建筑物理环境的探讨

唐慧华

广东白云学院 广东 广州 510450

1 建筑的热环境考虑

1.1 湿热环境

首先，我们应当明确热环境包括干热和湿热两种。以广州为例，属于典型的湿热环境，气候特点是温度高，空气湿度大。特别春夏之时，该地区降雨量大，空气中的含水量多。湿热地区的建筑设计，针对湿和热两个问题，会考虑相应的措施。比如，为改善室内湿环境，通常有通风措施。通风既能快速带走热量，也能使室内的空气湿度降低。在大量降雨的时候，空气含水量非常高，而春末夏初之际，室内的材料表面温度较低，含水量较大的空气遇到室内的冷表面，容易冷凝结成水。室内的水量过多时，引来诸多不便，十分妨碍人们的生活。为解决这种冷凝水的烦恼，可以考虑通风带走水汽。不过通风的时间段，要选择合适时间，需在室内温度回升后打开窗通风才可以达到效果。如果在室内温度低外界湿度大的情况下开窗通风，只会让室内的冷凝水越来越多。冷凝水会使家具受潮、地面打滑等等，妨碍人的室内活动。

改善建筑的湿环境除了通风，还有很多其它措施。湿热地区出现受潮最严重的区域是底层，因为底层房屋贴近地面，而地面的土体量大，蓄热能力强，经历一个冬季后，土体的温度较低。如果外界相对高温高湿的气体遇到较低温度的土体表面，就会冷凝出水，所以在建筑设计时会考虑首层架空，不做居住用途。在古建筑中，南方有很典型的干栏式建筑，常就地取材用竹木搭建而成，而首层都是架空，可作饲养家畜之地。上层住人，有效地避免居住环境太过潮湿。当代建筑首层设计为架空层时，可将首层作为居民活动休闲之地。当然，建筑的其它楼层也要考虑防潮措施，比如室内的建材考虑得当，也可以有效地防潮。一般来说，室内地面铺设大理石砖会比铺木地板的更容易出现泛潮现象，因为不同材料的蓄热性能不一样，回温时间不同，所以出现的潮湿状况也不同。合理地考虑材料，能使得室内的湿环境得到有效的改善。

对于改善室内的热环境，在建筑上也有多种考虑。比如古建筑中，常做冷巷、天井等设计，都是为了改善热环境。狭长的冷道为冷巷，人走在其中感觉到非常凉快。因为风在狭小面积经过时，风速会增大，加快人体表面热蒸发，使人感到凉爽。而天井的设计，可以避免大量的阳光直接照射进入房屋，使建筑处于阴凉之中。而且小开口的天井还具有拔风效果，因为天井上部的温度较高，热空气密度较小就会往上走，在天井高处形成低压区，吸引下部的高压区气体来补充，这样形成从下往上的风流动效果，称之为拔风。风的流动使人感觉到凉爽，改善了热环境。如今的建筑要设计出天井形式，一般在公共建筑多见，公用建筑下部开阔设计用于人流走动，上部小开口避免阳光直射，是类似于古建筑的天井作用。不过现代公共建筑多采用空调系统，所以上部开口不经常开启，拔风效果不如古建筑的天井。

上述建筑的拔风效果主要是通过热压形成的风流动，另外，建筑的风环境还可以通过风压形成。比如，广州地区夏季主要吹的是东南向的海风，因为我国东南向是大面积的海洋，夏季的时候容易形成海陆风。海陆风的形成是因为陆地和海洋的蓄热量不一样，炎热白天的时候，陆地升温快，热空气往上走，地面形成相对低压区，而海洋因为蓄热量大所以升温慢，近海面气压相对较高，较高压力的海面气体流向较低气压的陆面，便形成了从海面吹向陆地的风。那么设计建筑的时候，可以考虑南北通透，这样夏季白天，南向的风从建筑正面进入，贯穿建筑从北向出去，使得风在建筑中经过的时候有效地带走热量，给建筑通风散热。

不过，建筑的风环境设计还需注意很多方面。特别是越高的建筑受风力影响越多，大量的风吹到建筑迎风面时会形成一个正压区，在建筑前方造成推力。而建筑背风面存在负压区，会吸引风反流向建筑背面，亦是形成一个推力。当建筑迎风面和背风面都有推力的时候，建筑会在前后的推力作用下摇摆，越高的建筑摇摆越严重。为了避免这种风力的影响，一般需要专门设计考虑。比如可以在建筑上开贯通风口，直接使得迎风面的风力降低。且可考虑在贯通风口加入垂直风力发电机，让风力转化为电力供给大楼应用，使得建筑更节能环保。贯通风口还可以使得迎风面的风尽快补给背风面，这样背风面的负压区慢慢变成正压区，就不会产生过大的反推力。

当然，在湿热地区的防热措施还有很多。比如，屋顶设计考虑坡屋顶，会比平屋顶更适合。首先，因为湿热地区降水量大，坡屋顶更利于排水。而且，一般来说，坡屋顶比平屋顶更高，其延长了热量传递的时间。屋顶作为水平面，受阳光照射的时间长，将屋顶做的越高，其拥有更多的空气层缓冲热量向下传递，使得下部受热时间延缓。以此类推可知，在一些高穹顶的大教堂等建筑里，炎热夏季走进去时，总是感到很阴凉，便是因为屋顶有足够厚的空气层缓冲热量向下传递。

