主动式建筑理念下中小学校园...略——以南外和金中校园为例_韩冬青_.pdf

主动式建筑的要旨是在建筑全寿命期中以使用者的身心健康和愉悦为指向，通过提升建筑的主动感知和调节能力，实现资源节约与环境和谐的综合平衡。建筑环境对少年身心发育和成长具有重要影响。主动式建筑观念主张适宜的建筑形态、自然的采光和通风、良好的社交和学习氛围的创立，有利于学生的健康成长。气候适应性设计是主动式建筑的一个重要特征。在室外热候、光候、风侯、大气环境等条件下，在建筑师主导下，通过形体空间组织和恰当的技术措施，达成对自然气候的一种主动调节和干预，营造既相对稳定又能随外部气候和功能需求变化的健康空间环境，这种随宜应变的设计观念，正是主动式建筑的核心内涵。校园建筑的气候性能不只是对建筑物而言，而是包括了整体的室内外的各类活动场所。校园建筑因其功能和环境的整体性和多样性特征，也提供了从群体组织的尺度切入气候适应性设计讨论的一种合适的载体。南京市属于典型的夏热冬冷地区，春秋两季的总时长约占全年的34.5%，湿冷和闷热是其冬夏两季的典型状态。如何通过从整体到局部的系统化气候资源利用与调节，化解冬夏两季矛盾，通过微气候的优化相对延长过渡季节，实现校园各类活动场所的气候舒适性与节能降碳的综合平衡，是该类地区气候适应性设计面临的突出问题。样本案例的选择主要基于如下考虑：1)南京外国语学校仙林校园(以下简称南外校园)和金陵中学南京生态科技岛校园(以下简称金中校园)同属一种气候区，但因区位及周边环境的差异，而具有不同的地段微气候条件；2)两者都是南京市的一流知名学校，其独特的办学理念均使建筑功能空间的内涵及规模都明显高于一般中小学校园，在有限的土地资源约束下，都需要采取更为紧凑集约的组织布局，使气候舒适性目标的达成面临更大挑战；3)南外校园较早设计完成，其气候适应性设计主要依赖建筑师的既有经验；金中校园则相对完整地运用了系统化设计策略，并在设计过程中适时融入了分析及模拟评估的方法及工具，借助两者的比较更利于验证气候适应性设计的成效。1 南外校园建筑的气候适应性设计验证南京外国语学校是全国首批 7 所外国语学校之一，江苏省重点中学。笔者团队于 2015 年完成设计的南外校园是一个全新的校区，坐落于南京北部的燕子矶新城(图 1)。新校园设立小学部与初中部各 6轨，容纳近 3000 名师生日常教学。原始场地由北向南逐渐抬升，呈现典型的丘陵地貌，南北平均高差近 9m，东西向中部逐渐变高，场主动式建筑理念下中小学校园建筑气候适应性设计的层级策略 以南外和金中校园为例The Hierarchical Design Strategy of Climate-Adaptable Design of Elementary and Middle School Buildings Based on the Active House ConceptCase Studies of the Xianlin Campus of Nanjing Foreign Language School and the Eco Hi-Tech Island Campus of Jingling High SchoolABSTRACTBased on two practical examples of the Xianlin Campus of Nanjing Foreign Language School and the Eco Hi-Tech Island Campus of Jingling High School,this paper reflects on and explores the climate-adaptable design strategies and methods of elementary and middle schools in regions of hot summers and cold winters at four levels:campus