基于零碳目標的建筑可持續設計實例研究*

張 遠

(江蘇省建工設計研究院有限公司 南京 210011)

建筑行業是推動我國城市化進程、帶動國民經濟發展的支柱性產業,在發展過程中需要考量工程項目的社會效益和經濟效益。隨著我國可持續發展理念的深化落實,建筑行業逐步向綠色、環保、可持續發展方向轉型,生態效益成為工程項目需要考量的重要因素。所以現代建筑工程項目應當將“零碳目標”貫徹在建筑工程設計、建筑工程管理、建筑工程施工、建筑工程驗收等全過程。所以新型建筑可持續設計技術的研究對建筑工程行業的綠色發展具有重要的現實意義,能夠加速建筑工程行業向綠色環保方向轉型、衍生建筑工程可持續發展新策略,為建筑工程行業注入新活力。

1 工程概況及工程構思

1.1 工程概況

項目工程位于陜西省某市東北部,該區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,冷暖干濕四季分明。冬季寒冷、春季溫暖、夏季炎熱多雨、秋季涼爽,年降水量約為522.4～719.5 mm。主要用于文化館,主樓層高2層,包括6間展覽室、6 間圖書室以及多個功能用房(包括衛生間、廚房、保安室、辦公室等),總建筑面積約為2 050 m2。文化館建筑工程背靠陜西省某國家級森林公園,占地面積超過34.9公頃,具有豐富的森林資源,生態系統穩定、生態環境優秀。所以該文化館建筑工程需要秉承可持續發展理念進行設計,盡可能發揮周邊自然資源豐富的優勢。

1.2 工程構思

建筑可持續設計的主要內容是可持續設計的目標和策略,通常情況下建筑可持續設計目標包括“節能、節水、節材”3個部分。后續的可持續設計策略需要從“零碳目標”的最終目標出發,分別從3個設計目標展開策略研究。需要注意的是建筑可持續設計策略并不是將節能減排、綠色環保作為唯一考量因素,而是需要從使用者需求、建筑節能效益、社會效益、建筑成本等多方面綜合考量。

2 建筑可持續設計

2.1 節能設計

2.1.1 場地整體可持續設計

2.1.1.1 場地氣候設計

該施工區域的冬季寒冷、春季溫暖、夏季炎熱多雨、秋季涼爽,主要風向為東北風,所以在場地氣候設計過程中,將展覽室建設在文化館北側,圖書室、辦公室等建設在文化館南側,展覽室多以展品為主,管理人員的活動較少,建設在北側可以用于阻擋寒風侵襲、減少熱量流失,為南側的辦公室、圖書室創造更好的氣候條件。另外南北通透的設計有助于形成風壓、提升文化館自然通風能力[2]。

2.1.1.2 綠植優化設計

文化館的綠植主要分為北側綠植、南側綠植和邊界綠化帶3部分,其中北側綠植應以常綠喬木為主,例如圓柏、香樟、羅漢松等,能夠阻擋冬季寒風,致使寒風偏移和削弱,有利于文化館內部的熱量保存;南側綠植應以落葉喬木為主,例如國槐、水杉、銀杏等,能夠在夏季提供遮陰區、避免陽光直射,同時落葉喬木能夠起到隔音效果,降低樓下活動區域對南側圖書室的噪音影響;邊界綠化帶應以常綠喬木配合灌木,阻擋外部的噪音、風沙等影響[3]。

2.1.1.3 電能技術選擇

備選的電能技術包括太陽能光伏發電、風力發電和電網集中供電3種,其中,太陽能光伏發電受天氣影響較大,電能供應穩定性較差;風力發電的風能強度不足,并且還需要占用鄰近的森林公園用地;電網集中供電的供電穩定性較高。所以最終選擇了電網集中供電方式。

2.1.2 建筑單體可持續設計

2.1.2.1 建筑平面節能設計

建筑平面節能設計主要包括朝向日照設計、室內空間溫度分區設計和被動式通風設計3部分。其中朝向日照設計將建筑朝向設計為南向±30°范圍之內,進而提升文化館的自然采光率,降低電能消耗;室內空間溫度分區設計將文化館分為活動單元(展覽室、圖書室、活動室等)、輔助單元(衛生間、廚房等)、后勤單元(保安室、配電室等)3 部分,其中活動單元的溫度最高、輔助單元其次、后勤單元的溫度最低,進而形成室內溫差,使得室內溫度的上升與流失緩慢進行,將建筑內部的冬季保溫與夏季隔熱的效率提升;被動式通風設計通過迎風面與背風面產生的風壓差,組織建筑內部自然通風,能夠提升文化館內部的空氣流動性,有利于夏季熱能的疏導[4]。

