李珺杰 宋晔皓 / LI Junjie, SONG Yehao
摘要：要解释一个空间，建立与建筑使用环境品质及性能表现之间的关联分析，需要对空间这个模糊的四维形态进行分层级的因子化处理，依照逻辑的层级分类对其进行参数信息化的描述。研究将抽象的空间信息分为4类物质流：形、质、量、构，对应的4项公因子为几何尺度、界面性质、内部容纳和外部关联，归纳总结并论证潜在引发使用环境品质与性能表现的空间信息参数类型及子因子参数，为建立物质、信息、效果3者之间的作用关联做量化准备。
关键词：使用环境品质 性能表现 空间信息参数
埃德蒙 · N · 培根（Edmund N.Bacon）在《城市设计》（The Design of Cities）中指出“建筑形式、质感、材料、光与影的调节、色彩等是决定空间品质的关键因素，表达空间品质或精神”（诺伯格 ·舒尔兹，1990）。布鲁诺 · 赛维（Bruno Zevi，1985）认为：“建筑不仅是面域呈现出的长和宽的空间形态，而且是一个三维的空间”。芦原义信以“外部空间”为名加以研究，从建筑空间实践的角度，把空间分为内部空间和外部空间，着重对外部空间的概念、要素、设计手法和秩序建立等问题做了深入而系统的论述（芦原义信，1985；黑川纪章，1997）。
彭一刚（1983）在《建筑空间组合论》中指出，单个空间中，功能对空间的需求可归纳为大小形态、性质和容量3个方面；对于多个空间组合的情况而言，除了上述3个方面之外，还应当加上功能之间的联系这一因素。在此基础上，戴志中等（2006）对以上4个因素进行了分类描述和解释，将空间的要素分成4个方面，即形、质、量、构（联系）。
空间的形是指空间的形态、大小，即空间的几何尺度；质是指围合空间的点、线、面的实体的特性，也就是空间界面的性质；量是空间的容积，即内部空间里面所包含容纳的物质；构是指多个空间之间的联系，即外部空间的关联状态。
建筑实质部分决定了建筑使用的环境品质与性能表现效果，与建筑的空间信息参数直接相关。要解释一个空间，对空间这个模糊的四维形态进行量化处理，建立与建筑使用环境品质及性能表现之间的关联分析的可能性，需要对空间进行分层级的因子化处理，依照逻辑的层级分类进行空间参数信息化的描述。
依照上述空间类型解析方法，可将抽象的空间信息分为4类物质流，包括空间的形、空间的质、空间的量以及空间的关联，与其对应的4项空间的公因子依次为几何尺度、界面性质、内部容纳和外部关联。下文将通过文献整理、数据统计、实地调研、数据解析的方式，归纳总结并论证潜在影响建筑使用环境品质与性能表现效果的建筑空间信息参数类型及其子因子参数类型。
图1 气候环境对建筑几何尺度、朝向布局的影响（布莱恩 · 劳森，2003）
几何属性在“形”与“体”的层面上限定了空间的边界，确定了空间的类型，规划了流线，因此，能在很大程度上决定一个建筑的视觉感知与空间体验。在划分人类关系的空间距离的研究中，爱德华 · T · 霍尔的有关研究最为权威，他将人类的关系距离分为“亲密”、“个人”、“社交”和“公共”。空间设计的挑战在于，需要创造能够促进而不是抑制适合空间行为的设计目的的行为场景（布莱恩 ·劳森，2003）。
不仅如此，几何尺度也是影响建筑被动式调节作用的关键因素，对室内的热环境、通风、采光、声环境等物理环境性能都会产生影响。空间形态与布局方式影响空间与外界的接触面积，从而影响空间对热量的需求。集中的形体有利于避免热量的损失，形体越分散则能量损失越大。不同几何形体的建筑及空间在寒冷、温和、干旱和炎热环境下适宜选用的几何形态和比例尺度如图1所示（Klaus Daniels，1997）。
从图2、3中可以看到，当建筑表面积与空间所占体积的比值由9:1变至1:2时，即在表面积减小、体积增大的过程中，建筑相对热损失Qt先是剧烈减少，当比值为1:4时，Qt达到最低值，而当表面积继续减少、体积增大时，Qt又开始逐步增大。