planning and architectural layout,formal organization of architectural space,individual space design,and enclosure materials.KEY WORDSelementary and middle schools;climate adaptability;hierarchical design strategy;architect-guided 摘 要结合南京外国语学校仙林校园和金陵中学南京生态科技岛校园两个实践案例，从校园规划与建筑布局、建筑空间形态组织、单一空间设计和建筑围护介质等 4 个层级，反思并探讨冬冷夏热地区城市环境中，中小学校园建筑气候适应性设计的策略与方法。关键词中小学；气候适应性设计；层级策略；建筑师主导 韩冬青 HAN Dongqing 孙菲 SUN Fei 作者单位东南大学建筑设计研究院有限公司(南京，200092)收稿日期2023/03/07江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金项目(BE2022606)DOI:10.19819/ki.ISSN0529-1399.202306004建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House024地既有竖向最高点高于周边近 12m(图 2)。根据南外语言课程、社团实践活动用房量与普通教学用房 1:1 配置的特点，以及 70%师生住宿制的要求，笔者团队与校方共同拟定了功能任务书。经测算，新校园容积率达1.49，远远超过一般中小学 0.60.8 的经验数值。此外，由于年龄段的差异，校方要求两个学部分别布置运动场与风雨操场，周边社区另行需求校园容纳 200 个对外停车位。在有限的场地中，在高密度校园的条件下，建筑师基于既有经验，探索其气候适应性设计。设计关注了各功能区域的自然通风和采光，但设计过程中未进行性能模拟评估。尤其是对建筑内部气候的前提性影响和各主要活动场地的微气候影响缺乏确切的认知。为获得对该校园气候适应性设计成效的评估，设计完成后开展了相关的模拟验证。1.1 校园总体布局的微气候性能验证校园总体布局上，首先将复杂的原始地形切分为 3 个主要标高：南部海拔 24m 标高，接近南侧临近地块；北部海拔 16m 标高，顺接北侧道路标高；东西向形成海拔 20m标高的两个平台，东侧可作为校园入口，西侧较为平坦，作为运动场；原场地海拔 32m的两个山头土方消解到场地整体中。对日照需求高的普通教室与宿舍沿东西向展开，将两个学部主要建筑紧凑组合为 4个围合院落，校园南侧为体量较小的初中部，坐落于 24m 标高，其北侧为小学部，地下车库与各类辅助用房从 16m 标高起。建筑群体适应地形变化，各学部功能相对独立，校园中部形成海拔 24m 标高的主广场。衔接初中部一层与小学部二层功能。西侧 25m标高布置初中部 200m 运动场。东侧 20m标高一层为社区停车场，其屋顶作为小学部250m 运动场。利用地形原始低洼处布置初中部风雨操场，其屋顶与初中部运动场平齐。小学部风雨操场利用南北的大高差布置于教学楼中庭(图 3)。校园建筑主体均以开敞式连廊联系，主广场东西向打开，将主要景观朝向东侧城市绿地，提升校园中心广场的舒适性。公共活动空间布置于近地面层，通过开敞空间彼此联系，贯通室内外活动场所的同时，可加强底层空间的空气流动。通过风环境模拟，规划布局形成的中心广场对应开口为东西向，并非夏冬季主要季风向，其东北方向小学部教学楼紧凑的布置有利于冬季主要活动场地免受寒风侵扰，但南侧初中部教学楼与宿舍楼之间距离狭窄仅9m，形成了风速过大的狭管效应。因初中部主要动线与之交叉，造成夏季风雨天气师生通过连廊时，体感舒适性较差。另一方面，中心广场南侧夏季主要活动场地受到东南方向建筑遮挡的影响，风速偏低，且局部形成漩涡。