绿色化设计策略与绿色创新研究
目前,中国建筑业资源能耗十分严重,在这样的背景下,未来中国的资源和环境形式将更加严峻。随着政府与民众对生态环境保护越来越重视,“绿色建筑”已经成为未来中国建设领域的必然发展趋势,“绿色建筑设计”将成为未来建筑设计的主导方向。在这一发展过程中,建筑业传统的设计手段与建造技术已经渐渐与之相悖。因此只有做出改变,向绿色建筑发展才是尊重自然、保护环境与人体健康的必由之路。绿色建筑,特别是绿色化设计、建筑技术以及运行方式将是我国建筑业的发展方向。
绿色建筑是一种提倡在满足环境舒适度的前提下,尽可能降低资源消耗和减少环境污染,追求以人为本的“低能耗舒适”的建筑理念。绿色化设计倡导的是从设计源头开始,引导设计人员注重从人的需求出发,发挥建筑师的重要作用,赋予建筑天然绿色基因;注重降低建筑全生命周期的资源能耗;注重延长建筑寿命,有效延长资源利用时间,提高资源利用率;关注以信息技术为支撑,提升建筑的功能和服务水平,为建筑使用者提供便利。最终的目的是创造健康、舒适、自然、和谐的室内外建筑环境。
1绿色化设计策略体系
通过对不同气候区、不同建筑类型的分类研究,标准院搭建了“五大建筑气候分区×四大建筑物理性能×三大建筑类型”的绿色化设计策略体系,建立起一套“从分析各建筑气候区对建筑建成环境的影响因素出发,进而对各影响因素类型化,从建筑声、光、热、风四大物理性能角度归纳菜单式的绿色建筑设计措施,并根据不同建筑类型的建筑特点进行优先级的细化归纳”的标准化绿色建筑设计体系,为设计人员及业主提供了可供选择的技术方法数据库。
绿色化设计策略体系是以规划、建筑、结构、机电、景观多专业设计为基础轴X轴;以技术方法(建筑性能模拟、建筑节材、能效监控、屋顶绿化、可再生能源利用等)为Y轴,形成绿建设计的技术层;以各设计阶段(前期策划、方案设计、初步设计、施工设计、整理申报)为Z轴;最终,形成了立体化的“绿色化设计”集成方式(图1)。
1.1绿色化设计策略
基于建筑气候分区、建筑热工分区和典型的建筑类型的特征,研究适宜于不同气候区和建筑类型对应的建筑设计策略,形成指导绿色建筑设计的“数据库”(表1)。
1.2绿色化设计团队
绿色化设计的团队建构体现综合集成创新。由于绿色建筑设计目标多且复杂,使用到的环保技术也比常规建筑多,因此设计团队需增加大量技术设计人员来完成设计工作。设计过程中,以建筑设计专业为核心,与规划设计、结构设计、机电设计、室内设计、景观设计、经济等各专业协同工作,是保证绿色化设计体系完整性的基础。
1.3绿色化设计流程
绿色化设计融入到建筑设计的每一个阶段,以不断循环的方式推进设计过程,保证了绿色建筑的整体性。通过对每个环节中绿色建筑与项目的参与度和匹配度进行分析,总结归纳出绿色化设计流程(表2)。
2绿色化设计实例
2.1项目概况
以广华新城住区配套综合体方案设计为例,分析在实际工程中如何落实绿色化设计。设计团队首先分析了项目的实际情况:广华新城住区配套综合体位于北京市朝阳区,属于寒冷地区;项目周边地势平坦,西临规划配套教育设施用地,东侧、北侧现状为住宅区;项目由高层办公、商业服务设施、室内文体活动中心、养老院及社区卫生服务中心组成(图2,3)。
2.2设计目标
广华新城住区配套综合体应当是一个满足功能、适应变化、便捷易用、环境友好、高效实用的现代化建筑。
(1)满足功能:设计应该保证办公、商业、文体活动、养老托养等功能能够顺利运行且满足使用需求。
(2)适应变化:房间应该具有足够的灵活性,以满足不同的空间使用方式。
(3)便捷易用:项目应该是一个人们可以便捷使用的空间,开敞的空间和充足的自然采光非常重要。
(4)环境友好:通过自然通风或被动通风,以及最大限度的自然光给人们创造舒适环境。
(5)高效实用:可持续性是建造和配置设备时减少生态影响的一个关键词。建筑设计应该尽可能减少运行成本,并让员工以最高效的方式工作。
2.3策略选择
