從—理論到實踐新加坡綠色建筑自然通風策略的實施

劉少瑜 宋易凡 / LIU Shaoyu, SONG Yifan

1 自然通風：綠色、健康的有效策略

面對有限的生存空間和資源，以及對空間日益增長的需求，高密度、高效率的空間利用是人類生存和發展的必然及有效途徑。在高密度城市，大量的垂直空間、緊湊的城市功能和高效的公共交通系統使人們的生活更加便捷，卻也導致人群的過分聚集。在亞洲，以新加坡、香港、澳門為代表的國家和地區的人口日益密集。新加坡統計局（Statistics Singapore，2017）公布的數據顯示，2017年新加坡的人口密度為7796/km2，排名世界第三。

城市的高密度發展、人口密度的增加已經引發一系列城市問題。一方面，城市生態環境遭到嚴重破壞，加重了空氣污染，導致霧霾天氣頻繁出現，城市和建筑的通風環境質量極差，進而引發疾病的傳播。另一方面，高度集中的建筑物和人類活動消耗大量能源，形成城市熱島效應，進而降低了暖通空調系統在夏季的能量轉換效率（Skelhorn et al.，2016）。因此，對于新加坡等熱帶氣候區的國家和地區而言，熱島效應會大幅增加全年建筑能耗。大量能耗形成熱島效應，熱島效應反過來又增加能耗，如此形成惡性循環。此外，大體量和高密度建筑導致人與自然缺乏聯系，室內封閉式空調環境會削弱人體熱適應能力（Brager et al.，1998）。長期在這種環境下生活，不僅會引發居住者的病態建筑綜合癥（Sick Building Syndrome，SBS），還會使下一代人對自然缺乏興趣，這些都與時下倡導的健康建筑的思想背道而馳。

為此，不少研究人員正努力通過被動式建筑設計策略來解決上述問題。被動設計策略的運用可減少世界上2.35%的能源消耗（Ahmad Zaki et al.，2012），自然通風策略可減少居住建筑23.6%的年度總能耗（Taleb，2014）。另一方面，生活質量的提高使人們更加關注健康，人們逐漸意識到久居封閉式室內空調環境的弊處，從而向往在接近自然的半開放和開放空間活動。在此類自然通風空間中，人們不再是人工環境的被動接收者，而是自然環境的主動調節者。因此，被動式建筑設計策略，特別是自然通風策略，不但是保護自然環境的關鍵方法，還是提高居住者健康的有效手段。

自然通風是壓力作用下的結果，主要包括熱壓和風壓。熱壓，即煙囪效應，主要取決于溫差和建筑高度，常用的建筑設計策略是在出風口通過吸收太陽輻射提高溫度，或者增加建筑高度。煙囪效應可以產生相對穩定的氣流，在干熱地區和夏熱冬冷地區非常具有潛力。研究發現，許多建筑設計因素都與風壓效果息息相關，包括城市風流、方向、建筑覆蓋率、場地風環境、建筑布局、建筑間距、建筑高度、防風林，以及建筑的形狀、朝向、圍護結構開口或開窗形式、開口位置和形狀、開間進深等（Ayo et al.，2014；Ahmad Zaki et al.，2012；Yuan et al.，2016；Thomas et al.，2007；Passard et al.，1990；Grabe et al.，2014；Shetabivash et al.，2015；Gan，2000）。夏季是采用風壓通風的最佳季節，但需注意滲入風的冷卻處理；冬季應避免過度通風，以減少熱量損失。新加坡屬于典型的熱帶氣候區，適用與風壓原理相關的技術策略，新加坡綠色建筑標準很好地詮釋了這一點。

表1 Green Mark一級分類、分值和權重

表2 Green Mark中通風相關指標所屬二級分類、分值和權重

2 新加坡自然通風的綠色標準

目前，世界上許多國家和地區都制定了各自的綠色建筑標準。大部分標準的指標分類都類似，包括場地、能源、水、資源、室內環境質量、提高與創新，但不同地方因氣候、文化、政策等不同，各指標的權重及具體的評估細則往往存在較大差異。

在溫帶氣候區國家，綠色建筑標準并不是新事物，2005年之前，幾乎所有標準，譬如英國建筑研究院環境評估方法（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM）、美國能源與環境設計先鋒獎（Leadership in Energy and Environmental Design，LEED）、日本建筑環境效率綜合評價系統（Comprehensive Assessment System，CASBEE）等，都集中在溫帶氣候區。新加坡“綠色標志”（Green Mark）于2005年推出，是為熱帶地區制定的第一個綠色建筑評估標準，由高到低分為鉑金獎、超金獎、黃金獎和認證獎4個等級，其中，認證獎在2015年最新版中被取消，認證建筑有效期為3年。

