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主立面是西向的建筑如何解决采光和西晒的矛盾?

2014.12.30 | ,
知乎

作者:铭蔚,ringo

一、原理。

太阳能总透射比表征的得热量包括两部分,一部分是直接透过玻璃进入室内的太阳辐射热,另一部分是玻璃及构件吸收太阳辐射热后,再向室内辐射的热量。

对于立面的设计,主要目的是降低第二部分造成的对室内辐射的热量,因为第一部分的太阳辐射,由于考虑到需要采光,反而需要将可见光部分尽量的引入室内,这就是这个问题的主要矛盾所在。

二、方法

由于外窗的传热系数大大高于墙体的传热系数,因此,主要通过对外窗的遮蔽(即遮阳措施),可以达到降低因太阳对建筑外立面照射而导致的室内辐射得热。

三、细说方法

避免太阳对建筑西立面的太阳直射,主要通过遮阳手段达到。从太阳直射的角度进行拆分,主要分为两部分,一部分为从太阳高度角着手,主要是设计水平遮阳;另一部分从太阳方位角着手,主要是设计垂直遮阳。

1.水平遮阳:

通过水平外遮阳和导光板的设计,可以避免太阳直射射到外窗表面,同时利用反射光导入到室内,增加采光进深。根据下图总体来说就是这么一个原理。

从上图可以看出,通过水平遮阳,可以在外窗上减少一定的直射面积,从而使得因外窗被晒热导致对建筑的辐射得热(红色波浪箭头部分)。同时,通过遮阳板的上部反光面,将太阳光反射到建筑天花板上,再通过天花板的漫反射,增加对建筑室内的采光(橙色波浪箭头部分)。需要注意的是,这部分反射光也携带一部分的能量带入到室内,会造成室内负荷,但可以通过使用选择性反射涂料,来减少反射辐射的热量,因此,这部分太阳反射辐射造成的得热可以认为是远远小于太阳直射造成的得热。 为了增加阴影区,可以多设几道遮阳板,同时还可以进一步增加反射光采光进深,如下图所示:

但这种反射遮阳板不宜低于视线高度,以防出现眩光。

2.垂直遮阳

垂直这样的遮阳原理如下:(自己看图,有点懒得用拗口的名词解释了)

同理


四、实例

    说道实例,先来一个不怎么理想的案例,我们学校这两年修的一栋教学楼正好是在南北走向的地块上,西立面用的是外挂密孔遮阳板(实在是不喜欢到都不想构图的地步了)。可以看到,这样的遮阳很消极的包裹了西立面,不但影响视线在遮阳上还收效甚微上面的两层有明显的反光;考虑造型外挂遮阳的离地让底层不得不拉上窗帘。

那么,是不是改成垂直如百叶的遮阳会好一些呢? 不一定。 因为太阳的方位和高度时总是变化的。 简单做个Ecotect的模型表示下,如果西立面的幕墙外设置垂直遮阳板,且遮阳板固定。那么势必要讨论这样的一组垂直板的扭转角度问题。倘若遮阳板角度垂直于幕墙面,也许在某些月份的下午的某些时间里,阳光还是有可能从板与板之间的缝隙射进室内。下图是一个东西朝向,西面有垂直遮阳板并且遮阳板垂直于西立面的鞋盒模型。我拿(自己学校)英国中部的纬度举例,在这样的纬度条件下,全年的太阳的轨迹会编织成如图所示的网, 简短的说,太阳从东边,即图上模型背侧升起,在南侧天穹移动并最后在西边,即图上有遮阳板的一边,落下。 那根红色的弧线表示冬至日(全年白昼时间最短)日出与日落间太阳方位角变化的幅度,而蓝色弧线是夏至日(全年白昼时间最长)时全天太阳方位角变化幅度。而从这个模型我们看到,太阳(轨迹网上的橙色的小球)从图上这个位置是可以射入室内的。而图上时间大约是9月1号的下午四点半。

那么,是不是让垂直遮阳板略微向南侧扭转,让南边天穹上的太阳在下午太阳高度角变低时亦能遮挡大部分的阳光呢?也许,但是对于英国这种高纬度地区,夏天的日照时间奇葩般地长,倾向从西南到正西方向保护西立面的遮阳板很有可能在从西北来的光线下破功,比如如下图表现的夏至日下午6点,太阳是从建筑的北面来了个回马枪。那么,是不是让垂直遮阳板略微向南侧扭转,让南边天穹上的太阳在下午太阳高度角变低时亦能遮挡大部分的阳光呢?也许,但是对于英国这种高纬度地区,夏天的日照时间奇葩般地长,倾向从西南到正西方向保护西立面的遮阳板很有可能在从西北来的光线下破功,比如如下图表现的夏至日下午6点,太阳是从建筑的北面来了个回马枪。

所以,如果遮阳板可以活动,下午的大部分时间扭转向西南,在傍晚扭转到西北的方向,就可以顾全到不同的情况。

只是,活动的遮阳板因为装配和维修的问题牵涉到造价上的考量。比如我自己学校就放弃了活动遮阳板,只能寄希望于这蚊帐一样的外挂遮阳网在英国阴郁的天气和短暂的夏天里不会带来太大的麻烦。 现在再看看不那么差的例子。 比如 DesignInc在墨尔本做的CH2 Melbourne City Council House 2 。西立面被一组组细密木肋板遮挡,因为是在澳大利亚(南半球),遮阳板虽然考虑到可在一定角度内调整角度,但主要面对西北方向。因为材质和造型的得当,这个里面对于前方的广场是个不错的景观背景,但是,这样的表皮势必也遮挡了室内的光线,好在在这一案例里,西立面是较短的山墙。


