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基于GIS的区域乡村养老康复中心宜居建筑规划设计方法研究

2024-08-21 79 上传者：管理员

摘要：我国人口的持续增长对乡村养老康复中心宜居建筑设计产生了较大的影响，许多乡村养老康复中心宜居建筑在建造过程中缺乏区域性设计，无法实现生态可持续性发展。基于此，文章以某乡村养老康复中心建筑为例进行研究，通过ArcGIS进行可视化现场环境分析，从“区域特征”的角度探索生态建筑的建筑形态规划。研究结果表明，当主导风向为东南风时，建筑物后方的风速一般为1～2 m/s，建筑中央空地的最大风速为4～5 m/s。根据风速压力分区图，乡村养老康复中心宜居建筑的布局可面向东南风向，形成环形受风的建筑形态，增加与主导风向的接触面积。在冬至日前后，建筑物阴影覆盖面积相对较大，南北向阴影覆盖了整个建筑区域。通过调整格栅的横断面，极大地提高了建筑的采光效果。

关键词：
GIS
区域特征
可视化
建筑
绿色建筑
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近年来，中国城镇规模迅速扩大。中国土地城镇化空间差异显著，且土地城镇化粗放发展问题严重。经济发展水平较低地区的建筑缺乏区域特征，而且设计方法不符合绿色建筑的要求。目前很多建筑外观设计利用参数化软件快速生成设计图，其操作简单但缺乏对地域特色的考虑，且在建筑环境能源设计方面也缺乏对建筑节能的考虑[1]，同时建筑内外的气候环境会对建筑产生不同的影响，因此需要结合ArcGIS和参数化软件来进行规划设计方法研究[2]。

地理信息系统（GIS）作为独立的设计工具，在规划前期分析中的作用比传统的分析方法更加准确和快速，能为下一步的规划设计提供客观的参考和依据，已被应用于早期建筑适宜性分析、环境廊道划分、景观视线和水平线分析，以及乡村绿地服务半径和居民可达性分析等[3]。且GIS可以制作可视化分析地图，用于控制新建筑的位置、控制地下管线之间的关系等。随着GIS的数据技术和计算能力的进步，参数化软件也越来越全面[4]。特别是在解决建筑数据需求的建筑信息模型（BIM）和评估建筑室外环境的计算流体力学（CFD）方面，对数值进行模拟的现象越来越普遍，同时CFD模型和新技术的选择可以满足不同建筑场景模拟的需求[5]。

目前，我国生态建筑设计在GIS中的应用随着需求的增加而逐渐增多，但存在精度不够的问题。这就需要多种软件之间协同互补的组合设计模式，以提高设计过程的准确性。在后期的规划调整中，逐渐忽视了建筑分析结果和环境可持续性的重要性，导致实施阶段缺乏一致性。基于此，本文利用Arc GIS进行可视化现场环境分析，从“区域特征”的角度探索乡村养老康复中心宜居建筑的建筑规划设计方法。

1、试验方法

1.1项目位置及特点

乡村养老康复中心宜居建筑项目位于云南省西双版纳傣族自治州景洪市的西双版纳旅游度假区。该度假区是住宅经济圈的核心[6]。景洪市四季温暖湿润，旱季、雨季明显，属热带和亚热带季风气候，区域以西南风和东南风为主。乡村养老康复中心位于度假区东南角。建筑西侧前期已建成部分商业街区和住宅区，乡村养老康复中心宜居建筑周边有3栋20 m高的高层住宅，会对乡村养老康复中心建筑设计产生一定影响。因此需要进一步利用“区域特征”的角度探索乡村养老康复中心宜居建筑的形态规划。

1.2设计目标

根据建筑设计要求，乡村养老康复中心作为乡村健康休闲建筑，有必要打造一个具有云南民俗文化、符合当地地域特色的活动养老中心。在本土化建筑符号的选择上，从当地佛教建筑的建筑形式和栏杆结构中提取符号语言，例如当地佛教建筑的弧形垛口和周边元素。中国传统民居采用的被动生态策略与最初的GIS概念类似，均是利用建筑布局、风向、日照、材料、绿化、能量循环等与环境相协调的一种简单高效的技术方法[7]。

