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第二章建筑剖面设计建筑剖面设计是建筑设计的基本组成部分之一，它是以建筑在垂直方向上各部分的组成关系，如房间竖向形状和比例、房屋层数和各部分标高、房屋采光、通风方式的选择、保温、隔热、屋面排水、主体结构与围护结构方案及建筑竖向空间组合利用等为研究内容(图2.1)。剖面设计也涉及建筑的使用功能、技术经济条件、周围环境等方面要求。同时，应充分认识到，剖面设计、立面设计、平面设计不可能截然分开，而是互相制约和相互影响的，每个方面设计只是各有重点罢了。平面设计，是以解决房屋在水平方向各部分组合关系为重点，但在单个房间设计和平面组合设计中必须考虑到每个单个空间的竖向形状、组合后竖向各部分空间的特点及由此而形成的建筑外部形象等。剖面设计通常是在平面设计的基础上进行，而剖面设计的要求又会对建筑平面设计产生一定的影响，在建筑设计中必须充分考虑平面剖面之间的相互影响，不断调整修改，最终使两者同时满足各种要求。建筑剖面设计和竖向组合直接影响到使用功能、建筑造价、建筑用地、城市规划和城市景观，因此建筑剖面设计要依据国家的法规和标准，在满足使用功能的同时，降低建筑造价和减少建筑用地，创造良好的内部和外部空间形象。图2.1影剧院平、剖面2.1房间的剖面形状房间的剖面形状主要是根据房间使用功能要求来确定的，同时建筑材料、建筑结构、建筑技术以及建筑造型等对剖面形状也都有很大影响。2.1.1使用要求对剖面的影响建筑的剖面形状主要是由使用功能决定的。由于人的活动行为以及家具和设备的布置，要求地面和顶棚均以水平的平面形状最为有利，而矩形剖面形状简单，规整，便于竖向空间组合，而且结构简单，施工方便，节约空间，有利于布置梁板。所以一般的建筑如住宅、宿舍、学校、办公楼、商店等剖面形状均采用矩形形状。有些对剖面形状有特殊要求的建筑，如影剧院的观众厅、体育馆比赛厅、阶梯教室和报告厅等，由于其对视听质量有特殊要求，因此，这些房间除了其平面形状、大小要满足视距和视角外，在剖面设计时也要考虑视线的遮挡和音质要求(图2.2)。图2.2影剧院剖面1．可视性由于使用功能的不同，集中视点的高度差别较大。设计视点与地面升起坡度、座位的排列方式、排距、视线升高值有极大关系。一般视点选择越低，地面升起坡度越大，视点选择越高，地面升起坡度就越小，视点高度的选择要满足人的视线不受遮挡为限。由于观看行为不同，设计视点的选择高度也不相同。电影院的视点高度选在银幕底边中心点，这样就可以保证人的视线能够看到银幕的全画面；体育馆常要进行多种比赛，视点选择多以较不利观看的篮球比赛为依据，视点高度选在篮球场边线上空300～500mm处；阶梯教室视点高度常选在讲台桌面，大约距地面1100mm处(图2.3)。剧院视点的高度一般定于大幕在舞台面上水平投影的中心点。设计视点确定后，就要进行地面起坡计算。首先要确定每排视线升高值C。C值为后排观众的视线与前排观众眼睛之间的视高差，一般定为120mm，当座位错位排列时,C值为60mm，这样可以保证人的视线不被遮挡(图2.4)。显然错位排列布置要比对位排列布置地面起坡要缓一些。地面起坡计算通常采用图解法、分阶递加法、相似三角形法等，具体计算可参考《建筑设计资料集》“剧场”部分。图2.3设计视点与地面起坡的关系图2.4视觉标准与地面升起关系2．可听性影剧院的观众厅对声音质量的要求较高。由于观众厅在演出时以演员自然声为主，为获得良好的声场，要加强后排反射声和前区反射声，因此要求空间有一定的高度，形成一定的容积来增加混响时间，从而获得令人满意的声场。为加强声音的均匀反射，通常把台口和天棚做成反射面。由于声音的入射角等于声音的反射角，所以天棚往往设计成平的或多个倾斜于舞台方向的平面形状而不设计成内凹的顶棚形式，前者可获得比较均匀的混响时间，后者混响时间不均匀且有声焦聚(图2.5)。进行反射声的组织和设计，可使整个观众厅声场分布均匀并能获得足够的混响时间，同时也就确定了影剧院顶棚不规则的剖面形状(图2.6)。