(可以小角度扭转的格栅们) 那么是不是西立面采光和遮阳的博弈中就必须采用这种满铺类型的设计呢?有没有开敞的可能行呢? 比如Héctor Fernández Elorza做的阿卡拉大学细胞与遗传生物学大楼的扩建(Faculty of Cellular and Genetic Biology /Héctor Elorza) 就是个有趣的例子。

第一次在网上看到这个扩建部分的混凝土墙面时,我心里就有颇多疑问,加建的长条型结构有大面积的实墙,偶尔的开窗往往伴随出挑很深的檐口。ArchDaily上的解释语焉不详,所给方位也不清不楚。于是我就自己到google地图上在阿卡拉大学校园一点点的找,终于在偏离主校区的地方找到了这个房子。 喏,这个长条的房子实际上可以算是面朝西边的。

那么,为什么建筑师有胆在西班牙的天气下把这个西立面交给水平遮阳呢?我们首先看看设计的草图,在设计伊始,建筑师就把握住了基地极有利的一个条件西面的大片树林。 树林不光提供景色(这也诱使设计师把窗户做大,做通透)也在一定程度上遮挡西面的阳光,设计由此敢于开一些大窗,作为保险,不但加了深屋檐,更是在加建部分纳入了一个中庭,用以区隔直接面向西晒的空间,并通过中庭的通透引入天光和疏导得热。

(设计师草图讨论周边环境,风,光的关系,太阳角度略微鸡贼的画得有些高) 而另外重要的一点是,加建部分,面对最好风景的这些空间大多被规划为会议室或一些短时间停留的空间,换句话说,建筑师把使用率低的空间外推,让这些空间成为对其后主要功能区的遮挡。洱原建筑的老西立面被大面积更换为半透明板材(polycarbonate)面向天井或者加建结构营造的大进深灰空间。

所以真如提问的同学面对的这个改造的案子,西立面是住里面没错,但也许通过功能排布上的跳出框框,也许就可以实现不一样的西立面来兼顾采光和遮阳。 可要是没有这种回旋余地呢? 如果西立面背后就不得不放置高频使用的空间? 柏林的GSW大厦就是一个有些年头但又依然很好的例子。大厦的办公区是一个狭长的板楼,东西朝向。


(如平面图,香蕉状的就是东西朝向的大厦主体) 与墨尔本的房子类似,GSW也使用了可活动的遮阳板,可以按使用者所需控制收拢和张开,有色彩搭配考量的遮阳板张开时让立面有了缤纷的效果,而收起时又能做到不着痕迹这就使得在没有太阳直射烦恼的日子里(上午,或者阴雨天),办公空间将拥有异常开阔的视野。

而另外颇为重要的一点,对于一栋高层建筑,立面风压必然不小,与墨尔本的做法不同的是,GSW的遮阳是被包裹在双层表皮(Double Skin facade)的中间。这样不但减小了维护和操作的难度,双层表皮本身又将利用西晒所得的热量形成热浮力。通过屋顶设计的出风口,把热辐射从西立面带走,并且引导室内通风。

(图略小,将就着看) 当然,这样的设计之所以可行多半还是因为建筑是在较为寒冷的欧洲北部,内遮阳带来的热工上的影响较为容易处理的缘故。 所以,若是在炎热的地区的恐怖烈日之下呢?如何做到优雅地采光和遮阳? 那么,就不得不提Aedas在阿布达比的Al Bahar Towers(双塔)

这个建筑的一大特点就是,它的外遮阳系统是活的。这个建筑的一大特点就是,它的外遮阳系统是活的。

因为阿布达比纬度低,太阳高度角较高,这使得遮阳的重点多在东西两侧和建筑顶部。而因为太阳自东向西运动,东西遮阳不用永久遮挡立面。所以才有了可控外遮阳的设想。而这一立面的幕后英雄是ARUP的设计团队。 (其中一个负责人是Giorgio Buffoni。他把他们设计立面的理念叫做Optimal Design,旨在加入各种纬度的参数筛选可能性。这听上去有点像参数化设计(Parametric Design),但他是这么高冷的回答我的:如果计算机给你几百种可能性,这是Parametric Design,如果计算机给你一百万种可能性,而你还有能力迅速决定你想要的一种或几种,这就是Optimal Design。 )

我们暂且不考虑括号里的名词解释。单单回过头看这个遮阳设计,它可以稳定,准确,适时地提供遮阳或者采光。外挂的结构如果引导好了也可以帮助建筑体带走热量。而这种这样背后是新的视角下的一种强悍设计方法。但是,这并不意味着这就真的是那个最优解,这搞不好充其量是土豪阿拉伯世界不长毛的地表上又一次眼球经济。

而对于一个设计项目,跟为重要的是理解问题本身,再轻巧地解决它。这种轻巧可以是西班牙式地,澳大利亚式地,德国式地,亦或者这个拉风土豪式地。

但请不要是我学校的那种屁股向下平沙落雁式。

4条评论
建筑学院 2019-05-22 18:37:32 回复 0

回复 Ignite: 图来了

Ignite 2019-05-22 16:26:39 回复

图呢?

Ignite 2019-05-22 16:26:39 回复 0

图呢?

你可长点心吧 2019-03-19 18:45:09 回复 0

图呢哥

ae 2015-01-08 13:49:01 回复 0

内遮阳带来的热工上的影响是什么呢?

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作者:铭蔚,ringo

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