被动优先的绿色建筑设计探析——以深圳建科院大楼及山东建筑大学

2017年第11期(总第45卷第321期)建筑节能■绿色建筑与设计

doi:10.3969 /j.issn. 1673-7237.2017.11.005

被动优先的绿色建筑设计探析

—以深圳建科院大楼及山东建筑大学教学实验综合楼为例

赵喆骅\李晓芸2

(1.山东建筑大学建筑城规学院,济南250101山东省城乡规划设计研究院,济南250014)

摘要:在“绿色建筑”技术飞速发展的今天,灵活应用并全面协调好各种现代技术为具体设计与实施 的项目服务是当今绿色建筑设计的发展方向。充分利用自然环境条件,注重建筑本身的实际

能耗,采用被动优先的节能措施并辅助主动节能技术的建筑方案才是绿色建筑的根本。在当

前“绿色建筑”和“生态建筑”往往不节能、不绿色的背景下,如何通过被动优先的设计理念与

主动技术的结合来使建筑真正变为可以顺应时代发展要求的可持续性建筑,是广大建筑设计

实践者一直崇尚并追求的发展目标。从以“被动优先”概念为先导的绿色建筑设计出发,通过

论述被动式设计的概念、被动优先的设计策略以及对深圳建科院大楼与山东建筑大学教学实

验综合楼进行案例分析,来探求以被动式设计策略为出发点的当代绿色建筑的设计思路,以

此为今后的绿色建筑设计实践提供借鉴与帮助。

关键词:绿色建筑;建筑节能;被动优先;被动式技术;设计策略;可持续性

中图分类号:TU201.1 文献标志码:A文章编号:1673-7237(2017)11-0021-08

Green Building Design with Preferred Passive Technology:Building of Shenzhen Institute of Building Research, and the Experimental Building of

Shandong Jianzhu University

ZHAO Zhe -h u a1,LI Xiao -f ang2

(1. Department of Architecture and Urban Planning,Shandong Jianzhu University,Jinan250101, China;

2. Shandong Urban and Rural Planning Design Institute,Jinan250014, China)

Abstract :Today,the u green building”technology is developed rapidly.Flexible application and comprehensive coordination of various modern technologies for the specific project is the developing direction of green building design.Making full use of the natural environment conditions,paying attention to the actual energy consumption of the building itself,the passive technology is preferred with auxiliary active energy saving technology,which is the fundamental construction of green building.In the current non - energy- saving background of“green building,’and“ecological architecture,’,achieving sustainable architecture through combing the passive technology as priority with advance energy - saving technology is the advocating and pursuing aim of engineers in architectural design practice,which is the requirement of the times.Following the“prior passive technology”proposal,the passive design concept and prior passive design strategy are expounded,with case analysis on the building of Shenzhen Institute of Building Research,and Experimental Building of Shandong Jianzhu University,to explore the design ideas of modern green building with passive design strategy,and to provide reference and assistance for the green building design practice in the future.

Keywords:green buildings;building energy efficiency;prior passive technology;passive technology;

design strategy;sustainability

收稿日期:2017-03-09;修回日期:2017-11-21

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0引言

在当今的“绿色建筑”设计中,很多人对绿色建筑 的认识还存在相当大的误解。许多建筑行业的设计 者认为,如果建筑釆用了某一项节能技术或某些绿色 建筑新科技,则该建筑就属于节能建筑或绿色建筑[1]。设计者之所以会出现这种误区的根本原因,归 根结底在于设计者在设计的前期不但对于建筑所处 的周围场地与客观环境条件理解的不深入,还对绿色 建筑的概念与绿色技术的理解存在偏差。而基于此 所带来的结果,便是设计过程中盲目累加新技术而使 得所谓的“绿色建筑”实际并不节能,“绿色建筑”本 身整体的实际能耗并没有因为新兴技术的叠加有任 何实质性的减少。所以,以被动优先的设计策略为出 发点,通过合理的被动式建筑设计辅以主动技术的绿 色建筑设计,才是当今绿色筑发_大方向。

1被动式设计

1.1被动式的概念

根据1993年美国国家公园出版社出版的《可持 续发展设计导则》一书,被动式设计(passive design)是指结合功能需要,采用简单的实用技术,针对当地 气候采用被动式能源策略,尽量应用可再生资源。由此可见,被动式设计要求建筑师在进行建筑设计时充 分了解并尊重地区自然环境状况,尽可能通过对建筑 规划布局、建筑材料的选择、建筑结构方式的采用等 的设计来利用并适应当地的地理及气候特点,而不再 过度依赖外部能源的输入或者运用机械设备,以此来 为人们创造健康舒适的室内热环境,并节约不可再生 资源。

