基于环境调控的高层住宅立面开口形态
——以中国香港为例

■ 周伊利 Zhou Yili 宋德萱 Song Dexuan 张璐璐 Zhang Lulu

0 引言

住宅立面开口形态是建筑设计美学的主要展现元素之一，也是建筑应对外部环境调控室内环境的承载体。住宅开口形态因建筑所处的气候特点而有所差异，是建筑对气候响应程度的体现。本文中的“立面开口”指建筑立面可透明的、或可敞开的部分，并包括与之相关的构筑和构件。高层住宅由于特有的“超人”尺度，已然基本摆脱了近地环境要素（如植被）对建筑环境的影响，尤其在高密度城市中，需要靠建筑自身的构筑或构件来影响开口调适作用的发挥。香港是典型的高密度城市，建筑和人口的密集程度在世界上也只有极少数类似城市与之匹敌。本文以中国香港高层住宅为讨论对象，尝试梳理出于响应所处的湿热气候的住宅立面开口形态类型，并剖析住宅开口形态与主要气候要素的应对关系，旨在探寻响应气候的住宅开口设计语言。

1 香港气候特点与高密度城市环境

从建筑气候区划分看，香港特区处于夏热冬暖气候区，深受海洋的影响。香港春季暖和潮湿，夏季炎热多雨，时常有热带气旋光顾；秋季凉爽，阳光充沛；冬季则清凉干燥。香港地区雨量充沛，年降雨量超过2 300mm，大部分集中于6～10月。香港位于北纬约22°，在中午时分太阳大多在南方。香港年日照时间达到1 835.6h，可利用的占42%，月平均太阳辐射量12.85 MJ/m2，在7月最高，而下半年整体较上半年高。总的来说，香港的气候呈现雨热同期的特点。

在香港“弹丸”之地，40层以上高楼数量超过3 500栋，高楼密度全国居首。这种超高密度发展给城市住居环境带来了多方面的影响：高层住宅密集，居住空间狭小，城市街道视线逼仄，城市噪声影响大以及室内自然采光不足等。如此拥挤的城市加上湿热气候的影响，对居住环境的调适形成较大压力。

1.1 致凉需求

根据丹麦Fanger教授PMV热舒适模型，人体热舒适性（PMV值）与空气温度、空气相对湿度、壁面平均辐射温度、风速、人体新陈代谢率及衣服热阻等6个参数密切相关，PMV值越接近于零，意味着热舒适程度越高[1]。通常来说，在炎热夏季的南方湿热地区，自然条件下，空气温度、壁面辐射温度、空气相对湿度会超过人体感觉舒适的范围，因此，温度越低、空气相对湿度越小，PMV值越小，意味着热舒适程度越高；空气流动可以加速人体皮肤表面汗液蒸发，以便散发热量，减少体内热量累积，因此，风速越高，PMV值越小，就越有利于获得凉爽感觉。让人体获得凉爽的过程就是致凉的过程。

南方地区夏季炎热，连续高温天气频现，空气的相对湿度较高，通常处于75%～80%范围，人体普遍感觉闷热，致凉需求强烈。香港是高密度都市，高楼林立，尽管临海，有海风吹拂，可以减缓城市的热岛效应，但拥挤的城市空间对散热存在一定的阻碍作用，建筑的室外通风环境也受到一定程度的压制。从建筑空间来说，如何减少室外向室内的热传递，降低室内空气湿度，有效的自然通风就成为建筑自身性能的一种诉求。而立面开口作为室内外能量传递的主要通道，也是主要承担调控作用的所在。

1.2 挡雨需求

南方降水丰富，且主要集中在夏季，与热量过多的时间高度重合。在高密度城市环境中，存在局地疾风的现象，使得雨水可能以较高速率冲淋立面开口。尽管窗户玻璃和窗框的密闭性已经获得了较大的提升，能较好地对抗雨水的冲刷。然而，雨天通常湿度较大，密闭窗户会减少室内气流运行的速率，增加闷热的感觉。事实上，下雨时室外空气温度通常会下降1～2℃，如果能保持开口的敞开，就有助于室外凉空气进入室内，从而减少室内空间中热量的累积。

