1、生態建筑 健康建筑與幕墻通風一 前言2003年一季度以來，非典病役突發在中國一些省市，一場沒有硝煙的戰爭在全國打響，數以萬計人被隔離，數以千計人被病毒折磨，數以百計人被奪去生命，對全國的經濟發展產生一定負面影響。當然非典病役發生和流行有多方的因素，但健康的室內空氣質量和良好的自然通風是防治非典的一個重要的因素。衛生部2003年4月30日緊急通知：為阻止非典型肺炎病毒的傳播途徑，即日起在非典型肺炎收治、隔離、觀察以及發現有非典型肺炎病人的場所、樓宇內，一律禁止使用中央空調。各單位在人員密集的地方，要保證自然通風條件。醫學專家稱室內通風和室內消毒同等重要。5月15日世衛專家稱：香港淘大花園案例表明
2、，強力抽風扇可能將非典病毒液滴抽出浴室，通過小天井傳到高層居民感染。非典病疫再一次向人們居住健康的現實提出了挑戰，再一次用傳染病學的觀點來審視環境、建筑、健康三者之間的內在關系。其實在上世紀下半葉，國際上有不少的環境學家和建筑大師在不同場所和不同時間，提出了健康建筑、綠色建筑、生態建筑、持續建筑的吶喊和建議，從1972年開始，有關這方面內容的國際會議幾乎年年召開，囿于當時我國溫飽型的經濟水平以及傳統觀念的困擾，從建筑實踐和建筑理論都落后相當大距離，僅以玻璃幕墻工程技術規范（JGJ102-96）為例，其中第4.1.4條規定：玻璃幕墻的開啟部分面積不宜大于幕墻面積15%；該條文如下說明：玻璃幕墻作
3、為建筑外圍護結構，要求密封性。如果開啟面積過大，既增加采暖空調能耗，又影響立面效果，條文中提到設置少量開啟部分，面積不宜超過幕墻面積的15%，屬經驗數據。這些規定說明：作為建筑外圍護結構的玻璃幕墻僅僅考慮空調能耗和立面效果，沒有考慮健康要求的必要自然通風。據了解，在非典之后，北京、廣州等地某些玻璃幕墻為了自然通風，將已建成的封閉式玻璃打掉，改為開啟窗。JGJ102修改本將刪除以上條文。作為外圍護結構的建筑幕墻是建筑物的內外環境的分界和媒介，對建筑物的內外環境起著重要作用，要不要開啟？如何開啟？開啟面積多少？開啟和通風、開啟和節能、開啟和空氣質量等如何協調？室外的環境或空氣質量不良時又如何關閉？
4、關閉后又如何自然通風？等等問題，不是僅僅去除一些規范的某些條文，或者在原封閉幕墻拆除以增加開啟窗等簡單方法來處理，需要以健康、綠色、生態、持續建筑的理念來探討研究，需要建筑師和幕墻設計師共同努力，以非典的切膚之痛、痛定思痛：重溫健康、綠色、生態、持續建筑的理念，用這些理念來審視、強化過去忽視的內容，結合國情和非典病疫對建筑的要求，創造、發展新內容，本文愿對此作一些粗淺探討。二 持續發展對環境的關注已經成為全世界的熱點：自然資源的過度開采，生態環境的日益頹敗，自然氣候的惡變無常無不使之感到憂慮和惶恐，近代以來，社會物質、技術以前所未有的速度發展，對地球及環境不間斷索取，將人類的欲望逐漸推向極限，
5、將會使人類自身的生存瀕臨危難困境。1968年羅馬俱樂部麥道斯（D.L.Meadows）的增長的極限，從全球和長遠的角度，把經濟、技術、社會和環境問題結合起來考慮，以系統動力學的理論方法，建立了一個世界模型，通過定量分析指出：人口增長、工業發展、糧食生產、資源耗盡和環境污染的指數增長，最終將導致全世界物盡財絕的困境。這份報告，從一定程度上改變了人們對環境態度，開始廣泛吸取哲學家和科學家的基本理論和方法，從方方面面來控制地球上的環境狀況。人類在地球上成長的數量、分布范圍、科技發展等已達生物史上的顛峰，突破地球生態容量及自然復原的極限，有識之士開始生態、環保的反思：1987年蒙特利爾公約、1992年
6、巴西里約宣言、1994年埃及世界人口會議、1995年土耳其伊斯坦堡城市高峰會、1997年日本京都議定書，無一不為人類生活的持續發展進行探討，逐漸由消極的環保、節能，邁向積極的持續、生態。（圖一、圖二所示，從原始自然觀至二十一世紀今天，有關持續發展概念的形成過程。）從省能環保生態綠化舒適健康；節能固然重要，但要服從舒適健康，如果沒有健康這一必要的前提，片面追求其它，損失更大；而新世紀的舒適健康觀，已不是原始自然觀，也不是初步覺醒的環保觀和生態觀，而是天、地、人和萬物共存的持續發展的自然觀。有專家言：人類是自然的入侵者，而沙士病毒則是人類基因的入侵者。這句話表明人和地球生物共存的關系。以持續發展為
