环境响应与气候适应性理念驱动的寒冷地区高校图书馆绿色设计策略分析 ——以中央财经大学沙河校区图书馆为例 文 / 徐斌 1，2 李东哲 1 1 中国建筑设计研究院有限公司
——以中央财经大学沙河校区图书馆为例
文 / 徐斌 1，2 李东哲 1
1 中国建筑设计研究院有限公司
2 北京建筑大学
高校作为培养人才和知识传播的摇篮，一直引领着文化和科技的发展，校园的规划建设也引领着建筑学前沿理论的发展和实践。随着时代的发展，高校的规划建设在绿色人文、健康舒适与可持续发展等方面的需求不断提升，高校建筑的发展也应该与时代的背景和建筑理论的发展相适应，不断满足社会发展的需求。 图书馆作为校园的文化中心和标志性建筑，具备了推动高校建筑向绿色和可持续方向发展的示范作用 ，需要在充分尊重地域文化、气候特点、自然环境和校园整体文化的基础上，以人为本、传承地域文化，推动绿色生态技术的合理利用，实现校园的绿色发展。
伴随着环境问题的爆发，人类与环境的协调与适应性问题引起各界的关注。“适应性”一词最早起源于生物学领域的进化论，是指生物体在自然选择的过程中表现出的不断与外部环境适合的过程。 环境作为人类所生存的条件，包括自然环境和人工环境。 其中，风环境、热环境、声环境、降水、空气等作为自然环境中最为显著的气候要素，对城市格局、建筑布局及建成环境的影响很大。 适应气候的设计对引导城市布局更加合理，人工环境更加舒适健康，促进城市走向绿色生态发展的道路，具有重要意义。
鉴于此，在规划与建筑设计中应充分考虑地域气候与环境特点，合理把握温度、湿度、风、太阳辐射、降水等方面的气候要素，构建“环境—建筑—人”三者的融贯机制，并转译为建筑语言体现在具体的建筑设计中，建立建筑创作与环境条件的良好适应性关系。这对于城市建设的绿色生态化发展及地域文化的传承具有重要意义，应该被更多的建筑师所掌握和应用。
建筑师在方案设计之初应深入了解建筑所在地的气候环境状况和气候分析工具，通过收集特定地区的气候信息，对大量气候数据进行定量分析，供设计人员筛选相应的设计策略；进而将气象要素、人体舒适性及适应气候的设计策略进行有机展现；通过分析与实验，帮助建筑师直观地理解和分析项目所在地的气候特征，并对设计策略进行合理选择与优化集成。
2.1 北京地区气候条件分析
北京地区四季分明，气温年较差较大，日照量丰富。夏季炎热多雨，炎热时间有两个月，偶有冰雹、雷暴；冬季寒冷干燥且时间较长。春季干旱，雨雪稀少，秋季天高气爽，春、秋两季短促。
（1）气温方面：热舒适性各月相差较大。4~6月温度逐渐上升，较接近热舒适区域；7~9月平均温度处于热舒适范围之内，但是最高温度较高；11月~次年3月温度较低，热舒适性较差（图1）。
图1 北京地区各月平均干球温度图
（2）日照辐射方面：8~9月太阳直射辐射最小，漫射辐射值最大；12月~次年2月太阳直射辐射最大，漫射辐射最小；从总辐射量来看，5、6月的日照辐射总量值最大（图2）。
图2 北京地区各月月总辐射图
（3）风力风向方面：冬夏两季的主导风向正好相反。冬季最多风向为北风和西北风，发生频率为14%，室外平均风速为2.7m/s；夏季最多风向为东南风，发生频率为12%，室外平均风速为2.2m/s。
（4）湿度方面：1~3月的月平均含湿量最小；7~8月的月平均含湿量最大。夏季通风室外计算相对湿度为58%，冬季空气调节室外计算相对湿度为37%（图3）。
图3 北京地区各月月平均相对湿度图