后期景观设计在这里补充布置绿地，实现了部分优化(图 4)。1 南外校园主入口鸟瞰2 小学部操场眺望主广场、综合楼、幕府山3 南外校园总体设计概念场地竖向设计功能与形体组织原始地形，山地高差复杂校园南北分区，功能独立公共服务功能沿地面设置，顶标高 24m置入公共服务功能，增强校园活力根据功能需求分段布置减少土方开挖形态顺应边界，引导景观视线主体建筑架空于地形与近地用房之上调整形态，创造丰富空间4 南外校园整体风环境分析夏季风环境模拟4.50m/sm/sD 栋D 栋E 栋E 栋5.00主广场区域平均风速 0.94m/s主广场区域平均风速 1m/s2.300.103.401.202.500.003.753.2m/s1.25冬季风环境模拟5 初中部形体对比与夏季风环境模拟顺应用地边界m/sm/s0.102.303.401.204.500.002.253.401.124.502.4m/s2.4m/s顺应南北方向25m小学部初中部24m20m025ARCHITECTURAL JOURNAL1.2 建筑形体方位的气候适应性验证对初中部教学楼和宿舍楼的形体进行比选时，出现了顺应用地边界方向和南北向布局两种选择，方案设计根据所围合院落空间的感受及周边建筑关系进行了对比选择，未充分关注其朝向变化引起的光环境和风环境的性能差异。风环境与光热环境模拟分析表明：两种布局在首排建筑风压差上差距不大，但南向教室采光系数出现了明显差距，顺应边界布局的采光系数平均值提高了 1%，这个提升对于普通教室来说尤为重要(图 5)。在校园西侧综合楼顶层报告厅方位与其北侧小学部宿舍楼的方位关系问题上，设计时仅通过日照分析，选择了形体旋转，以期改善北侧宿舍的采光。通过一系列模拟分析发现，报告厅旋转与否对于其北侧小学宿舍的采光系数和迎风面风压变化影响并不大，但其旋转角度造成对不同位置的宿舍遮挡情况不同，对宿舍采光均匀度产生了明显影响(图 6、7)。1.3 普通教室组合形式的验证分析南外校园小学部教学楼采用中廊布置，走廊以北分配卫生间、办公室、语言小教室、交往空间等辅助用房，普通教室等普通性能空间全部朝南布置。设计中采用连续四跨教室插入公共空间的组合方式，力图改善公共空间的微气候环境。通过计算模拟，相较于平行连续的教室，插入公共空间的组合方式显著提升了中廊的采光与通风，间隔的方法对采光有所提升，但插入公共空间的合理距离与大小有待进一步分析测试。中廊设计采用了高窗方式，加强了中廊的采光、通风，减少封闭式中廊对人工光源与通风设施的依赖，为学生交往活动创造了有利条件(图 8)。通过模拟，小学部教学楼三层绝大部分区域能够满足三级采光等级要求，主要普通教室区域有一半以上区域能够满足级采光要求(图9)。1.4 风雨操场与下沉庭院气候性能优化验证南外校园在高密度条件下，设计将两个学部的风雨操场与教学楼整合布置，并结合地形变化，通过周边界面的开敞化处理，以期引入自然风和自然光，降低日常使用对人工光源和空调的依赖。其中，小学部风雨操场按照经验为增强采光加设顶部采光(设防眩光百叶)，初中部风雨操场四面均开设采光天井与洞口(图 10)。通过对风雨操场距离地面 0.8m 高度水平面采光系数的模拟分析(图 11)，两个风雨操场平均采光系数分别为 33.11%与 35.34%，均有较好的采光效果，达到了预期效果。对比小学部风雨操场无顶部采光的模拟分析，平均采光系数仅下降 1.38%。模拟分析表明：当校园高大空间四周相对开敞时，内部天然采光效果总体较好，此时顶部采光的贡献率较小。同时，对两个风雨操场平均风速进行模拟测算(图12)，分别为 0.47m/s 与 0.53m/s，冬季显著低于室外风速，夏季处于非静风状态，总体风环境适宜。小学部风雨操场顶部天窗的主要作用为加强拔风。小学部教学楼西北部和临近校园主入口的综合楼均设置了下沉庭院(图 13)。