寒冷地區既有住宅與住區的綠色化物化探討

■ 黃麗瑋 HUANG Liwei 楊 麗 YANG Li 王萬江 WANG Wanjiang

0 引言

我國住宅建筑業在經過以高耗能、高耗材為代價的近40年粗放式快速發展后，人均居住面積從1978年的3.8m2提高到2016年的40.8m2，其中，城鎮為36.6m2。這雖已基本解決居民的居住面積問題，卻埋下了居住質量隱患，也使城市出現了許多缺陷。在大量的舊建筑中，至少有一半必須要進行抗震、節能、適老、節水等改造，以解決人民日益增長的對美好生活需求和不平衡、不充分發展之間的矛盾。通過城市雙修、綠色化改造等，免除大拆大建所造成的浪費和二次消耗，不僅能滿足老年化時代到來的新需求和生態化發展的大趨勢，也帶來了十多萬億元的投資新機遇，讓人民生活更好、城市更美[1]。目前，我國的綠色建筑發展與既有建筑綠色化改造還處于起步階段，建設量和改造量占總建筑面積的比例還很低，綠色住宅建筑則更少。雖有既有建筑綠色改造的評價標準及眾多學者對其改造策略和方法的研究與探討，但由于國情、地情和認知上存在差別，經濟狀況和需求也不相同，因此，應依據具體情況因地制宜地進行選擇，以解決既有住宅建筑的高耗能、抗震差、功能弱、低使用等問題，實現綠色化的物質化。

1 綠色化改造的物化理念

綠色化原指植樹造林的綠化，是一種生產和生活方式，最早出現于1949年的《人民日報》。90年代后，綠色化開始用于生態領域，現已引申并發展至各個行業。十八大在“新四化”（新型工業化、城鎮化、信息化、農業現代化）的基礎上又加入了“綠色化”，使“四化”變為“五化”，以促進各行各業的生態發展與良性循環，也表明我國政府對可持續發展的高度重視。

能源與資源的危機以及頻發的自然災害，導致人們不得不重視自然環境的保護與生態重建。作為能源和資源消耗大戶的建筑業，也必然要做出新的選擇。

20世紀60年代，美籍意大利建筑師保羅·索勒瑞，將生態學與建筑學兩詞合并，提出生態建筑學（Arology）的新理念；1969年，美國建筑師伊安·麥克哈格所著的《設計結合自然》出版，標志著生態建筑學正式誕生；1990年英國率先頒布的BREEAM，以及1992年“聯合國環境與發展大會”提出的“可持續發展思想”，使“綠色建筑”作為一種設計理念應運而生，并成為了未來建筑業發展的趨勢和方向[2]，使人們走出與自然的競爭及資源耗竭的困境，邁向與自然和諧共生、互利共榮的可持續發展新階段。

1992年，我國提出“綠色建筑”綱要；2006年，頒布《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2006），并于2014年修訂為“新綠標”，提出以遵循全壽命周期內“可持續發展”與“以人為本”為核心理念，最大限度地節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供一個與自然和諧共生的，舒適、健康的活動空間[3]；2015年，頒布以節約能源資源、改善人居環境、提升使用功能等為目標，對既有建筑進行維護、更新、加固等活動的《既有建筑綠色改造評價標準》（GB/T 51141—2015）。

隨著能源危機、資源枯竭和環境惡化的來臨，人們不得不重新注重材料的自然性、發展的可持續性，回歸到以低碳、節能、環保、生態為主題的綠色建筑上，以及對既有建筑特別是既有住宅建筑和住區的綠色化改造上，并把綠色化設計理念以建筑物的形式進行表達，即綠色化物化。

2 寒冷地區既有住宅

2.1 寒冷地區的居住需求

屬溫帶季風性氣候的寒冷地區也稱采暖地區，以夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥為典型氣候特征，最冷月份平均氣溫在0～10℃，每年日平均溫度≤5℃的月數為3～5個月。全年四季分明，但春、秋兩季短暫，盛行冬季風，以偏西偏北風為主，溫差較大、日照較豐富、空氣相對濕潤，非常適宜農作物生長和人類居住。依據氣候特征，總體規劃時，應考慮冬季寒冷期較長的采暖與節能措施，以及夏季多暴雨時的防澇排水措施；單體設計和構造處理中，應注重冬季防寒、保溫，夏季部分地區兼顧防熱，增加氣密性防御寒風與風沙，在加強太陽能利用的同時，注重主要房間的遮陽[4]。

