基于生态法则的人性化建筑中庭设计研究

2011-01-12李震，狄岗，曹慧

武汉轻工大学学报 2011年2期

李震，狄岗，曹慧

(1.武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉，430023;2.包头昆仑工程造价咨询有限公司，内蒙古包头014010)

中庭(Atrium)是一个古老的建筑概念，已有两千多年的应用历史。中庭是一个多功能的空间，既是交通枢纽，又是人们交往活动的中心，因此它被称作为“共享大厅”［1］。这种全天候的公共聚集空间能够赋予现代建筑新的环境特质，并可较好地满足建筑的功能、经济及文化需求，同时兼顾传统街区式的生活方式。20世纪60年代，美国建筑师约翰·波特曼首先将“中庭”概念引入到旅馆设计中，并取得了巨大成功，此后世界各地竞相效仿。今天，在旅馆、商业中心、办公楼甚至住宅中都出现了中庭设计，“中庭”已成为带有鲜明时代特征的建筑符号。

上世纪末，面对能源危机，生态建筑理念在西方被首先提出并迅速发展。与此同时，中庭空间在吸收太阳能辐射、改善采光质量、促进室内通风等方面的积极作用也被越来越多的人所认识。中庭不仅是现代建筑室内空间的精彩演绎，更成为当前生态建筑的重要设计手段。进入新世纪我国的生态建筑研究方兴未艾，大批生态型建筑中庭纷纷出现。然而其中一部分由于设计上考虑不周，使得实际建成效果差强人意。究其原因恰恰在于建筑师缺乏对人主观感受的深入剖析，未能在技术设计中体现“人本主义”理念。中庭环境品质受到热、声、空气质量、空间构成以及景观营造等众多因素的影响，在此笔者拟从采光、通风与绿化景观三个侧面对生态型建筑中庭设计应遵循的原则做一些探讨。

1 中庭光环境设计

建筑物理环境对人的影响主要体现为感官的刺激(视觉、听觉、热觉、嗅觉等)。因此以人为本的设计其根本目的在于有效控制环境刺激(日照、温度、湿度、噪声等)，或者说使环境刺激优化［2］，以保证人体活动的舒适感受。而采光质量又对人有着最直接的影响。从节能角度出发，建筑用光应尽量利用天然照明，中庭围护结构至少有一面是玻璃，这让中庭成为理想的自然采光场所，它好比一个天然光的收集器，将自然光线送到各层平面，并通过四季更替、朝暮改变、光影交织产生似透非透、虚实对比、变化多端的效果，完全打破了普通六面体空间的封闭感。但中庭光环境设计又相对复杂，涉及到顶部的透光性、中庭空间的几何比例、墙地面反射率等多个因素，要取得理想效果务必处理好几个关键问题。

1.1 中庭空间的几何比例

中庭自身长、宽、高之间的比例关系决定了其光照水平的变化程度。宽敞而低矮的中庭，地面获得的直射光量多;随着中庭高度的增加，到达相应空间的直射光线迅速减少(见图1)。所以日照条件较差地区，中庭应处理得宽矮些，以便底层获得足够光线。经研究，中庭高宽比的最大值是3∶1。中庭高宽比控制在3∶1数值范围内时，其内部空间就可得到满足人活动照度要求的天然光线。对于那些高而深或突出构件较多的中庭，天然采光难以达到照度标准，则可适当运用人工采光来弥补。

图1 中庭高宽比例与直射光线进深的关系

合理的人工采光设计除可有效提高房间照度外，还可增加室内环境的情趣，起到很好的装饰作用。但要注意控制好自然光和人工光之间的比例关系，以节约能源。

1.2 中庭顶部的透光性

中庭顶部光线的透过率是影响采光效果的另一关键环节。顶部透过率越高，到达中庭底部和相邻房间的光线越多。普通玻璃、Low-E玻璃等表面光滑的材料透光性好，阳光可直射进室内，但水平面的光线分布不均匀并会产生眩光;而表面粗糙的磨砂玻璃、透明膜结构等可有效避免眩光的产生，并实现阳光的均匀漫射，但却大大减少了射入的光线总量。不同透光材料的采光效果不同，在实际工程中，应根据中庭光环境的其它影响因素(尤其是空间的几何比例)，综合考虑对透光材料的选择。

夏季进入中庭的强光会引发环境过热;而不恰当的遮阳方式又会挡住冬季阳光的透过量，影响人的感受。解决这一矛盾的办法便是对中庭进行合理的遮阳处理。首先可考虑采用锯齿型天窗，并让屋面板朝阳，而让玻璃背阳(见图2)，这样既避免了阳光直射，又将射向屋面板的光线反射回室内，提高了室内空间照度;其次可采用移动式遮阳系统(如可活动百叶)，并使遮阳板的角度随季节的变化而变化，从而达到有效控制顶部透光量的效果。