方案设计考虑到下沉庭院结合地形，便于校园各7 综合楼报告厅旋转与宿舍的遮挡程度分析8 北侧通高活动空间与顶层走廊采光天窗百分比对比5255100908070605040302010050536265778686776865646770737577869091626290939797939886817569不转动转动水平面上遮挡百分比(%)平面对比6 小学部宿舍表面对比风压图Pa-10.00-5.0010.005.000.00报告厅旋转后报告厅未旋转9 小学部教学楼三层采光系数分布色卡范围 02.2%2.20+1.981.761.541.321.100.880.660.440.220.00%色卡范围 03.3%3.30+2.972.642.311.981.651.320.990.660.330.00%10 初中部与小学部风雨操场建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House02644.5+38.540.532.528.524.520.516.512.58.54.5距地 0.8m 水平面上采光系数小学部风雨操场%80.4+64.472.456.448.440.432.424.416.48.40.4初中部风雨操场距地 0.8m 水平面上采光系数%部分之间的交通联系，同时也优化坡地底层空间环境的性能。通过综合楼下沉庭院一侧的小报告厅进行采光性能模拟，该下沉庭院明显改善了采光环境，下沉庭院采光系数达到 30%以上，达到设计预期效果(图 14)。1.5 外围护界面要求的验证在模拟验证中，对小学部组团建筑内部气候的前提性影响进行了分析，检验围护结构气密性要求。在夏季，北部小学部 2 栋建筑背风面风压比较均匀，约为-1Pa，部分表面达-3pa；而迎风面风压受地形影响差别较大，最高达 23pa，其余部分在 0 Pa以上。初步估算，满足绿建标准要求的夏季典型风速和风向条件下，50%以上可开启外窗，其室内外表面的风压差大于 0.5Pa，冬季小学部教学楼(该楼为迎风面第一排)迎风面风压最高达 7Pa 左右，平均表面风压接近 5Pa，而其背风面风压均在 0Pa 以下，甚至有较大面积表面风压低于-5Pa，风压差最大可达 10Pa，对该部位建筑外窗的气密性要求较高。小学部宿舍楼因处于后排，冬季表面风压较低，基本满足建筑迎风面与背风面表面风压差不大于 5Pa 的要求(图 15)。上述分析表明：南外校园夏季通风效果满足绿建标准要求，而冬季小学部教学楼表面风压差大，需提升其围护结构气密性。1.6 验证结论通过对设计干预后的风、光、热环境的计算分析验证，可得到如下认知：1)仅依赖几何原理直觉获得的气候性能经验并不能替代基于工具理性的性能分析。2)设计通常依据的风玫瑰图提供的是城市整体尺度的基本风向，而建筑设计场地微气候环境的风向风速会因周边建筑与地形的干预发生变化。因此，获取建筑用地所在区域的微观气候信息是更为重要的前提。从人的角度看，与相关活动区域相对应的局部微气候性能值得高度关注，如校园体育运动场地的风热环境。3)校园形态布局通过建筑密度及方位的配置可以形成对风、光、热环境的调节。过密的形体和不恰当的方位，容易形成阻塞效应。尤其在与室外活动场地联系紧密的建筑底层空间，需避免形成过于封闭的环境，造成夏季静风区，不利散热。4)校园风雨操场不同于竞技型体育馆，可通过加强采光与通风，降低使用能耗。5)不同季节和不同部位的风压对建筑围护结构有不同要求，从节能与节材的平衡角度应加强针对性设计。上述验证和反思对此后 2018 年开始设计的金中校园规划设计提供了有益的经验和教训。2 金中校园的气候适应性设计策略金陵中学具有悠久的办学历史，属国家级示范高中，其科技创新教育和课外文体活动享有盛誉，在学生自主科创实践上独树一帜。