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第一章绪论一、建筑与环境的关系建筑是人类发展到了一定阶段后才出现的。人类的一切建筑活动都是为了满足人的生产和生活需要。从最早为了躲避自然环境对自身的伤害，用树枝、石头等天然材料建造的原始小屋，到现代化的高楼大厦，人类几千年的建筑活动无不受到环境条件和科学技术发展的影响，同时，随着人们?摺?人类自身的进化与最近1000万年全球气候形态的巨变有着密切的关系；建筑是人类适应相对寒冷气候的产物。人类从低纬度的热带雨林地区向寒带高纬地区逐渐迁徙的过程，利用建筑来适应不同气候，是人类适应与抗衡自然环境的最初体现。考古学家发现，人类活动的发展是从低纬度地区向高纬度地区扩展的。越是高纬度地区，人类遗址的时间就越晚。因为人类发源于热带雨林，在这个区域，人类不需要建筑就可以生存。随着建筑的出现，人类的活动逐渐向两极移动，直到科技高度发达的今天，人类活动足迹几乎遍布全球。人类最早的居住方式是树居和岩洞居。在热带雨林、热带草原等湿热地区的人类主要栖息在树上，可以避免外界的侵害，这是人类祖先南方古猿生活方式的延续。随着人类向温带迁移，人类住所过渡到了冬暖夏凉的岩洞居，以适合该地区年温差和日温差都较大的特点。随着历史的发展，树居和岩洞居发展成为巢居和穴居，成为人类建筑的雏形。巢居（图1-1）增加了“构木为巢”的人类创造过程，反映了人类改造自然的努力。穴居方式（图1-2）可获得相对稳定的室内热环境，顶部的天窗既可采光又可排烟，适应气候的能力更强。而巢居和穴居又在漫长的历史过程中逐渐发展，演变为不同的建筑类型，见图1-3。建筑是人类与大自然（特别是恶劣的气候条件）不断抗争的产物。在功能上，建筑是人类作为生物体适应气候而生存的生理需要；在形式上，是人类启蒙文化的反映。因此，世界上比较古老的文明，如古埃及、古巴比伦、古印度和古代中国，都位于南北纬20°－40°之间，即所谓中低纬度文明带，见图1-4。图1-1巢居图1-2河南偃师汤泉沟穴居遗址图1-3从巢居和穴居发展为真正意义上的建筑图1-4世界上比较古老的文明，都位于南北纬20°－40°之间建筑的功能是在自然环境不能保证令人满意的条件下，创造一个微环境来满足居住者的安全与健康以及生活生产过程的需要，因此从建筑出现开始，“建筑”和“环境”这两个概念就是不可分割的。从躲避自然环境对人身的侵袭开始，随着人类的文明进步，人们对建筑的要求不断提高，至今人们希望建筑物能满足的要求包括：安全性：能够抵御飓风、暴雨、地震等各种自然灾害所引起的危害或人为的侵害；功能性：满足居住、办公、营业、生产等不同类型建筑的使用功能；舒适性：保证居住者在建筑内的健康和舒适；美观性：要有亲和感，反映当时人们的文化追求。所以说建筑物应满足安全、健康、舒适、工作快捷的要求。而不同类型的建筑有不同的主要要求；比如住宅、影剧院、商场、办公楼等建筑对健康、舒适的要求比较高，生物实验室、制药厂、集成电路车间、演播室等则有严格保证工艺过程的环境要求；还有一些建筑是既要保证工艺要求，又要保证舒适性要求，例如舞台、体育赛场、手术室等，以及各种有人员的生产场所。人们在长期的建筑活动中，结合各自生活所在地的资源、自然地理和气候条件，就地取材因地制宜积累了很多设计经验。例如生活在北极圈的爱斯基莫人利用当地的冰块和雪盖起了圆顶雪屋，将兽皮衬在雪屋内表面，通过鲸油灯采暖，使室内温度可达到15℃，能够满足人们的生活需要。而在日较差很大的干热地区，例如巴格达地区的传统建筑的墙厚达到340~450mm，屋面厚度达到460mm。利用土坯热惯性，在室外日夜温差达到24℃（16～40℃）时，仍然能够维持室内温度的波动不到6℃（22～28℃）。在我国北方寒冷的华北地区，由于冬季干冷，夏季湿热，为了能在冬季保暖防寒，夏季遮阳防热防雨及春季防风沙，就出现了大屋顶的“四合院”。