綠色建筑背景下地下空間設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略研究*

文/中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 李宗明

地下空間作為新型國土資源，是解決城市用地緊張、交通擁擠、環(huán)境污染等城市問題的戰(zhàn)略性選擇。開發(fā)利用地下空間已成為世界發(fā)展趨勢，目前，對(duì)其研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)明顯不足，少有對(duì)綠色建筑背景下地下空間的研究，導(dǎo)致空間布局不合理、環(huán)境品質(zhì)較差和缺乏生機(jī)等問題。故研究地下空間的綠色設(shè)計(jì)極為重要。

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國吉迪恩·S·格蘭尼和尾島俊雄在《城市地下空間設(shè)計(jì)》中提出城市設(shè)計(jì)應(yīng)用全面整合的設(shè)計(jì)理念考慮城市。2016年，邵繼中從城市地下空間設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和理論方法角度對(duì)地下發(fā)展歷史及形態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

我國學(xué)者對(duì)地下空間的研究大多從工程開發(fā)角度出發(fā)。2004年，朱興平從設(shè)計(jì)健康的地下空間角度，對(duì)地下空間相關(guān)自然采光和通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行歸納；2015年，俞明健等從碳排放計(jì)量的角度研究低碳地下空間的技術(shù)體系。

1.2 研究意義

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前針對(duì)地下空間布局的合理性、改善空間環(huán)境等研究嚴(yán)重缺失。地下空間作為新型國土資源，亟需關(guān)注其綠色和品質(zhì)建設(shè)，并將系統(tǒng)性和專業(yè)化研究提上日程。

2 復(fù)合化地下空間綠色設(shè)計(jì)理念

研究基于綠色集約和節(jié)能減排，從地下空間的布局結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)、空間質(zhì)量系統(tǒng)間的互動(dòng)關(guān)系入手，分析地下空間綠色設(shè)計(jì)與優(yōu)化理念，促進(jìn)地下空間環(huán)境質(zhì)量的改善、地下空間與外部環(huán)境的復(fù)合式設(shè)計(jì)。

2.1 被動(dòng)優(yōu)先主動(dòng)優(yōu)化

綠色建筑的設(shè)計(jì)策略分為主動(dòng)和被動(dòng)：①主動(dòng)式設(shè)計(jì)是通過各種高效集成的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)綠色建筑的功能；②被動(dòng)式設(shè)計(jì)是適應(yīng)和利用自然環(huán)境，通過控制風(fēng)、光、熱等自然因子的流動(dòng)獲得舒適的地下環(huán)境。

被動(dòng)式設(shè)計(jì)較主動(dòng)式設(shè)計(jì)，不僅能減少環(huán)境負(fù)荷、降低建造和運(yùn)營成本，還能提高建筑物的安全性、健康性。故以建筑形式為主的建筑本體實(shí)現(xiàn)氣候適應(yīng)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)的重要途徑。

2.2 地域設(shè)計(jì)

地域設(shè)計(jì)即本土設(shè)計(jì)，是基于項(xiàng)目所在地的自然條件及當(dāng)?shù)匚幕瑥娜梭w舒適度出發(fā)，根據(jù)所處環(huán)境的氣候特性，在場地布局、建筑設(shè)計(jì)、選材與技術(shù)協(xié)同等方面提出適應(yīng)性應(yīng)對(duì)策略。

我國傳統(tǒng)民居地坑院是地下空間開發(fā)的較早案例，其民居主要分布在黃土高原，屬于氣候適應(yīng)的民居形式，具有冬暖夏涼的特點(diǎn)。但因采光和通風(fēng)不足問題，此民居形式正逐漸消失。在地下空間設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需結(jié)合地域特點(diǎn)，關(guān)注地下空間的綠色建設(shè)、品質(zhì)建設(shè)，探索地下空間綠色設(shè)計(jì)方法。