金中校园选址于长江中的中新南京生态科技岛，承担金陵中学 48 班高中部与 20 班13 综合楼东侧下沉庭院夏季风环境模拟风雨操场 B平均风速 0.53m/s风雨操场 F平均风速 0.47m/s冬季风环境模拟风雨操场 B平均风速 0.99m/s风雨操场 F平均风速 0.63m/s12 风雨操场风环境分析(颜色越浅，风速越小)11 初中部风雨操场与小学部风雨操场距地 0.8m 水平面上采光分析14 综合楼设置下沉庭院采光对比设置下沉庭院30.0+24.027.021.018.015.012.09.06.03.00.0%未设置下沉庭院40.0+32.036.028.024.020.016.012.08.04.00.0%PaPa-5.00-10.003.0010.001.005.00-1.000.00-3.50-5.0015 南外校园建筑表面风压分析027ARCHITECTURAL JOURNAL国际部全部的教学与生活功能(图 16、17)，全员住宿，校园总体规模达到 11 万 m2。选址用地面积 9.2 万 m2，分南北两个地块，中间被城市支路穿越，规划容积率控制在 0.8，其地面上部有限的建设总量难以满足金中办学的功能需求，地下空间利用势在必行。金中校园设计吸收了此前南外校园气候适应性成效分析的相关结论，结合此间平行开展的公共建筑气候适应性设计方法研究。从规划设计方案始，运用不同类型的模拟工具对风、光、热环境进行分析评估，主动采取有效的适应性设计策略，驾驭从整体到局部的层级化设计策略，以期在高密度条件下实现良好的空间环境性能和绿色低碳目标。2.1 场地微气候认知与校园总体规划设计2.1.1 从地域气候到场地气候教学、运动与生活三大功能区的布局是中小学校园总体规划设计的核心。生态科技岛主导风向为夏季东南风、冬季东北风。设计初期，场地及其周边均为待建设用地。为了判断地段街区尺度的微气候特征，设计团队根据上位规划和城市设计研究成果，对周边未建成区域的城市物质空间肌理进行模拟，结合场地风热环境模拟，基本掌握了金中校园场地的微气候条件及特征：其一，受周边街区建筑影响，场地内局部风环境存在先天不足，北侧地块夏季风速低、冬季风速高，不利于夏季自然通风和冬季防风；其二，场地东侧相邻地块规划有 3 栋百米高层建筑，对南侧场地晨间有难以忽视的日照遮挡(图 18)。综上，结合校园用地南北分区的特点与校园核心功能区的布局，可得到以下初步结论：首先，教学区宜靠西侧布置以获得最佳日照；其二，校园北侧地块不适合布置运动区；其三，北侧地块的东北角不宜布置核心功能建筑，并需加强冬季防风处理；围绕校园整体适宜的自然通风，绝大部分功能空间拥有天然采光，主要功能空间全年具有直射光的目标，以上判断为总体布局方案的选择提供了关键依据(图 19)。2.1.2 核心功能场所的布局选择与设计教学楼是使用频率最高的校园核心功能空间。在冬冷夏热地区，校园教学楼和宿舍以南北向为主。教学空间应满足大寒日 2 小时以上日照，且符合 25m 间距。当城市道路格网方位与南北向发生较大夹角时，建筑的方位朝向选择就需要谨慎权衡，这其中，往往会忽略建筑方位角度带来的舒适度差异。金中校园日照环境分析发现，原设计方案中教室南侧外窗朝向东南向时，10:00-16:00间教室通常没有直接日照。如顺应周边路网选择西南朝向，则午后的西晒会严重干扰教学活动(图 20)。方案深化过程中，设计优先确定教学楼中普通教室的朝向(南偏东 15)，办公室、卫生间等辅助房间顺应城市道路布置，形成非正交建筑形体。在此基础上，通过一系列分析和综合，对临近的科创中心和艺体楼提出形态设计策略。校园建筑依靠其方位排布，可以形成对气候要素的选择性利用或强化、屏蔽或削弱，以达到对局域微气候的适应和调节。设计在金中校园北部(季风向)布置长条形建筑，形成挡风屏障，在适宜学生课间活动的南部区域，底层布置松散的小体量，有利通风散热的同时，也形成了多样性功能和培植空间活力的特点。2.1.3 校园地形地貌的关联设计高品质校园环境应有利于增进学生与自然的亲密接触。在室外或半室外环境中，鼓励学习、休憩、运动和交流等行为的自然发生。建筑外部空间的拓展利用，有利于充分利用自然气候资源。通过设计调节场地微气候，促进建筑与环境气候的和谐互利。