而在我国的西北，华北黄土高原地区，由于土质坚实，干燥，壁立不倒，底下水位低等特殊的地理条件，人们就创造出了“窑洞”来适合当地的冬季寒冷晴燥、夏季有暴雨、春季多风沙、秋高气爽、气温年较差较大的特点。生活在西双版纳傣族人民，为了防雨，防湿和防热以取得较干爽阴凉的居住条件，创造出了颇具特色的架竹木楼“干阑”建筑。云南布依族的石屋以石块砌墙，以石瓦盖顶，就地取材，造价低廉，冬暖夏凉，不怕火灾，隔音性能好。这些都是人们在生活实践中逐渐摸索出来的利用建筑控?侄巍?综上所述，在现代人工环境技术尚未出现的时代，在现今还未能采用这些技术的地区，地区之间巨大的气候差异是造成世界各地建筑地区差异的重要原因。二、人类对建筑与环境关系的认识过程建筑与环境之间的关系实际上是一个非常复杂、难以认识和预测的关系，因为建筑涉及到室外环境和人。室外气候具有随机变化的特点，而人对环境的感觉与反应又存在显著的个体差异，而且还会随很多外部环境和主观因素变化而变化。因此，人类对建筑环境的规律的探索从来没有停止过。中国的风水说，实际上是人们对建筑环境规律认识的总结。风水说以八卦五行、河图洛书等易学文化为基础，在建筑选址方面认为“背山、面水、向阳”为最佳方位，在建筑布局方面注意空间分割、方位调整、色彩运用，认为宅院地势应适当前低后高，要重视“水口”、“气口”方位等等；认为不好的住宅物理环境对人的心理有影响，导致影响人的命运。其合理的部分是认为环境因素影响人体的身体与心理健康，内容涉及环境心理学、地理学、气象学、生态学、规划学、建筑学等。风水的理论更多的是前人实践经验的总结，缺乏理性分析的提炼。由于过去科学技术水平的限制，缺乏科学的认识和分析手段，人们对有关建筑环境很多问题无法作出合理的解释，但公众又对于建筑环境分析如建筑选址、建筑布局等有着迫切的要求，因此风水术士把神秘主义引入了风水说，对自然现象解释不清的地方，陷入巫术。例如，消除不利因素的“符镇法”，把光、电、磁等波动均称之为“气”，且无所不在，无所不包。这样就把风水理论变成了一种把合理的前人经验与神秘主义揉合的玄学，陷入了迷信的歧途。现代科学的发展已经为研究分析建筑环境提供了手段。借助现代技术我们可以解释、分析、探讨有关建筑与人、建筑与自然环境的诸多问题，从而可以在建筑环境的研究上摆脱玄学的误导。三、建筑与环境关系的发展中存在的问题除了使用前人这些设计经验来创造和改善自己的居住环境以外，随着科学技术的不断进步，人们开始主动地创造受控的室内环境。20世纪初，能够实现全年运行的空调系统首次在美国的一家印刷厂内建成，这标志着人们可以不受室外气候的影响，在室内自由地创造出能满足人类生活和工作所需要的物理环境。空调技术的发展使得各种非常规建筑物的人造空间如车、船、飞机、航天器内的环境都能够随心所欲地得到控制，也促进了这些相关产业的飞速发展。工业革命带来的技术发展的突飞猛进给人们造成了错觉，以为随着技术的进步，人类有能力无限制地改变自然环境，而不再会受到自然条件的制约。反映在建筑设计上，人们不再象先祖那样去尽心尽力地研究当地的自然地理和气象条件，去建造符合当地自然条件的建筑物，而是把精力都放??现代人工环境技术的发展在很大程度上造成了世界建筑趋同化的消极影响，空调采暖的普及使人们不必再关心建筑本身的性能，因为只要消耗大量的能源就可以随心所欲地获得要求的室内环境。从而导致的不仅是能源的紧缺和资源的枯竭，而且还导致了大量污染物排放而造成的地球环境污染和生态环境破坏。“人定胜天”还是“天人合一”？这是在如何对待大自然方面的哲学思想上的对立。事实证明，工业技术的滥用导致了自然界对人类的报复。因此我们应该认识到，无论工业技术发展到多么高的水平，人们仍然需要了解、爱护我们的自然界，合理地利用自然界的资源。科学的进步应该为我们更好地了解神秘的大自然和保护自然环境提供了更好的手段。目前，世界上的发达国家的建筑能耗已经达到社会总能耗的1/3，而我国作为世界第一人口大国，随着经济的飞速发展，城乡建筑业的发展速度已居世界首位。而我国的能源资源特点决定了我国今后的能源构成中，煤仍然要占总能源的60％以上。