基于BIM的被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)在校園中的實(shí)踐

牛潤(rùn)卓 袁小宜 田智華 陳益明

深圳市建筑科學(xué)研究院有限公司

0 前言

“綠色校園”是指學(xué)校在實(shí)現(xiàn)其基本教育功能的基礎(chǔ)上，以可持續(xù)發(fā)展理論為導(dǎo)向，在全面的日常工作中將可持續(xù)發(fā)展思想納入管理中，通過(guò)制訂環(huán)境管理制度，開(kāi)展有效的環(huán)境教育活動(dòng)，創(chuàng)設(shè)環(huán)境保護(hù)的文化氛圍，促進(jìn)師生、家長(zhǎng)和專家參與環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的實(shí)際行動(dòng)，全面提高師生的環(huán)境素養(yǎng)，共同為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

綠色建筑則是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[1]。

在深圳市南山區(qū)麗湖中學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“麗湖中學(xué)”）工程建設(shè)中，針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的氣候特點(diǎn)，采取被動(dòng)綠色建筑技術(shù)為主，主動(dòng)綠色建筑技術(shù)為輔，通過(guò)三維信息化設(shè)計(jì)（BIM Building Information Modeling），實(shí)現(xiàn)了綠色建筑技術(shù)與綠色學(xué)校的有機(jī)融合的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況

麗湖中學(xué)位于深圳市南山區(qū)西麗與大沙河交叉口的西南側(cè)，于2012年9月份竣工投入使用，總用地面積 30684m2，總建筑面積 21349.12m2，地上 4層、局部地下1層，建筑高度24.6m。根據(jù)使用功能需要，工程分為3個(gè)組團(tuán)，分別為教學(xué)區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)和行政區(qū)。用地西側(cè)有西麗水庫(kù)，東臨大沙河，隔河與環(huán)境優(yōu)美的深圳大學(xué)城相望，用地南側(cè)有一座自然小山丘，具有良好的自然環(huán)境。

麗湖中學(xué)已獲得國(guó)家綠色建筑二星級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)和深圳地區(qū)綠色建筑金級(jí)設(shè)計(jì)認(rèn)證，并于2012年成為深圳市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目之一。

2 BIM技術(shù)集成應(yīng)用

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立。BIM技術(shù)由于其豐富的信息量在建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工過(guò)程優(yōu)化和施工管理優(yōu)化等方面，已得到了驗(yàn)證，使用BIM技術(shù)可以使規(guī)劃、設(shè)計(jì)（初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工圖）、建造、運(yùn)營(yíng)、管理各個(gè)環(huán)節(jié)信息連貫一致。

麗湖中學(xué)利用BIM軟件建構(gòu)三維設(shè)備管線綜合模型，對(duì)所有水、暖、電管線間沖突，管線與結(jié)構(gòu)間沖突進(jìn)行檢查，并對(duì)管線綜合圖進(jìn)行優(yōu)化，有效降低管線施工過(guò)程中時(shí)間成本與物料成本，為建設(shè)方節(jié)約了投資。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和三維信息化設(shè)計(jì)（BIM）手段的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綠色建筑性能與文化有機(jī)統(tǒng)一的目標(biāo)。

3 被動(dòng)式技術(shù)集成與創(chuàng)新

被動(dòng)式技術(shù)是以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù)，具體指在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)建筑朝向的合理布置、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)、有利于自然通風(fēng)的建筑開(kāi)口設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)建筑需要的采暖、空調(diào)、通風(fēng)等能耗的降低。

本項(xiàng)目大量采用被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)，用以改善建筑的室內(nèi)外環(huán)境，如場(chǎng)地高差利用，功能分區(qū)，首層架空，場(chǎng)地生態(tài)環(huán)境營(yíng)造，以及室內(nèi)自然采光通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3.1 因地制宜的空間布局

麗湖中學(xué)原用地不平整，存在高差，如采用場(chǎng)地平整后建設(shè)方案則會(huì)導(dǎo)致大量的挖方和填方，既是對(duì)原有場(chǎng)地的破壞，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。

項(xiàng)目利用原有場(chǎng)地高差，將傾斜的場(chǎng)地分為若干個(gè)標(biāo)高的臺(tái)地，利用場(chǎng)地建造的先天因素。西側(cè)沿路較高的臺(tái)地作為教學(xué)區(qū)、東側(cè)作為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)區(qū)，不同臺(tái)地自然形成的高差作為露天運(yùn)動(dòng)場(chǎng)看臺(tái)。不同的標(biāo)高變化豐富了校園的空間層次感受，同時(shí)又有效地減少了工程土方量，節(jié)約造價(jià)。