南京常年平均降雨 117 天，并于每年 6月下旬至 7 月上旬进入梅雨季节。在设计南北校区跨越城市支路的交通方式上，采取了地上与地下并行的方式。整个校区通过二层连廊联系，与艺体楼风雨操场屋顶形成的活动空间一同跨越文泰街，连通北校区食堂与宿舍、国际部。雨天条件下，通过地下通道联系。该通道南北两侧分设下沉庭院，缩短纯地下段落至 32m，有效降低地下空间的湿度、增加采光。南校区围绕 3 个下沉庭院设计半开敞走廊，沟通每栋楼垂直交通。除地17 金中原始场地鸟瞰18 原始场地光热环境分析19 总体布局方案的选择16 金中校园鸟瞰项目选址方案一()夏季风环境模拟东北偏东风 3.2m/s东南偏南风 2.4m/s方案二冬季风环境模拟方案三场地日照模拟m/sm/s0.000.002.003.003.004.501.001.54.004.00建筑学报 2023 06特集主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House028下人防停车库与报告厅外，其他地下空间均可对外通风采光，在重塑校园地形的同时，建立立体舒适的校园交通。景观与建筑形态的协同是气候适应性设计的有效策略之一。在学生宿舍楼的形态组织中，基于院落空间的气候舒适性，选择东侧开口，西侧底层架空的半围合形态，控制近地面风速，为冬夏两季的室外活动环境提供了适宜条件(图 21)。景观设计通过对场地局域微气候的精细评估，利用水面、植被、地形改善场地微气候，例如：国际部与食堂、宿舍楼之间活动区域的夏季风速较为平缓，容易形成静风区。景观设计通过设置水面，促进该区域通风降温；校园南部前广场冬季风速较大，通过种植乔木阻挡冬季风，在操场东北侧和国际部北侧沿河密集种植乔木亦为冬季阻风；教学楼南侧、国际部北侧中庭日照良好，适合设置活动场地(图 22)。2.2 建筑空间形态组织中的气候适应性设计2.2.1 校园建筑空间的功能与性能分类基于“气候-空间-能耗”的关联方式和程度，从校园空间对气候的要素选择差异和程度差异、空间性能与能耗的等级差异、空间的开放度等方面，对建筑空间进行类型划分。融入自然的室外空间和敞厅敞廊、卫生间、开水间等空间需要的能耗较少，是典型的低能耗空间。各类教室、实验室、办公室、风雨操场、宿舍是校园中使用率较高的空间，并占据使用空间的最大比例，根据其舒适性要求，可归类为普通性能空间，应主动控制能耗，尽可能利用自然通风和采光。图书室、集中式报告厅、计算机房等空间的性能要求相对较高。值得关注的是，性能空间分类是因时因地发生变化的。例如报告厅与风雨操场，如要满足严格的观演与赛事要求，就须按照高性能空间进行设计，但应兼顾日常报告会议与体育课程使用，对其进行针对性气候性能设计，兼顾自然采光与通风。2.2.2 基于性能分级的空间布局校园建筑设计应主动优先布置适应气候的普通性能空间，严格约束高性能空间的规模，将低能耗空间充分融入自然，合理设置调节微气候的过渡性空间。普通性能空间应布置在有利于引入自然资源的部位。对自然通风和自然光要求较高的空间置于建筑外围。低性能空间可置于朝向部位不佳的位置，并利用其加强对主要使用空间的气候性能保护。校园中，单体建筑东北向(冬季风主导风向)布置楼梯间、卫生间等。如科创中心楼的设计中，高楼层中廊以北布置低性能空间，使普通性能空间占据更有利朝向。底层大报告厅、音乐厅均以走廊或设备间等低性能空间包裹，隔离于自然气候边界(图 23、24)。在建筑内核心区域，通过多层串通的中庭，增强采光与空气流通。教学楼采用单廊布局，卫生间、藏书等功能布置于东北角，西侧布置办公室，优良朝向留给普通教室。艺体楼的底层风雨操场结合下沉庭院布置，采用多功能集成和分时利用的方式。室内可容纳 4 片羽毛球练习场，通过活动座椅的展开和地面划线的灵活调整，可快速转变为标准的篮球赛场或表演集会场所，室外架空空间配备可移动乒乓球台与羽毛球网杆，根据课程需要灵活布置(图 25)。