2.2 既有住宅建筑與住區

根據中國建筑能耗研究報告，至2015年底，我國既有住宅建筑面積約50 000km2，其中，城鎮居住面積約24 800km2，且有一半屬寒冷地區。在眾多的既有住宅建筑中，由于始建年代不同，其結構、材料、保溫隔熱性能等存在較大差異。建成于2000年以前的城鎮住房中，以福利性為主，存在基礎設施不良、居住環境較差、抗震級別偏低、使用功能和性能不高、能源消耗量大等問題，急需進行改造。其建成年代與地域分布占比如圖1所示[5]。

1952年，由前蘇聯引入，以標準設計為基礎的單元式（梯間式）住宅[6]，是目前我國大量興建的多、高層住宅中，應用最為廣泛的住宅建筑形式，并以此為基礎，構建了開放或封閉式住宅小區。從1986年以“統籌規劃”為方針的城市實驗住宅小區，到90年代中期注重質量提升的住房市場化、商品化的大規模建設，再到21世紀注入生態文明建設理念的多元化設計，住區的配套設施與綠色化環境逐漸得到重視[7]。這些早期住宅與小區雖已基本滿足了住宅數量和面積上的需求，但受當時經濟狀況和技術條件限制，在經濟高速發展后的老齡化、私家車等到來之際，以及公共設施需求增加和住宅環境亟需改善的大背景下，大多需要改造更新，以適應目前高舒適、低能耗的居住需求。

河南省開封市屬寒冷地區。1994年，開封市為了解決城市居民的居住問題，在其古城東城墻外、河南大學東側設置了蘋果園生活區。至1997年，面積為4km2的住區人口已達4萬人，現為人口高密度聚集區，區內均為無電梯、無暖氣（除河南大學生活區外）的單元式多層住宅。早期是由市政府和不同單位興建的福利住房，后期出現了商品式住宅小區，開放式和封閉式并存。由于建成時間不同，承建主體各異，因此，其空間布局、建筑結構、房屋質量等良莠不齊，區內市政設施與環境較差（表1）。

2.3 價值評估與病理診斷

2.3.1 價值評估

絕大多數既有住宅建筑為非保護性建筑，種類繁多、風格多樣。因此，應以再利用價值為主，兼顧其建筑本身價值、社會心理價值和城市空間價值等[8]，按照可持續發展理念，結合全生命周期理論及既有建筑綠色改造評價標準，采用綜合評價體系，對需要改造的非保護性既有建筑進行改造前的價值評估。依據建設年代、建筑結構、群落關系、周邊環境、人文特色，對城市遠期規劃和利益驅使下的商業開發影響等多方面進行評價，并建立完善的定量和定性指標體系，綜合判定其“去”與“留”及存留時間，判定其是否需要改造，包括其改造價值、改造更新程度及需滿足哪些綠色化改造指標等，避免造成新的浪費和消耗。

2.3.2 病理診斷

對于既有建筑而言，造成其壽命縮短的主要原因并非建筑本身，而是由規劃政策、經濟利益等導致。因此，應在城市遠期規劃和發展需求的基礎上，對需要保留的住區及區內住宅建筑進行改造前的病理診斷和綜合評價。首先，應在深入調研的基礎上，對住區及周邊的整體環境和市政設施做出準確診斷，以便綜合治理；然后，針對區內建筑，運用超聲波、熱紅外成像、微波測濕及計算機仿真模擬技術等，對房屋病害進行綜合評估[9]，找出病因根源對癥整治，以達到事半功倍的效果。

表1 開封市蘋果園住區狀況

3 既有住宅建筑與住區的綠色化物化

據統計，截止2015年底，在全國約20 000km2需要改造更新的舊建筑中，綠色化改造項目占比不足1%。隨著既有建筑綠色化改造需求的增多和逐步推進，綠色化改造占比與規模會逐年增大，將成為未來建筑業尤其是住宅建筑業的重要工作；而占據我國中原、西部、東北等大約70%地域的寒冷地區，因冬季需要較長時間采暖，能源消耗巨大，約占全國建筑總能耗的1/4，更是綠色化物化改造的重點，對能源節約、環境改善意義重大。

3.1 市政改善優化環境

老舊小區普遍存在以下問題：①變電站所老化、設計不合理、容量不足，以及區內線路纏結、線損和電能質量差；②供排水管線陳舊，尤其是排水系統，容易導致雨季積水；③交通狀況堪憂，特別是私家車亂停亂放，占用消防通道，造成經常性擁堵；④缺乏合理的社區商業設置，占道經營嚴重（圖2）；⑤小區內能源供應不良，環境綠化較差，垃圾處理不善。因此，基礎市政設施的加強對綠色化物化有決定作用，不僅能改善環境、便捷交通，還能提高居住質量、美化城市，提升城市品質。

