低成本太陽能學(xué)校設(shè)計及運(yùn)行測試—— 以汶川災(zāi)后重建綿陽市楊家鎮(zhèn)小學(xué)設(shè)計為例

中國建筑設(shè)計研究院 ■ 鄭晶茹 鞠曉磊 夏晶晶

0 引言

汶川地震后，我國政府迅速開展災(zāi)區(qū)重建工作，尤其以學(xué)校重建為重點(diǎn)。與災(zāi)后重建工作同時啟動的“2009年臺達(dá)杯國際太陽能建筑設(shè)計競賽”，以“陽光與希望”為主題向全球征集四川綿陽地區(qū)和災(zāi)后馬爾康地區(qū)重建“陽光小學(xué)”設(shè)計方案。根據(jù)四川省綿陽市涪城區(qū)楊家鎮(zhèn)小學(xué)災(zāi)后重建的實(shí)際情況，實(shí)施方案以競賽一等獎作品為基礎(chǔ)，由中國建筑設(shè)計研究院深化完成施工圖并進(jìn)行實(shí)地建設(shè)(圖1～2)。

圖1 競賽設(shè)計鳥瞰圖

圖2 實(shí)施方案設(shè)計鳥瞰圖

本工程設(shè)計立足災(zāi)區(qū)重建實(shí)際，充分考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和氣候條件，將節(jié)能和低碳運(yùn)營的可持續(xù)發(fā)展理念融入建筑設(shè)計中，充分利用太陽能等可再生能源，打造融合現(xiàn)代教育理念和先進(jìn)建筑技術(shù)的新型校園空間，體現(xiàn)區(qū)域適應(yīng)性的設(shè)計與建造技術(shù)，營造安全健康、舒適節(jié)能的育人空間，提供高效能、人性化的教學(xué)環(huán)境，為災(zāi)區(qū)的孩子們創(chuàng)造一個親近自然的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 工程概況

項(xiàng)目基地東西長150 m，南北長190 m，呈矩形形狀。東北側(cè)臨石欄路，西北側(cè)為楊家鎮(zhèn)規(guī)劃文化中心區(qū)，東南側(cè)為楊家鎮(zhèn)中學(xué)宿舍，西南側(cè)臨楊家鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃道路。用地為洼地，比周邊道路平均低3～4 m，地塊內(nèi)北側(cè)較高，其余用地較為平坦(圖3～4)。

圖3 學(xué)校建設(shè)地點(diǎn)原貌

圖4 學(xué)校建設(shè)用地范圍

小學(xué)為18班，學(xué)生總數(shù)為810人，住校生約300人。校舍由教學(xué)與辦公樓、宿舍樓、食堂3部分組成，地上1～3層，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 總體布局

2.1 用地規(guī)劃

充分利用現(xiàn)有場地條件進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，將預(yù)留發(fā)展用地、操場和其他活動場地共同布置在用地南側(cè)，不但避免了用地南側(cè)土坡上5層宿舍樓對教學(xué)樓采光的遮擋，而且為學(xué)校未來發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。利用基地北側(cè)現(xiàn)有的場地高差進(jìn)行設(shè)計，營造高低錯落的空間環(huán)境，既實(shí)現(xiàn)了土地的集約利用，又減少了施工土方量。在主要學(xué)生人流方向設(shè)置主入口，在城市規(guī)劃道路中設(shè)置次要入口并分別設(shè)置廣場，以滿足短時間內(nèi)人流疏散的要求。

2.2 功能分區(qū)

小學(xué)設(shè)置了教學(xué)區(qū)、宿舍區(qū)、生活輔助區(qū)及體育運(yùn)動區(qū)，包括意外災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急避難空間，并在學(xué)校西南側(cè)預(yù)留發(fā)展用地(圖5～6)。