3 設(shè)計(jì)策略

GB/T 50378-2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》提出：“綠色建筑應(yīng)結(jié)合地形地貌進(jìn)行場地設(shè)計(jì)與建筑布局，且建筑布局應(yīng)與場地的氣候條件和地理環(huán)境相適應(yīng)，并應(yīng)對(duì)場地的風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境等加以組織和利用。”

針對(duì)地下空間特點(diǎn)，將地下空間設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略分為光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、能源及植物系統(tǒng)4個(gè)子策略，分別包含不同的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段。設(shè)計(jì)需從系統(tǒng)集成角度考慮，基于外部環(huán)境，結(jié)合復(fù)合化設(shè)計(jì)理念選用適用的設(shè)計(jì)語言，以達(dá)到綠色設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3.1 光環(huán)境策略

照明設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮可采用天然光源的設(shè)備，在不具備天然光源的條件下，可選擇人工光源。采用人工光源設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑不同使用功能和照明需求，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析的前提下，選擇高效節(jié)能照明設(shè)備和附件、合理的照明和控制方式降低照明電能消耗。

3.1.1 注重自然采光

自然采光主要指利用晝光進(jìn)行采光的形式，晝光包含直射日光和天空漫射光兩部分。盡可能利用自然采光，不論從使用者心理層面還是節(jié)能減排的角度，綠色策略都是綠色建筑的重要組成部分。

1）采光窗

適用于淺層的地下空間，分為采光天窗和地下室高側(cè)窗兩類。優(yōu)點(diǎn)是局部采光效率較高、光線柔和，可滿足相關(guān)空間白天的采光需求，較多與可開啟通風(fēng)窗結(jié)合布置。中國建筑設(shè)計(jì)研究院科研創(chuàng)新樓采用采光天窗的做法，在地下餐廳層，結(jié)合走廊采用橫向的采光窗滿足白天采光需求（見圖1）。

圖1 中國建筑設(shè)計(jì)研究院科研創(chuàng)新樓地下餐廳走廊

2）采光中庭

適用于進(jìn)深較大的建筑，如大型公共建筑內(nèi)的商業(yè)綜合體、大型博物館等。采光中庭作為重要被動(dòng)設(shè)計(jì)手段，采光效率高，可提升大進(jìn)深地下空間的環(huán)境品質(zhì)和使用者的舒適度。

除大型文化建筑外，地下采光中庭做法常出現(xiàn)在現(xiàn)代商業(yè)綜合體中。以北京僑福芳草地為例，主體商業(yè)部分為地上3層和地下2層，通過在建筑中部設(shè)置1個(gè)通高的采光中庭，光線從屋面直達(dá)地下層，解決了地下商業(yè)部分的采光問題。

3）地下庭院

地下庭院的應(yīng)用范圍較廣泛，適用于文化建筑、居住建筑及商業(yè)建筑等類型。其最大特點(diǎn)是在地下創(chuàng)造出地上的空間感受，設(shè)計(jì)中需結(jié)合用地條件靈活布置。上海深坑酒店的做法與丹麥海事博物館有異曲同工之妙，同樣利用原有的地下空間。2019年，北京世界園藝博覽會(huì)中國館在建筑中部設(shè)計(jì)了一口井作為水院，人們?cè)诘叵驴臻g游走，水從上方瀉下，視覺和聽覺相結(jié)合，體現(xiàn)四水歸堂的意向（見圖2）。

圖2 北京世界園藝博覽會(huì)中國館地下庭院

4）導(dǎo)光管系統(tǒng)

導(dǎo)光管系統(tǒng)是采集天然光，經(jīng)管道傳輸?shù)绞覂?nèi)，進(jìn)行天然光照明的采光系統(tǒng)。相較其他形式的自然采光，導(dǎo)光管系統(tǒng)采光效率更高，在室內(nèi)為漫射光，照度更均勻、無眩光，且可根據(jù)需要進(jìn)行光線調(diào)節(jié)。

3.1.2 采用綠色照明

綠色照明主要針對(duì)人工照明，可節(jié)約能源資源、保護(hù)環(huán)境，有利于提高人們工作、學(xué)習(xí)效率和生活質(zhì)量，促進(jìn)身心健康。地下空間的綠色照明策略主要表現(xiàn)在照明調(diào)控和動(dòng)態(tài)照明兩方面。