新加坡Green Mark有多個版本，包括2008年1月31日至2010年12月1日的第3版，之后推出的第4版，以及2016年8月31日實施的2015版（GM NRB 3.0，2008；GM NRB 4.0，2010；GM NRB，2016）。鑒于2015版具有與之前版本不同的評估分類，筆者將選取可比內容進行比較，如若有無法比較的重要相關內容，則另行對2015版單獨進行內容分析。

從表1中不難看出，同大部分綠色建筑標準一樣，舊版Green Mark遵循能源、水、資源、室內環境質量、提高與創新的分類法，但缺少場地的評估分類，更強調“能源效率”，所占比例超過60%。在“能源效率”分類中，Green Mark有別于其他綠色建筑標準，將評估分為兩條支線，分別是“空調區域”和“非空調區域”，兩者不是平行關系，而是重疊關系。譬如，如果某一建筑獲得第4版“空調區域”的42分和“非空調區域”的55分，最后總得分為55分，而不是兩者之和97分。這就意味著，在設計階段，項目利益相關者需要在這兩條支線中做出選擇，他們通常會選擇“空調區域”作為得分目標，而非“非空調區域”，因為前者更易得分。兩者在第3版中具有相同權重（26.25%），但在第4版中有所變化，“空調區域”下降到22.11%，“非空調區域”上升到28.95%，表明新加坡政府對自然通風環境持鼓勵態度。但事實上，許多項目的利益相關者仍然不會選擇“非空調區域”作為得分目標，“空調區域”和“非空調區域”的地位并不平等，Green Mark任重道遠。

2015年，Green Mark發生重大變化?！澳茉葱省北环譃椤皻夂蝽憫O計”和“建筑能源性能”?！皻夂蝽憫O計”提取原“能源效率”中“非空調區域”的被動式建筑設計評估指標，并增加場地相關指標，包括對微氣候、風環境的分析等。至此，原有的重疊關系轉換為平行關系。另外，“用水效率”和“環境保護”合并為“資源管理”。隨著前三者總權重下降27.83%，后兩者的權重大幅上漲?！爸悄芙】到ㄖ痹谠笆覂拳h境質量”的基礎上增添了人類福祉、智能控制等相關指標。Green Mark 2015版的分類調整和更新顯示出新加坡政府對被動式建筑設計的鼓勵和對人與建筑健康互動的重視。

在Green Mark評價體系中，關于通風的指標分布在“自然通風”“建筑圍護結構”“公共區域通風”“停車場通風”和“室內空氣質量”。從上文對一級分類的分析可獲悉，“非空調區域”從第3版到第4版上漲13分，具體體現在“自然通風”上漲7分，“建筑圍護結構”上漲6分（表2），沒有產生新指標，只是增加原有指標的分值?！白匀煌L”所有指標的分值大幅上漲，包括“建筑布局”建筑設計指標和“通風模擬”技術性指標，“建筑圍護結構”則是提高“建筑西立面所占面積比”和“建筑西立面外墻熱透射率U值”這兩個指標的分值?！肮矃^域通風”和“停車場通風”都對自然通風和機械通風提出要求，公共區域自然通風的得分率是機械通風的3倍，自然通風的停車場則可直接獲得滿分。

直到Green Mark 2015版，“自然通風”改名為“通風性能”，新增“熱舒適模擬”“空氣質量模擬”兩種模擬方法和“空間進深與層高之比”指標，把單側及雙側通風策略、空間尺度設計、人的健康和熱舒適納入評估范疇，這也是新加坡政府首次針對自然通風區域提出有關熱舒適的評估要求（表3）。隨著Green Mark對健康舒適愈發重視，空調區域的熱舒適評估也從指標變為先決條件（Pre-requisite），相當于中國綠色建筑評價標準中的評分項變為控制項。

“熱帶墻體性能”最顯著的變化是舊版只關注西立面和屋頂，而新版評估所有立面和屋頂。此二級分類的一句隱性提示“分布于建筑西立面的非空調次要空間，如樓梯間、電梯間、洗手間等，所屬面積不納入西立面面積計算”在新版本中被作為新的指標與“公共區域通風”一同組成“室內空間布局”，強調采用被動式建筑設計。另外，新版中公共區域自然通風與機械通風的得分率從3倍增加到4倍。停車場取消對自然通風的評估，更名為“停車場系統效率”，對機械通風系統和照明系統能源效率的評估更加全面和詳細?！笆覂瓤諝赓|量”引入對“室外空氣”的評估要求，自然通風空間可在該項獲得滿分。