2.3 单一空间的气候性能优化校园建筑中，教室等普通性能空间占比20 金中普通教室方位对比(不同朝向教学楼形态对比、日照对比、环境对比)21 宿舍形态对比分析(不同形态宿舍对比、夏季风环境模拟、冬季风环境模拟)m/sm/sm/s4.004.004.000.000.000.002.002.002.00偏西方案一方案二方案三南北偏东212022 景观适应性设计分析(夏季风与冬季风环境与植被分布区域)m/s0.00风环境较好风环境较差可种植挡风屋顶可种植挡风2.003.001.004.0023 科创中心一层风环境模拟(按照实际开启扇面积)m/s1.500.000.901.200.600.30029ARCHITECTURAL JOURNAL最大，使用最频繁。抓住普通性能空间的气候适应性设计将为校园整体实现节能减排发挥核心作用。金中校园的空间单元设计贯彻主动式建筑的要求，采用计算机模拟工具，并在精细化和个性化方面着力探索，而不是仅限于满足规范标准。2.3.1 普通教室普通教室沿外廊布置，长宽比为 1.44:1,南北两侧均设外窗。根据设计规范，外窗总面积需要18m2，可开启面积2/5。针对外窗的高宽比，设计进行了基于采光与通风性能分析的方案比较：一种方案为外窗高度至顶部梁底，宽度最小 1.6m；另一种为宽度满窗，高度为 1.2m。通过性能对比发现，同样窗洞面积前提下，宽度比高度的性能影响更大。窄窗易造成室内照度不均和风速过快，均匀布置的窗洞更利于普通教室室内气候性能的均好性。2.3.2 报告厅金中校园的报告厅位于科创综合楼底楼南部，结合下沉庭院布置，观众席位 900余。设计中重点分析比较了报告厅不同开窗位置、数量的气候性能差异。在初期南侧开窗方案下，室内人体高度仍出现大量无风区，仅临近门窗局部有自然通风，报告厅整体换气 4.18 次/h。如增加一条侧开天窗(图26)，换气次数可提高到 6.83 次/h，整体通风条件有明显改善，但大部分座位区仍有静风区。调整天窗为平开后，座席区通风均好性大大提升，仅局部角落为静风区，报告厅换气次数达 8.35 次/h。设计中还研究了增加顶部天窗数量及不同开启方式的效能变化，发现在两个侧开天窗工况下，换气次数降至 4.76 次/h，反而不及单侧平开天窗的通风性能。设计最后决策将单侧天窗南北分设平开天窗，报告厅全部区域换气次数提高到 14.29 次/h。2.3.3 食堂餐厅金中校园的食堂设计从地下一层至地面二层，其中地下一层层高 5.4m 对接地下通往南区的地下通道，食堂二层距地 6.5m 对接过街天桥。为满足 2700 名师生用餐，食堂单层面积近 3000m2，设计通过增加中庭、屋顶开设北向天窗的方式，在有效解决食堂上下交通问题的同时，改善各层采光问题(图27)。食堂就餐区距外窗或采光天井小于外窗高 1.52 倍，满足自然采光的深度。另一方面，食堂地上部分南北通透，外门窗设置电动开启扇，过渡季节可通过空气对流减少空调的使用，梅雨季节也可以降低内部空气湿度，降低食堂能耗。通过模拟分析，食堂各层室内风速为 0.30.6m/s 之间，靠近幕墙一侧风速较大，尤其是二层东侧风速最大达到 1.5m/s 以上(图 28)。25 艺体楼地下风雨操场的自然采光27 食堂通高空间自然采光通风26 报告厅侧开窗的自然采光28 金中食堂的风环境模拟食堂地下一层食堂一层食堂二层m/s1.500.901.200.600.30方案优化过程无窗的封闭空间南侧窗人行高度风速图人行高度风速图人行高度风速图人行高度风速图人行高度风速图人行高度风速图空气龄分析图空气龄分析图空气龄分析图空气龄分析图空气龄分析图空气龄分析图一个侧开天窗两个侧开天窗一个平开天窗两个平开天窗24 科创中心音乐厅、中庭内景建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House0302.4 建筑外围护介质的气候调节设计建筑外围护结构是实现室内空间性能的重要介质。中小学校园建筑在功能空间的构成上具有明显的类型规律，其建筑外围护结构在集成化、装配式等方面具有优势。