因此，立面开口在承担防雨功能的同时也兼顾了自然通风的可能性，主要目的是最大程度利用自然要素来调控室内的热舒适性。

1.3 降噪需求

由于其密集的人口、繁荣的经济活动、繁忙的交通以及城市建设活动等因素，高密度城市的噪声污染对高层住宅的室内空间形成负面影响，主要来源可分为城市交通噪声、城市生活噪声、施工噪声及其它噪声。根据储益萍等人的研究，香港和上海等高密度城市，生活噪声和建筑施工噪声较为突出，尤其是在城市化水平较高的区域[2]。相比之下，香港的高层住宅与道路的退界通常较小，交通噪声也比较严重。在既定的城市建成环境中，通过增加隔音屏等措施，可以减少交通噪声的传播。然而，就高层住宅而言，近地面的降噪措施多少会显得“鞭长莫及”，因此，建筑本身开口部分的降噪作用就显得尤为重要。

1.4 调光需求

在高密度城市中，由于建筑密集，建筑间不可避免存在光线遮挡的问题。在香港，夏季的太阳辐射热过量，可见光部分却也是不足的，尤其是低区的住宅单位。从香港普通高层住宅来看，主要空间如起居室、卧室面积较小，按照可透明部分与室内地面面积的比例要求，开口部分的尺寸和位置存在一定的余地。开口部分对可见光具有过滤作用，可以减少眩光，最大程度减少人工照明的耗能，还能提高光环境的均匀度和舒适度。

1.5 防风需求

我国的东南沿海每年都会有台风、热带气旋的光顾，强风往往超出人体可承受的速度区间，甚至威胁人身安全，舒适性则无从谈起。香港在夏季里也时常受热带气旋、台风的影响，高层住宅立面承受较大的风压，建筑开口强度必须保证较高的安全性能，避免高空脱落或掉落等现象的发生，以确保人身安全。

2 开口形态与致凉

香港高层住宅开口部分的致凉机制主要通过遮阳、兜风等过程，“屏蔽”不利的环境要素，引入有利的要素，充分发挥开口部分对室内环境的促进致凉作用。

2.1 遮阳

事先预防好于事后弥补。与其让热量“肆无忌惮”地侵入室内空间，再通过设备进行环境控制，不如将不需要的热量阻挡在空间之外，允许尽量少的热量传递进室内。遮阳就是一项十分有效的致凉措施。遮阳就是根据光线的线性传播原理，在到达使用空间之前设置障碍物，把直射阳光反射回空中，阻挡在空间之外，减少空间的直射阳光辐射量。

带遮阳的开口形态广泛存在于香港高层住宅立面，以其较深的悬挑进深、富有韵律感的阴影，形成地域特色的“遮阳建筑美学”（“遮阳建筑美学”提法引自林宪德《绿色建筑：生态、节能、减废、健康》）。与其它地区不同，由于香港的纬度较低，夏季的太阳高度角较大，而且在夏季的部分时间段内，建筑的北面也接受太阳辐射。因此，高层住宅在4个立面的开口都需考虑对直射阳光的遮挡。

基本的开口遮阳形态有水平式、垂直式、门字型、口字型，适用于不同朝向的立面和范围（图1）。由于香港的太阳高度角较大，南向水平遮阳板产生阴影遮蔽范围较广，能涵盖开口透明部分的大部分或全部；东西立面的开口需要垂直式遮挡方可有效；门字型和口字型则适用于多个朝向的立面，都能有效遮蔽直射阳光（图2）。

将上述这些基本形态组合重新构成的复合开口遮阳形态，成就了香港高层住宅的立面特色。通过悬挑结构，将水平板和垂直板综合运用，形成有韵律的立面构图，制造了多层次的立面效果，而开口的透明部分则退入第二层次，通常为阴影所覆盖。有的高层住宅采用了上宽下窄的水平挑板，既遮挡了来自天空的太阳辐射，也考虑了空间使用者俯视街景的需求（图3）。