2.2 气候适应性设计策略的筛选
采用Climate Consultant软件读取北京的气象数据[2]，选取公共建筑类型生成焓湿图（图4），发现在全年8 760h中，公共建筑仅有10%的时间不经过任何技术措施的改善可处于舒适区域，其中46.8%时间可以通过“采暖、必要时加湿”和20.8%时间通过“被动式得热”改善建筑的舒适性。经筛选归类后的设计策略按照有效时长的排序依次如表1所示。可以看出该地区改善热舒适度应以“采暖兼顾制冷”为主的主动式技术策略，同时以“被动式得热兼顾通风降温”为主的被动式设计策略，并可通过动态复合式的建筑表皮结构产生改善与促进作用。
图4 气候适应性技术措施分析图
3.1 和谐环境与适应气候的规划布局
针对北京地区气候条件，建筑布局和朝向的选择应在节约用地的前提下，结合场地基础条件因地制宜地确定合理的朝向范围和布局模式，使冬季获得较多的日照并阻隔冷风渗透，夏季避免日晒并利于场地自然通风。本项目以气候适应性设计为目标，建筑的适宜朝向为南向或接近南向，不宜朝向为西向和西北向。同时，结合冬夏两季的主导风向的特点，为了阻挡冬季的主导风且在夏季主导风向方向留出通风廊道，建筑布局采用了组团式布局。根据校园内建筑的整体布局特点，对西北角方向的建筑体量进行了适当的扭转，形成较为封闭的布局形式；在东南方向上则更为开敞，布置了主要的室外活动场地，实现了场地风环境的优化设计。图书馆、主教学楼、食堂、大学生活动中心位于校园中央大道两侧，在功能上联系了各教学区与生活区，流线合理高效。图书馆建筑面积12 653m2，正位南北，便于冬季向阳得热，并可抵御冷风渗透（图5）。
图5 图书馆布局与流线图
3.2 功能空间与建筑形体的有机融合
根据场地用地大小和图书馆使用者的行为需求，确定主要使用空间的人性化设计原则，并结合环境模拟等技术手段营造符合人体工学和良好视野的空间布局。设计确定东西向柱网主尺寸8 400mm，南北向柱网主尺寸6 600mm，东西和南北边跨空间外挑2 800mm，平面根据功能排列形成东西向（4/3）:3:2:1:2:1:（4/3）比例的7个条状单元空间[3]。其中，3个空间作为共享中庭，成为“气候调节器”，穿插分隔了主要使用功能，造就了空间布局上的虚实融合。同时，通过控制形态、空间、功能及立面造型，形成既适应寒冷地区气候，又在内部空间与外在形态上统一的建筑体形——紧凑的“方形”（图6，7）。
图6 图书馆并置空间分析图
图7 图书馆外景
在气候适应性的形体设计上，相同平面面积条件下优化建筑体形的外表面积——合理控制体形系数，是寒冷地区绿色节能的重要设计策略。图书馆紧凑的“方形”避免了体量过于凹或凸，减少了建筑表皮面积，降低了建筑热辐射获得与流失的速率，有效控制了能量的流失，因而减少了通过机械途径维护室内热环境平衡的能耗。
3.3 共享空间与建筑腔体
自然光对阅览者的身心健康有积极影响，充分利用自然光，可以在照明和制冷方面产生巨大的节能效益。项目通过共享中庭顶部锯齿形的采光天窗，有效引入了室外的自然光，满足了图书馆白天日常的采光需求。同时，为了改善局部阴雨天建筑室内自然采光效果不佳和夜晚需要照明的情况，室内人工照明系统保证了阅读和工作区域适当的采光水平，提高了采光质量。此外，共享中庭顶部可开启的锯齿形天窗起到了有效组织室内风环境的作用，而良好的通风环境又能有效改善室内的空气质量（图8，9）。
图8 图书馆自然采光和通风的共享中庭
图9 可开启的锯齿形天窗示意图