1.2被动优先与主动优化

清华大学建筑学教授栗德祥提倡“被动优先”的理念,而所谓“被动设计”,是指在難设计的过程中,最大程度地借助自然气候和建筑自身的调节功能来 节能减排并降低整个建筑能耗。而作为技术辅助或 补充手段,建筑还可以通过人工设备及主动技术来弥 补建筑物能量不足的部分从而提高建筑使騰率[]。

主动优化:指在充分利用自然环境条件和建筑本 体的被动节能措施之后所进行的必要的主动(制冷、制热、通风、照明等)技术,并以此作为辅助手段和补 充手段来优化建筑本体[2]。

1.3被动设计的背景与意义

我国建筑业在建造和使用过程中能源消耗巨大,绿色低碳、环境保护是目前建筑业需要解决的重要问 题,大力发展建筑节能、积极推动被动优先的建筑设 计与施工方法刻不容缓。

尽管在当下人们已经清晰认识到能源问题和排放问题的紧迫性,并在建筑设计中进行了很多有意义 的绿色難与技术的实践,然而由于对绿色建筑理解 的误区以及各种因素的影响,设计者在从事建筑设计 的过程中过分地依靠主动式技术来对建筑进行“节 能”设计的问题依然存在。而最终造成的结果便是生 态建筑“不生态”,节能建筑“不节能”以及成本的巨 大浪费。

所以,在当下务求建筑节能和减排的大环境下通 过建筑自我的被动式调节,形成良性的物质和能量循 环、解决能耗问题,是被动式建筑的发展方向,也是历 史积累经验下绿色建筑发展的必由之路。

2被动式设计的设计策略

2.1以建筑环境与气候为先导的设计策略

以建筑环境与气候为先导的设计思想最早见诸 于公元前1世纪古罗马工程师维特鲁威所撰写的《建 筑十书》,其第六书中提及了建筑气候与朝向的问题,涉及了对建筑环境的控制和对難材料的运用。

西方国家对建筑设计与气候环境的关系研究起 步较早。早在20世纪初即有一批建筑师立足现代建 筑技术,对難环境气候设计进行了研究。自1963年 美国普林斯顿大学发表《设计结合气候》至20世纪 90年代末的一系列生态建筑实践,西方国家从不同层 面进行了广泛而深刻的舰研究及实践。

在以被动优先理念为先导的绿色建筑设计时,为 了实现环境的可持续应用必须首先对整个场地进行 详细分析,在充分了解建筑所处的环境条件和气候条 件以后才能进行建筑场地的规划[3]。只有在以建筑 环境气候为先导的设计思路下,建筑物的朝向、建筑 体形系数、场地绿化率、场地植被情况、建筑与场地周 边道路及场地内构筑物的关系才能被确定。建筑物 周边的环境气候要求设计者要特别关注建筑的间距、优化難的位置与朝向、合理组织建筑物的自然通风 和自然光照,因为这不仅关系到建筑物在场地中与气 候和环境的呼应,也决定了建筑物是否能够达到被动 优先的要求[2]。

2.2控制建筑物单体形态的设计策略

控制建筑物的单体形态是被动式建筑设计的- 个重要的方面。建筑物的单体形态对于建筑物的体 形系数与建筑物的结构及空间组织上有着极为重要 的影响。减少建筑物的体型系数有利于降低建筑物 的能耗,因为体形系数越大建筑物与外界进行热交换 的面积就越大。所以无论是在保温材料的节省方面 以及建筑物室内的能耗方面,降低体形系数都会对建 筑物的整体节能产生非常显著的作用。此外,建筑物 的结构选型与空间组织可以帮助難物得到好的通风

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性和好的内环境,从而更利于建筑物节能效果的实现。

2.3建筑物围护结构设计与材料选择

建筑物围护结构的设计与材料选择也是其能否 真正达到节能目标的关键所在。建筑物围护结构保 温层的导热系数和保温层的厚度,决定了建筑物热传 导的性能,热传导的性能对于建筑物夏季空调的使用 与冬季供暖设备的使用起着决定性的作用。而对于 围护结构的材料而言,如果材料在颜色的选择上,采 用对太阳辐射反射率高的颜色,则筑物在夏季可以减少外表皮的吸收辐射率。而建筑的外围护墙体,如 果采用蓄热性能好的材料并减少大面积的玻璃与开 窗,则建筑物在冬季所需要的供热能耗就可以得到极 大的减少。总之建筑物的外围护结构由于其保温性 能良好且不需要维修,故在被动设计方面应该得到重 点关注。