7、基礎的舒適健康自然觀貫穿人們活動全過程，當然也要貫穿到建筑及外圍護結構，因而用新的健康、生態、綠色建筑理念來設計幕墻和通風，也許是必由之路，不少有識之建筑師和幕墻設計師已經這樣做，在非典病疫后，中國的建筑師和幕墻設計師更應這樣做。三 健康建筑、綠色建筑、生態建筑、持續建筑建筑是人們價值觀及進展的具體表現。1970年代石油能源危機的影響，現代建筑對環境問題回應，從節能建筑開始；為了節能，建筑注重建康不夠，造成許多疾病發生，覺醒了建筑師的環保建康意識，提出了健康建筑（Healthy Buildings）和綠色建筑（Green Buildings）的理念；一些發達國家的建筑師根據德國生物學家赫克爾（
8、Ernst Heinrich Haeekel）提出的生態學基本概念，將人類的建筑活動納入到生態系統，重新評價人、建筑和環境之間的關系，提出生態建筑（Ecological Buildings）的理念，美國著名的建筑師麥克哈格（Ian L.McHarg）所著結合自然的設計的出版，標志著生態建筑學的誕生。隨著人們對全球生態環境的普遍關注和可持續發展思想的廣泛深入，建筑回應從能源、健康方面擴展到全面審視建筑活動對全球生態環境、周邊生態環境、居住者所生活環境的影響，這是空間上的全面性；同時這種全面審視還包括時間全面性：即審視建筑的全壽命影響，包括原材料、運輸、加工、施工、建造、使用、維修、改造和折除等各
9、個環節，將人、建筑和環境作為一個有機的、具有結構和功能的整體系統來看待，建筑不僅要滿足使用要求和美學要求，還要達到與環境共生和可持續協調發展目的，有節制地利用和改造自然，尋求最適合人類生存和發展的生態建筑環境。1993年，國際建協第18次大會發表的芝加哥宣言，提出“以探求自然生態作為建筑設計的依據”。指出“建筑及其建成的環境在人類對自然環境的影響扮演著重要角色；符合可持續發展原理的設計需要對資源和能源的使用效率、對健康的影響、對材料的選擇等方面進行綜合思考”，提出可持續發展建筑（Sustainable Buildings）的理念。這四種建筑理念是在不同的時間提出的，從其所定義的內涵來看，如圖三
10、示意的包容關系。四 健康建筑和幕墻的通風設計要點建議依照持續建筑、生態建筑、綠色建筑與健康建筑有關理念，考慮非典病疫的一些現象和要求，對健康建筑和幕墻的通風設計要點提出以下粗淺建議：4.1 對健康建筑的自然通風設計需要建筑師和幕墻設計師的通力合作，從建筑總圖設計時開始。4.2 在可能條件下盡量使用自然通風，不要設計全封閉建筑。很早以來人類就在實踐中就采用了自然通風來使生活環境更加舒適健康，其實這也是人的動物本能之一，甚至白蟻窩的自然通風系統都達到了驚人完美程度。自然通風最大益處首先應該是使室內空氣質量環境得到改善，尤其是要保證健康的空氣質量，防止有關疾病傳染，除了在污染非常嚴重以至室外空氣不能
11、達到健康要求的情況外，應該盡可能地使用自然通風來給室內提供新鮮、健康的空氣。自然通風另一好處是能夠降低對空調系統的依賴，從而節約空調能耗。4.3 自然通風為主，混合通風并用。室外環境并不總是滿足自然通風的需要，要做到完全的自然通風幾乎是不可能的，在保證室內健康空氣的條件下，可混合使用各種通風方式，即在充分利用自然通風同時，也配置機械通風和空調系統，混合通風大致有以下四種方式： 機械通風只是在需要時作為一種輔助手段使用。 根據建筑物內各區實際需要和實際條件，采用不同通風方式。 自然通風和機械通風同時使用。 自然通風和機械通風替換使用。4.4 建筑的布局宜依據常年主導風向來考慮，使建筑物幕墻的排列