图2 锯齿型天窗示意图

1.3 中庭墙壁的反射性

进入中庭的光线除直射光外，还有反射光和漫反射光。对底层地面与四周相邻空间而言，后两者尤为重要。中庭垂直墙面通过反射、漫反射作用重新分配天然光线，实现对采光效果的再调节。实验已证明，相对粗糙的墙面表皮，其漫反射光线更为柔和均匀，并不易产生眩光，所以中庭墙壁宜采用素混凝土、浅色粉刷、石膏板、麻面石材等材料，而尽量回避过于光滑的大理石及釉面砖等装饰。若需要增加特定部位的天然采光量，可通过在中庭墙壁上安装可调节的镜面，向下定向反射天然光，从而解决局部天然光线不足的问题。

2 中庭热环境设计

热环境是建筑物理环境的另一个重要方面，包括温度、湿度、必要的风速等。由于中庭空间一般具有玻璃围护面，可透过阳光，而玻璃热阻较小，若设计不当，极易产生酷夏难耐与寒冬难熬的负面感受。与此同时，中庭形状与构造决定了两种自然现象：温室效应与烟囱效应。要获得舒服的中庭热环境务必深入研究、合理利用这两种效应。

2.1 中庭温室效应

太阳短波热辐射可透过玻璃温暖室内建筑表面，而室内建筑表面波长较长(10微米左右)的二次辐射则无法穿过玻璃射回室外，太阳能从而被积蓄在室内并使室温上升，这便是中庭的“温室效应”。我国寒冷地区中庭的主要功能是采光采暖，所以要特别注意运用该效应来提高冬季的室温。首先要保证中庭有良好朝向以争取尽可能多的日照。可将建筑中庭设计为南向侧面采光形式，这样既能确保中庭在冬季接收充分阳光而迅速升温，又能避免夏季强日光从顶部直接射入;其次要选择热工性能良好的中庭围护结构(如带可调节遮阳板的双层玻璃幕墙);另外还可结合室内装修布置一些重质材料(如砖石、混凝土块等)，以保持室内空间的良好蓄热性，防止热量在夜间散失。通过以上方法可大大降低寒冷地区冬季人工采暖成本，减少能耗。

2.2 中庭烟囱效应

由于中庭空间有一定高度，上下高度间又存在一定温差，导致热压通风的产生，即为“烟囱效应”［3］。在烟囱效应作用下，热空气上升，冷空气下降，形成不借助机械方式的有规律的室内自然通风，既实现了降温通风效果，又节约能源，这对夏季炎热地区的中庭意义重大。热压通风效果与室内外温差和开口的高度有关，温差越大、出风口越高，热压作用越强，而热压差和开口面积又共同决定了单位时间气流量的大小。夏热地区的中庭设计可从两方面提高热压通风效率。一方面要扩大通风口面积。可采用能开启的天窗配合可调节遮阳格栅，天热时将全部天窗打开，随着通风口的扩大，室内空气流动加快，热压通风也会增强。另一方面要适当抬高出风口高度，以增大上下空气温差，使拔风效果更明显。

3 中庭绿化设计

3.1 中庭绿化的意义

城市中的现代人长期呆在室内，接触苯、甲醛等有害物质，极易诱发“建筑综合症”和“空调病”，而绿化是改善建筑环境，使建筑绿色化的最有效方法之一，因此它也是生态型建筑中庭设计不可或缺的手段。中庭绿化有三个作用。

第一，显著改善环境质量。植物通过光合作用释放大量氧气，使人倍感清新愉悦;植物的呼吸功能可过滤空气，降低室温，改善局部小气候，是环境的生态调节器。

第二，丰富空间层次。各种植物有特定的形态，利用它们的组合能创造丰富多彩、柔和自然的室内景象。同时，通过植物的分隔、限定与疏导可将大空间划分为情趣各异的小空间，它们隔而不断，相互渗透，软化了建筑的生硬感。

第三，视觉功能与心理感染。植物以千姿百态的形状、线条和色彩给人以美的感受，通过乔木、花草、盆栽、吊兰的搭配让中庭生机勃勃。此外植物的春花、夏绿、秋色、冬姿更可让人感悟到岁月的更替与四季的轮回，使人产生心灵触动，进而引发强烈的艺术共鸣。

3.2 中庭绿化的技巧

建筑中庭中的环境条件与自然界差异较大，选择合适于这种特殊人工环境的植物品种是中庭绿化景观设计的基础。由于室内日照强度与时间远小于露天状态，因此中庭植物应以热带、亚热带地区林下植物为主，它们比较耐阴或喜阴，对中庭环境有较强适应力。同时，所选植物还要具备较高观赏性：形态优美或奇特;叶型或叶色漂亮;花朵艳丽或繁花似锦;可结出丰硕诱人的果实等，如秀气挺拔的毛竹、高大粗壮的高山榕、多姿多彩的金山葵、邹菊、海枣等均是不错的选择。另外还要特别强调植物应无毒、无不良气味、无粉刺飞扬，以保护观赏者。

植物景观的构成要强调多层次性。应将中庭地面、楼层回廊、屋顶平台结合考虑，形成完整的绿化体系，同时满足人的平视、俯视和仰视的不同视觉要求。绿化景观还要呼应中庭空间的用途特点，营造风格各异的空间意象：或喧闹热烈、或安静闲适、或浪漫动人、或朴素自然。此外，植物构景还要与环境中其它景观元素(如灯具、小品、水体、家具等)相互配合，形成风格与色彩上的协调统一，并相映成趣。