3被动优先的绿色建筑案例分析

3.1 深圳建科院大楼案例分析

深圳建科院大楼是深圳市建筑科学研究院的科 研办公楼,项目以探索低成本和软技术为核心的绿色 建筑实现模式为宗旨,以实现建筑全寿命周期内最大 限度节约和高效利用资源、保护环境、减少污染为目 标[4]。大楼已实现了最初的建设目标,以约每平方米 四千余元的工程总造价,达到了国家绿色建筑评价标 准三星级和美国LEED金级的要求[5]。

深圳建科院大楼在设计之初,首先以建筑周围环 境气候条件为先导建筑的朝向也充分釆用了被动优 先、辅助主动优化的设计理念。我们由图1和图2可 以看出,測建科院大楼在其平面布置上采用了传统 的“凹”字形设计,其形体在设计之初便针对建筑所处 的气候条件进行了风环境的模拟。设计人员通过软 件模拟形体风压情况,以此来确定形体的开口方向。在模拟之后,设计者将形体的开口方向设定为基地为 东南方向,因为东南风是深圳市的主导风向,建筑形 体向着城市主导风向开口能够带来的好处就是可以 进一步加强室内“穿堂风”的效果,从而促进室内的通 风。这种通过软件模拟的手段在设计之初进行前期 分析,并通过分析结果引导后面的建筑设计,体现出 了建筑在设计初始阶段针对环境气候条件所作出的 回应,反应出了被动优先的设计原则。

深圳建科院大楼的底层为6 m的架空层,没有围 墙,有自然通风,并根据环境设置了许多的绿化,也反 映出了建筑针对环境气候条件进行建筑场地的规划 控制了建筑物的朝向、建筑体形系数、场地的植被情 况(见图3、4)。同时,通过这一系列的设计,设计者 还增加了建筑、人、自然三者的交融性,达到了以人为本的绿色建筑的设计目标。

图1深圳建科院大楼

**风压最低区

幽.+_风压次高区

■风压次低区

1风压最高区

图2建科院大楼风压模拟图

图3建科院大楼底层架空

深圳建科院大楼在控制建筑物的单体形态方面,通过利用“凹”字形的平面,将一个矩形大办公平面无 形中分成了 2个小矩形,在这种情况下可以大幅度缩 短建筑的进深,从而获得良好的采光,而且建筑体型 系数的降低,建筑物与外界热交换的面积也会得到相 应的减小,故而也有利于降低建筑物的能耗。

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图4建科院大楼剖透视示意图图5多功能厅可开启的窗扇

图6建科院大楼外立面悬窗与遮阳

深圳建科院大楼在围护结构的选择方面,也体现

出了绿色建筑的特点。建科院大楼所有的窗户都是

可开启的窗扇(见图5、),这能根据使用者的需要来

进行室内的采光与通风,并与建筑内部的功能相协

调,酿经模拟,在本大楼中位于窗上部1/4处设置

遮阳板的效果最佳,遮阳板不但可以对临窗座位起到

遮阳作用,还能同时将光线反射人房间深处,增加室

内自然光分布的均匀度。所以遮阳板在设置上也体

现出了被动式建筑所具有的被动优先的特点,即利用

合理的科学计算来设置建筑构件,达到室内最佳的照

度并降低建筑能耗。正是有了以上的设计,我们可以

看出,測麟院大楼在照明上所消耗的电能所占比

例极低,这从侧面证明了该建筑的自然采光效果十分

优越(见图7)。

7月1日(日)一7月7日(六)

7、8F(办公区)逐时照明插座电耗(kW ? h)

—(8P-3)7,8F plugs — (8P-4)7,8F Lights

图7建科院大楼-周用电情况统计

建科院大楼在维护结构材料的选择方面,也充分 体现了绿色建筑的特点。首先,建筑的外墙在5层及 以下,采用挤塑混凝土外墙板+喷涂聚氛酯泡沫内保 温,7层及以上外墙采用LBG金属饰面+保温板+加 气混凝土砌块,建筑的下半部墙面则采用水泥预制构 件,在墙板内侧喷涂聚氨酯,完成了围护结构、隔热、装饰盒室内家具综合一体化设计(见图8)。其次,在 建筑物的西南面安装了双通道的光电幕墙(见图9)。光电幕墙的设置,一方面可以将光能转化为电能为建筑物酬,另一方面则可以利用烟囱效应,将西晒的 热量带走,最后,建筑物的屋顶采用了遮阳板与屋顶 绿化结合的形式,既创造了屋顶花园,给建筑物及使 用者带来了美观与休息的空间,还降低了建筑物屋顶 的温度,带走了建筑物的热量,减少了太阳的辐射。