3 建筑設(shè)計

3.1 教學(xué)主樓

教學(xué)主樓中包含了學(xué)校所有教學(xué)用房和教學(xué)輔助用房。教學(xué)用房分為3排外廊式平面平行布置。教學(xué)輔助用房布置在北側(cè)兩排教學(xué)用房的東側(cè)，結(jié)合學(xué)校里一入口，形成類似反“E”字形布局形式(圖7)。用回廊將各部分連接成一個整體，在教學(xué)區(qū)形成一個方便快捷，且能遮風(fēng)避雨的交通體系。南側(cè)一排教室結(jié)合地形下躍一層，既減少了土方量，又豐富了空間形態(tài)。開放的空間和圍合的庭院景觀為室外活動增添了樂趣，符合少年兒童活潑好動的心理特點(diǎn)。從學(xué)校入口到大門再到庭院，形成一個簡潔的流動空間。靠近西南角的衛(wèi)生間服務(wù)于教學(xué)樓及運(yùn)動場，提高了利用率，同時在主導(dǎo)風(fēng)向下，避免了不良?xì)怏w對教學(xué)區(qū)的影響(圖8)。

圖8中綠色、紅色和黃色區(qū)域分別代表教學(xué)樓和宿舍樓的衛(wèi)生間。綠色部分衛(wèi)生間在東側(cè)開小高窗，減少冬季串味；夏季衛(wèi)生間處于下風(fēng)向，不會產(chǎn)生氣味影響。紅色區(qū)域衛(wèi)生間外側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障，減少冬季串味；夏季衛(wèi)生間處于下風(fēng)向，不會產(chǎn)生氣味影響。黃色部分衛(wèi)生間在冬夏兩季均處于下風(fēng)向，不會產(chǎn)生串味現(xiàn)象。

3.2 宿舍樓

宿舍樓由男生宿舍和女生宿舍通過3層的連廊連接，形成一個半圍合式獨(dú)立空間。樓內(nèi)教工宿舍與學(xué)生宿舍分區(qū)設(shè)置，既方便管理又避免相互干擾(圖9)。

3.3 食堂

食堂為獨(dú)立建筑，由廚房和餐廳兩部分組成。廚房在建筑西側(cè)餐廳的東側(cè)部分，與教學(xué)樓和宿舍形成三角形關(guān)系，符合學(xué)生日常的生活流線，便于使用。

圖8 衛(wèi)生間位置與風(fēng)向的關(guān)系

圖9 宿舍7.200 m標(biāo)高平面圖

3.4 建筑形式

校園的建筑主體采用灰瓦、白墻、木色構(gòu)件，灰色坡頂結(jié)合教室南側(cè)的褐色復(fù)合墻體，并結(jié)合川西民居穿斗式結(jié)構(gòu)形式，適當(dāng)運(yùn)用當(dāng)?shù)夭牧希瑺I造簡潔明快又不失地方特色的建筑風(fēng)格。

4 技術(shù)策略及運(yùn)行測試

基于綿陽地區(qū)夏季悶熱、冬季潮濕的氣候特點(diǎn)，以及低成本建設(shè)增量和運(yùn)行成本控制要求，采取以被動太陽能建筑技術(shù)為主、主動太陽能技術(shù)為輔的技術(shù)策略。

4.1 被動太陽能建筑設(shè)計

在進(jìn)行被動太陽能建筑設(shè)計時采取由大到小、由整體到局部的設(shè)計手法。根據(jù)綿陽地區(qū)夏季悶熱、冬季潮濕的氣候特點(diǎn)，以及教學(xué)樓、宿舍樓和食堂的使用特點(diǎn)，采用夏季以通風(fēng)、隔熱、遮陽、隔潮為主，冬季以集熱、保溫、通風(fēng)為主的被動技術(shù)，并按照從建筑群體到節(jié)點(diǎn)構(gòu)造逐步深入的方法進(jìn)行被動技術(shù)設(shè)計。

4.1.1 校園風(fēng)環(huán)境設(shè)計

充分考慮綿陽地區(qū)的風(fēng)速和風(fēng)向，以及學(xué)校用地周邊地形地貌對學(xué)校用地內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響。利用“PHOENICS”建筑環(huán)境模擬分析軟件，對學(xué)校的規(guī)劃和建筑群體的空間組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。充分利用不同季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向的變化，設(shè)計出利于夏季自然通風(fēng)與除濕、冬季阻擋冷風(fēng)的建筑空間組合形式，營造出相對舒適的室內(nèi)外校區(qū)環(huán)境 (圖 10～11)。