图2.5声音反射示意图2.6观众厅的几种剖面形状2.1.2结构形式、建筑材料和施工技术的影响民用建筑屋顶的剖面形状一般有平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶等。这些形状一般和构成它们的结构类型、建筑材料和建筑技术有很大关系。1.结构形式钢筋混凝土梁式平屋顶，由于钢筋混凝土自重较大，这种结构形式限定了跨度一般不会很大。而钢制屋架、桁架一般采用坡形、梯形，自重较轻，这种结构可获得较大跨度空间；而空间钢网架由于是空间整体工作,可获得更大跨度和空间。拱形屋顶有圆拱和三角拱，这种屋顶形状受力比较合理，但由于拱端产生很大的侧推力，需要很大的水平反力维持平衡，故很难获得较大跨度。而设计成穹顶形成空间钢网架是比较理想的大空间屋顶形式，可获得较大的空间跨度[图2.7(a)]。对于大空间建筑来说较难解决的是屋顶结构体系，由于覆盖面积很大，屋顶荷载会很大，悬索结构体系和空间网架结构体系的出现解决了大空间屋顶的难题。当然，屋顶形式就出现了抛物曲面和穹顶屋面的形式[图2．7(b)]。图2.7结构形式对剖面的影响框架结构体系、简体结构体系，解决了一般结构体系难以增加高度的课题，使建筑的层数和高度获得了突破性的进展，高层和超高层建筑高度可达几百米，在人类建筑史上留下了辉煌的一页。2.建筑材料的影响自人类营造房屋以来，始终采用随手可得的天然材料或经加工的砖石，筑造的房屋多显得厚重、封闭，虽然稳定，但是跨度、空间和高度都受到极大限制。然而，随着钢铁和水泥的出现，解决了材料受拉强度低的难题，人们不再用厚重的墙体平衡屋顶产生的侧推力，而采用钢和钢筋混凝土建筑了大跨度、大空间、高层和超高层各种形状的建筑物。著名的法国埃菲尔铁塔和澳大利亚悉尼歌剧院独特的建筑形式至今令世人赞叹不已。当然，当人类还没有掌握计算理论和建筑技术的时候，也是无法建造这样大跨度、大空间建筑的。2.1.3采光、通风要求对剖面的影响1)一般建筑都需要自然采光，而采光一般又都是在墙面或屋顶上开窗实现的。进深不大的房间可在单侧设窗采光，而进深较大的房间需双侧设窗采光。进深很大，两侧采光都不能满足室内照度时则需在屋顶开设天窗。当房间净高较高而采光不足时可增设高侧窗。屋顶天窗的形状也各不相同，有矩形天窗、拱形天窗、屋面点状天窗，他们都改变了房间的屋面形状(图2.8)。图2.8各种采光方式对剖面的影响图2.9不同通风方式对剖面形状的影响2)房间一般都需要通风，无论是自然通风还是机械通风都需要设置出气口和进气口。一般，房间在墙的两侧设窗进行空气对流，也可一侧设窗让空气上下对流。而有特殊要求的房间或湿度较大、温度较高、烟尘较多的房间除了在墙面两侧开窗外还须在屋顶开设出气孔，一般又以天窗的形式增加空气压差(图2.9)，这样又改变了房间屋顶的本来形状。2.2房屋各部分高度的确定房屋各部分高度包括层高、净高、窗台高度、室内外地面高差和建筑总高度(图2.10)。图2.1房屋各部分高度2.2.1房间净高和层高房间的层高是指该层的楼板面或一层地坪到上一层楼板面之间的垂直距离。而净高是指该层的楼板面或地坪面层到该顶棚或顶棚下突出物下表面的垂直距离，见图2.11，即层高等于净高加上楼板厚度(或包括梁高)。图2.11净高(H1)和层高(H2)房间的层高一般是由净高决定的。净高是由该房间的使用功能、活动、室内家具设备、采光通风、照明、技术经济条件及室内空间比例等要求，综合考虑诸因素来确定的。1．人体活动及家具设备要求房间的净高与人体活动行为的尺度有关。一般情况下室内最小净高应使人举手触摸不到顶棚为宜，即不小于2200mm(图2．12)。国家根据建筑的使用功能、人体活动尺度、室内设备及家具尺度、采光、通风、照明及卫生等因素确定了各类建筑的层高标准，设计人员要严格遵守国家的法规和标准。一般生活用房，如住宅的卧室、起居室，由于室内使用人数少，房间的面积也较小，人的活动行为比较安静，又没有必需的过高的家具和设备，层高可以小一些，不应高于2.8m；旅馆客房居住部分净高度一般≥2.4m；集体宿舍在采用单层床时，其层高不应高于2．