1）照明調(diào)控

照明調(diào)控是采用自動(dòng)控制技術(shù)及智能管理技術(shù)對(duì)建筑及環(huán)境照明的光源或燈具設(shè)備的開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)、組合、場景模式等實(shí)施控制與管理，以達(dá)到對(duì)建筑節(jié)能、環(huán)境藝術(shù)和傳感聯(lián)動(dòng)等目的。

2）動(dòng)態(tài)照明

動(dòng)態(tài)照明指通過控制照明裝置的光輸出形成場景明暗等變化的照明。動(dòng)態(tài)照明是以人為本的照明理念，對(duì)地下空間尤為重要。在缺乏自然采光的區(qū)域，它可顯著改善照明環(huán)境，增強(qiáng)人們的幸福感和表現(xiàn)能力。

3）光的熱工效能

在南方有太陽光直射的地下庭院，通常采用開敞設(shè)計(jì)，并結(jié)合高大綠植、遮陽棚等遮陽措施減少頂部太陽光的射入，以降低地下空間的輻射得熱，同時(shí)減少眩光，提高舒適度。

高緯度地區(qū)則不同，太陽高度角較小，氣候寒冷，需為地下空間引入充足的陽光，提高輻射得熱。故在有太陽光直射影響的地下庭院，多采用封閉玻璃屋頂。若在夏季時(shí)有眩光影響，則使用臨時(shí)遮陽簾等內(nèi)遮陽措施，但因光線已穿透玻璃進(jìn)入地下空間，室內(nèi)輻射得熱未減少，可保持良好的舒適度。

3.2 風(fēng)環(huán)境策略

建筑內(nèi)的風(fēng)能利用是指在可利用自然通風(fēng)的條件下，利用熱壓或風(fēng)壓的作用，通過設(shè)置通風(fēng)煙囪、天井等設(shè)施進(jìn)行自然通風(fēng)，排出建筑內(nèi)的余熱余濕及污濁空氣，補(bǔ)充進(jìn)新鮮空氣，得到舒適的建筑內(nèi)環(huán)境。

3.2.1 注重自然通風(fēng)

自然通風(fēng)指通過建筑開窗等手段，利用風(fēng)壓和熱壓將室內(nèi)的空氣更新。通過空氣更新和體感風(fēng)速直接改善人體的健康和舒適度，同時(shí)影響室內(nèi)的溫度濕度。

1）通風(fēng)井

通風(fēng)井指貼臨建筑地下外界面，在出地面一定高度后可自動(dòng)或手動(dòng)開窗的窗井，其本質(zhì)為利用風(fēng)的風(fēng)壓組織通風(fēng)，垂直方向的力產(chǎn)生伯努力效應(yīng)（Bernoulli’s principle）,促進(jìn)空氣通過風(fēng)井流入室內(nèi)。

2）下沉庭院

下沉庭院是指貼臨地下空間設(shè)計(jì)室外的庭院，通過建筑的方位和植物的布置引導(dǎo)自然風(fēng)流入室內(nèi)，其本質(zhì)為將地下空間地上化，增加建筑外界面的口部，并朝向于夏季主導(dǎo)風(fēng)向，促進(jìn)自然通風(fēng)。

3）室內(nèi)中庭

室內(nèi)設(shè)計(jì)貫通的中庭，連接地下空間至屋頂，用熱壓形成自然通風(fēng)，改善建筑內(nèi)部整體的風(fēng)環(huán)境。中庭頂部設(shè)置可開啟的矩形天窗和太陽能集熱板，在寒冷地區(qū)的冬季關(guān)閉天窗，過渡季開啟，使室內(nèi)冷空氣下沉，熱空氣上升，加強(qiáng)煙囪效應(yīng)通風(fēng)，改善室內(nèi)通風(fēng)效果。

4）地道風(fēng)