圖2 住區內的不良環境狀況

3.1.1 改進電力、通信

（1）通過對變電站所重新設計、線路線經整治，無功補償、饋線自動化改造，電表智能化提升等措施，滿足電器增多后的用電新需求。這雖然增加了一定的改造成本，但能累計節約大量購電費用[10]，并能適應階梯電價，方便用電量查詢與電費支付。

（2）優化升級電力通信、網絡通信，改善管理與運營體系，為住宅和住區智能化及城市智能化奠定基礎。

3.1.2 改良給排水

改造老化供水管路，避免滲漏造成的浪費與污染，提升智能化管理水平，惠及民生。

（1）通過暴雨強度計算，重新設計滿足需求的排水管網，采用暗渠收集、加大泵站提升、截流式雨污合流排水體制等集中處理污水，避免雨季區內積水防止內澇。

（2）注重區內溝渠建設，不僅可接納雨水，還能美化環境、營造休閑景觀、澆灌區內植物等，達到水資源的節約與控制。

3.1.3 改善供能

（1）引入天然氣，杜絕使用非清潔能源。檢修管網采用多功能、高安全、智能化燃氣表具，杜絕安全隱患。

（2）明確供熱企業進行集中供熱改造。采用循環水泵變頻調速，加力站和直供系統安裝氣候補償裝置、總計量表和熱計量裝置；室外管網直埋鋪設，并對原有管網中的管道與保熱質量進行檢查與檢修；分環路與建筑物入口處設置水力平衡裝置；采用分戶計量方式，提高節約意識，確保節能前提下的安全用暖。

（3）若住區無法連接市政供熱管網，特別是在限制燃煤供能和取暖的大背景下，可采用新型地下熱能或太陽能等清潔可再生能源，以減少城市污染。

3.1.4 疏導交通

交通狀況的改善對城市發展、住區繁榮及生態環境等都具有重要影響，可通過以下方式進行疏導。

（1）針對住區增設公共交通站點，改變封閉狀態，打通局部斷頭路。

（2）綜合地上地下與立體空間，在住區及公共場所合理設置停車場位，免除亂停亂放的后患，從而構建完善的靜態交通體系。

（3）確保消防通道暢通，打造區內及區間通暢交通。

3.1.5 綠化環境

（1）加強區內外植物綠化，尤其是常青綠化，減少裸露地表與硬質鋪地對溫濕度調控的負面作用。在草坪綠化的基礎上結合灌木、喬木等遮蔭樹木，形成復雜植物群落以降低溫度，但應注意設置通風道[11、12]。

（2）改善住區及住宅周邊的大環境，凈化室內外小環境，以提高室內空氣質量。

（3）加大區內垃圾收集站點密度并強化分類，鑒于住宅區內廚余垃圾較多的情況，可采用廚房廚余垃圾處理器、區內專設場所集中處理等模式[13]，做到區內實質性環境綠色化。

3.2 整體增固延長壽命

隨著時間的推移，既有建筑的堅固程度將逐漸變弱，增固不僅能提高抗震級別和安全系數，也有利于延長壽命，尤其是對具有一定歷史價值或紀念意義的住宅建筑。壽命延長是節約資源的一種重要表達形式，在判定建筑物所在地理地質區域、原設計后續使用年限及建筑物本身狀況的基礎上，依照《建筑抗震加固技術規程》（JGJ 116—2017）進行加固，以預防為主，減輕破壞，減少損失。

3.2.1 抗震性能檢測

既有建筑加固前的詳細性能檢測，可為改造、糾正設計或施工失誤提供技術依據，為加固方案的制定提供指導。①搜集相關原始資料、調查現狀、比對符合程度、找出缺陷；②資料不全或比對有誤時，需要進行現場實際檢測，考察其結構特點、構造和抗震承載力等；③采用逐級鑒定方法評定等級和抗震性能。

3.2.2 基礎地基加固

對地基與基礎進行檢測鑒定后，依據沉降觀測、是否加層等確定承載力，選擇適宜的加固方法，通過加深、加寬、改良地基土體、設置墩或樁等加強地基基礎，以增強承載力減小變形。

3.2.3 建筑物加固

良好的整體性是房屋堅固耐用的根本保障，而采用框架增固是強化整體性的最基本措施[14]。早期住宅建筑多為砌體結構，整體性較差，可運用外加柱、壁柱，混凝土或鋼構套加固，外墻保溫的同時采用鋼筋網、纖維網等形成面層或板墻加固，以及架構外框架圈梁等方式，增強整體性以提高抗震性能。1966年，河北邢臺地震后的外閃墻體經加鐵絲網拉結后，在二次地震中沒有倒塌，充分說明了建筑物外加固的抗震作用。

