透视气象与城市建筑

近年来，全球 [url=http://baike.weather.com.cn/index.php?doc-view-440.php]地震[/url] 、洪水、飓风等自然灾害频发，特别是近日国内外连续发生多次大地震，人类对住宅建筑保障居住安全的要求越来越高。同时，建筑活动一直是对自然资源和环境影响最大的活动之一，在全球的 [url=http://www.weather.com.cn/weather/101300514.shtml]资源[/url] 消耗中，建筑约占1/3。在 [url=http://baike.weather.com.cn/index.php?doc-view-1149.php]气候变化[/url] 的大背景下，如何才能保证建筑设计既安全、经济和实用，又有合理的布局，形成良好的气象效应？ [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/4EA10BE104750301AD369BD518F1965A.jpg[/img] 资料图片：开宝寺塔是建筑史上最早考虑风压的建筑物 人类历史上最早出现的建筑雏型——巢、穴和窝等，就是古人为抗御风、 [url=http://baike.weather.com.cn/index.php?doc-view-262.php]雨[/url] 、寒、暑等气象因素而创造的供自己休息的原始住所。 到北宋初年，著名的木结构建筑匠师喻浩，在宋都东京(今开封)建造八角形、高36丈(120米)的开宝寺塔(灵感塔)时，根据当地最大风速的方向为西北风的特点，将塔身略倾斜于西北方，以抵抗风压力的作用，这是建筑史上最早考虑风压的建筑物。 如今，随着现代建筑科学技术的发展，无论是在建筑设计、建筑材料、建筑施工以及城市规划等方面，都需掌握各地区天气、气候的规律。 [b]与建筑结构设计师“对话”气象[/b] 民间建屋讲究“风水”，看似神秘，其实所谓的“风水”指的就是气象、水文和环境。而随着社会的发展和生产、生活的需要，其中的气象因素对建筑的影响越来越重要。 从事建筑设计行业多年的刘立杰博士认为，“结构在建筑物之中是支撑骨架的部分，风压、风向、风速、雪压等气象因素在建筑设计中非常重要。” [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/69B6537CAAF741F927E7EBF525DE6923.jpg[/img] 北京市建筑设计研究院第九设计所 国家一级注册结构工程师 刘立杰博士 风压也称风荷载，是当出现最大风速时，垂直于风向的建筑物表面上所产生的压力。风压是建筑结构设计中基本的设计依据，风压数值的大小，直接关系到各种建筑物、构筑物、架空线路、广播塔、电视塔以及各种桥梁等工程的经济性、适用性和安全性，风压数值低，则安全系数低。 还有风向。如工业区一般都会设在盛行风向的下风侧，居住区在其上风侧，这样就是为了避免工业区向大气排放的有害物对居民区的影响；在季风区，由于冬季和夏季的风向基本上相反，故将工业区布置在最小风频的方位。在建筑设计或规划时，还要考虑与局地环境条件有关的气候特征的影响，如“热岛效应”、“城市风”等。 雪压的数据也很重要。雪压指单位水平面积上的雪重，即积雪深度和积雪密度的乘积。对于建筑物，基本雪压是根据各地气象台（站）的最大雪压或雪深资料，经统计得出50年一遇最大雪压，即重现期为50年的最大雪压，以此规定当地的基本雪压。 “计算雪压时，还要考虑降雪时的风速，风可引起雪花飘移，使屋面积雪重新分布，没有障碍物的屋面上的积雪比地面少，有障碍物的部位积雪比地面多。在多雪的北欧，屋顶坡度会陡一些，其屋面坡度一般为60°，以使屋面积雪下滑而减小雪压。这就是为什么欧洲的一些国家会选择尖顶陡坡式的建筑。” [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/FB9D9CCE2F8050D1D8217372DCC34BDF.jpg[/img] 资料图片：欧洲尖顶陡坡式建筑 刘立杰透露，“为设计和建造在不同气象条件下的良好的室内小气候环境，使室内在不同的季节均能保持一定气温、相对湿度、空气流速和清洁度，采暖、通风和空气调节设备需建筑设计师根据当地的气候条件，即当地多年的气象观测资料来设计。” 比如冬季采暖的室外计算温度，是根据最冷月平均气温和最低日平均气温等项目综合计算得出的，计算温度越低，表示需设计的采暖负荷越大，消耗能源越多。空调室外计算温度同采暖室外计算温度类似；而夏季通风系统的设计，除需考虑温度外，尚需考虑相对湿度的大小。