地道風(fēng)是指通過地道，利用引入其中的空氣與土壤層的熱交換，使空氣降溫后送入室內(nèi)，其中進(jìn)風(fēng)口需有一定高度，防止污染，再結(jié)合機(jī)械通風(fēng)技術(shù)使空氣主動(dòng)流入地道。

3.2.2 風(fēng)對(duì)地下空間熱環(huán)境的影響

不良的室外風(fēng)環(huán)境在夏季可能阻礙建筑室內(nèi)外自然通風(fēng)的順暢進(jìn)行，增加空調(diào)負(fù)荷；在冬季會(huì)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透風(fēng)而提高采暖能耗。夏季及過渡季加強(qiáng)對(duì)流，自然通風(fēng)能有效降低空調(diào)能耗；冬季減少通風(fēng)，減少氣流滲透，可降低采暖能耗。

3.2.3 利用風(fēng)對(duì)建筑形態(tài)的影響

地下空間通常與地上空間形態(tài)一致，因此主導(dǎo)風(fēng)向?qū)τ诮ㄖ螒B(tài)的影響也適用于地下空間的整體形態(tài)。

根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置建筑的方位形態(tài)。主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Χ臼覂?nèi)熱損耗程度及夏季室內(nèi)自然通風(fēng)影響極大，故選擇建筑朝向應(yīng)在考慮日照時(shí)注重主導(dǎo)風(fēng)向。如世園會(huì)中國館的空間形態(tài)布局，其面對(duì)冬季的主導(dǎo)風(fēng)向方向?yàn)閳A弧形的平面形態(tài)，且開敞的凹口部位位于主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向。

3.3 能源策略

地下空間相較地上建筑與外界接觸面較小，對(duì)室外溫度變化不敏感，具有熱惰性優(yōu)勢。設(shè)計(jì)中發(fā)揚(yáng)地下空間熱惰性優(yōu)點(diǎn)，從開源和節(jié)流兩個(gè)層面進(jìn)行能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

首先減少依賴能源，在此基礎(chǔ)上使用可再生能源，減少溫室氣體的排放。其次，需選用高性能設(shè)備，提高能源利用效率，注重建筑設(shè)備的系統(tǒng)節(jié)能。

3.3.1 太陽能

太陽能是將太陽的熱輻射能轉(zhuǎn)換成熱能或電能進(jìn)行利用的可再生能源，可分為太陽能光熱利用和光伏利用兩種形式，利用太陽能替代化石能源，可節(jié)約化石能源，減少環(huán)境污染。

3.3.2 地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在淺層地表層的土壤、巖石、水源中的可再生能源，建筑領(lǐng)域中主要的利用方式是地源熱泵。淺層地?zé)崮艿膹V泛利用可極大降低對(duì)常規(guī)能源，尤其是化石能源的依賴性，緩解我國常規(guī)能源嚴(yán)重不足的矛盾，減少污染物排放。

3.3.3 水資源的回收與利用

1）雨水收集利用

雨水收集利用是將發(fā)展區(qū)內(nèi)的雨水徑流量控制在開發(fā)前的水平，即攔截、利用硬化面上的雨水徑流增量，包括雨水入滲、收集回用和調(diào)蓄排放等。通過雨水收集利用，可減小外排雨水峰流量和總量，替代部分傳統(tǒng)水源，補(bǔ)充土壤含水量。

2）中水利用

中水是各種排水經(jīng)處理后達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在生活、市政、環(huán)境等范圍內(nèi)利用的非飲用水。中水利用可實(shí)現(xiàn)污、廢水資源化，節(jié)約用水，治理污染，保護(hù)環(huán)境。

3.3.4 高性能設(shè)備利用

1）高性能冷熱源設(shè)備

冷熱源設(shè)備是向建筑物內(nèi)提供熱量或冷量的設(shè)備，合理配置能源系統(tǒng)，采用高性能的冷熱源設(shè)備利于節(jié)約能源，提高能源利用率，減少碳排放。