3.3 強化實用滿足需求

建設年代和理念的不同，導致住區及建筑物的功能差異性很大。通過綠色化改造，可改善其使用功能，滿足生活質量提升、私家車停放及老齡化到來的實際需求，從而實現真正意義上的住區綠色化物化。

3.3.1 住區開放

自2016年國務院提出開放住區理念以來，引起了廣泛關注。盡管打開住區后會引起諸如小區安全、步行空間減少、物權法需適應等許多問題，但總體而言，最直接的也是最有利的是交通狀況的改善[15]，人們可以享受到舒展的交通空間和便捷的出行與停車。街區制不僅是綠色住區建設的要求，也會誘導生活理念的變革、住區功能的改變[16]。

3.3.2 院落整治

（1）拆除住區內所有的違規、違章搭建，以及已不太適宜的自行車車庫，打開院區圍墻，擴展院落空間。

（2）重新規劃住區布局與安全保障，增加綠化美化并提升環境質量。

（3）增設區內景觀尤其是濱水景觀，以利雨水收集并緩解暴雨后的水澇。

（4）合理設置私家車停車場位，并設置充電設施，以滿足新能源交通工具的充電需求。

3.3.3 適老改造

隨著老齡化社會的到來，許多既有多層住宅建筑對于老年人尤其是腿腳不便者已顯現出諸多不便，因此，加裝電梯已經成為既有多層單元式住宅的改造趨勢。應遵循“業主自愿、政府扶持、因樓制宜”的原則進行改造[17]，實現無障礙通行。同時，通過智能化改造，并創建以住區或附近居民樓為單位的家庭住宅式養老模式，解決老年人的后顧之憂，使其能在住區頤養天年。

3.3.4 便民商業

治理和疏解“開墻打洞”式的臨街密集無證小鋪及低端或占道經營攤點，提升蔬菜食品零售、早餐、社區便利商業等的服務質量，建立品牌化、連鎖化、便捷化，且能保障品質和服務的社區商業體系。建議采用地上地下及便民店與超市合理配置的綜合運行模式。

3.3.5 顏值提升

由于建筑年代的局限，多數建筑都有其時代背景。在改造過程中，應加強規范以適應城市雙修、城市修補的大背景，提升城市品質和顏值，協調整體市容。同時，在改造過程中，要注重其外立面的整潔性、美觀性和安全性（圖3）；要在提取城市特色基因與傳統元素的基礎上進行改善，注重突出特色，避免“千區一面”。

3.4 節能改造以利永續

節能改造是綠色化物化的重要內容，但不能只考慮運行階段的能耗，而應當始終站在全生命周期的角度考慮[18]。要注重源頭、注重整體，供應中減少損耗，使用時注重節約，改造圍護結構以降低能源損耗，滿足綠色化用能要求，盡可能降低總能耗，以利于可持續的健康發展。

3.4.1 廣義能耗宏觀控制

應從廣義角度考慮建筑能耗，在注重運行能耗的同時，更要控制建造中的消耗（鋼鐵、水泥、玻璃等）能耗。“一拆了之”或“空置不用”，都已經消耗了能源和資源，因此，對既有建筑的更新改造和充分利用，是降低總能耗的良好途徑之一。建筑壽命延長不僅有利于降低廣義能耗，也有利于生態穩定和環境維持，彰顯城市個性。改造過程中，應采用主動與被動結合的策略，在盡可能降低能耗的前提下，不僅要滿足炎熱地區的通風、遮陽、隔熱，也要滿足寒冷地區的采暖、防凍和保溫等需要。

3.4.2 圍護結構節能改造

圍護結構是居住建筑的主體，也是綠色化改造的關鍵。既有住宅建筑由于受建造時設計、技術及材料的限制，大多保溫性能較差，可通過改善傳熱系數、體型系數、窗墻比等[12]，減少建筑物的能源損耗，達到降低能耗的目的。

3.4.2.1 墻體保溫增固

墻體對居住建筑能耗起決定作用，可采用內外墻體保溫改造的方式，降低能源損耗。不同年代的住宅建筑，其外墻面有所不同，可視墻面狀況進行處理。若需加固，可于底層、四周、戶間及樓層或隔層構建鋼筋混凝土框架，墻面掛網（鋼絲網或纖維網），水泥砂漿找平，粘貼保溫材料（每層及洞口處用A級材料設置防火隔離帶）并安裝錨栓，再涂抹面層并進行飾面修整。地基處與底層應做約1.8m高的防水處理，避免滲漏。規范處理外墻附屬物，空調外掛機應加裝外護罩，防止其脫落以確保安全，且位置要協調統一，以增強美感。