绿植引入到建筑也是防热的一大措施，绿色植物的枝叶能让建筑住处于阴凉区，避免太阳直射。所以，现在通常会在墙体和屋顶栽种绿植，用于夏季遮阳。绿植宜选择落叶乔木，夏季能保证遮阳，冬季乔木落叶后不能遮挡阳光，使得建筑暴露在阳光下，接受光和暖[1]。不过，为避免植物对结构层的破坏，不得选用深根植物。且要做好灌淋系统，保证植被有充足的水分不枯萎。

当然，除了绿植遮阳，还会考虑固定遮阳构件，比如窗口附近设计相应的遮阳板，根据太阳的高度角不同，有水平、竖直等遮阳构件。屋顶也可以做遮阳板用于遮阳，但考虑遮阳构件尺寸和造型时，要结合当地的太阳高度角来进行设计。比如夏季和冬季的太阳高度角明显不会相同，我们在设计遮阳板的时候，要充分满足夏季遮阳，还要考虑使得冬季的阳光能照射到建筑上，避免冬季时建筑处于阴冷环境而太冷。

1.2 干热环境

某些地区是干热环境，气候特点是温度高，空气湿度低，全年降水量少。这样的地区因为缺水，土地沙化严重。而沙化的土地蓄热量低，所以即使这种地方白天温度高，但日落以后，温度会下降得非常快，会有早穿棉袄午穿纱的情况。

在干热地区设计房屋，不能再开大窗通风以求达到降热，因为该地区的风夹带大量沙，吹进室内的沙会严重影响人的正常生活。这类地区主要设计为小窗，防止风沙进入室内。而为了防热，围护结构多考虑隔热效果好的材料。以往，隔热材料缺乏的情况下，居民一般通过加大墙体厚度，达到减少外界热量传递到室内。如今，可考虑的隔热材料非常多，选择导热系数小又轻质的隔热材料，不仅隔热，也不会给建筑带来额外过多的重量。

轻质的隔热材料有很多，比如空心砖，既能做围护结构，又因为其有较为封闭的空气层，比相同厚度的实心砖隔热系数要小得多。如果在干热地区采用空心砖砌筑墙体，不仅可用于白天的防热，也能避免晚上室内的热量散失，起到很好的隔热保温作用。除了空心砖，还可以考虑聚苯乙烯板等无机泡沫板材作为保温隔热的材料，这种板材可以直接贴装在墙体上，可以安装在室内也可以安装在室外，一般情况下，安装在室外比较常见。因为在室外不会挤占室内空间，施工的时候也不会对室内造成过多影响，还能保护墙体不直接受日晒雨淋的侵蚀。不过，安装在室外，虽然保护墙体，但自身耐久性会降低，容易损坏。还可以考虑夹芯安装，在空心砖里的空心间层里放置保温隔热板，既不会占用室内的空间，又不会受到外界日晒雨淋的破坏。不过，这种安装仍然存在缺陷，比如室内外温差和湿度相差较大时，容易在中间层产生冷凝水。而且材料达到使用年限以后，极其难换置，如果换置会把墙体弄坏，显然是影响建筑和人的生活。所以如果要选择夹芯安装，一般考虑在建筑与材料同寿命的情况下比较适宜。

2 建筑的光环境考虑

2.1 天然采光

建筑的光环境分别考虑天然光和人工光照明。天然光照明，一般通过开窗设计满足。理论上讲，窗洞口开的越大，进入室内的光线越多。比如以广州地区分析，本就因为需要通风散热，所以开大窗，但该地区降雨量多，为避免大窗引入大量的雨水，窗户上方应该还可以考虑设计雨篷，用于避雨。但单纯的雨篷，用途单一，较为浪费。所以大多数情况下，特别是公共建筑设计会考虑外走廊。外走廊的设计，既可以避免雨水直接进入室内，还可以兼做雨篷用途。且能作为光的反射途径，使得直接光不直接进入室内，而是通过外走廊的反射面，让反射光进入室内。直射光容易带来眩光问题，反射光就不会。所以，我们对于室内要引入的天然光，一般更喜用反射光。

窗洞口作为建筑的采光洞口，是室内获得天然光的一种形式。常见的窗洞口有侧窗，而侧窗因为窗台高度的不一样，可以分为低侧窗和高侧窗。低侧窗的近窗口处采光量大，所以在窗洞口附近的照度好。不过，窗间墙的大小、窗户的形状等因素都会影响到室内的采光效果。根据建筑的用途，合理考虑侧窗的类型，如学生较多的教室设计，窗间墙尽量小，窗户形状多考虑横长方形，这样采光量多，利于照明。而居民楼的侧窗，特别是卧室，窗间墙设计宜大，窗户形状一般考虑竖长方形，利于保护居民的隐私空间。一般来说，窗台高于两米的称之为高侧窗。高侧窗可以改善建筑进深的照度，因为其窗台高，所以照射进入到室内的光线比较远，近窗口处的照度反而较低。而且高侧窗因为窗台高，所以下面的墙体可以有效利用，一些展览馆便是常做高侧窗来使得室内有更多的墙体挂展品。如果有些建筑不适合在墙体上开侧窗，就会考虑在屋顶开洞口采光，称之为天窗。

