“普适的绿色”低技术被动式节能建筑设计策略

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  摘 要:在能源危机、环境危机席卷全球的浪潮中,作为人类使用的最大人造物——建筑,不可回避的承载着越来越多的环境方面的责任。建筑不仅仅要求实用、经济、美观,同时也应更加绿色、环保,并尽可能减少对能源的消耗。绿色设计及其产生的生态效果已经成为评判当代建筑是否合格的重要标准。
  绿色设计有高技术与低技术之分,高技术一般指技术含量高、运用高新技术材料及手段达到节能目的。高技术手段在获得高效节能效果的同时,解决问题的成本和其带来的负面效应也会上升;相比高技术,低技术的节能方式就更具有造价低廉、工艺简单、 取材方便、可靠性强等普适性的优点。
  本文从探寻建筑学的基本要素——形式和空间入手,遵循现代建筑功能主导的经典原则,紧密结合地域气候特征,采用成熟、可靠的技术手段,把绿色设计与建筑学很好地结合起来,并以此为基础探索具有普适性原则的绿色建筑设计方法,结合工程实践,以夏热冬暖地区的项目为例,总结出6种低技术被动式的绿色建筑设计策略。
  关键词:普适性;绿色;低技术;被动式;设计策略
  一、建筑生态、环保特征的定位
  广东道氏技术股份有限公司为2014年在深圳证券交易所成功上市的高新技术类科技公司,于2013年委托我方进行新园区规划与单体设计。工程总用地面积29013.18平方米,净用地面积20538.91平方米,总建筑面积约为56000平方米,分两期进行建设,一期为南侧靠近市政路的1#、2#楼,功能为宿舍、厂房及办公,二期为北侧的3#、4#楼,功能为厂房。
  在设计之初,甲方并不清楚自己究竟需要一个何种形式的建筑,只是在脑海中有一个很模糊的企业总部园区的宏观形象。经过双方充分沟通,完成反复几轮的概念讨论后,认为新的园区应能代表科技类企业创新、环保、生态的外在新形象,因此初步把建筑定位在现代主义风格,并应从设计上适应当地的气候这一基本原则,通过合理的气候学设计,使建筑达到在一年的大多数时间内的自然通风和采光,最大限度的利用可再生能源,减少对人工环境的依赖。
  二、根据实际项目特点融入绿色生态的设计理念
  本项目位于佛山,全年无雪,夏季达6-7个月,日照充足,气温炎热,最热月气温平均28~29℃。雨量充沛,年降雨量达140余天,而且7-9月间台风猛烈,冬季持续时间短且不甚寒冷,最冷月平均气温也一般都在10℃以上,年平均温度较高,达21~24℃,属亚热带季风性湿润气候。因此,夏季的通风隔热是最需优先考虑的问题。
  (一) 策略一内庭院
  1.佛山现状建筑平面尺度分析
  为了节约用地,城市中的建筑平面一般都比较紧凑,尤其是更加强调经济性的办公建筑,平面布置往往都具有大进深的特点。但是,过大的建筑进深势必影响自然采光与通风,尤其是处于岭南湿热的气候环境下,不得不借助于空调系统。
  2.因地制宜的内庭院设计方案
  (1)内庭院平面设计。本项目结合甲方使用功能,从建筑的生态气候学角度出发,通过低技术的手段布置建筑平面,在反复比较推敲后,最终确定的建筑平面呈现两个“L”型相扣在一起的正方形式,中间为一边长23米的正方形内庭院(图1-1),与东西两侧的人行入口大堂相对应,这个形式得到了甲方的充分认可,它不但解决了自然采光通风需要的小进深问题,还把一个大楼分为了两个小楼,同时彼此紧密结合的形态从一定程度上暗喻了甲方的公司名称中的“道”字。内庭院的设计可以很好地体现岭南建筑中常见的天井拔气的功能,利用垂直方向的空气层由于温度不同产生的风压产生空气流动,使室内空气可以很好的与室外空气形成对流,达到防热除湿的良好效果,从而形成舒适的室内温、湿度环境。
  (2)内庭院立面设计。考虑到佛山当地太阳辐射很强,因此在立面上做了深度1.05米的水平与竖向的铝制遮阳格栅,从下至上间距逐步缩小(图1-2),从底层的6.3米,到中层的2.1米,逐步过渡到顶层的1.05米,既考虑到建筑形式美的韵律要求,也很好的解决了顶层日照强,底层相对日照弱的问题,一举两得。