1.3使用SketchUp插件阴影分析软件分析建筑阴影

日照分析通常是指使用分析软件模拟和计算某类建筑在指定日期的日照影响或日照时数。在设计阶段，对于建筑内的高层建筑，采用SketchUp插件进行阴影分析，运用Photoshop(Ps）软件进行日照分析。在运行Shadow Analysis for SketchUp之前，需要进入SketchUp的“样式”面板，选择“预设样式”中的“隐藏线”模式。首先，使用谷歌地球找到该地点的地理坐标，然后将其输入SketchUp中。其次，点击“窗口”“模型信息”。最后，在对话框中点击“地理位置”中的“手动位置设置”按钮，将地理位置设置为云南省景洪市[8]。冬至日的日照分析一般需要6 h(9:00—15:00）；严寒日则需要8 h(8:00—16:00）。当然，夏至日的日照分析可能需要11 h(7:00—18:00）。根据调整日期和建筑设计的细分精度，导出光照分析图。

1.4重叠分析地图形成“区域特征”表格规划

在建筑形态规划阶段，利用软件对建筑场地数据进行分析，通过合理的数据分析，叠加影像数据，强化“地域特色”的场地形态设计。利用GIS数据整合建筑的坡度，减少场地坡度的开挖量[9]，并通过GIS软件规划场地的自然蓄水位置。由于部分建筑场地存在既有高层建筑，采用常年主导风向的风压图像划分常年迎风面的分界线，将风速在3～5 m/s的区域作为迎风区。在后期的建筑设计中，根据场地环境进行自然通风设计，使建筑形体更多地面向迎风区，在风速较稳定的区域多开窗，使风速保持在3～5 m/s。风速较小的区域被设计为公共空间，以保持空间的稳定性。利用光影图，在建筑光照位置和景观场地活动空间设置上，以周边建筑阴影覆盖区域在5 h内的光照情况进行场地划分，避开阴影较长的区域[10]，划分出阴影市场较小的区域，且这些区域可合理布置为建筑采光面和公共活动区。

2、结果与讨论

2.1建筑主导风向分析

云南的气候比较潮湿，很多建筑会因为夏季的返潮而出现建筑腐蚀等问题，不及时通风就会导致建筑被腐蚀，进一步影响居住环境。因此，风向对建筑的湿度有很大的影响，因此需要准确分析建筑的主导风向。通过对风向、风速和连续覆盖面积的分析，有利于在乡村养老康复中心宜居建筑设计中增加主体建筑迎风面的面积。在风速很低的地区，要适当抬高首层建筑，使乡村养老康复中心宜居建筑具有较好的自然通风效果。景洪市位于中国西南部，根据中央气象台发布的地理信息数据，当地主导风向为东南风和西南风，年平均气温为19℃～21℃，最大风速为5.0～5.5 m/s。将建筑模型导入ArcGIS软件进行速度压力模拟，生成VR Viewer（见图1—图2）。主风向为西南风，乡村养老康复中心宜居建筑后方的风速一般为2～3 m/s。建筑中央空地的最大风速为3～4 m/s。建筑周围山地的风速可达5 m/s。当主导风向为东南风时，乡村养老康复中心宜居建筑物后方的风速一般为1～2 m/s，建筑中央空地的最大风速为4～5 m/s。根据风速压力分区图，公共建筑的布局可面向这两个风向，形成环形受风的建筑形态，增加与主导风向的接触面积。根据对现有高层建筑的阴影分析和建筑之间的风速图分析，可在建筑方向选择水平采光面较多的区域。建筑的整体造型可以是以条形为主的东南区域，满足室内各功能空间的采光需求。与传统建筑相比，乡村养老康复中心宜居建筑内原有块状建筑的尺度增减比较突兀。生态形式建筑的阴影面积和持续时间明显小于传统建筑，为建筑内的景观植物提供了充足的照明空间。通风是建筑最基本的功能之一，且良好的通风可以降低建筑能耗，实现建筑人工环境与自然环境的动态平衡。

2.2建筑阴影分析

由于乡村养老康复中心宜居建筑邻近区域内规划有3座20 m高的高层建筑，该高层建筑将对某乡村文化公园康复中心建筑的照明产生较大影响。因此首先将建筑的SketchUp模型导出为STL格式的三维模型，并导入ArcGIS软件进行照明模拟分析。通过SketchUp的阴影分析插件，分析了高层建筑阴影覆盖的建筑面积和时间范围（见图3—图4）。在冬至日，建筑物阴影覆盖面积相对较大，南北向阴影覆盖了整个建筑。8～9 h的阴影区主要位于建筑后方和两栋建筑中间。中央对角线区域仅有4～5 h的充足光照，在超过80 m的楼前和楼后区域有一条5～6 h的光照带，可见春冬两季充足光照区域呈S形分布。夏至日，建筑物阴影覆盖区呈东西走向，但地块内水平方向上明显存在6～7 h的带状光照区，地块整体平均光照为4～5 h。

