绿色建筑技术在建筑设计中的优化与结合

提要:文章结合具体工程项目,针对绿色建筑技术在建筑设计中的优化方法进行了研究,提出绿色建筑设计应整合建筑、结构、设备、建筑物理等专业,在项目初期就结合先进的计算机模拟技术分析,实施“整体设计”。在每个专业之间寻找结合点和平衡点,满足建筑创作、建筑功能、生态属性等要求,采用的具体绿色技术措施做到绿色目标与资金投入的最优化。

  文章结合具体工程项目,针对绿色建筑技术在建筑设计中的优化方法进行了研究,提出绿色建筑设计应整合建筑、结构、设备、建筑物理等专业,在项目初期就结合先进的计算机模拟技术分析,实施“整体设计”。在每个专业之间寻找结合点和平衡点,满足建筑创作、建筑功能、生态属性等要求,采用的具体绿色技术措施做到绿色目标与资金投入的最优化。

  1 概述

  节约能源,有效利用资源和保护环境,注重以人为本,强调可持续发展的绿色建筑理念是21 世纪建筑学发展的方向。如何正确处理好建筑技术与建筑设计之间的关系,在使用功能要求、室内环境与建筑设计之间寻求平衡点,在追求建筑美观的同时,得到适宜的室内环境质量,满足绿色建筑的相关要求,实现在建筑的全生命周期内资源高效利用。今天的优秀建筑作品一定是建筑技术、绿色理念与艺术、文化、历史属性完美的结合。因此,在绿色建筑设计中如何做到达到绿色目标,建筑的形式与功能的统一,并使技术选择经济性最优,是设计的重要工作内容,也是企业在市场竞争中的核心竞争力的重要体现。

  2 绿色建筑的设计方法和策略

  绿色建筑设计包括场地与绿色规划、建筑设计与室内环境、节能与能源利用、节水和节材五部分内容。设计中相应体现在绿色建筑理念在在规划阶段的通盘整体考虑、适应当地建筑气候性的被动设计策略。具体包括,合理的日照与遮阳设施、良好围护结构热工设计、合理的通风和可再生能源的利用、污水处理及雨水中水利用、绿色材料用选用、良好的室内热舒适环境、声环境、空气质量等等。

  如何实现这些设计策略转化到建筑设计,“不显山露水”地落实到施工图上,是要解决的关键问题。其中最关键是要结合先进的计算机模拟分析手段采用“整体设计方法”。在项目初期建立一个由各个专业组成设计团队,定一个确定的目标——设计绿色建筑。各成员均以此目标作为准绳,来进行协调专业之间的冲突和矛盾。只有各专业的通力合作和全程积极参与才能真正实现绿色建筑的设计。

  3 绿色建筑优化设计过程

  3.1 绿色建筑的规划阶段的设计优化

绿色建筑技术在建筑设计中的优化与结合

  图1 交大归谷低碳小区日照分析图

绿色建筑技术在建筑设计中的优化与结合

  图2 交大归谷低碳小区室外风环境CFD 模拟图

  在规划阶段,分析场地中的气候资源特点,结合计算机模拟的方法,从空间布局和朝向选择上对建筑的热、声、光、风场等进行优化。建筑设计项目一旦通过报规,是很难进行修改调整。如果前期仓促定案,会造成先天不足,是很大的缺憾。图1 是成都西南交通大学归谷低碳小区日照强度计算图,通过总平面设计的优化分析,对建筑物平面布置和体型的调整,优化建筑的阴影分布,保证充足的日光进入每一栋建筑内,日照效果达到最好。对建筑物进行通风模拟,以确定最佳的布局方式,并优化室内外空间布局,形成穿堂风,使建筑物达到最好的通风条件。图2 为该项目的室外风环境CFD 模拟风场。

  3.2 建筑气候适应性与设计优化

  在深入分析不同经典绿色建筑的基础上,通过对不同气候区建筑设计创作的研究,发现地域建筑的创新与发展都涉及到建筑基本属性。如功能与空间、结构与构造形式、室内外物理环境、经济投入、地域风格等,反映出安全、经济、舒适、美观等性能特征在建筑创作中的主导地位。建筑外观是在顺应气候、地形、地貌等自然条件,按照人的传统、文化、习俗和审美等的要求,作用于建筑,是地域建筑给外界的最直观的表达方式;建筑的功能是在满足工作与生活需求这一共性的基础上,对文化、宗教信仰、工作与生活习惯等个性特征的满足;环境问题是人工环境带给人体最直观的感受,它的好坏直接影响人体健康,也会导致资源、能源利用的差异;经济性决定了选取材料和技术的衡量标准,在经济欠发达地区,这一制约因素发挥着决定性作用;除此以外,与自然环境的协调发展是目前以及很长一段时期内任何建筑都必须面对和解决的难题之一,尊重自然,强调可持续发展的建筑产业是当务之急。通过对不同建筑的功能、文化、气候适应性研究,认为绿色建筑最显著特点之一是建筑的气候适应性。