  内庭院的设计不仅仅从生态学上给建筑提供了自然采光与通风,较少了能耗,也满足了甲方的功能与形式要求,更重要的是很好的提升了办公人员的工作、休闲环境,即使在室内也可以随时感受到自然景观的存在,同时使得工作之余的休息变得更有乐趣,为人们提供了一个优美怡人的好去处。
  (二)策略二外遮阳
  1.佛山现状建筑平面尺度分析
  玻璃幕墙作为现代建筑常用的材料之一,有着外观通透、整洁明亮、后期免维护的优点。但是从节能角度来看,玻璃幕墙并不是最佳的选择。在佛山,不做任何遮阳设施的玻璃幕墙建筑比比皆是,在炎热漫长的夏季只能过于依赖空调,造成相当大的能源消耗同时也导致了越发严重的室外
  (三)策略三总平面规划
  一个好的总平面规划不但可以满足园区的功能,同时也应利于节约能源,在岭南湿热的气候中,获得场地良好的自然通风是本项目中着重考虑的问题。
  1.岭南地区的风气候特征与传统建筑应对方式
  传统佛山民居中的冷巷与天井很好的适应了这一环境,主要体现在两个方面:一是狭窄的空间使得直射阳光很难进入,形成大面积凉爽的阴影区;二是密度较大的狭窄空间形成多道“风廊”,可以很好的把外界自然风引入到建筑群中来。
  2.佛山现状建筑通风状况分析
  城市中的建筑密度较大,且以高层为主,形成一道一道的“风障”,所以说,解决城市建筑通风问题最根本的途径是降低城市建筑的密度和高度,退而求其次,也应多建设细高的塔楼,少做板楼,尤其是高板楼。
  3.方案总体格局
  总部办公楼为一期建造,因此规划中应优先考虑其通风情况。基地西侧为顺德水道,最宽处达到1公里,景色优美,通风状况良好。结合主导风向与景观资源,把总部办公楼布置在基地的西南角,既有利于观景,也利于自然通风。   (1)建筑错列布置,增加迎风面。整个园区共有四栋建筑,围绕中心广场呈风车状布局(图3-1),保证每栋建筑尽可能的相互错动,尽量减少彼此间的重叠与遮挡,增加迎风面。同时错动有致的建筑布局也丰富了园区内的景观效果,一改普通工业园区单板的行列式布局。
  (2)高低建筑的结合布置,把较低的建筑布置在迎风面。一期为多层建筑,由位于西南角的总部办公楼与东南角的宿舍组成;二期为高层厂房,位于基地北面。把较低的建筑布置在朝南向的迎风面,利于引风入园,减少对风的遮挡。南低北高的建筑规划也充分利用了西侧的沿江景观,使一期对二期的观江视线干扰减到最小(图3-2)。
  (3)园区开口迎向主导风向,建筑疏密布置改善通风。园区中的四栋建筑形成了四条通风的廊道,与岭南传统建筑中常常出现的“冷巷”有极其相似的作用。传统的冷巷一般宽约0.8-1.5米,仅容两人甚至一人通过,因为狭窄,巷道受太阳辐射小而保持阴凉,而且两侧高大的石墙是很好的蓄热体,白天储存热量,夜晚可以释放出来,据实测表明,冷巷可以作为气候缓冲层起到调节气温,减小温差的作用。本项目中四条廊道中的东西北三条较窄,南通道较宽,起到“捕风器”的作用,使主导风南风从南通道可以顺畅的进入园区,而后发散于其他三条较窄的通道(图3-3),形成丛向的园区内通风;办公楼设有室外中庭,宿舍楼设有半室外的内部通风走廊,可以与室外通道的气流形成对流,从而形成利用空气压差作用的横向通风,进行建筑室内空气的换气,减少对室内空调系统的依赖,达到节能作用。
  (四)景观设计
  园林植物对环境起着多方面的改善作用,主要表现在改善空气质量、蒸腾吸热、遮阳降温、净化水质、降低噪音等。本项目为工业项目,绿地率不得超过20%,实际绿地率为19.52%,给园林绿化留有的空间非常有限。如何在有限的指标中创造相对集中、充足的绿地,营造绿色生态的工业园区氛围,达到辅助节能的效果,是本项目着重考虑的问题。
  1.园区室外绿植景观设计
  首先是在园区边界处的围墙绿化,根据当地规划部门要求,围墙要用通透造型,为了避免高大乔木对通风的不利影响,沿围墙的植物应以尽量低矮,植冠美观的灌木或是小乔木为主;其次是园区内建筑之间、沿园区内部道路两侧布置的植物,可考虑一些小乔木或是灌木成组布置,主要起到遮阳降温的作用;再次是在窗台前4-5米以内种植的灌木可以引导风吹入室内,结合靠近办公楼的东西两侧布置室外浅水池,可以提前把导风入室的气流进行冷却,让一层室内的人们享受到凉爽的自然通风。