因此在二氧化碳、NOx、SOx、粉尘排放的控制方面我们面临着艰巨的任务。在强调可持续发展的今天，建筑环境控制也面临不少亟待解决的问题。比如，如何调解满足建筑环境舒适性要求与节能环保之间的矛盾。目前建筑物的年耗能量中，为满足室内温湿度要求的空调系统能耗所占的比例约为50%，照明所占比例约为33%。而在我国，所消耗的电能或热能大多来自热电厂或独立的工业锅炉，其燃烧过程的排放物是造成大气温室效应和污染环境的根源。所以研究和制订合理的室内环境标准，优化建筑物本身的环境性能，尽量减少建筑能耗，同时也能够合理、有效地利用能源，是我们的一个艰巨而紧迫的任务。再比如，在室内的空气品质方面，由于大量使用合成材料作为建筑内部的装修和保温，并一味地为节能而减低新风量出现了所谓的病态建筑。在这些建筑内长期停留和工作的人，会产生气闷、黏膜刺激、头疼及嗜睡等症状，流行病学的研究也使我们认识到在这种低水平环境污染下的潜在危险，以及在这种环境下对人体健康可能产生的有害影响。研究和掌握形成病态建筑的起因，分析各因素之间的互相影响，为创造一个健康的环境提供科学依据也是我们面临的一个很重要的任务。四、《建筑环境学》的主要内容与地位《建筑环境学》与《传热学》、《工程热力学》以及《流体力学》共同组成了建筑环境与设备工程学科的专业基础平台。不过，在这些专业基础平台课程中，《建筑环境学》才是本学科区别于其他学科的核心基础课程。建筑环境与设备工程学科的目标是创造和控制人工因素形成的物理环境，包括建筑室内环境、建筑群内的室外微环境，以及各种设施、交通工具内部的微环境，即用各种人工外壳围合和半围合起来的微环境。这个微环境用英文BuiltEnvironment来描述更加准确，意思是人为的因素形成的微环境，或者说是人工环境。在我们学习如何创造和控制这个人工环境之前，我们首先应该了解我们需要什么样的微环境，这个要创造并控制的微环境有什么特点，和哪些因素有最重要的关联。也就是说，我们为了改造世界，必须要认识世界。综上所述，《建筑环境学》，即《BuiltEnvironment》，就是反映这个BuiltEnvironment的内在特征与理论的课程，能够帮助我们更清楚地认识这个研究对象，为我们采用各种方法来改造、控制这个研究对象创造条件。它涉及到建筑与外部环境、建筑与室内环境、建筑与人之间的关系，因为建筑是特性最为复杂的微环境外壳。了解建筑在内外因素的影响下的特性，进一步了解其他类型的微环境外壳的特性要容易得多。通过学习《建筑环境学》，我们要完成这样的任务：（1）了解人类生活和生产过程需要什么样的室内、外环境；（2）了解各种内外部因素是如何影响人工微环境的；（3）掌握改变或控制人工微环境的基本方法和手段。针对第一个任务，我们需要从人类在自然界长期进化过程中形成的生理特点出发，了解热、声、光、空气质量等物理环境因素（即不包括美学、文化等主观因素在内的环境因素）对人的健康、舒适的影响，了解人到底应该需要什么样的微环境。此外还有了解特定的工艺过程需要何种人工微环境。针对第二个任务，我们要了解外部自然环境的特点和气象参数的变化规律，掌握这些外部因素对建筑环境各种参数的影响；掌握人类生活与生产过程中热量、湿量、空气污染物等产生的规律以及对建筑环境形成的作用。针对第三个任务，我们要了解建筑环境中热、空气质量、声、光等环境因素控制的基本原理、基本方法和手段。根据使用功能的不同，从使用者的角度出发，研究微环境中温度、湿度、气流组织的分布、空气品质、采光性能、照明、噪声和音响效果等及其相互间组合后产生的效果，并对此作出科学的评价，为营造一个满足要求的人工微环境提供理论依据。《建筑环境学》的课程内容主要由建筑外环境、建筑热湿环境、人体对热湿环境的反应、室内空气品质、气流环境、声环境和光环境七个部分组成。为了研究建筑规划、单体建筑设计、建筑围护结构设计和室内装修设计等建筑设计元素对室内、外环境的影响，需要涉及到从材料的物理性能着手，对材料的热物性、光学性能、声学性能进行研究的建筑物理学。