笔者在地处寒冷气候区的北京和西安选取了8座建筑①，对其夏、冬两季的室内物理环境进行实际测试，得出以下结论：在冬季，室内温度受主动式热源的影响，依据空气动力学原理，冷空气下沉热空气上升，室内温度的波动随层数的增高而增加，平均每层增加2～4℃，层数越高的建筑的整体室内温度分布不均匀的现象越显著（李珺杰等，2014；Yehao Song et al.，2014）。在过渡季和夏季，在不受任何主动式空调设备控制的情况下，室内逐层温度差别较小，但下层温度仍然低于上层温度，每层的温差为0～2℃（图4、5）。在夏季，主动式空调系统开启时，室内温度受空调设备的调节，在能源消耗不同的情况下，能够保持各层温度的基本一致。
图2 不同平面比例对建筑得热和散热的影响（Klaus Daniels，1997）
图3 不同体形系数对建筑相对热损失的影响（Klaus Daniels，1997）
空间的几何尺度不仅影响全年气候条件下整栋建筑垂直温度场的分布情况，存在的“烟囱效应”也能在很大程度上决定其通风效率。热压作用下的自然通风量N可以根据公式1计算：
其中，A1、A2分别为进风口、排风口面积（单位：m2），tn、tw分别为室内外温度（单位：℃），H为进风口与排风口之间的高度差（单位：m）。
图4 一周内室内各层温度分布曲线（清华大学建筑设计院）
图5 冬季建筑逐层平均温度分布（西安浐灞商务中心）
基于上述分析，一个单一的建筑空间几何尺度不仅应该包含三维立方体的形状特征以及长、宽、高等几何信息，还应包含建筑所特有的空间尺度信息，例如空间所容纳的建筑层数、各层层高及空间内的结构体系，例如柱网的尺寸、空间相对于地面的标高等信息。因而，可以将影响建筑室内环境品质的几何尺度的因子项归纳为4个大类和若干可以量化计量的子类（图6）。
对建筑空间最基本的要求是能够遮风避雨、抵寒御暑，再进一步则是提供必要的视觉体验，满足采光、通风和日照的要求。空间的质指围合空间的点、线、面的实体的特性，也就是空间界面的性质。对于建筑体而言，界面为建筑的围护结构；对于单体空间而言，界面为形成空间的边界实体。建筑表皮的材料与建构方式不仅形成了建筑所特有的形态面貌，还是其所处的环境、面向的使用者的直接体现（大师系列丛书编辑部，2004）。
界面性质对建筑（空间）的影响不仅体现在使用者体验和物理环境等方面，建筑表皮的设计还会在很大程度上影响建筑的保温隔热能力，从而影响建筑运行期间的一次能源消耗水平。窗墙比不同的情况下，建筑南侧、东西侧和北侧在年单位平米的能量需求上皆有差异（Klaus Daniels，1997，图7）。总体上看，南侧最少，单位平米的能耗约为53kWh/（m2·a），东西两侧次之，约为61kWh/（m2·a），北侧能耗最多，约为67kWh/（m2·a）②。
建筑材料的热工性能对建筑使用环境的舒适度和运行期间的能耗也具有很大的影响。物体的导热能力通过导热系数来衡量，材料的导热系数是其特有属性，受厚度、两端的温度、表面积、含水率等因素的影响。
总体来看，影响建筑围护结构性质的因素包括墙体、窗、孔洞以及遮阳措施（图8）。在此基础上可以进一步细分为决定建筑界面性质的各类因子指标，包括透质或不透质界面的材质种类、窗户的位置和窗墙比、可开启扇的比例、遮阳系统、围护结构的厚度和热工性能等。
图6 空间的几何尺度与因子项
图7 窗墙比、朝向与年平均热量需求之间的关系
图8 空间的界面性质与因子项
为了容纳一定的功能，满足使用者的需求，空间需要具有一定的容积，容纳可能存在于其内部的环境、人和功能，满足各种活动的要求。空间内部容纳的物体一方面影响着空间使用环境的品质，满足人们精神和物质上的需求，另一方面也影响着空间的物理环境性能表现，对建筑的健康、节能、舒适度起到积极的作用。这些因素与建筑、人和环境密切相关，影响着空间的可持续性能表现。