2.3乡村建筑采光改造

在乡村养老康复中心宜居建筑设计的过程中，现有的乡村养老康复中心宜居建筑设计研究大多侧重于建筑形态与空间安排，而忽略了对建筑内部物质环境的改善，从而造成了建筑在使用过程中光照不足等问题。因此，本文将考虑乡村养老康复中心宜居建筑中采光对居民生活的影响。由于格栅的存在会对建筑的采光产生一定的影响，所以要考虑最佳的格栅设置，以避免挡光。本文对沿街建筑共进行三个方案的优化设计。方案一：采用两个截面不同的格栅横断面，尺寸为150 mm×150 mm和150 mm×800 mm（见图5），以550 mm的间距交替地布置装饰外墙，从而增强外墙的美观性。方案二：调整格栅的横断面，所有格栅均为150 mm×150 mm，间隔550 mm不变。方案三：在窗户没有遮挡的情况下进行初步设计，并作为对照组。在方案一和方案二中，建筑物的外墙上安装了格栅，对采光有一定的影响。因此，在不同的光照环境下，要比较三种设计方案的灯光效果，以判断其能否符合室内环境的需要。Ecotect是一种计算准确、反映直观、应用简单的建筑物理环境分析软件，本文基于该软件展开下文建筑采光的试验分析。

按照《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）规定，自然光强的标准为三级，相应的自然照明系数为3%，其自然光亮度标准值为450 lx。Ecotect软件将光照的计算结果按照数值的大小用不同的色彩在解析网格上均匀地呈现出来，明亮的黄色代表房间的亮度超过450 lx，而蓝色则代表房间的亮度小于450 lx。当自然光亮度符合参照准则时，将以上试验仿真数据进行输出。

图1西南季风

图2东南季风

图3冬至日阴影分析

图4夏至日阴影分析

图5格栅布置平面图与示意图

笔者将试验时间设置为冬至日和夏至日，对比了三种不同的试验方案（见图6）：在方案一中，南窗0～2 m处的亮度为450 lx，其余区域亮度为200 lx；在方案二中，南窗0～4 m处的亮度为450 lx，其余区域亮度为300 lx；在方案三中，南边窗口0～4 m的亮度为550 lx，其余区域的亮度为300 lx。总体而言，乡村养老康复中心宜居建筑的整体亮度大于450 lx，北侧入口照度较低（300 lx左右），以窗户无遮挡的方案三为对照组，在方案一中，建筑内部的光线变化较为明显，虽然某宜居建筑的半个北立面光照强度小于450 lx，但南面窗户的照明需求基本上可以得到满足，同时，该方案中南侧照明采光会随建筑高度的增加而得到进一步提升和改善；在方案二中，大部分房间的照度在450 lx以上，出风口的照度在300 lx左右。综上，试验的比较结果表明，方案二的设计优于方案一，建筑在不依赖高度变化的情况下，基本上能满足照明需求。

试验结果显示，在夏至日上午10:00，符合标准的格栅数目减少了46%。截至冬至日10:00，试验方案一的室内灯光比例减少53%，而试验方案二的室内灯光比例则减少24%。模拟结果显示，在两个时间周期内，格栅布局可减少房间内的自然光照强度约为50%。方案一采用格栅布局，可减少约25%的房间内的自然光强度，但方案二中，大部分房间的照度在450 lx以上。因此相对于前者，在保证室内采光的前提下，选择方案二。此外，在同样间距的情况下，随着格栅的间距增大，采光效果逐渐下降。然而，在宜居建筑的外观造型上，往往因其截面过小而难以取得理想的装饰效果。设计师需要经常调节栅格的截面，以保证建筑物的照明和外观。通过上述研究分析，通过优化格栅布置，可以极大提高建筑的采光效果，避免对居民生活产生影响。

图6模拟结果图

3、结论

在云南省景洪市热带乡村养老康复中心宜居建筑的规划设计中，运用参数化图像分析和区域植物形态模拟方法设计“区域性”生态建筑。通过GIS等参数化软件对建筑的自然条件进行详细分析，得出光影区、集水区、导风区等参数化图像，并通过图像叠加出建筑区和景观区，生成与建筑地理环境密切相关的问题。云南省景洪市建筑周围山地的风速可达5 m/s。当主导风向为东南风时，建筑物后方的风速一般为1～2 m/s，建筑中央空地的最大风速为4～5 m/s。通过调整格栅的横断面，极大地提高了建筑的采光效果。

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文章来源:孟庆民,李琳.基于GIS的区域乡村养老康复中心宜居建筑规划设计方法研究[J].城市建筑,2024,21(16):136-139.