3.2 以人為本的院落平面布局

麗湖中學(xué)用地呈梯形布置，整體靠近動(dòng)物園路，用地平面如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目用地示意

從圖1可以看出，項(xiàng)目用地不規(guī)則，呈梯形分布；同時(shí)項(xiàng)目用地靠近動(dòng)物園路，根據(jù)動(dòng)物園路道路噪聲測(cè)試發(fā)現(xiàn)（圖2），動(dòng)物園路的噪聲較大，表1為現(xiàn)場(chǎng)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

圖2 麗湖中學(xué)周邊噪聲測(cè)點(diǎn)分布圖

表1 麗湖中學(xué)項(xiàng)目周邊各測(cè)點(diǎn)噪聲檢測(cè)值

圖3 1.5m高度處聲壓級(jí)dB（A）分布圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和噪聲模擬分析技術(shù)，得出場(chǎng)地聲環(huán)境分布圖，如圖3所示。

通過(guò)場(chǎng)地聲壓級(jí)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，靠近動(dòng)物園路一側(cè)的噪聲值較大，隨著逐漸遠(yuǎn)離動(dòng)物園路，聲壓級(jí)呈逐漸減小的趨勢(shì)，到了建筑內(nèi)部噪聲已小于40dB（A）。因此，項(xiàng)目在進(jìn)行建筑平面布局時(shí)，將對(duì)聲環(huán)境要求較高的房間，如教學(xué)樓和部分實(shí)驗(yàn)樓放置在遠(yuǎn)離西麗湖一側(cè)，營(yíng)造了靜謐的學(xué)習(xí)空間；并盡可能地將行政樓和實(shí)驗(yàn)樓的衛(wèi)生間、樓梯間等放置在靠近動(dòng)物園路一側(cè)，盡可能減少噪聲對(duì)主要功能房間的影響。

3.3 首層架空

麗湖中學(xué)場(chǎng)地較緊湊，為節(jié)約利用用地，學(xué)校采用書(shū)院式布局，但同時(shí)也為自然通風(fēng)帶來(lái)了障礙。為解決院落內(nèi)部的通風(fēng)問(wèn)題，同時(shí)也為了人員休憩空間的需求，麗湖中學(xué)充分利用了首層架空設(shè)計(jì)，架空設(shè)計(jì)不僅可營(yíng)造花園式的良好環(huán)境，還可為自然通風(fēng)提供廊道，將自然風(fēng)引入到建筑內(nèi)部，確保了院落內(nèi)部的自然通風(fēng)需求；而且也打通了低層各院落間的視線通廊和交通流線，方便各個(gè)組團(tuán)的溝通[2]。

通過(guò)風(fēng)環(huán)境仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證項(xiàng)目的首層架空方式是否滿足要求：

根據(jù)麗湖中學(xué)所在地氣象特點(diǎn)，分析以下兩種氣象條件下的首層通風(fēng)狀況：1）夏季主導(dǎo)風(fēng)：風(fēng)速為1.8m/s，風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)；2）冬季主導(dǎo)風(fēng)：風(fēng)速為 2.0m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)。

麗湖中學(xué)冬夏兩季建筑內(nèi)部通風(fēng)效果如下所示：

圖4 場(chǎng)地人行高度處風(fēng)環(huán)境分析

通過(guò)以上模擬結(jié)果可知：夏季和冬季主導(dǎo)風(fēng)室外人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速均控制在5m/s以下，并可以將外界的自然風(fēng)引入建筑內(nèi)部，從而改善了建筑內(nèi)部的通風(fēng)，避免了因圍合布局帶來(lái)的通風(fēng)不暢的影響（如圖4紅色虛線所示）。此外，建筑迎背風(fēng)面平均壓差大于3Pa，具有良好室內(nèi)自然通風(fēng)的先決條件，如圖5所示。

圖5 迎風(fēng)面和背風(fēng)面表面壓力分布圖

此外，為緩解校園緊湊帶來(lái)的活動(dòng)空間減少的問(wèn)題，麗湖中學(xué)在架空區(qū)域設(shè)置大量綠化，為師生提供了遮風(fēng)避雨的休憩空間；同時(shí)，項(xiàng)目盡可能地采用各種透水鋪裝，減少雨水在地表的積蓄，減輕市政排水管網(wǎng)壓力，緩解城市熱島效應(yīng)。

3.4 自然采光優(yōu)化設(shè)計(jì)