8m，采用双层床时，房间要求高一些，但也不应高于3.3m；学校的一般教室为教学用房，由于使用的人数较多，房间面积较大，需要空气的容积量较多，常取净高3．1m(小学)和3．4m(中学)。而阶梯教室和阶梯报告厅，由于使用人数更多，且座位需要起坡(起坡的高度根据排数计算确定)，则室内的净高要求更大；大型商场为公共建筑，使用人数很多，房间面积很大，层高应更大一些，一般为4.2～4.5m；体育建筑如比赛场馆，由于比赛功能要求和观众席的起坡，则要求比赛大厅有更高的净空，更大的空间，如球类比赛大厅净空要高于各种球类可能运行的最高极限；医院的治疗室，除了满足人的治疗操作高度外，还要满足医疗设备的高度(图2.13)。图2.12房间最小净高图2.13人体活动空间、家具及设备空间高度的影响2.采光通风的要求房间的采光和通风要求不但影响到房间的剖面形状，还影响到房间的高度。房间的层高越大，窗口上沿越高，则射进房间内的光线越深远，所以进深较大的房间或要求照明较高的房间在不开设天窗时，必须增加房间的层高。通风则是利用空气流动的方式把房间内污浊的空气，有害的气体，室内的粉尘带到室外，同时又不断地流进新鲜空气的过程。为保证房间内必要的空气卫生条件，除在平面设计中要组织好通风外，还要在房间的剖面设计中考虑房间内必需的空气容量。按卫生要求，中小学教室每个学生需空气容量3～5m³，电影院为4～5m³座。依据该标准，根据房间内的实际人数、面积，便可以计算出符合国家卫生标准要求的房间净高度。如教室为50名学生教室，每个学生需空气容量为4m³，共需200m³空气容量；如果教室面积是58m³，则符合国家卫生标准要求的房间净高度应为3.4m，那么层高应该为3.6m。一般使用人数较多，空气容量标准要求高的房间，要求房间的净高也就更大。、3.结构高度及其布置要求结构高度是指楼板、屋面板、梁及屋架所占的高度。层高一般等于净高加上结构层高度。因此，在确定房间的层高时，不仅要考虑人体活动的净高要求、室内设备的高度、必须的室内空气容量高度，还应考虑结构可能占的高度。在结构安全可靠的前提下，减少结构的高度会增加房间的净高和降低建筑造价，因此合理地选择、布置结构承重方案就显得非常有意义了。一般开间、进深小的房间，可直接利用墙体承重，将楼板搭在承重墙上，结构所占的高度最小；开间、进深较大的房间，一般要设置梁，楼板搭在梁上，这样就增加了结构层的厚度，应尽量避开这种承重方案；如避不开这种承重方案，也要尽可能使楼板的厚度包含在梁的高度内，可以做成梁板合一的整浇式或花篮梁形的装配式。大跨建筑、大空间建筑屋顶往往采用薄腹梁、屋架、空间网架等结构形式，结构所占的高度更大，截面高度可达几米，因此如何减少结构的高度是设计人员在剖面设计时必须要考虑的问题。4.建筑经济效益要求房间的层高设计和楼层的竖向组合对建筑造价影响较大，进行剖面设计时在满足使用功能要求的前提下，应降低层高和室内外地面高差。降低层高，首先是减少了建筑材料的用量，减少施工量，同时又减少了墙体自身的荷载，因此又减少了基础的宽度。其次是降低了建筑物的总高度，这从日照间距的意义又能缩小房屋的间距，节约建筑用地。5.室内空间比例要求空间的尺度对人的心理行为影响很大，在确定房间净高时，要考虑室内空间的尺度，即室内的高度与宽度、长度应有适当的比例。房间尺度的比例不同，给人的心理感觉也不相同。在宽而低的空间内，人心理感觉压抑、沉闷，在高而窄的空间内，人心理感觉局促、不安，在宽而高的空间内一人独居，又使人心理感觉空旷、冷清、迷茫。而众多人在高而大的空间内聚会，人心理感觉兴奋、开敞、激动。这就是限定空间给人心理的奇妙感受。一般来说，稍低而较小的空间使人心理感觉温馨、亲切、宁静、安全。因此，在确定房间净高时，应根据空间的使用功能要求，利用各种空间比例和空间限定，创造给人不同心理感受的优良空间环境。一般民用建筑的空间尺度，以高宽比在l:1.5～1:3之间较为适宜(图2.14)。图2.14不同的空间尺度比例2