圖3 改造前后的建筑外觀對比

3.4.2.2 門窗隔熱密合

門窗是熱交換最活躍的部分，可采用換窗、加窗、改窗或玻璃貼膜等方法。更換或加裝中空玻璃外窗，并使用加長型膨脹螺栓，要注意窗邊縮尺發泡劑的填充，增加其氣密性、水密性及抗風性。同時，針對夏季較熱地區，可通過內外兼顧的方法進行遮陽，減少制冷能耗，提高熱舒適度。

3.4.2.3 屋頂隔熱防滲

屋頂是圍護結構的重要部分，對能源消耗影響較大，尤其是年代較早的既有住宅建筑，其大多數樓頂及樓層多為預制板材而非整澆，需要對頂層進行保溫與防水處理。①可改造成適宜當地建筑風格的坡屋頂；②通過對屋面進行強化防水處理與外周防護后填土，營造簡易的被動節能式樓頂花園，既增加綠化又有效隔熱與保溫；③增加太陽能熱利用及電熱綜合利用設施，減少常規能源的消耗。

3.4.3 充分利用再生能源

城鎮住宅小區的可再生能源利用，應以太陽能或地熱能為主要形式。可依據當地的地理和地質狀況，統一組織使用地熱能源。在條件允許時，可在屋頂與見光墻體上加裝太陽能板，通過光電光熱建筑一體化（BIPV/T）技術[19]，并結合太陽能相變儲能技術，充分利用太陽能，減少對常規能源的依賴，實現常規能源的低使用甚至零使用。這不僅能減輕居民的負擔，也有利于生態和綠色發展。

3.4.4 與自然和諧共生

住宅是人類長期停留的處所，其舒適程度及與自然的和諧程度至關重要。住宅環境的改善不僅能為人們提供健康的生態環境，也為和諧共生提供了有利的平臺和機遇，尤其是在外部環境被嚴重污染的今天。和諧共生乃自然界的生存法則，如何使住宅建筑也能像植物一樣會呼吸可調節，取之于自然、回歸于自然，是我們未來住宅建筑建造及既有住宅建筑改造的愿望和夢想。

3.5 全程全責實施管理

既有住宅建筑的綠色化改造實施，是一項需要多部門共同協作、長期進行的復雜工作，應引入全程全責理念[20]并構建BIM平臺，全程全周期監控改造的設計、實施與運營。

3.5.1 全程全責理念

全程全責是指以政府職能部門為主導，結合地理地貌環境、人文社會環境、城市遠期規劃定位，組織多學科、多領域的合作團隊，對綠色化物化的規劃、設計、實施、運營管理、拆除及后期處理等全壽命周期進行參與管控的管理運營模式，避免二次污染和浪費（圖4）。可通過產業化、工業化、規模化、標準化模式實施，但要避免抄襲，要突出個性、彰顯特色。

3.5.2 改造實施管控

良好的方案是有條件的，也具有一定的適用范圍。我國地域廣闊，地理、人文與經濟環境等區域差異性較大，因此，應結合當地具體情況及遠期規劃制定改造方案，對方案進行生命周期評價（LCA），判斷其經濟與性能的優越程度，以及能耗高低及對環境的影響[21]。同時，在運用實驗手段、計算機模擬技術的基礎上，構建BIM平臺，對全生命周期內的信息實行數據化管理。通過可視的、可以觸摸的界面，全程管控各個環節，并對后期的拆除及拆除物進行處理和利用，確保綠色化物化改造能順利實施。

4 結語

既有住宅建筑與住區的綠色化物化改造實施是一場革命，任重而道遠。隨著歷史的演進和時間的推移，舊城及既有建筑的改造將會是長期行為，必須要長遠考慮、前瞻規劃，讓既有建筑、老舊住區重新煥發新的活力。細節決定成敗，要突破傳統理念的束縛，克服許多技術與管理上的困難，進一步研究實施的具體細則，更加深入地研究適宜的實用技術和改造方法。通過政府政策的指導與支持，多學科、多領域團隊的通力合作，新理念新技術的綜合運用，模擬、實驗、LCA等的評價修正，以及全程全責的施工與運營管理，設計并改造出滿足居住需求，安全、舒適、低能耗（零能耗甚至負能耗），且能與自然和諧共生的綠色住宅建筑。

圖4 全程全責法示意圖