针对采光与遮阳、保温与隔热、隔声与通风等辩证性能进行针对性的研究，可以成为捕获自然能量和调控内部气候性能的有效装置。2.4.1 教学楼围护介质的针对性气候调节设计金中校园教学楼外围护结构主要探讨了水平遮阳、垂直遮阳与教室方位及黑板直射光的关系。最为重要的普通教室(含国际部教室)外墙以北偏西 75为主，南向沿半室外走廊布局，北向为直接采光面。其他活动用房和实验室方位有南偏东 32、北偏东58、北偏西 32、北偏西 75四类情况。经模拟计算，北偏西 75条件下，采用水平遮阳即可达到正常教学时间内黑板无太阳直射光。其他方位，分别采用了具有针对性的遮阳类型和垂直构件偏转角度。总体上，大部分教室采用水平遮阳即能满足遮阳和防炫光等要求，从而在日常教学时间内，最大化利用自然光资源。同时，水平遮阳板也利于室内漫反射自然光的作用。南京地区中小学教学楼一般采用外廊作为南向遮阳的措施，外廊封闭与否一直存在争议。笔者团队在此前的南京外国语学校河西分校项目中，采用了净宽 2.4m 的南向外廊，遮阳与通风效果得到校方认可，但存在夏季雨天潲雨、冬季飘雪造成地面湿滑的现象。金中校园中，延续本部外廊的设计，通过增加 900 高砌体栏板与 2.7m 高度设置600 宽度铝单板遮阳板，来缓解雨雪的影响。橙色遮阳铝板也呼应金中老校区钟楼建筑红砖过梁的做法(图 29)。2.4.2 食堂的外部遮阳设计在单一空间的分析中，食堂二层东南部风速过大，另外南偏西 45的方位与 5m 以上的层高使其需要有效的遮阳。首先设计采用近 6m 宽的架空南廊作为建筑主体的水平遮阳，南廊也作为南部校区师生前往食堂与宿舍的最短路径。建筑东南角与东北角增加穿孔铝板外幕墙，经过实验，最终采用 10mm 孔径、15mm 孔距穿孔率 16%的6mm 厚度复合铝板，降低夏冬季风速的同时，不阻碍视线穿透(图 30、31)。3 结语校园建筑从总体布局到单体空间形态组织，从单一空间性能化设计到围护结构的主动调节，构成了从整体到局部的气候适应性层级化设计策略。在依赖数字运算的性能化正向设计技术尚未成熟的境遇下，经验借鉴、设计探索与性能评测的密切互鉴依然是最基本的设计路径。校园总体布局中，气候分析评估、功能空间组织、设计优化反馈是交织进行的。其中，规划用地及其所在地段的微气候评估结论，是总体布局优选决策的基本前提。在有限土地资源的约束下，校园建筑的集约化空间组织更需要理性的气候适应性设计方法支撑。同时，应充分利用室外开敞空间、庭院、架空空间等非耗能空间支持校园各类活动功能。通过植物种类、方位形态的配置，可进一步适应气候的季节变化。建筑单体空间形态组织的要点在于遵循性能及能耗的分类、分区、分时原则，结合气候模拟分析，合理调节自然采光和通风。要特别关注连续的普通教室排列对建筑室内外的整体气候影响，宿舍楼的单元组织同样需要重视这一议题。单一空间气候性能的优化，在合理判断空间单元量形特征的基础上，需要对门窗几何形态的气候性能表现进行精细化测算与验证。开口尺寸和比例直接影响着室内空间的气候性能，而仅凭经验判断往往是不够的。例如，金中校园中报告厅的开窗部位及方式的对比，几乎颠覆了“多开窗有利通风”的习惯认知。建筑外围护介质的设计不仅是节能计算中要求的材料厚度与构造要求。冬冷夏热地区的建筑外围护通常面临不同季节条件下气候要素选择性调节的矛盾，如何展开针对性的平衡设计尤为关键。主动式校园建筑是主动式建筑的一种典型类别。建筑师的设计工作以其专业的空间形态语言，运用环境物理和建筑材料等新的科研成果，并在设计实践中融贯创作，已经成为建筑师的绿色使命。同时，主动式建筑的设计师们，互相观摩，互相学习，也将推动主动式校园建筑的健康、绿色和低碳发展。29 兼顾遮阳与防潲雨的金属板30 食堂南侧遮阳系统图表来源图 1、2、8、10、13:侯博文摄影图 16、24、25、2830:薛亮摄影其余图表均为作者提供31 金中食堂南立面031ARCHITECTURAL JOURNAL