总之,深圳建科院大楼无论是针对建筑与环境气 候的关系,还是控制建筑物单体形态以及围护结构材 料的选择方面,都体现了被动优先的设计理念,它符 合我国未来绿色建筑的发展要求,也引领了我国未来

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绿色建筑的发展方向。图9建科院大楼双通道的光电幕墙

3.2山东建筑大学绿色综合实验楼案例分析

山东建筑大学教学实验综合楼建设项目(见图1〇) 的基地位于山东建筑大学新校区校园内的教学区,环 雪山轴带南侧重要节点位置。用地北侧为信息图书 楼,用地西侧紧邻雪山,用地东侧及南侧为校园预留 发展用地。场地内南部为教学实验综合楼一期建设 项目,包括教学实验综合楼以及合堂教室部分。整个 场地西高东低,最大高差处近10 m ,交通便利,建设条 件良好(见图11)。

在被动优先绿色建筑设计时首先要对整个场地 进行详细分析,在充分了解建筑所处的环境条件和气 候条件以后,才可以进行建筑场地的规划。济南地区 属于温带季风气候,夏季干热,冬季干冷。所以济南 地区的建筑在通风与保温隔热方面都应该十分注意。

具体到设计中,由于该项目的基地位于山东建筑 大学校园内的“雪山”脚下且基地地块为带有坡度的 山地,所以在项目设计初期,既要考虑到雪山这一景 观带对于基地与环境的影响,也要考虑到建筑与校园 整体建筑格的延续性以及景观面的渗透(见图12、 13)。本项目在方案设计阶段,为了与周围环境相协 调,最大限度地保留了场地内原有的地形,在形体上 形成了三段的布局形式[6]。

图10山东建筑大学教学实验综合楼效果图

图11山东建筑大学教学实验综合楼基地现

M

基地位置■节点广场■景观视廊

图12山东建筑大学教学实验综合楼景观分析

入口分析 图底关系 流线分析 景观分析

图13山东建筑大学教学实验综合楼景观分析

而确定了整体形象的三段式布局形式以后,针对 场地内建筑所处的环境和气候条件,设计者又对建筑 形体设计的初步情况进行了场地风环境的模拟。通 过软件模拟我们可以看到,建筑的初始形体在基地的 风环境下,报告厅的部分与南楼北侧部分的风速和风 压局部过大,超出了正常值以及人们可以接受的范

围,所以,该形体的设计是无法满足建筑物对于风环 境条件的要求,而为了达到风环境的要求,建筑物必 须在形体上做出调整。

由图14?16我们可以看到,当建筑物的报告厅部 分改为圆形,主楼的形体改为长方形以后,建筑物的 室外风环境达到了十分适宜的程度,平均风速只为

0. 35 m /s ,可以满足人对于风环境的舒适度要求。而 且,总平面的场地及绿化在布置上完全针对了济南的 气候特点,通过对大面积的场地增加植被并提高场地 绿化率,来满足夏季遮阳从而给场地降温,而冬季时, 场地内大量的树木也能避免场地形成宽阔而又大的 风口,这都体现出了该项目在被动式设计中对于建 筑、场地以及环境气候条件的呼应[7]。