總之，Green Mark緊跟全球綠色建筑運動、健康建筑運動的步伐，在分類上越來越全面和均衡。自然通風區域（即非空調區域）一直是新加坡建設局重點研究和調整的對象，新版中“氣候響應設計”這一一級分類顯示出政府對熱帶被動式建筑設計十分推崇。自然通風區域也隨之獲得與空調區域平等的地位，除了建筑布局、建筑通風模擬之外，新加入場地風環境分析、單側及雙側通風策略、空間尺度設計、自然通風環境中人的健康和熱舒適等評估要求，涵蓋大部分與風壓原理有關的自然通風設計策略?？梢?，Green Mark是尊重環境、氣候，鼓勵被動設計策略，強調地方特色，追求健康福祉的綠色建筑標準。

3 熱帶地區自然通風策略的應用

新加坡綠色建筑評估推崇氣候響應設計，鼓勵自然通風策略。建筑師的工作便是協調建筑與周邊環境的響應，并用盡可能多的被動設計手段來達到既節能又舒適的綠色效果。本章將選擇典型的綠色建筑案例，分析其自然通風設計手段，并回顧相關文獻，探討熱帶地區流行和有效的自然通風策略。

新加坡等熱帶地區的傳統建筑可追溯到馬來西亞、印度尼西亞和越南的傳統房屋。常用自然通風策略有大遮陽坡屋頂、人體活動高度的開口設計、室內開放空間、底層架空（Ngoh，2015）。氣候、環境、建筑和人之間的協調關系是亙古不變的話題，現如今，這些傳統策略仍得到廣泛應用，由于房屋逐漸向大體量高層建筑發展，其應用形式略有不同。

圖1 新加坡國家圖書館

表3 Green Mark熱舒適相關指標分值

作為生態設計美學觀念的倡導者，熱帶地區著名綠色建筑大師楊經文（Ken Yeang）先生一直專注于熱帶城市建筑的可持續性研究。從1975年至今，他已在熱帶地區建造了各種類型的氣候響應和生態建筑，諸如雙頂屋（Roof-Roof House）、梅納拉大廈（Menara Tower）、新加坡國家圖書館（National Library of Singapore），分別是自然通風房屋、自然通風高層建筑、綠色建筑自然通風設計的代表作品。雙頂屋與熱帶傳統建筑非常相似：建筑朝向由當地主導風向決定，巨大的弧形屋頂投下陰影，并與特殊格柵后門、“風翼墻”一起引導風流；庭院中的噴泉作為蒸發冷卻裝置，用于提前冷卻進入房屋的東南風；屋頂中央的百葉窗吸納熱空氣，形成微型煙囪效應。1994年竣工的梅納拉大廈是自然通風建筑的教學范式：電梯和樓梯間實現了自然通風，并且被布置在建筑東部邊緣以阻擋太陽輻射熱；自然通風的螺旋形天空走廊和大型中庭促進空氣循環并經由滲透墻體實現雙側通風，其空中花園繁盛的綠色植物為循環空氣提供富氧環境。作為首批獲得Green Mark最高白金獎認證的建筑之一，新加坡國家圖書館采用最佳的建筑朝向和形態來緩沖太陽輻射熱（圖1），實現自然通風和自然采光。該建筑由兩座通過橋梁相連的樓組成，兩樓中間形成一個巨大的半開放空間，東西兩側開口偏大，中間狹窄，形如漏斗，以便引入自然風，使雙側通風最大化（圖2），該空間開口處的遮陽葉片和第五立面的百葉頂棚既遮陽防雨又引導風流。

以上建筑尺度的自然通風策略也可運用于小尺度設計，譬如前文提到的水景綠植預冷卻和遮陽防雨策略也可以在進風口設計中實現。北立面的進風口被設計在綠植后面，讓自然微風通過這些綠植變得更涼爽清新后進入室內，而南立面的進風口則朝下打開，既遮陽擋雨防噪音，又可以使自然風流入（圖3）。