2.2 兜风

在高密度城市中，高层住宅密集的区域，容易形成峡谷风，也时常有上升或下沉气流。当气流经过建筑立面开口时，开口处各种遮阳板同时成为导风板，有助于将气流导入室内空间，可以促进室内的自然通风，排走空间中过多热量。

需要指出的是，建筑各种开口对气流具有“兜风”作用，比较粗糙的城市“侧垫面”对气流也有一定阻力，速率较快的街道峡谷风在一定程度上受到了削弱，减少街道风速过大产生不舒适的可能性。

3 开口形态与挡雨

在雨热同期的香港，降雨可以有效降低城市外部环境的温度，形成一段时间较舒适的热环境，若能在降雨之中和之后开窗通风，通常能带来不可多得的习习凉风。挡雨的开口形态比较简单，垂直下落的雨水在室外风的作用下，在建筑立面时常出现“漂淋”现象，开口上方的水平板对这种现象具有有效的抑制作用，在南立面还兼顾了遮阳的作用（图4）。

图1 高层建筑开口基本形态：水平式、垂直式、门字型、口字型

图2 开口遮阳形态的遮阳示意图

4 开口附加构件

一些既有高层住宅，由于在原先设计时未充分考虑开口对室内环境的调控作用，开口形态略显简陋和单调。在这些既有高层住宅活化和再设计过程中，住宅立面采用后加水平或垂直式遮阳板，形成新的立面开口形态。这些遮阳板被固定在具备足够强度的悬挑支撑体之上，与原开口保持一定距离，常见的为0.8～1.2m。这种附加构件能在立面上形成阴影，既减少建筑开口处的得热，又不妨碍建筑外围护的散热，契合了近些年愈发高温的天气，带来致凉需求，也为遮蔽立面上不规律的设备摆放提供了条件（图5）。

5 开口结合设备

事实上，开口对室内环境的调控存在一定的局限性。当高密度城市里出现高温天气时，如室外温度超过35℃，空气相对湿度在70%以上，开口的被动式调控效果显著性将大打折扣。鉴于室内环境舒适性需求，高层住宅中应考虑设备的主动式调节作用。

在香港高层住宅中，窗式空调器的使用比较普遍。所谓窗式空调器是一种可以安装在窗口的小型空调器，有冷风型、电热型和热泵型。香港城市住宅一般都采用冷风型窗式空调器，具有降温、通风、除湿等功能。

窗式空调器的室内出风口需位于室内较高的位置，因此，窗式空调器需要安装在开口的上部（图6）。窗式空调器的安装通常需要悬挑板底板和顶板，需要在设计阶段与立面开口整体设计，建筑服务设备和结构一体化，形成建筑立面开口形态。窗式空调器曾经也是香港住宅的特色元素之一，但近些年，由于分体式空调市场普及进入普通家庭而有所减少。这种集成了“内外机”的空调器，具有节省空间作用、安装方便等特点，在类似香港寸土寸金的高密度城市里，普通市民对其仍然具有较高的认可度。

图3 高层建筑外立面图：开口复合遮阳形态

图4 高层建筑外立面图：开口的挡雨形态

图5 高层建筑外立面图：后加水平鳍片开口形态

图6 高层建筑外立面图：窗式空调器与立面开口形态的结合

6 结语

在高密度城市中，高层住宅的开口对室内环境具有一定的调控作用。本文以香港地区为例，在分析地域气候和高密度城市环境的基础上，总结了立面开口致凉、挡雨、降噪、调光、防风等环境需求，着重剖析立面开口基于致凉、挡雨、附加构件和结合设备的形态，初步构建了香港高层住宅的立面开口形态与环境调控需求之间的关联性，有助于响应环境的住宅开口设计语言的形成和解读。

[1]Fanger P O. Thermal comfort. Malabar F L：Robert E Krieger Publishing Company,1982,(20)：33-34.

[2]储益萍.从噪声投诉角度分析上海、香港城市环境噪声污染特点[A].中国声学学会环境声学分会、中国环境科学学会环境物理分会.运输噪声的预测与控制——2009全国环境声学学术会议论文集[C].中国声学学会环境声学分会、中国环境科学学会环境物理分会 ：2009：4.