人眼在天然光下比在人工光下具有更高的視覺(jué)功效，并感到舒適和有益于身心健康，這表明人類在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，眼睛已習(xí)慣于天然光。太陽(yáng)光是一種巨大的安全的清潔光源，室內(nèi)充分地利用天然光，就可以起到節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的作用[3]。此外，天然采光照明相對(duì)于人工采光照明不僅節(jié)省能源，而且光照舒適度好，更適于人眼閱讀的需要。因此，自然光對(duì)于正處在成長(zhǎng)發(fā)育的青少年顯得尤其重要。

本工程主要通過(guò)兩個(gè)措施加強(qiáng)主要房間，如教室，實(shí)驗(yàn)室的自然采光：1）減少采光進(jìn)深；2）突破性地采用玻璃磚作為建筑內(nèi)墻，充分加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的透光特性，從而確保功能房間最大可能地獲得自然采光。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于學(xué)校建筑的采光系數(shù)要求[4]如表2所示。

表2 學(xué)校建筑的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

麗湖中學(xué)位于深圳，深圳屬于III類光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)為1.0，因此對(duì)于麗湖中學(xué)，采光系數(shù)的最低要求為2%。

通過(guò)模擬分析可以發(fā)現(xiàn)（圖6），典型教室和實(shí)驗(yàn)室的平均采光系數(shù)均超過(guò)2%，其中教室的平均采光系數(shù)達(dá)到2.9%，實(shí)驗(yàn)室的平均采光系數(shù)達(dá)到4.06%，以上分析均是在全陰天，即最不利的情況下進(jìn)行的，因此采用控制進(jìn)深和玻璃墻的方法可以滿足師生的晝間閱讀和學(xué)習(xí)需求，不用額外開(kāi)燈。

圖6 典型教室與實(shí)驗(yàn)室自然采光系數(shù)分析

3.5 生態(tài)環(huán)境營(yíng)造

麗湖中學(xué)作為學(xué)校建筑，建筑生態(tài)環(huán)境對(duì)在校師生的身心健康有著顯著的影響，因此項(xiàng)目在有限的校園里進(jìn)行了大量的結(jié)合場(chǎng)地本身的生態(tài)環(huán)境營(yíng)造設(shè)計(jì)，如地理園，博知園，生物園等供學(xué)生休憩的綠化空間，讓學(xué)生在休憩之余可以學(xué)習(xí)到各種植物知識(shí)；此外，項(xiàng)目還結(jié)合中水回用系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人工濕地，從身邊教育學(xué)生要珍惜水資源。

麗湖中學(xué)大量采用各種透水鋪裝，如植草磚，透水磚等，室外透水地面面積比可達(dá)50.4%，利于減少地表徑流，減輕市政排水管網(wǎng)壓力，緩解城市熱島效應(yīng)。

3.6 綠色教育

麗湖中學(xué)將綠色建筑與綠色學(xué)校相結(jié)合，制定綠色建筑參觀學(xué)習(xí)流線，通過(guò)學(xué)生日常的學(xué)習(xí)，將環(huán)境意識(shí)和行動(dòng)貫穿于教育教學(xué)的整體性活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問(wèn)題，掌握基本的綠色建筑科學(xué)知識(shí)，懂得人與自然要和諧相處的基本理念；學(xué)會(huì)如何從自己開(kāi)始，從身邊的小事做起，積極參與保護(hù)環(huán)境的行動(dòng)。

4 總結(jié)

麗湖中學(xué)在探索綠色學(xué)校建筑之路走出了重要的一步，該工程以被動(dòng)技術(shù)為主，主動(dòng)技術(shù)為輔，如結(jié)合數(shù)值分析的優(yōu)化布局、自然通風(fēng)，自然采光，首層架空等，為在校師生提供了宜人的學(xué)習(xí)環(huán)境和濃郁的綠色建筑學(xué)習(xí)氣氛。

工程全面采用全專業(yè)、全過(guò)程BIM設(shè)計(jì)，建筑師和各專業(yè)工程師以及綠色建筑咨詢工程師無(wú)縫配合，同步采用軟件模擬驗(yàn)算，對(duì)建筑的設(shè)計(jì)方案推敲比選、及時(shí)修正，尋找最佳的實(shí)現(xiàn)途徑。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和三維信息化設(shè)計(jì)（BIM）手段的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了綠色建筑性能與文化有機(jī)統(tǒng)一的目標(biāo)。

[1]綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50378-2006)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006

[2]王毅立,袁小宜.傳統(tǒng)傳承與綠色精宜在校園文化建筑中的融合——以深圳市南山區(qū)麗湖中學(xué)綠色校園規(guī)劃設(shè)計(jì)為例[J].生態(tài)城市與綠色建筑,2012,(1):21-24

[3]建筑物理(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009

[4]建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50033-2001)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001