建筑平面体形设计的节能分析

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建筑平面体形设计的节能分析
摘要： 建筑设计的节能意义包括建筑方案设计过程中遵循建筑节能思想，使建筑方案确立节能的意识和概念，其中建筑体形和平面形状特征设计的节能效应是重要的控制对象，是建筑节能的有效途径。

主题词：建筑方案 体形控制 节能
现代生活和生产对能量的巨大需求与能源相对短缺之间日益尖锐的矛盾促进
了世界范围内节能运动的不断展开。

今天，“节约能源，提高能源利用系数”已经成为各行各业追求的一个重要目标。

建筑行业也不例外。

节能建筑方案设计有特
定的原理和概念，其中建筑平面特征的控制是建筑节能研究的一个重要方面。

本
文将从建筑平面所产生的体形和形态与节能的关系作初步探讨。

体形是建筑作为实物存在必不可少的直接形象和形状，所包容的空间是功能的载体，除满足一定文化背景的美学要求外，其丰富的内涵令建筑师神往。

然而，建筑平面体形选择所产生的节能效应，及由此产生的指导原则和要求却常被人们
忽视。

我们应该研究不同体形对建筑节能的影响，确定一定的建筑体形节能控制
的法则和规律。

一、 体形系数
体形系数是目前常用的体形控制指标之一，以比值FO/VO 来描述，物理意义是指围合建筑物室内单位体积所需建筑围护结构的面积，从节能建筑原理来讲，是用尽量小的建筑外表面积来围合尽量大的建筑内部单位体积。

FO/VO 越小则意味着外墙面积越小，也就是能量流失途径越少，越具节能意义。

1.1 体形系数分析
我国有关规范对FO/VO 作了界限，居住建筑或类似建筑以FO/VO =0.3为界限，当FO/VO
〈0.3时体形对节能带来帮助，能为今后建筑实施节能目标提供有利条件。

至于FO/VO 在节能建筑设计中的变化规律和应用、在操作过程中的价值讨论甚少，
使建筑师对FO/VO了解不多，重视不够。

我们对国内有代表意义的居住建筑及相
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（1） 联列递减律 简直体形系数与建筑单元联列情况有关。

分析表明，每增加一
个联列数，FO/VO 相应递减0.3，以等差数列类推，主要原因是外墙面积因联列数增加而缩小，即可以省略山墙的面积，对降低FO/VO 价值很大，所以对节能建筑（住宅）设计而言，适当多的住宅单元联列，对体形系数控制是有益的。

（2） 高度反比例 分析证明，建筑层高的提高可以使FO/VO 相应减少，即建筑层
高与FO/VO 成反比函数，这是因为在层高增加过程中，外围面积（包括屋
顶面积）的递减比不上其包围体积的增加，即体积增律略大于面积增律。

综合以上特征，建筑师对节能建筑的层高选择应有综合概念，要考虑层高
增加带来造价提高，如果建筑室内设置空调所需能量增多，外墙面积增加会造成热辐射加剧等负面效应，但层高增加对夏季通风致凉有利，以节能概念论，一般建筑层高在2.8-3.2m 为宜。

（3） 正方极限律 当单元平面（标准层）面积相同时，提高建筑进深（面宽将减
小），FO/VO 会相应提高，即对直角平面而言，正方形的体形系数为最小，
任何调整平面尺寸都会使FO/VO 提高，因此功能许可，技术条件允许，建
筑平面接近正方形对建筑节能是有益的。

（4） FO/VO--L/A 替代律 以高层建筑为对象，其体形系数一般均在0.10-0.15
之间，比规范中确定的0.3小得多，并且高层建筑的屋面面积相对于外墙
面积要小得多，可以忽略。

因此为了简化计算，可以将FO/VO 转化成L/A ，
即建筑外墙平面长度与所围成的建筑面积之比，与我们通常计算外墙长度来评价住宅平面的合理性一样，L/A 同样可以反映建筑体形状况，通过理论分析，L/A 比FO/VO 通常要小2%-3%，因此对高层建筑而论，控制L/A 对节能评价同样重要。

体形系数控制原则对建筑设计的影响是深刻的，所表现的规律应该成为建筑体形方案选择的依据之一，应尽量将建筑定位于具有节能意识的设计上来。

在实际设计操作过程中，建筑平面体形的决定因素是多元性和交叉性的集合，其中体
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形系数控制是该集合的重要元素。

设计中应把握、控制好体形系数，以体现21世纪建筑设计对环境、生态和可持续发展的尊重。

1.2 节能的设计原则
（1） 建筑体形整体原则 作为蕴含节能意识的建筑平面体形应该具备明确的整
体性特点，建筑外形具备完整意义上的鲜明特征，避免零乱、随机和平面的过分变化，应满足：
--主体建筑，建议采取典型的平面特征（如方形、三角形等），在此基础上
做适当的平面变化，创造一定的美学效果。

--建筑平面，应尽量减少不必要的、小尺度的凹凸不齐，使外墙形成比较
简单划一的延长，同样可以创造出富于特点的形象。

（2） 建筑体形组合原则 建筑平面做到各单元的有机结合，尽量使外墙面重叠，
以此减少外墙面积，尤其对住宅区规划设计，应在满足消防、景观等要求的前提下，对住宅单元进行有序、有致的组合，并且注意西山墙面积的有效控制，以减少夏季西晒。

（3） 建筑体形定量原则 21世纪的建筑设计应注意对环境的影响及环境对建筑
使用带来的制约和作用，并应十分强调必要的定量控制，其中建筑体形系
数的定量评价，将成为建筑设计比学赶帮超的步骤，以贯彻建筑业的节能
和可持续发展。

