[科普中国]-建筑物体形系数-

概念

在《民用建筑热工设计规范》、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的相关条例中都明确指出，体形系数是指建筑物的外表面积和外表面积所包的体积之比。

将其公式化为：

Tx=F/V

式中：

Tx——体形系数；

F——建筑物的外表面积；

v——建筑物外表面积所包的体积。

从基本概念可以看出体形系数的大小对建筑能耗的影响非常显著。体形系数越大，单位建筑面积对应的外表面积越大，外围护结构的传热损失越大，能耗就越多1。

建筑体形系数是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一，是建筑节能设计一个重要指标。

影响因素**（1）建筑物设计尺寸的影响**

对于普通民用建筑而言，其主要形状为长方体，而长方体的组成尺寸分别为长、宽、高。

体形系数随着建筑物长度的增加而不断减小，但是其减少幅度逐渐下降。

体形系数随着建筑物宽度的增加而不断减小，但是其减少幅度逐渐下降。

体形系数随着建筑物高度的增加而不断减小，但是其减少幅度逐渐下降2。

在建筑物总体积一定的情况下，选好适当的长宽比也是相当重要的。对于正南朝向而言，一般是长宽比越大得热就越多。当偏角达到67度左右时，各种长宽比的建筑得热基本趋于一致，而当偏角为90度时，则长宽比越大，得热越少。选好长宽比的前提是该建筑物的朝向必须先确定下来，因为朝向不仅与设计理念有关，而且也和建筑物日辐射得热量有关。

（2）日辐射得热量对体形系数的影响

从外界对建筑物能耗的影响来讲，El辐射得热量是一个重要因素。从节能的角度而言，合理的体形系数设计应该基于这一原理：使建筑物能在夏季得热少，冬季得热多。

图1是将同体积的立方体建筑模型按不同的方式排列成各种体形和朝向，从日辐射得热多少的角度来研究建筑体形对节能的影响。由图可知，立方体A是冬季日辐射得热量最少的建筑体形；D是夏季得热最多的体形；E、C两种体形的全年日辐射得热量较为均衡；而长、宽、高比例较为适宜的B，在冬季得热较多，在夏季则得热最少。

由上可知，在建筑物的节能设计方案中，假设建筑物体积一定，那么必须综合考虑建筑物的长宽比、朝向和日辐射得热量，来求出最佳的建筑物设计尺寸，从而得到一个最佳的节能体形系数。当然，在建筑物体形系数的设计中还必须综合考虑到建筑造型、平面布局和采光通风的要求，如果体形系数过小，它将制约建筑师的创造性，造成建筑造型呆板，平面布局困难，甚至影响建筑功能。因此必须权衡利弊，兼顾不同类型的建筑造型1。

建筑体形系数对节能效果的影响建筑体形系数反映单位建筑空间的热散失面积大小，对建筑能耗有直接影响。建筑室内热湿环境形成的最主要原因主要是受各种外扰和内扰的影响，建筑节能的关键在于围护结构节能。20世纪80年代初，国家确立节能30%的建筑节能标准中，围护结构占20%；到1995年末，建设部又发布了居住建筑节能50%的节能标准，其中围护结构节能占30%。

提高建筑结构设计在建筑节能中的比例，降低采暖空调能耗是解决建筑能耗日益增高的有效途径建筑体形的变化直接影响建筑能耗的大小，节能设计标准中建筑热丁设计部分对建筑体形系数有明确的规定：《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JG326—95)第4.1.2条规定，建筑物体形系数宜控制在0.30及0.30以下，若体形系数大于0.30，则屋顶和外堵应加强保温，传热系数应符合其标准表4.2.1限值的规定；《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134—2001)第4.0.3条规定“，条式建筑物的体形系数不应超过0.35，点式建筑物的体形系数不应超过0.40；《公共建筑节能设计标准》(GB50189—2005)第4.1.2条规定，严寒、寒冷地区建筑的体形系数应小于或等于0.40。

提出体形系数要求的目的，是为了使特定体积的建筑在冬季和夏季冷热作用下，从面积因素考虑，合理选择传热面积，使建筑物的外围护部分接受的冷、热量最少，从而减少冬季的热损失与夏季的冷损失。

基于形状因子f的节能分析

对于给定容积的建筑，体形系数与建筑物底面形状、面积和建筑高度有关，而当建筑物的底面面积和建筑高度确定好之后，不同的底面形状影响体形系数的值。定义系数形状因子f以描述不同的底面形状特征，当底面形状确定以后，f的值也得到确定，可以说f仅与建筑物底面的形状有关。形状因子与建筑使用面积、建筑高度等参数结合起来既是对体形系数完整的描述，又是对建筑某一独立局部如形状、面积、高度等的描述。

所定义形状因子为：

L0为建筑物底面周长，S0为建筑物底面面积。

形状因子值f越小，体形系数值越小。

由表1得，圆形底面形状因子。f值最小，正方形次之，矩形相对较大。因而通过外围护结构的热量传递在上述条件下取决于形状因子值f的大小、f值小的圆形底面，外包络面积最小，在综合热作用下外围护结构传热面积最小，能耗最小。正方形底面次之，矩形底面相对较差。且底面形状长宽比越大的条式建筑节能效果相对越差。因此，从节能角度考虑，超高层建筑底面形状采取圆形相对其他形状更节能。