另外，还要依据风、日照等建筑气象参数标准，结构荷载规范，采光规范等来设计。 另外，除了气象因素，设计建筑结构时还要考虑抗震因素。相对来说，剪力墙结构的抗震性能较好。剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力。若在一些沿海地区或易发生泥石流、滑坡灾害的地段建房，工程上一般会实施相关措施来坚固地基，加强防震。 [b]工程师细谈气象与建筑施工的微妙关系[/b] 随着大型工业企业、超高层办公楼和超级旅馆等大型建筑物的不断出现，气象因素对建筑的影响越来越受到重视。“如1940年美国华盛顿州的塔康马悬桥，在风的动力作用下被摧毁；1965年英国费尔桥电厂的冷却塔群中的三个，在大风中倒塌。这些事故都促使人们在建筑施工中，进一步考虑气象因素的作用。” 中铁二十二局集团有限公司总工程师王爱国表示，“建筑行业是一个对气象敏感度非常高的行业。建筑项目，特别是重大工程项目，主要在野外作业，综合性强，受天气气候的影响非常大。如果缺乏足够的认识和未掌握充分精确的气象资料，一旦遭遇较恶劣的天气、气候灾害，建筑部门将损失重大。” [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/7902ADA27DD5CE5797B393BBF8E4A047.jpg[/img] 中铁二十二局集团有限公司总工程师 教授级高级工程师 王爱国（左） 据国外研究表明，在合理利用气象情报和天气预报对策条件下，这些损失至少有40%以上是可以预防和避免。美国研究人员通过统计分析，认为若能适当利用有利天气，至少可节省10%-17%的消耗，或者说增加利润50%-100%，收益与付出之比高达40：1。德国统计因利用天气预报获利为建筑投资总额的2%-3%。因此，在发达国家，建筑公司对天气、气候信息和预报非常重视和依赖。 北京铁城建设监理有限责任公司电气化工程监理分公司高级工程师王亚林，常年奔波于工程项目，在建筑施工方面经验丰富。“从建筑施工的角度来说，降水、风、温度和湿度等气象因素都会对建筑施工产生影响。” 他介绍，“降水对水泥、沙浆、石灰等建筑材料有破坏作用，影响砌砖和所有室外涂刷、铺设工序，损坏新完成的表面等。高层建筑施工，还应避开雷雨天气，以防雷击事故。若降雪，能见度低，影响测量，仪器、贮存材料受损，削弱水平遮盖的防护作用；积雪易在混凝土表面形成水层，从而影响强度、降低质量；增加现场危险性（冰凌，打滑）。” 风对施工的影响主要表现在风力较大时，高空塔吊不能转动自如，甚至可能发生塔吊出轨、翻倒事故。如果地面风在4级以上，则高空风力会更大，既不利于施工进展，也影响作业安全。 而气温过高或过低，也会对施工材料等多方面产生很大影响，建筑室外施工最适宜的温度为10"25℃。 因而，施工计划都会参考天气预报来选择最佳施工期，趋利避害。“为防御各种灾害天气的发生，建筑施工现场还会根据实际情况制定应对灾害天气预警应急预案，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。” [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/4847C24F4BC1CF30ECCE7E75157E3388.jpg[/img] 气象因素直接影响建筑施工（来源：百度） [b]各地气候差异致建筑风格迥然不同[/b] 气象与建筑的风格休戚相关。“由于各地气候差异很大，建筑风格也迥然不同。南半球与北半球不同，欧洲与亚洲有异，南方与北方差异显著，东部与西部格调不一，大陆性气候与海洋性气候的建筑物风格各有特色；热带与温带、寒带建筑风格也自成一家。” 刘立杰设计师举了很多例子。以东北地区为例：冬季漫长而严寒，夏季短暂而清凉。冬寒是居住条件中的主要矛盾，建筑设计着重于采暖、防寒；因此，建筑基地通常会选在能充分吸收阳光的地方，且东北地区房屋具紧凑密闭的程度较高、窗门相对较窄小的特点。 华北地区的冬季不及东北严寒，但仍有来自北方的寒潮大风，气温较低，特别春季多风沙，所以华北地区的建筑设计较着重保暖和避风沙。由于我国位于东亚季风区，夏季盛行南到西南风，冬季盛行西北风，所以，对于华北地区来说“坐北朝南”的房屋布局是最佳选择，以避风向阳。炎夏时有凉爽的南风，冬季又避开寒冷的北风，确保室内的冬暖夏凉。 华南地区至海南一带属热带，亚热带季风气候，年内炎热，降水充沛，夏秋多台风，降水强。城市的楼房多建有露台，走廊，力求高大、宽敞及通风，以避雨遮阳，房顶设计多为人字形，有“滤水”和不易积水的功能。