人群占有密度能够表现不同空间内使用者的占有密度，该数值与使用者的心理需求相关，能直接反映使用者对环境品质的满意程度。不仅如此，它还反映了空间利用效率的合理性，不同功能性质的建筑空间应该具有不同的密度尺度，一方面要考虑到提高空间的使用效率，减少浪费，另一方面要能够保证使用者在环境中的心理、生理需求。
在研究空间内人群与使用环境之间的关系时，为了便于统计使用者对空间的使用情况，量化统计人群数量，引入了FTEs③（Full Time Equivalents）和ρO（Occupied）两个物理量，作为量化空间信息要素的基础。
单位时间内的使用人数当量FTEs计算方法如式2所示：
式中，n为同一段时间内在对象空间停留的人数，T为1h内人群在被测空间的停留时间。FTEs指空间1h内的使用人数当量，例如3个人在1h内均在空间内停留0.5h，则该空间在指定的1h内的使用人数当量为1.5FTEs。
人群占有密度ρO可根据式3计算：
式中，ρO为每100m2使用面积中，对象空间的人群占有密度（单位：FTE/h·100m2）， 为工作时间段中指定1h的FTEs值， 为使用者的占有面积（单位：m2）。
在空间内的绿化种植对建筑空间的被动式调节性能影响的研究中，笔者对12座办公性质建筑的目标空间进行了绿化率的考察计算，对其中的使用者进行了空间满意度的主观问卷调研，并进行了实际的物理环境（CO2浓度）的测试。12座办公性质的建筑中，有6座包含庭院空间，6座包含中庭空间。根据绿化率由大至小对建筑进行编号，实验数据如表1、2所示。
图9的曲线反映了景观环境满意度与该空间总体满意度的总体关系趋势。总体来说，良好的景观环境对空间的总体满意度有促进作用，绿化率越高，景观环境越好，使用者对空间的总体满意度越高。
此外，研究中的11个（除b12以外）包含植物绿化的建筑空间均证明了植物绿化对降低空间内的CO2浓度有积极的影响。
表1 景观绿化的作用（院落空间）
建筑编号 b1 b2 b3 b4 b5 b6绿化率（含水体）④80% 60% 58% 30% 26% 21%景观环境⑤1.50 1.15 1.55 1.80 0.75 0.00空间满意度⑥1.70 1.35 1.90 1.42 0.95 0.86 CO2降低率⑦12% 18% 2% 19% 4% 34%
表2 景观绿化的作用（中庭空间）
者建筑编号 b7 b8 b9 b10 b11 b12用使绿化率（含水体） 29% 10.7% 6% 3% 2% 0 0.50景观环境 1.45 2.00 1.50 1.90 1.05 0.25空间满意度 1.20 1.90 1.10 1.10 1.35 0.45 0.00 1建筑编号6 CO2降低率
图9 调研建筑景观环境满意度与该空间总体满意度的关系曲线
图10 空间的内部容纳与因子项
图11 空间的外部关联与因子项
若从定量的角度来衡量3个方面所包含的内容，那么需要再次将空间内所包含的实体进行量化分类。以植物、水体、景观设施3个人造环境类型划分空间环境，对应量化为绿化率、景观含水率和休息座椅数量；空间内使用者存在状态不同，可通过人群数量、停留时间和停留目的3个方向加以研究；按功能的性质将空间划分为主要功能和辅助功能，再根据建筑性质进行下一层次的细分（图10）。
通常情况下，建筑空间不是孤立存在的，尤其在大型公共建筑中，往往会有几个、几十个甚至成百上千个空间。空间以不同的方式组合在一起，可以形成更大范围的组团。
每个独立的建筑空间与外部的联系包括3个大类：与建筑中相邻空间之间的连接关系、与外部空间人群存在状态的联系、与自然之间的联系。空间之间的联系可体现为空间的相对位置和空间交接的连接方式两种，以矩形的平面几何形态为例，通过判定矩形平面的4个立面是否与建筑的其他功能性空间相连，可将该空间与周围空间的联系方式分为单向、双向、三向和四向。空间之间的连接方式是多样的，可能直接相连或是通过某种中介空间相连，形成开敞、半开敞、半封闭、封闭的几种状态。与主体空间的连接因子类型相同，空间与室外环境（自然）的连接关系也同样体现为位置和连接方式两种，对应不同朝向和关联状态；与空间内部容纳的使用者的研究细则相同，外部主体空间的使用者可以按照存在状态，从人群数量、停留时间和停留目的3个方面加以研究（图11）。与空间的界面性质不同，界面性质主要关注目标空间边界面的材质类型、材质特性、孔洞及窗户的位置和大小，是从“面”的角度分解因子；而外部关联主要关注空间之间的布局组织方式及关联状态，是从“体”的角度分解因子构成。