  2.建筑内部绿植景观设计
  除了在整个园区的大环境内进行的绿植设计外,建筑物内部的绿植产生的生态效应会更直接作用在建筑上,办公楼的内庭院的设计为植物搭配提供了许多种可能。这个边长23米见方的内庭院成为了整个建筑的“绿肺”(图4-1),阴凉舒适,尤其在炎炎夏日将成为室外不可多得的珍贵资源,所有的房间都可以对其直接开窗,使得充满绿色的内庭院形成一个性能优越的气候缓冲区。
  (五)构造设计
  良好的构造设计已成为建筑节能的关键,本项目主要从屋面通风、天窗通风、楼梯间开敞设计及屋顶露台遮阳三个方面说明构造节能的设计。
  1.屋顶的自然通风
  通风隔热屋面通常有以下 2 种方式:一是在结构层上部设置架空隔热层。这种做法把通风层设置在屋面结构层上 ,利用中间的空气间层带走热量 ,达到屋面降温的目的。另外 ,架空板还保护了屋面防水层。二是利用坡屋顶自身结构 ,在结构层中间设置通风隔热层 ,也可得到较好的隔热效果。本项目为平屋顶设计,采用的是第一种方式。
  2.天窗通风
  宿舍楼的走廊为呼吸式半室外设计,首层种有绿植,绿植之上为贯通整个建筑的采光通风井,屋面相应部位设有可开启天窗(图5-1)。这样的设计可以保证宿舍房间内部良好的空气流动,同时形成立体的“冷巷”空间,成为一个气候的缓冲区,达到低技术被动式的节能效果(图5-1)。
  3.楼梯间与辅助空间的绿色设计
  引导人们形成绿色、健康的生活方式,是生态建筑改变生活习惯的一个方面。在本项目宿舍楼的设计中,楼梯全为开敞式设计,楼梯与走廊连接的空间局部放大,结合室外遮阳格栅和局部绿植的设置,使楼梯与走廊不再是单纯的交通空间,而成为空间序列中动感流畅、通透灵活的多功能休闲空间,成为室内、半室外景观的一部分,结合室外遮阳格栅的设置,在低技术、低成本的条件下形成了丰富的光影效果,鼓励人们更多的使用楼梯间进行上下楼的行为(图5-2)。
  三、结论
  关于绿色建筑的讨论从未像现在这么广泛、热烈与引人注目,能源危机、环境危机及生态危机随着人类文明的发展接踵而来,自然和人们的关系越走越远,人们也愈发习惯生活在自己制造的环境中,空调、加湿器、PM2.5过滤系统等等为我们提供了舒适的室内环境,这种舒适的代价显而易见,环境在承受着愈发沉重的压力,城市的热岛效应就是一个显而易见的负面例证。近期报道也表明,每一小时地球上就有一个物种被灭绝,这时候的所谓舒适对其他物种来说即意味着灾难。
  当然,当代的建筑设计工作面临着许多复杂的问题,设计的出发点往往千差万别,建筑的社会价值、文化价值、生态价值与技术价值要素之间,不同的建筑师会有不同的追求,绿色建筑并不能站在制高点上来评判其他,而应是鼓励在有可能的情况下,建筑师应从低技术被动式的节能角度出发,注重通过建筑学的手段,充分从当地传统建筑上汲取养分,从建筑形态和空间的营造上达到“普适”的绿色。
  这种绿色建筑的设计理念往往具有成本低、易实现、对自然的索取更少也更具有可持续的效果。本文论述的以上五个策略与建筑学的设计本质有着紧密的关系,希望通过建筑师的不懈努力,创作出符合当地气候生态特征的绿色建筑,并把这个方式与甲方要求、社会文化、大众审美及功能需要紧密结合起来,达到很好的节能效果。
  参考文献:
  [ ]田慧丰、孙大明、朱慧宾.广州地区建筑外遮阳节能性能研究[J].建筑节能,2007.10
  [2]陈晓扬、仲德崑.冷巷的被动降温原理及其启示[J].新建筑,2011.03
  [3]毕晓云.建筑设计中的自然通风
  [4]王玲、王丽洁、马士宾.建筑设计中对自然通风的探讨[J].工业建筑,2009.39
  作者简介:
  董尧,男,北京人,1977年出生,学历:本科,职称:工程师,职业资格:一级注册建筑师,工作单位:北京东方华太建筑设计工程有限责任公司。
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