绿色建筑技术在建筑设计中的优化与结合

  图3a 遵义市科技馆全景效果图

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  图3b 遵义市科技馆主入口效果图

  图3 是遵义市科技馆效果图,遵义市属于中亚热带高原湿润季风区,气候温和、夏无酷暑,冬无严寒。但地处山区,海拔高差较大,气流、降水以及气候具有典型的山地气候特征。建筑场地在海拔1500m 以上的山地,以石作为造型理念,采用半覆土建筑形式,以厚重实体回归自然,由西向东,由南向北逐渐延伸入土中,整个体量从屋面到松林做到自然过渡,浑然一体。利用地下土壤的热稳定性和地下温度的恒温性,体现出建筑的地域特色,具有创新的理念。建筑设计按照被动优先的原则,通过计算机模拟,采用围护结构隔热、遮阳,充分利用自然采光、加强自然通风等技术措施,来减少建筑能耗,提高建筑的功能要求和室内舒适度。外围护结构主要为非透明实体围护结构,以减少夏季强烈的太阳辐射对建筑室内过热和空调能耗的增加,同时满足科技馆建筑室内采光与照明对科技作品、艺术作品的功能要求。

  半覆土建筑形式对场地内地形地貌进行最大限度的保护,避免进行大开挖,大填方。对场地内的水系和现有植物进行利用。景观专业对现有水系和植物的利用,包括现有竹林,树木,灌木等等。结合给排水专业设置雨水蓄积方案,确定雨水蓄积的方式和位置,雨水蓄积同时作为景观水景,同时满足功能和绿色建筑对水资源节约的要求。

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  图4 瓦努阿图国家会议中心效果图

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  图5 昼夜海陆风方向

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  图6 建筑平面通风流向

  图4 是瓦努阿图国家会议中心效果图,瓦努阿图位于南太平洋,最热月平均气温为26.4℃,最冷月平均气温为21.6℃,年平均气温24.1℃。全年太阳高度角较大,直接辐射强。气候温和湿润,属于典型的低纬度海洋性气候。建筑设计尤其注重遮阳、通风。利用海洋性气候条件下海陆风的昼夜变化特点,增强自然通风效果。地形对风向和风速的修正以符合项目所在的背景风场。利用种植屋面良好的隔热机理和热稳定性,完全消除太阳辐射得热,实现超低能耗的运行方式,营造健康舒适的室内环境。图5、6 为昼夜海陆风和建筑平面通风流线,采用外挑屋面遮阳结合采光设计,具有遮阳功能的走廊和挑檐,在减小空调负荷,降低空调能耗的同时,可实现自然光亮度、均匀度满足使用要求,并有效控制眩光,最大限度减少昼间人工照明用电等。项目建成后,结合绿色运行手段,可望称为低纬度海洋性气候地区低能耗绿色建筑的典范。

  从以上工程实例可看出,具有气候适应性的建筑将有利于气候的自调节作用,这也是自古以来人类总结出的、今天流行的被动节能技术设计方法。因此,通过被动式自然能源的应用,对建筑进行优化设计,利用建筑围护结构的蓄热、自然通风等将室外温度波的衰减、延迟特性、围护结构内表面平均辐射温度(MRT)的日平均值和波幅值控制在人可接受的范围内。这种被动与主动相结合的节能技术,尽可能延长基本热舒适时间,减少采用主动干预室内热环境的方式实现热舒适环境时间,也就是说尽量减少空调和采暖时间, 是气候适应性节能建筑的核心,也是我国绿色建筑的技术路线和方向。

  3.3 建筑形态设计与节能设计

  绿色建筑设计与一般设计的根本性区别在于采用量化分析的方法代替感性认识,可以说没有定量化的分析就没有理性绿色建筑的诞生。采用计算模拟分析手段来推敲设计策略对建筑能耗的影响,进而优化建筑设计。