12、和朝向有利于自然通風。4.5 在進行平面和剖面設計時，室內進深與幕墻進、出風口幾何尺寸相匹配，避免出現室內自然通風死點。4.6 幕墻和門窗的開口位置、廊道的布置、內隔墻設置等都要考慮對氣流導向，有利于穿堂風的形成。4.7 優先采用在外界環境惡劣或比較惡劣條件下都能自然通風的幕墻和門窗結構，例如雙層結構幕墻。4.8 幕墻和門窗的通風結構既要能開啟，又要能關閉，開關最少要手動和電動，高檔建筑最好智能控制。4.9 精心設計雙層幕墻的豎通道和橫廊道，與建筑物中庭或風塔設置相呼應，巧妙地利用煙囪效應，使幕墻、門窗和室內形成合理的正壓和負壓，保證有風和無風時都能有效地自然通風。4.10 在保證健康自然通風
13、前提下盡量節能，吸收國外幕墻技術時，結合中國國情，尤其要注意溫室效應和煙囪效應的平衡性。自然通風也要和玻璃幕墻和門窗的自然采光相匹配。4.11 幕墻進出風口的位置和形式盡量滿足建筑立面美學要求；避免噪音。4.12 通風系統應能防止發生火災時火焰漫延。實例可見德國加特納公司制作的RWE大樓智能雙層結構幕墻。4.13 用雙層結構幕墻的生態氣候緩沖層BBL（Biocilimatic Buffering Layer）的理念進行封閉或通風面積小的老幕墻的改造，比目前簡單的打破玻璃以增加開啟窗的方法也許更為經濟有效。4.14 氣流組織可根據進、出風口的位置主要有以下形式：單側上進上出；單側上進下出；雙側上
14、進上出；雙側上進下出；其它。推薦、形式。4.15 在沒有新規定之前，新風量和空內允許氣流速度暫按以下建議指標進行設計，一般室內環境：新風量最少為60（m3 /h. 人），重要室內環境：新風量最少為80（m3 /h. 人）；室內允許氣流速度，一般室內環境：0.20m/s；重要室內環境：0.15m/s。鑒于案例比較容易理解和學習，本文編選了一些工程案例，從這些工程案例經驗分享中，可以看到健康建筑和幕墻的通風是跨領域、跨專業的合作成果，可以看到健康建筑和幕墻的通風設計要點的靈活應用，從中吸取所需要的養份，也許對提高我國健康建筑和幕墻通風的技術水平有一些幫助。五 工程案例51 德國波恩郵政總局德國郵政
15、局（Deutsche Post Boon）在波恩的新總部大樓的建筑形態及立面形式的設計，將換氣通風作為主要因素之一，弧面開放性玻璃幕墻分散引進室外空氣，每九層樓的空中庭園集中排氣，樓高230.8m。分段開放式雙層結構的玻璃幕墻，每段九層樓高，外層幕墻采用單層低鐵玻璃開關采用中央控制；內層采用低鐵充氣鋼化中空玻璃，開關采用手動控制；內、外層之間的通道寬度：南立面為1.35m，北立面為0.85m。雙層玻璃幕墻的溫室效應將進氣預熱，獨立的地板環流加熱，天花板中央系統提供基本暖氣，利用辦公室排放之熱氣加熱空中花園，作為間接熱回收。雙層幕墻中的遮陽裝置，不受風速限制；利用煙囪效應釋放外墻所吸收的熱；獨立
16、的外氣冷卻系統；利用萊因河水冷卻混凝土樓板；以涼爽的表層溫度提高室內舒適度；夜間注入冷空氣以降低建筑物的熱容量。52 德國法蘭克福銀行大廈（Commerz Bank Headquaters）1997年，設計師：諾曼福斯特（Foster & Partners）大廈高300m，共53層，主干是一個高大的中庭，以其煙囪效應為整個大廈排氣，52層被劃分為4個辦公單元，每個辦公單元都帶有一個4層高的空中花園，并種植了豐富的植物，空中花園的外側是雙層玻璃幕墻，室外空氣通過外墻進風口進入內、外層玻璃幕墻之間的熱通道，可開啟的窗戶設在內層玻璃幕墻上，即使在惡劣天氣，最高層窗戶開啟，也不會受到強風的干擾，從而保
17、證了整個大廈的自然通風，朝向中庭一側的窗戶也是可以開啟排氣；花園植物的光合作用、雙層玻璃幕墻的自然通風和中庭煙囪效應的排氣等共同構成了大廈之肺，將綠色植物引入室內，創造與自然接觸的人性化空間，又稱之為“生態艙”，福斯特自稱這一設計是“世界上第一座活著的、能夠自由呼吸的高層建筑”。在寒冷的冬天，計算機將關閉內層幕墻的窗戶，通過中庭來自然通風。在夏季，窗戶可以打開以獲得穿堂風。福斯特成功地將自然景觀引入超高層集中式辦公建筑，使城市高密度生活方式與自然生態環境相融合，被稱為世界上第一座“生態型”超高層建筑，其相應的雙層結構的玻璃幕墻也才是“生態型”的“呼吸幕墻”。53 英哥爾斯達特鎮AUDI研發中心