与这种气候环境相适应的建筑，典型的要算是街道两旁的行人廊（俗称骑楼），在我国东南沿海的厦门、汕头、广州、南宁和台湾等许多城市都有这种南方特色建筑，即使下起雷雨，人们仍可泰然自若地从一个商店逛到另一家商店。 [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/30/AE984C0832571E17F4567F2029D02239.jpg[/img] 骑楼（来源：百度） 到了西南边陲的西双版纳，人们常能见到另一种风格的建筑——竹楼。它以竹木为主要材料建成的独立式楼房，通风、防潮。竹楼的底层用二三十根柱子架空，四周敞开，可圈养牲畜和放置农具等，楼上住人，在廊上乘凉恰到好处，遮阳又避雨。这种轻盈的竹楼式建筑，主要是适应当地常年空气湿度大、暑热难熬的气候。 [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/DA8D494553FCEA79102B0DE6FEEB8709.jpg[/img] 西双版纳竹楼建筑风格(来源：csonline) 西北地区为干旱的大陆性气候环境，降水稀少，气温高，且温差大，是我国沙漠化比较严重的地区，终年风沙大。因此，房屋的建筑需具防寒、隔热和避风沙等特点。形成了土拱的独特建筑，厚墙，甚至石墙、小窗和拱形房顶的结构，这可减弱太阳辐射和寒风的侵袭。 西北草原上的毡房也颇有特色，墙壁和屋顶用厚实的羊毛毡制成，可挡御风寒；房顶做成圆天孔，如窗一样可以开闭。白天拉起，让阳光照射入室，增暖室内温度，同时排出室内的烟炭气；到夜间将天布盖上，烧奶茶、做饭的热量留在屋内，使室内十分暖和。 [b]低碳节能建筑 让我们的地球变得更“绿”[/b] 建筑活动是对自然资源和环境影响最大的活动之一，在全球的资源消耗中，建筑能耗占了近1/3。建筑专家们纷纷表示，“大力发展绿色建筑是降低建筑能耗、应对气候变化的首要之选。” “从城市规划到房屋建筑设计，如果能够结合当地的气象条件，合理设计房屋的朝向、窗户的位置等，自然光就能满足白天照明，恰到好处的隔热材料就能避免少用空调，耗能减少，也可减少开支。”建筑专家们各抒己见。 [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/30/D02CE0271E9DED296F53129C639E073A.jpg[/img] 北京铁城建设监理有限责任公司电气化工程监理分公司高级工程师 王亚林 还有，利用太阳能采暖和空调的试验研究进展很快，已建造了不少被动式太阳能房和主动式太阳能房。主动式太阳能采暖系统，一般同夏季空调和生活热水供应结合在一起。在建筑上如何充分利用太阳能，以达到节能的目的，是世界各国建筑气象学研究的新课题之一。 人们在畅想未来城市“宜居”生活时，对房屋建筑寄予了更多期望。在2010年上海世博园上，众多场馆都在展示着各个国家对未来城市建筑发展的无数种构想。而其中的远大馆可持续建筑，这座号称世界上最坚固安全的建筑，则代表着中国智慧对未来建筑的一种诠释，代表着城市建筑发展的一种方向。 远大馆建筑是在最短时间内建造的通过国家抗震9度测试的场馆，已达到目前全球最高的抗震等级。当然，远大馆作为中国未来建筑的先行者和引导者，除了建筑安全理念外，整个展馆还体现了“健康、节能、环保”的新型建筑概念。远大馆建筑的主体采用钢结构，外墙辅以冬暖夏凉的保温材料，节省6倍的原材料、节约5倍的能源，相信这也是未来建筑的大趋势。 [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/B1997E929FA18D3E0F7973980285528C.jpg[/img] 世博远大馆(来源：腾讯世博) 据悉，中国建设部正在推行“绿色建筑”计划，2020年，将要通过进一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会建筑的总能耗达到节能65%的总目标。一场建筑史上最波澜壮阔的绿色革命，正在中国大地蓬勃展开…… [b]结语：[/b] 发展绿色建筑，倡导低碳生活，不仅需要政府、企业的参与和引导，更需要千千万万公民的共同参与。 面对全球气候变暖这一严峻局面，我们唯一能仰赖的，只有人类自身的觉醒、即刻的行动和不懈的努力。现在，就让我们从身边的点滴小事做起，少开一次车、少点一盏灯、居住尽量选择绿色建筑……地球，终将因我们的共同努力而更加美丽！（文/刘珺） [img]http://i.weather.com.cn/images/cn/news/2011/03/29/78369D92FA6E1BD5ED874CBD785F30D6.jpg[/img] 倡导“绿色”建筑 缓解全球变暖刻不容缓（来源：百度）