控制建筑物的单体形态也是被动式建筑设计的 一个重要的方面。首先在形体处理方面,建筑整体为 两个方形和一个圆形,是最单纯的形体,这使体形系

数保持在0.3以下。而开窗方面,建筑要求南向开大 窗,北向有可能的话,尽量不开窗(见图17)。因此在

图14山东建筑大学教学实验综合楼总平

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离地12 m 处风速云图 离地18 m 处风速云图

图15调整形体后的教学实验综合楼冬季风环境模拟

离地12 m 处风速云图 离地18 m 处风速云图

图16调整形体后的教学实验综合楼过渡季风环境模拟

图17山东建筑大学教学实验综合楼立面图

此项目中,建筑的南立面窗户较多,且窗面积较大,北 上,都采用了“L ”型的遮阳板,这种遮阳板的选择不仅立面则均为小窗。另外,建筑物在遮阳系统的选择

可以减少阳光对于室内的直射,还能够减少西晒对建

w i

圜 I t

筑的影响。最后,在内部空间处理上,建筑物主要是 通过设置拔风的中庭空间来达到被动式的设计效果 (见图18)。通过中庭热压通风所带来的拔风效果,建筑物的室内环境得到了极大的改善,尤其是夏季,其内部的温度可以达到适宜并减少空调的使用,而冬季,中庭又可以使阳光射人室内,从而提高室内的照 度和温度,也降低了冬季供暖设备的使用。总体而 言,山东建筑大学教学实验综合楼在控制建筑物的单 体形态方面,符合被动式绿色建筑的设计特点,也达 到了在追求美观的同时降低能耗的效果[8]。

图18山东建筑大学教学实验综合楼剖透视图

建筑物围护结构的设计与材料的选择也是建筑 能否节能的关键所在,建筑应重点强化围护结构的保 温性能。根据济南的气候特点,建筑物的墙体采用了 保温性能高的超厚保温材料,幕墙玻璃采用了传热性 和气密性均较高的双银中空Low-E玻璃。屋顶主 体为钢筋混凝土,保温材料采用挤塑聚苯己稀泡沫塑 料板,屋顶面为绿化屋面,楼板主体为钢筋混凝土,底 部为局部架空层,立面可调遮阳板采用铝合金,建筑 的整个围护结构和材料选择都体现了被动式超低能 耗建筑的要求,也达到了设计之初所进行的设想[]。

图19建筑大学教学实验综合楼外围护结构

总之,山东建筑大学教学实验综合楼无论是针对 建筑与环境气候的关系,还是控制建筑物单体形态,或是建筑物围护结构的材料的选择方面,都达到了德 国能源署对于装配式被动房的要求[1°],而且也体现 了设计之初就被贯彻的被动优先的设计理念,既符合 我国未来绿色建筑的发展方向,也能够为我国今后的绿色综合实验楼设计提供借鉴价值和指导经验,并促 进我国被动式建筑的发展。

图20建筑大学教学实验综合楼幕墙玻璃

4 结语

长期以来,我国一直处于低舒适度,低耗能的建 筑体系中,大面积的发展高舒适度、高技术的被动式 超低能耗建筑是我国未来绿色建筑的发展方向,这不 仅关系到人们生活水平的提高,也关乎人类未来的可 持续发展。总之,被动式建筑无论是在资金层面或是 技术的支持层面,以及所能带给使用者的舒适性层 面,都符合我国基本国情,而且其发展拥有巨大的潜 能。所以作为建筑师,甚至是未来建筑行业的领导者,我们一定要吸取以往绿色建筑设计中的经验教 训,并且真正地因地制宜,在考虑建筑与环境的基础 上,通过控制建筑形态以及具体的设计与操控手法使 建筑成为真正的“被动优先建筑”。

(下转第45页)

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张婷婷,等:夏热冬冷地区外墙典型保温类型的受潮分析与比较

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作者简介:张婷婷(1990),女,贵州安顺人,在读硕士研究生,主要从 事围护结构湿迁移研究(tingtingzhangmonica@https://www.360docs.net/doc/e4827404.html,)C 1

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作者简介:赵喆骅(990)男,满族,山东济南人,硕士研究生,研究 方向:建筑设计及其理论(603678859@ qq. com )。

指导教师:李晓芸(1961)女,山东济南人,毕业于同济大学,土木工 程专业,高级工程师(2672450693@ qq. com )。

行讯

首批装配式建筑示范城市和产业基地敲定

为积极推进装配式建筑发展,住房城乡建设部近曰发文,认定北京市、杭州市、广安市等30个城市为第一批 装配式建筑示范城市,北京住总集团有限责任公司、杭萧钢构股份有限公司、碧桂园控股有限公司等195个企业 为第一雛配式建筑产业基地。

住房城乡建设部要求,各装配式建筑示范城市和产业基地要按照有关规定扎实推进装配式建筑各项工作, 及时探索总结一批可复制、可推广的装配式建筑发展经验,切实发挥示范引领和产业支撑作用。

各省级住房城乡建设主管部门要加强对示范城市和产业基地的监督管理,定期组织检查和考核。住房城乡 建设部将对装配式建筑示范城市和产业基地实施动态管理,定期开展评估,评估不合格的撤销认定。

(摘自《中国建设报》2017 -11 -21宗边)

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