表3 建筑空间信息参数
注：
即时开窗率=测试期间开启窗户的面积/窗户总面积，（单位：%）；
内部绿化率=被测空间内绿化面积/被测空间总面积，（单位：%）；
内部空间含水率= 被测空间景观水体积/被测空间总体积，（单位：%）；
FTEs（Full Time Equivalents）指全时占有人数当量，计算方法如式2所示；
ρO为占有人群密度 （单位：FTE/h·100m3），计算方法如式3所示;
与主体空间的关联程度：该参数取决于被测空间与主体空间相连接的界面上的门窗、洞口面积与总墙面面积的比例。
可以划分为以下4类：开敞（80%～100%），半开敞（50%～79%）， 半封闭 （20%～49%），封闭（0～19%）
信息项 信息化类型 信息获取方式 参数单位 对被动式策略的影响底面形状测量计算建筑（空间）的长、宽、平面形状底面尺寸 尺寸计算：底面积计算（s）几何尺度空间高度 测量计算：建筑（空间）高度（H）尺寸计算mm结构柱网尺寸 测量计算：建筑（空间）结构尺寸比例尺度对建筑的被动式策略的作用影响非常重大，可能表现于：（1）空间及相邻空间热舒适度（2）建筑能耗（3）室内空气品质（4）建筑的扩展性和可变性（5）使用者对空间的满意度（6）建筑的面积的有效利用度通高层数 测量计算建筑材料的热工性能 材料类型热工计算 材料类型（保温材料）、玻璃及复合墙体的导热系数（U值） W/m2·K开窗位置及窗墙比 尺寸计算 尺寸计算：墙体面积（S1） %界面性质即时开窗率 统计 窗面积（开启与不开启）（S2，S'2）窗户开启（S'2）的时间（T） h被动式策略体系的重要影响因素：（1） 建筑能耗（2） 使用者舒适度（3） 室内空气品质（4） 建筑对自然光、风的利用程度遮阳措施 统计 遮阳方式及面积：无遮阳、垂直遮阳、水平遮阳、遮阳百叶、织物遮阳 m2内部绿化率绿化面积（S3），占空间的比率景观含水率 水体面积（S4），占空间的比率尺寸计算内部关联内部人群密度 统计 空间内部的使用人数当量 FTE/h·100m2其他功能 统计 前台、售卖、展览、花园、交通空间、临时集会、其他 N/A m2，% 影响范围包括：（1） 室内环境品质（2） 室内温湿度（3） 使用者舒适度（4） 室内空气品质（5） 建筑的面积的有效利用度外部关联 与周围空间的关系 统计、判定 测定空间与周围空间组合关系的判定，单向、双向、三向、四向、多向 N/A影响范围包括：（1） 室内环境品质（2） 对自然光、风的利用程度（3） 调节空间的影响效果（4） 建筑能耗（5） 建筑的扩展性和可变性（6） 使用者对空间的满意度（7） 建筑的面积的有效利用度
要研究空间对使用环境品质和性能表现的作用程度，首先需要了解空间所包含的信息中，影响各项性能的关键性参数。研究始于对空间有效信息的捕获，建立合理的获取逻辑和方法。对于一个单一空间来讲，可以将其简化成一个三维的几何体，对空间这个模糊的四维形态进行分层级的因子化处理，依照逻辑的层级分类将空间进行参数信息化的描述，4项空间的公因子依次为几何尺度、界面性质、内部容纳和外部关联。在公因子的基础上再进一步细化，将定性或模糊的问题进行定量转化，把问题分解为若干子因素，应用两两比较的方法确定各个因素的相对重要性（表3）。
注释
① 八座建筑包括：清华大学建筑设计研究院、清华大学逸夫图书馆、清华大学照澜院食堂、西安浐灞商务中心、西安浐灞管委会办公楼、陕西省图书馆、西安交通大学教学行政主楼以及北京嘉铭中心办公楼。