自2005年第1版Green Mark頒布后，新加坡開始了由具體標準引導綠色建筑運動的潮流。繼新加坡國家圖書館之后，獲得Green Mark認證的綠色建筑不斷涌現，其中便有新加坡第一座公共空間依賴自然通風的商業建筑、自然通風綠色建筑的典范——星悅匯（The Star Vista，圖4）。該建筑的整個設計過程從始至終緊緊圍繞自然通風展開，采用了3個策略：建筑朝向和形式遵循減少東西向暴露的宗旨以減少得熱；南北向內街聯通公共空間以加速室內自然風流；劇院起到“天棚”的作用，為其下的公共空間提供庇護（圖5）。對上述策略所涉及空間進行熱環境測試（圖6）：A點為南北向內街，風速普遍偏高，最高可達1.3m/s，可以吹散行人的酷熱；B點為“天棚”下半開放空間，風速維持在0～0.3m/s，適合人在此靜坐和休憩；C點是東南向開口處，此點沒有遮蔽，風速幾乎為0。雖然3個空間都是自然通風環境，但不同的自然通風策略導致不同的風速，進而導致人們可進行的活動類型也不同。星悅匯超越了傳統的零售模式，開放和自然的空間體驗引領新的城市生活方式。

圖2 新加坡國家圖書館一層、四層與五層平面

圖3 北立面（左）與南立面（右）進風口設計概念示意

圖4 星悅匯

圖5 星悅匯一層平面與剖面

圖6 星悅匯熱環境測試

以氣候響應設計為宗旨的熱帶地區自然通風策略，展現出一種特有的模式——“遮”與“導”。建筑形態、屋頂設計、底層架空、東西立面次要空間布局等是建筑自遮陽策略，再加上遮陽葉片、百葉等遮陽構件和水景、綠植等降溫設施，可共同被視為“遮”。順應主導風向的建筑朝向、進風口設計、南北向風廊和半開放公共空間則可被視為“導”?！罢凇迸c“導”密不可分，缺一不可，每個策略之間是相輔相成的關系。

4 結語

城市高密度快速發展的今天，生態破壞、全球變暖、能源消耗等問題日益嚴重，逐漸喚起了建筑師重拾被動設計的責任。自然通風作為被動冷卻策略，是關鍵的被動氣候控制手段，被當代設計師廣泛接受和采用，以回應綠色、健康的建筑思流。不同氣候區意味著不同的自然通風設計策略，而熱帶高密度城市新加坡適用風壓技術策略，這從當地綠色建筑標準Green Mark中可以看出。

在Green Mark的十年發展之路上，新加坡建設局重點關注自然通風評估的革新，并于最新版中增設新的“氣候響應設計”一級分類，提出用于評估基于自然通風的被動設計的新方案，向世人展現了新加坡對“環境（氣候）-建筑（建筑與空間設計）-人（舒適與健康）”三維關系的綠色解讀（圖7）。在綠色建筑策略的實際應用中，熱帶自然通風策略是“遮”與“導”的耦合模式，包括：建筑形態、屋頂設計、底層架空、東西立面次要空間布局等建筑自遮陽策略；遮陽葉片、百葉等立面遮陽策略，水景、綠植等降溫策略；順應主導風向的建筑朝向、南北向風廊、半開放公共空間、進風口設計等由大到小的導風策略。

圖7 “環境-建筑-人”三維關系

從標準到案例，可以發現，案例中的自然通風策略種類遠遠多于標準中的自然通風策略指標，從自然通風理論到自然通風實踐具有明顯差異，作為理論指導的標準建設存在滯后性，而實踐往往蘊含無限可能性，可以激發建筑師的創造力，從而使他們突破理論限制，追求創新與進步。這是發展的規律，無論是發達國家，還是發展中國家，都存在此類現象，之所以稱之為現象而非問題，是因為它是中性的。標準設有創新項就是為了給建筑師提供在實際操作中有更多的創新空間，如果標準的評估要求、權重等設計不合理，將導致創新項形同虛設，綠色建筑利益相關者會只關注容易達到的得分項，打擊建筑師的創新積極性，此時，現象就會演變為問題，阻礙綠色建筑發展。新加坡Green Mark 2015版中，雖然自然通風相關指標的地位上升，但只涵蓋實際應用的部分，并沒有具體的創新指標來評估建筑師的創新設計。標準，作為建筑師的理論指導，必須小心地將自然通風等被動設計策略簡化為指標，并盡力通過其自身的評估要求和體系來激勵實際設計過程的創新，這是正面推力而非逆向阻力，是標準頒布的初衷，也是推進綠色建筑運動和可持續發展的必然要求。