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  图7 成都双流机场T2 航站楼

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  图8 成都双流机场T2 航站楼屋盖优化方案

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  图9 指廊、值机大厅标准单元能耗分析模型

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  图10 四种屋盖方案的装机负荷比较

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  图11 四种屋盖不同遮阳系数的装机负荷比较

  图7 为成都双流机场T2 航站楼,建筑围护结构屋面与外墙没有明显的分隔,而是屋顶由一个圆柱穹顶直接落地,屋顶采用透明材料和金属夹芯板形成虚实相间的“竹节虫”。对围护结构的热工与节能设计受到很大的限制,屋顶中天窗的比例高达28%,带来较大的空调负荷和高昂的运行费用,需对屋盖方案进行优化,经过模拟分析并与建筑设计进行交互优化调整,实现整体节能。图8 为四种屋盖方案的示意图(深色为玻璃面积),图9 为采用DOE2 软件模拟计算的模型图,图10 为四种方案进行优化分析的装机负荷比较图,可以看出方案一、方案二、方案四较方案三的装机负荷大34.9%、 9.5%、 23.9%, 图11 为遮阳系数不同时的负荷,当SC=0.6) 时,四种方案分别为30.2%、8.2%、0.0%、21.0% ;当增加玻璃的遮阳系数由0.6 降低到0.5,三个方案的装机负荷可分别减小6.7%、9.3%、8.3% 由此带来设备初费用降低,机房面积减小400 ~ 2500m2 ,管道费用减少3%~ 15%左右。

  因此,我们在定量的计算模拟分析有时甚至纠正感性认识的错误。比如我们在采用能耗分析软件研究发现的西向水平遮阳措施对改善西向房间的热工性能也有很大的帮助,纠正了通过感性认识一般认为的西向水平遮阳措施对房间遮阳帮助不大的认识,进而可调整相应的设计策略。节能的同时为建设方节约投资,在投标方案竞争中定量地体现出设计方的技术水平和服务意识。

绿色建筑技术在建筑设计中的优化与结合

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  图12a、b 侯车大厅通风遮阳天窗

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  图12c 天窗采光室内照度分布图

  3.4 采光遮阳与建筑设计

  成都火车东站图12 所示,由于建筑进深大,侧窗采光造成内部采光不好,均匀性差,根据成都冬季日照率低和夏季太阳辐射特点,为保证大部区域白天不需人工照明,设置采光通风遮阳天窗,以及玻璃幕墙顶部通风遮阳措施,保证了候车厅深部空间日间自然采光满足亮度和均匀度要求,并在候车厅不同部位的环境平均辐射温度控制在27℃以下,使侯车大厅处于舒适性范围,同时降低空调能耗。由此,在西侧玻璃幕墙和天窗应采取遮阳措施。下图给出了采用倾角为10°的百叶遮阳措施后外进入室内的太阳辐射特征曲线图,由图可看出,采用百叶遮阳后,可以大幅消减对进入室内的太阳辐射,从而改善夏季室内的热舒适度,降低了空调能耗。

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  图13a 侯车大厅幕墙侧面采光

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  图13b 侯车大厅幕墙侧面采光室内照度分布图

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  图14a 无遮阳措施时进入室内太阳辐射特征曲线

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  图14b 百叶遮阳措施时进入室内太阳辐射特征曲线

  4 结语

  绿色建筑设计是设计团队以可持续的绿色建筑设计理念为共同基本出发点,协同合作的整体设计过程。通过采用高技术的分析优化设计手段达到经济合理的技术措施的目的,从而实现在提供优良环境的同时,便于维护和长久使用,绿色技术体系中更加注重对成本的控制、简单技术措施的鼓励。

  绿色建筑设计要探究各专业技术之间的合理性,研究建筑空间功能使用的好坏、生态气候、节能环保、可持续发展上的贡献。在今天许多绿色建筑中过高地追求高新技术、昂贵的设备和材料、表面化的绿化造型感觉,在造价严重偏高、能耗暴增等问题上偏离了绿色建筑的精神。出现了很多奇奇怪怪的建筑,带来高能耗的同时,偏离了建筑的使用功能和室内健康舒适的环境。绿色建筑理念,应更加注重建筑与绿色技术的有机结合,从设计的初期出发,采用高技术的手段对绿色建筑进行优化,达到绿色建筑低成本、简单技术和高收益的绿色建筑。

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