3.4 建筑的表皮与绿色建材
在建筑表皮的设计与材料选择上，图书馆以天然厚重的清水混凝土和通透的玻璃幕墙为主要材料。清水混凝土为一次浇筑成型，不再使用其他装饰，外立面体现了建筑功能与空间的内在逻辑。东西向混凝土为主的立面与南北向玻璃幕墙为主的立面形成虚实对比的几何秩序，体现了建筑立面材料与内部功能使用需求的协调与呼应，充分发挥了材料的实用性并达到了总体节能环保的目标。
在建筑表皮与室内空间设计融合方面，南、北向两个侧立面使用竖向线条分割的玻璃幕墙，使室内获得了良好的日照、采光和视野；南向幕墙竖向分割的竖梃和顶板的悬挑结构兼具遮阳作用（图10）。同时，直射光线经过玻璃格栅的散射，为室内阅览区塑造了明亮、舒适的光环境。东西向预制混凝土墙面采用竖向细条窗，有效避免了夏季日晒。此外，幕墙采用五种不同反光率的低辐射玻璃，在满足室内采光的需求下有效调节了室内热舒适度。
图10 立面幕墙内凹形体与竖向分割一体化自遮阳构造示意图
建筑围护结构采用真空绝热板（VIP板），由填充芯材与真空保护表层复合而成，有效地避免了空气对流引起的热传递，使导热系数大幅度降低，提高了建筑的保温隔热性能。此外，二层的屋顶平台使用混凝土预制架空板覆盖，形成的空气间层改善了屋顶平台的保温隔热性能，并设计为雨水花园，形成开敞、舒适的屋顶活动空间。
教育是推动人类进步最有效的方式，大学则被称为改革的先驱者，承担着率先垂范和践行绿色发展的重要角色，是社会可持续发展的引擎和创新基地。一个绿色可持续发展的校园，除了校园文化的塑造，校园本身的建设亦应该是以人为本、布局合理、环境适宜、建筑绿色且具有本土特色的和谐整体。
本文在对北京气候特征分析的基础上，筛选出适应该地区气候的被动式设计策略，并结合中央财经大学沙河校区图书馆工程的设计理念与场地环境条件，分析了气候适应性的被动式绿色设计策略在校园建筑中的有效应用，为我国大学校园环境响应与气候适应性的绿色建筑创作提出了新思考。
图书馆作为校园的标志性建筑，代表着一个校园的文化，绿色图书馆的建设作为可持续发展的建设模式，是一个实现动态适应的过程，其空间设计不仅受学习、交往习惯等行为模式的影响，功能空间的通风、采光、日照、遮阳、保温隔热等性能也直接受外界气候条件的影响。因此，设计中应该全面关注本土文化、地域气候特点、场地环境特点、能源资源条件，在以人为本的原则下，充分考虑使用者的需求，并优先采用适宜的气候适应性被动设计策略与设计技术。这一设计过程正是在充分考虑地域气候、环境条件、能源资源的基础上，使设计子系统自适应于多系统协调耦合机制的过程，最终提升建筑空间的综合性能，使图书馆建筑具有更深层次的结构和内涵。
参考文献
[1] 中国气象局气象信息中心气象资料室 . 中国建筑热环境分析专用气象数据集 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2] 何泉，王文超，刘加平，等 . 基于 Climate Consultant 的拉萨传统民居气候适应性分析 [J]. 建筑科学，2017，33（4）：94-100.
[3] 李东哲，崔海东，张婷婷 . 中央财经大学沙河校区图书馆 [J]. 城市建筑，2018，303（34）：90-96.
徐斌
中国建筑设计研究院有限公司高级工程师，中国建筑设计研究院 有限公司/ 北京建筑大学联合培养博士后。
李东哲
中国建筑设计研究院有限公司教授级高级建筑师，国家一级注册 建筑师。