4.1.2 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

任何建筑采用各種主動、被動節(jié)能技術(shù)的首要條件，是建筑物自身應(yīng)具有良好的保溫隔熱性能，也就是說，該建筑本身就是一座“節(jié)能建筑”。要做到這一點(diǎn)，就要求建筑的維護(hù)體系應(yīng)采用相應(yīng)的措施，使其具有良好的保溫隔熱性能。為滿足這個要求，本建筑在外維護(hù)墻體設(shè)計采用復(fù)合墻體(圖12)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)復(fù)合保溫材料，提高墻體的保溫隔熱性能；在屋面層復(fù)合保溫材料外，還設(shè)置空氣緩沖層進(jìn)一步提高保溫隔熱性能(圖13～16)。在宿舍樓頂設(shè)置種植屋面，在保溫隔熱的同時，為學(xué)生營造出另一處趣味活動空間(圖17～18)。

圖12 復(fù)合墻體構(gòu)造示意圖

4.1.3 被動通風(fēng)設(shè)計及運(yùn)行測試

教學(xué)樓采用有利于自然通風(fēng)的單廊式平面布局，頂層教室結(jié)合屋面造型設(shè)置天窗，加強(qiáng)頂部房間通風(fēng)，改善頂部房間夏季濕熱環(huán)境。教學(xué)輔助辦公區(qū)樓梯間及宿舍南側(cè)設(shè)置強(qiáng)化的太陽能煙筒，利用熱壓通風(fēng)原理提高室內(nèi)通風(fēng)能力 (圖 19～22)。

圖21 宿舍太陽能煙筒內(nèi)景圖

圖22 宿舍太陽能煙筒外景圖

通過運(yùn)行測試表明，開啟通風(fēng)措施后，教室內(nèi)溫度要比關(guān)閉通風(fēng)措施的教室內(nèi)溫度低0.5～1 ℃，宿舍內(nèi)溫度要比關(guān)閉通風(fēng)措施的宿舍內(nèi)溫度低1～3℃ (圖 23～24)。

4.1.4 被動隔潮設(shè)計及運(yùn)行測試

在教學(xué)樓、宿舍的首層樓板下設(shè)置300 mm的架空層，形成空氣流動層，在墻體四周設(shè)有洞口，通過空氣流動將架空層內(nèi)的潮氣帶走，有效防止地面濕氣進(jìn)入室內(nèi)，保護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不受腐蝕(圖 25～26)。

圖25 架空層隔潮原理圖

圖26 架空層出風(fēng)口實(shí)景圖

通過運(yùn)行測試表明，架空地板宿舍內(nèi)的相對濕度要比無架空地板宿舍內(nèi)的相對濕度低20%～40%(圖 27～28)。

4.1.5 建筑采光設(shè)計及運(yùn)行測試

教室南側(cè)外窗上部的1/3處設(shè)置百葉遮陽反光板，結(jié)合屋檐及南側(cè)的雙墻墻體，形成一套完整的遮陽體系。充分利用綿陽地區(qū)夏、冬季日照高度角的差別，起到夏季遮陽、冬季透光的作用，起到直接調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境的效果(圖29～32)。

通過有無遮擋的天窗進(jìn)行對比測試表明，天窗可為室內(nèi)增加100～200 lux的光照度，有效提高教室內(nèi)光環(huán)境，從而減少人工照明時間(圖33)。

4.2 主動太陽能技術(shù)應(yīng)用

在食堂中設(shè)置集中浴室和水房，采用太陽能集中熱水系統(tǒng)為住宿學(xué)生和教工提供淋浴所需的生活熱水和飲用開水，方便師生生活(圖34)。

5 結(jié)語

陽光小學(xué)于2012年正式投入使用(圖35)。在被動太陽能設(shè)計優(yōu)先、建筑與自然環(huán)境和諧的設(shè)計理念指導(dǎo)下，災(zāi)后重建的校園不僅建設(shè)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的場所，更是一個顯性物質(zhì)文化與隱性人文精神和諧共存的精神家園 “感謝陽光、感恩愛心”，這是陽光小學(xué)學(xué)生們的心聲。

新建筑對人們的影響，最顯著的區(qū)別在于加強(qiáng)了使用者與環(huán)境的友好互動，培養(yǎng)了學(xué)生們對節(jié)約能源的意識，養(yǎng)成了環(huán)保節(jié)能的生活方式和可持續(xù)的生活態(tài)度。讓校園建設(shè)與鄉(xiāng)村教育共同進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)“教育發(fā)展”與“環(huán)境保護(hù)”的和諧共生；讓可持續(xù)發(fā)展的綠色新校園，長久地惠及這片土地以及土地上的子孫。