2）高性能節(jié)水設(shè)備與器具

節(jié)水設(shè)備與器具設(shè)計(jì)先進(jìn)合理，性能優(yōu)良，較長時(shí)間內(nèi)可免維修，可減少水量消耗，減小維修次數(shù)，達(dá)到節(jié)約水資源、保護(hù)環(huán)境和減少碳排放的目的。

3.4 植物系統(tǒng)策略

地下建筑位于地表下，從與自然環(huán)境的互動(dòng)層面，地下空間的內(nèi)部環(huán)境與地面建筑差異較大，以人工環(huán)境為主；從認(rèn)知心理學(xué)角度，人與環(huán)境的交互過程追求動(dòng)態(tài)平衡。在其過程中，植物系統(tǒng)對(duì)人的身心健康起著難以替代的作用。

3.4.1 融綠

1）場地綠化

合理選擇綠地位置，優(yōu)化布局方式，實(shí)現(xiàn)場地內(nèi)綠化分散布局，全面覆蓋，以改善場地內(nèi)舒適度及生態(tài)質(zhì)量。如在北京城市副中心行政辦公區(qū)A2工程下沉庭院中，設(shè)計(jì)了多個(gè)地下庭院，結(jié)合喬灌木的種植改善場地微環(huán)境，使人們?cè)诟邚?qiáng)度的工作之余，有更多接近大自然的機(jī)會(huì)。

2）屋頂綠化

屋頂綠化可降低“城市熱島”效應(yīng)，有助于增強(qiáng)地下空間保溫隔熱的性能，在保證室內(nèi)舒適度情況下，有效降低非過渡季的能耗。

3）垂直綠化

與屋頂綠化類似，垂直綠化作為立體綠化的組成部分，能有效緩解城市土地資源緊缺和綠化不足的矛盾，是節(jié)約土地的有效手段。地下空間的垂直綠化主要用于室外地下庭院和室內(nèi)墻面。

3.4.2 利用植物的風(fēng)環(huán)境組織能力

綠色植物對(duì)地下空間風(fēng)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：防風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)。根據(jù)建筑所處地區(qū)的氣候特點(diǎn)和風(fēng)向類型，合理配置植物，結(jié)合內(nèi)部的開窗組織，在不同季節(jié)為地下空間提供良好的風(fēng)環(huán)境。

如在寒冷地區(qū)，在冬季主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向布置林帶，可將冬季風(fēng)速大而干旱的寒風(fēng)變?yōu)轱L(fēng)速小而濕潤的暖風(fēng)，有效降低寒風(fēng)的危害；夏季通過灌木墻等植物的配置，可在風(fēng)速較小的情況下將室外的自然風(fēng)導(dǎo)入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、降溫與除濕功能。

3.4.3 利用植物的隔聲能力

地下空間對(duì)聲學(xué)要求較高，植物的減噪效應(yīng)可起到明顯作用。一般情況下，植物林帶對(duì)噪聲的減弱值為0.2～0.5dB/m。在實(shí)際工程中，可選用常綠喬木，搭配灌木，形成自上而下的隔聲屏障，相較傳統(tǒng)的無機(jī)材料隔聲屏，植物墻功能與景觀效益均佳。

4 結(jié)語

研究以地下空間為主體，依托綠色建筑相關(guān)理論及實(shí)踐，提煉適應(yīng)我國本土的地下空間綠色設(shè)計(jì)手法，歸納為光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、能耗和植物系統(tǒng)4個(gè)策略。

地下空間的開發(fā)是未來的發(fā)展方向，針對(duì)其綠色設(shè)計(jì)與優(yōu)化的策略動(dòng)態(tài)變化，相關(guān)手段技術(shù)應(yīng)隨著時(shí)代進(jìn)步不斷更新完善。該策略的研究將為地下空間的綠色設(shè)計(jì)和建造提供理論支持，有助于改善地下空間的品質(zhì)和布局的合理性，提高場所的人性化，達(dá)到節(jié)能減排作用，并有效促進(jìn)行業(yè)對(duì)綠色地下空間的關(guān)注和綠色地下空間產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。