通过比较，得出以下结论供设计师参考：
--高层建筑的FO/VO 一般控制0/10-0.15在之间，对于高密度聚居区（如上海浦东陆家嘴等）的建筑开发、环境控制和小气候改善，应将FO/VO 列入建筑
设计技术指标，以控制高能耗区域的节能状况，意义甚大。

--多层建筑的FO/VO 应定位在0.30-0.35之间，并以0.32作为建议上限（该值域是相关专业人员经反复调查、测算、论证得出的建议值），体形系数定量控制应在今后的建筑设计领域中实际应用。

二、 体形形态节能控制
体形形态是指建筑物平面所构成的形状特征。

它取决于多项因素：城市景观、功能要求、技术条件、设计灵感等。

建筑体形形态控制就是研究平面形状对建筑
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节能的影响。

虽然建筑围护结构材料、构造相同，但是由于平面形状不同，建筑受太阳影响程度和建筑室内外通过外墙表面的热交换情况均有所差异。

通过各种分析，研究体形形态与建筑节能的关系和规律，对千姿百态的平面形状进行优化和对比，使建筑师在进行设计构思和选择方案过程中，对不同的平面形状有正确的节能评价，使建筑成为节能建筑。

2.1 基本平面形状的参量描述
为了研究体形形态对建筑节能的影响，我们将不同的平面形式进行简化、归
纳和抽象，以使被讨论的平面形状有代表性和可比性，主要列出六种形状分析评
价：正方形；三角形；1：2长方形；六边形；八边形；圆形（图3；表3）。

经简化的体形形态建筑物在我们的城市建筑中经常可以看到，建筑师十分乐
于选择简单的体形形态作为基础，并进行适当的变形，通过简洁明快的建筑风格
显示出建筑特有的魅力，传递着美的信息。

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表3中概括的六种平面形状具有六项参量：
L---建筑的外墙长度，它可以基本反映由于外墙所损失热量的情况，L 越长，表示对节能越不利；
nl---平面形状的周边边数；
B---平面形状由于多边形而形成角的数目与边数相等，从建筑传热理论分析，角部越多对隔热越不利；
A---表示建筑标准层面积，是功能要求决定的，在这里我们设其为变量，主
要是以外表面积相同的建筑作比较，使其更为直观；
F---指建筑物围护结构的表面积，与L 有关，对体形系数控制而言，F 越小
越好；
V---建筑外墙围合成的体积，与A 有关，从节能来讲，V 越大而F 可减小，是最佳方案。

L 、F 、H 不变的情况下，空间体积V 与其他参量之间的关系可用函数简述：
V=f(nl*B)
即体积V 与nl*B 成正比例函数关系。

如果以体形系数FO/VO 而言，即体形系数与
体积V 成反比函数，亦可理解为FO/VO 与nl 和B 成反比。

2.2 基本平面形状的节能效果
针对各种不同平面形状的参量描述，我们可以运用与建筑节能相关的原理来分析各种形状的节能效果：
（1） 体形系数分析 从体形系数FO/VO 的计算值可以看出，圆形的FO/VO 最小，
三角形最大，FO/VO 与nl 和B 成反比，即多边形边数越多其FO/VO 成递减关系。

显而易见，以体形系数来评价，其对节能的意义顺序为：圆、多边形、正方形、长方形、三角形，圆和多边形为推荐平面形状，三角形对节能不利。

（2） 辐射得热分析 建筑物所处的室外环境并不是只与温度有关，尚与太阳辐
射、风、雨等有关。

其中太阳辐射是主要因素，建筑的外立面由于朝向不同其得到（或失去）的太阳能量也不同。

以太阳辐射得热而论，正方形比
筑平面体形的方案构思过程中，应将对节能的尊重融汝方案设计构思之中，在功能、外形等条件相同的前提下，确立节能建筑的立意地位。

（2）建筑体形形态要具备尽量少的角部，以减少室内外的热传导。

建筑角部常设构造柱，其冷热桥效应显著而成为热流失的敏感部位，这种部位越多，对节能越不利。

从该观点出发，建筑的圆形平面由于没有实质意义上的角
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部而具有最佳的节能特征。

（3） 严格控制建筑体形的外表面积是节能控制的关键，在相同平面面积前提下，
尽量少的围护结构面积对减少能量流失途径意义重大。

（4） 要改善环境小气候指标。

在十分恶劣的小气候范围内，建筑体形控制对节
能的意义和作用会被大大削弱，因此，节能建筑的研究应立足于环境控制的基础之上。

（5） 应开拓“节能建筑学”的研究领域。

从关于建筑体形形态的节能分析可以
看到，在建筑学的最基本问题中包含着节能概念，有许多节能与建筑设计
结合的新课题值得深入和研究。

影响建筑平面形状节能效果的因素是复杂的，往往是多种因素平衡所得，有
些因素紧密相连但又相互矛盾。

在一定的场合，各因素也有所侧重，因此在实际
控制中要全面分析、权衡。

平面形状选择所反映的在有效防止室内外温度传递的节能特征和对建筑利用太阳能、节约能源并保证建筑室内的热环境的稳定方面有较大的作用，是一个应引起充分重视的领域。

综上所述，建筑师应在方案设计阶
段，将节能概念贯彻其中，运用体形形态节能控制理论指导设计，使中国建筑师
确立牢固的节能、生态、可持续发展的设计理念，以建筑技术问题与建筑设计原
理的完美结合迎接21世纪的到来。