北京属于寒冷地区,绿色化设计应综合考虑场地内外建筑日照、自然通风与噪声要求等方面,设计中仅仅考虑形体因素本身是不够的,需要与其他因素综合考虑。建筑形体的设计应充分利用场地的自然条件,综合考虑建筑的朝向、间距、位置和比例等因素,使建筑获得良好的日照、通风和视野。在规划与建筑单体设计时,宜通过场地日照、通风、噪声等模拟分析确定最佳的建筑形体。
建筑单体的尺寸和形状设计应考虑避免冬季风对建筑物侵入,减小风向与建筑物长边的入射角度、建筑物高度、长度的变化对局部气流和风环境有较大影响。建筑单体设计时,在场地风环境分析的基础上,宜通过调整建筑的长宽高比例,使建筑物迎风面压力合理分布,避免背风面形成漩涡区。
建筑朝向的选择,涉及当地气候条件、地理环境、建筑用地情况等,需要全面考虑。寒冷地区朝向选择的总原则是:在节约用地的前提下,要满足冬季能争取较多的日照,夏季避免过多的日照,并有利于自然通风的要求;建筑朝向应结合各种设计条件,因地制宜地确定合理的范围,以满足生产和生活的要求(表3)。
2.4基于绿色化设计策略的方案设计
北京地区属暖温带半湿润大陆季风气候。夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,春秋短促;年平均气温11~13℃,月平均气温7、8月高于舒适温度,需要通风降温;全年风向为冬季多西北风,夏季多东南风,建筑以东南朝向优先,建筑之间形成导风夹角(图4)。
广华新城住区配套综合体用地西临规划配套教育设施用地,东侧、北侧现状为住宅区。设计应注重建筑群体布局与周围环境关系,充分考虑对学校和住区的日照、噪声影响。根据建设规模要求,结合用地条件提出6种典型的可适用于项目的建筑形体,将风、光环境的模拟作为方案设计的前提,对多个方案进行比选(图5,6)。
第一,通过PHOENICS软件对6种总平面布局方案的场地冬季风环境进行模拟分析得出:方案二、三的冬季场地风环境最优,建筑高度1.5m处,人行区风速约为2~4.1m/s,风速适宜,建筑布局不影响室外行人的正常活动,有利于排出场地内产生的污浊气体;方案一的三个矩形建筑体块之间存在狭管效应而产生强风;方案四的建筑迎风面与背风面的风压差较大,建筑物的冷风渗透严重,能耗较高(图7)。
第二,通过PHOENICS软件对6种总平面布局方案的场地夏季风环境进行模拟分析得出:方案二、三的夏季场地风环境最优,室外风速大小适宜,气流组织顺畅,无明显的旋涡区和风影区,建筑布局可促进夏季人行区的散热;方案五、六的建筑体块阻挡了夏季东南风,在建筑背风面和学校操场之间形成风影区,不利于污染物扩散(图8)。
第三,通过Ecotect软件对6种总平面布局方案的场地光环境进行模拟分析得出:方案二的布局形式,场地西侧操场、北侧住宅区获得的日照时间最长,遮挡较小;方案五采用的板式建筑形式,上午时段对场地西侧操场的日照遮挡影响较大,几乎将整个操场置于阴影之中。综合上述分析,得出了在多项模拟中均表现出优势的建筑形体方案,并以此为原型深化设计(图9,10)。
通过对6种典型的可能适用于本方案的建筑形体的风环境、光环境和场地遮挡情况的模拟,得出多项模拟中均表现出优势的建筑形体方案,并以此作为原型深化展开(图11)。为了更好地降低新建建筑对西侧操场的影响,在确定塔楼位置的基础上,设计尝试对建筑形体进行扭转、倒角和退台设计,以减少对学校操场的日照影响,削减学校方向的视觉压迫感,同时也创造了丰富的建筑造型(图12)。同时,设计在养老与托养部分引入屋顶生态庭园,改善自然采光、促进自然通风,同时为老年人提供了康复修养的活动场所,丰富城市的俯仰景观。生态庭院位于屋顶平台上,可以保证安静与私密性(图13)。
3结语
本文以绿色化设计策略体系作为理论依托,通过广华新城住区配套综合体项目实例,分析了实际工程中的绿色建筑设计要点,引导设计人员在项目策划阶段建立明确的设计目标,并通过各阶段各专业的反复研讨,详细分析达成这些目标的可行办法。该项目应用了生态庭园、半室外空间、可调节式外遮阳、双层呼吸式幕墙等被动式技术,以及太阳能热水、智能新风系统、空气净化系统、雨水收集系统等主动式技术。绿色化建筑设计较常规设计具备更高的技术含量,虽然这些技术并不专指高科技技术,但仍给设计团队尤其是建筑设计师带来了前所未有的挑战。