候有三种关系层面：一是在整体城市的层面上，包括基本的物质社会经济系统；二是在城市街区的层面上；三是在步行层面上。如果用一种生态的观点看城市的内部能量交换，我们会发现，由于高层建筑的加入可能加剧城市的"热岛"效应影响微气候，因而需要引进垂直庭园、隔热层等来减少空调使用，从而在密集区提高热交换。
第三为街道关系。"人们应能从地面步行街进入高层建筑，并通过坡道、扶梯和小路等来减少与高层建筑顶部的距离。这种方式，可以作为一种"过渡式空间"，把外界与封闭的内部有机地联系起来。
第四是街区关系。高层建筑的设计成为街区城市设计的重要因素。高层建筑必须融入街区的密集关系中，然而街区本身还必须与其相邻街区和街道保持联系。还应考虑高层建筑间的联系，在城市中以"场所的创造"来看待，如城市广场、干道、散步场所、步行场所等都是其组成部分。
最后要考虑城市天际线的问题。高层建筑对城市天际线的影响是不容忽视的，所以高层建筑的顶部设计是很重要的。
生物气候学在城市设计中的具体运用，通常是将低层建筑设计成并联的"U"形平面，中间围合成庭院，可获得充足的阳光与良好的通风。高层建筑位于街道边沿，形成外高内低的空间关系，可借助高层建筑的阴影，遮挡强烈的阳光。
七 实例分析
杨经文先生设计的上海Armoury大厦是他的生物气候学设计法的典型代表。在这里，几乎运用了所有的生物气候学设计方法。
该大厦位于上海浦东，纬度为31.14°N。平面为圆形，但做了很多变化。电梯、楼梯和卫生间组成的服务核置于外围一侧，内部有中庭，中庭被当做空气井，并在大小与形状上随各层的具体情况而变化。高层设计了空中庭园。
设计者在设计前，首先对上海的气候进行了详细的分析，从气候资料可知当地夏季风的主层风向为东南向，因而在平面设计中，东南向相对开敞，并设置了空中庭园。冬季的主导风向为西北向，平面上西北向相对实一些，并用可开启立面调节。
在立面处理上，外墙为双层。夏季时内层开启，可允许自然通风；春秋季由在两层之间的百叶墙面调节；到了冬季，百叶墙关闭，阻挡寒风的进入。
大厦的剖面分析，主要是分析通风问题。在夏季，该大厦自然通风良好，从各层走廊一直到中庭；在修复靠中庭中热量形成的通气管和风的吸力来达到自然通风，到了冬季，建筑与外界隔绝，要依靠少量机构设备达到通风的目的。
从前面的研究可以发现，生物气候学是一种方法论，它是杨经文先生在不断地实践探索中总结出的设计指导思想。通过对高层建筑的生物气候学的研究与实践，给高层建筑设计带来了全新的观念，这对缓解当今能源紧张状况及实现可持续发展，有着积极和深远的意义。但是，杨先生也告诉大家，生物气候学的运用不应当是设计中考虑的唯一因素，如果做得过分就会导致僵化，因此它应是一种指导思想而不是教条。
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建筑。所以，进行生物气候学的研究对下个世纪建筑形式的发展也具有一定的带动作用。
研究杨经文先生的设计思想，对我国有着很强的现实意义。如在武汉，气候对建筑设计已起到了决定性的作用，我们应运用生物气候学的方法，再结合中国的国情，设计出较低能耗的建筑，这应该是建筑发展的趋势。生物气候学方法鼓励建筑因时因地因气候不同，而具有不同的形态与立面，这就鼓励了建筑个性的发展，因而也可避免建筑千篇一律的状况。
高层建筑的生物气候学――杨经文设计理论研究
发布: 2007-3-19 08:56 | 作者: webmaster | 来源: 本站原创 | 查看: 577次