18、大樓AUDI公司在英哥爾斯達鎮（Ingolstadt）汽車生產廠附近建造的一座研發中心大樓，研究所要求：生態環境好、自然通風良、室內空氣質量高，為了達到這些要求，該大樓在南向設置了整體式雙層結構玻璃幕墻，外層為明框玻璃幕墻，內層為玻璃門窗，內外層的緩沖區，作為主要的門廳與廊道空間，緩沖辦公室空間之熱能吸收，利用開放空間作為排氣集中區。夏季、冬季的工況見下圖示意，煙囪效應排氣，取代了冗長的管道，雙層結構幕墻及其煙囪效應、溫室效應又使該大樓節能也較好。54 以色列特拉維夫波特環境研究學院建筑競賽方案這個方案包含了綠色設計幾項具體做法：自然通風，綠色單元光線、空氣、雨水、植栽的設計，光電屋頂，廢物專
19、用導槽與回收利用，可拆卸的構造系統等。55 城市之門（City. Dusselklorf. Germmany）1997年這種低能耗的辦公大樓坐落于萊茵河公園的邊緣，位于繁忙萊茵河隧道南入口的上方，是通向這個地區的入口大門。兩幢高80m的16層塔樓之間是高58m的中庭，塔樓頂部通過三層橋式結構相連，整個建筑都被玻璃幕墻包裹著，兩幢塔樓都裝有雙層隔熱玻璃，在單層玻璃和雙層玻璃之間有一個0.91.4m的廊道（圖7），起著隔熱和隔聲作用，窗戶上的電控百葉窗除遮陽之外，還有利于熱空氣上升排出。為保證良好自然通風，有一個專門特殊設計的通風裝置，設在窗戶上、下方（圖36）。該裝置高600mm，安裝有靈敏的氣
20、動百葉，由電子系統控制，能充分利用外部氣候條件并減少刮風所產生的噪聲，有效地提供自然通風。當外界溫度在520之間時，自然通風足以滿足室內使用要求，如果出現惡劣天氣，可啟用環境友好空調系統，它包括一個雙重空氣交換系統，通過天花板上的吸附式隔熱冷卻裝置，利用采自河邊的地下水來制冷，避免了氟利昂的使用；冬季則可通過天花板用當地區域供暖系統采暖。56 英國建筑研究所辦公樓這座英國建筑研究所（BRE）辦公樓座落于瓦特福德（Watford）市郊，氣候溫和，污染少。辦公樓主體為三層，外立面有一半是可開啟的充氬氣中空玻璃窗，南立面還裝有電動水平玻璃百葉，頂部設有通風口，辦公樓層高3.7m，波形混凝土上另附面板
21、，兩層板之間留有大面積的低阻力空隙，便于空氣流動。空外空氣由大樓管理（BMS）系統所控制高窗提供，在波形樓板的高點部位直接進入，或由波形樓板的低點部位進入結構空隙，正南面有五個通風口，內裝有光電板，可以吸收太陽能轉換為電能，以驅動內裝的低壓風扇在炎熱或無風時幫助通風。氣溫適中季節，開窗通風；冬季，室外空氣進入后預熱；夏季，窗戶可補充通風。南面窗戶使用反射玻璃，配置了電動遮陽簾。這座大樓綠色設計達到了：100%面積自然通風，95%面積自然采光，96%材料重復利用。我國目前建筑物的通風設計主要依據采暖通風與空氣調節設計規范（GB50019-2003），主要考慮室內采暖、制冷的需要前提下盡量節能，對
22、自然通風和室內健康空氣的要求考慮不多，非典之后也許會增加新內容。本文僅作為有關專業設計規范尚未補充以上新內容之前，吸取非典的一些現象，參照國外有關健康建筑和幕墻的通風工程實例，以建筑幕墻設計的角度提出一些探討意見和建議，拋磚引玉，僅作參考，不妥之處，敬請指正。參考文獻：一高技術生態建筑 李華東主編 天津大學出版社二永續綠建筑 總編輯 李芳怡 臺灣建筑雜志三全國民用建筑工程設計技術措施-暖通空調.動力 建設部工程質量安全監督與行業發展司 中國建筑標準設設計研究所四生態建筑 周浩明 張曉東主編 東南大學出版社五Double-Skin Facades Oesterler. Lieb. Lutz. Heusier
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