除了窗户作为采光洞口，有些地方还会采用采光筒。采光筒一般包括采光罩、反射筒、透光器三个部分。通常是把采光罩布置在直射光大的地方，使得光线进入到反射筒，光线在反射筒中不断反射，最终到需要出光的地方设置透光的装置，使光线散入室内。需要注意的是，采光罩可以是透明的且含有可选择光波的涂层，当太阳光照射到罩表面时，长波红外线和短波紫外线都可以被隔绝在外不进入室内，只让可见光进入室内。采光筒可以用筒状管道反射光传输到所需的场所，不过光筒不易于弯折，占用一定空间，所以也可以采用光纤，光纤易于弯折，占用面积小，反射率也高，适合代替采光筒反射光源。

2.2 人工照明

当天然光不足以照明之时，多采用灯具补给照明。灯具的种类很多，白炽灯之类照明灯具一般不会再使用，因为其电能转化为光能的效率低下，大量的电能转为热能，带来光亮的同时带来大量的热量，极为不环保节能。荧光灯是气体放电光源，里面加了荧光粉，有可能含有汞，废弃以后的灯管对环境有影响。而固体放电光源不仅发光效率高，而且并不含汞等危害元素，所以是现在大多数人的选择。

人工照明的布置需要合理布置，数量不能太少，以免光照不足影响视觉。但数量也不能过多，因为过多的灯具浪费电力，且光照太亮，会引起眩光，使得视觉不适。

3 建筑的声环境考虑

3.1 吸声材料

噪声的问题是现在普遍值得重视的问题，一个良好的声环境，使得室内更适宜人生活。避免声音对室内的影响，可以从吸声和隔声两个方面解决。

吸声一般是把声音消耗成热能，通常室内采用的吸声材料是多孔吸声材料，可以让声音进入到材料内部，通过与孔道进行摩擦生热，转化为热能消耗掉。不同多孔材料的吸声性能不一样，理论上说，材料内部孔隙率越大，孔道越弯折，消耗声能越完全，吸声效果越好。

还有很多影响吸声系数的因素，比如材料的厚度，厚度越大，声音消耗成热能的通道就越长，吸声系数就越大。但是过大厚度的材料，会占用更多的空间，特别是在室内使用吸声材料时，过大的厚度挤占空间利用率，会使得空间显得过于压抑。

材料的密度越小，孔隙率越大，吸声系数一般也越大。但也不能无限减小材料的密度，因为密度太小，材料内部的孔隙率大，孔道不够蜿蜒曲折，消耗声能不够彻底，所以并不会使吸声系数进一步增大。而过大密度的材料，其空隙被堵塞，消耗声能的孔道不够多，吸声系数也低。所以，任何一种吸声材料都有合适的密度，不能过小也不能过大。

还要注意材料的防水，因为材料湿润后，水分会占据空隙，使得声能因为有水的阻碍而无法消耗，为了避免水的侵蚀，一般情况下，我们都会将吸声材料安装在室内。如果安装在室外，不可避免地受到风吹雨打，材料或多或少地遭受破损。吸声材料的安装也需要注意，如果是贴着墙壁安装，其吸声系数不如安装时与墙壁留有一定距离。因为留有一定距离便是多了一层空气层，能增加消耗声能的途径。

除了多孔吸声材料，还有共振吸声结构，其吸声原理是让声波入射到材料上时引起共振，当声波的频率与材料的频率达到一致时，振幅最大，共振消耗的声能也就越多。但共振结构的缺陷也比较明显，因为靠共振吸声，所以共振频率下的吸声系数大，但其它频率的吸声系数就小。一般来说，该结构的对声音的吸声频率较单一，不如多孔吸声材料的吸声频率广。常见的共振吸声结构有穿孔板，其板的质量、穿孔率等因素影响了共振吸声频率。所以，可以通过调整影响因素改变共振频率，使得其符合室内常见的声波频率，达到更好的吸声效果[2]。

3.2 隔声材料

声音入射到材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，剩余的部分会透过材料传递到室内。隔声是使声能多被反射，被反射后的声能因为没进入到室内，所以不会对室内声环境造成影响，但是声音还是在室外传播。隔声屏障通常会和吸声材料结合起来运用，所以，材料既能隔断一部分声能，也能吸收一部分声能，最终使得室内保证更好的声环境。

4 结论

1、建筑的热环境有干热和湿热区别，每种热环境的建筑设计考虑不同，因为空气的湿度不一样，所以建筑的相关设计不一样。

2、建筑照明有天然采光和人工照明，天然采光和人工照明都是建筑光环境的需考虑的。两者互补于光环境，使得建筑采光更有利于生活。

3、室内的声环境，考虑吸声和隔声两种控制，吸声是把声能转化为热能消耗掉，隔声是隔断声音向室内传播，使声音反射到室外。