② 建筑能耗与气候环境、平面布局、体形关系、建筑材质、构造方法、系统构成、使用方式等多方面因素相关，决定能耗的因素相互影响，很难从单方面因素剥离单一变量考量。Klaus Daniels的能耗比较曲线以及数值是基于欧洲气候环境下对建筑的数据分析，研究的是1990年代的能耗构成，对于现今的建筑来讲能源构成可能会有较大出入，但作为比例关系研究不同朝向的窗墙比与能耗之间联系，数据可以作为参考值辅助设计。
③ 参考 USGBC， LEED 对 FTEs的定义。
④ 绿化率=植物及水体占地面积/目标空间的建筑面积，该数据为实际测量数值。
⑤ 采用语义学解析法法（SD法）使用者主观问卷的投票方式，取值范围为[-3,3]。问卷的题目为：您认为该空间的景观环境如何？-3为不好，3为非常好。每座大楼发放问卷约40份。
⑥ 方法同上条注释。题目为：请您为该空间的总体满意度打分：-3～3。
⑦ CO2降低率=（建筑主体空间CO2浓度平均值-中介空间CO2浓度平均值）/建筑主体空间CO2浓度平均值
参考文献：
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2016-08-18
SPATIAL INFORMATION PARAMETER TYPE ANALYSIS OF INFLUENCE OF BUILDING ENVIRONMENTAL QUALITY AND PERFORMANCE
Abstract：To explain a space and set up correlation analysis with environmental quality and performance, a fuzzy four-dimensional space should be described as hierarchical factors. This research classified abstract spatial to four material flow types: form, quality, quantity and structure, corresponded to four factors of geometry dimensions, interface properties, internal related categories, and external related categories. It summed up and demonstrated spatial information parameter types and its sub factor parameters which may influence environmental quality and performance, and finally established a basement of quantitative analyze among the three roles of material, information and effect.
Key Words：Environmental Quality, Building Performance, Spatial Information Parameter
基金项目：
国家自然科学基金重点项目（基于可持续性的大型公共建筑决策与设计研究，编号：51138004）；国家自然科学基金面上项目（绿色建筑参数化生成理论及整体设计方法研究，编号：51378049）。
作者简介：
收稿日期：
李珺杰，北京交通大学建筑与艺术学院
宋晔皓，清华大学建筑学院，生态规划与绿色建筑教育部重点实验室
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