2.1.2.2 建筑立面節能設計

文化館的建筑立面節能設計主要集中在窗墻比的計算上。項目工程窗墻比公式參數如表1所示[5]。

表1 項目工程窗墻比(m2)

由表1可知,項目在保證通風性和保溫性的前提下,減少文化館的窗墻比,對施工材料進行節約。

2.1.2.3 被動式太陽能設計

本方案通過與可持續設計的結合,采用技術、材料、空間、功能等方面,實現村鎮幼兒園建筑的綠色節能,保溫隔熱的目標。技術方面利用大面積窗進行自然采光,并配合遮陽簾進行使用,夏季遮陽阻熱、冬季采光融熱;材料方面使用熱惰性好的材料達到保溫隔熱的目標,保溫材料選擇泡沫混凝土、墻體材料選擇空心磚、玻璃采用中空玻璃;空間方面通過設置附加陽光間的方式,作為熱量的緩沖空間;功能方面將圖書室、辦公室、寢室等單元布置在圖書館南側,保證充足的采光與自然通風;展覽室和衛生間布置在北側;附加陽光間可局部設置,也可整體布置,一層通過開設門窗,直接聯系室外活動場地[6]。

2.2 節水設計

2.2.1 場地水文設計

上述說明該文化館建筑工程背靠陜西省某國家級森林公園,所以文化館整體的場地地勢具有一定坡度。基于此,項目工程采用地表徑流方式進行排水,通過場地內自然的高差,將雨水、廢水統一導入居民區生活污水處理設備,再通過污水處理設備將處理后的污水排入森林公園的山谷中。文化館場地的整體鋪裝采用透水鋪裝,最大程度地保護文化館地基的土地資源、保持土壤的滲透性。

2.2.2 污水技術設計

污水處理技術是實現區域可持續發展的關鍵手段,針對文化館的排水特征(生活用水較多、污水水質穩定,有機物、氮、磷等營養物含量較高,一般不含有毒物質),選擇使用居民區生活污水處理設備,該設備基于膜生物反應器(MembraneBio-Reactor,MBR)制成,能夠處理生活系統綜合性廢水及其相類似有機污水,并且具有耐腐蝕、施工簡單、操作容易、自動化控制、維保便捷的應用優勢。具體居民區生活污水處理設備運行原理圖如圖1所示。

圖1 居民區生活污水處理設備運行原理圖

雨水技術能夠提升文化館建設工程對水資源的利用率,其主要目的是通過對雨水的集蓄、凈化,實現對雨水的二次利用。通過雨水來源可以將雨水分為屋頂雨水和地面雨水兩類,凈化后的雨水可以用于文化館日常用水和干旱儲備用水。其中日常用水需要對雨水進行凈化處理,考慮到文化館建設的經濟成本,項目工程決定去除凈化處理環節,將雨水輸入居民區生活污水處理設備進行簡單過濾,并用于文化館清潔用水。為提升文化館的干旱儲備用水能力,項目在文化館西側建立約15m3容積的蓄水池。

2.3 節材設計

2.3.1 建筑功能布局設計

文化館的建筑功能布局設計秉承節材設計的理念,在不影響功能性和合理性的情況下,縮緊文化館建筑功能布局、盡可能減少外墻面積和結構用料。文化館建設工程中,單個功能用房的建筑面積均有縮減,形成平面功能較為緊湊的布局,能夠大幅度縮減工程量和原料量,在保持功能用房功能性的同時,滿足了節省建筑材料的經濟性原則。

2.3.2 建筑材料選擇

2.3.2.1 結構材料

項目工程文化館的展覽室共有6間,均在2層,并且相互之間均可貫通,屬于無柱開敞的空間,能夠靈活布置文化館展覽內容,方便搬運體積較大的展品。基于此,文化館建設工程的結構承重材料選擇使用鋼筋混凝土材料、墻體選擇空心磚材料。其中鋼筋混凝土材料主要用于承重、空心磚材料主要用于控制成本。另外這種結構材料搭配能夠賦予文化館一定程度的熱惰性,有利于文化館的熱能利用。

2.2.3 雨水技術設計

2.3.2.2 裝飾材料

裝飾材料主要考慮經濟性原則,選取飾面磚、合成樹脂涂料、釉面磚、大白漿墻面等成本較低、裝飾簡單的材料。

2.3.2.3 保溫材料

保溫材料涉及到項目工程的熱能利用率,該區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,所以應當重視夏季通風和冬季保溫。基于此,項目工程的保溫材料選擇復合使用巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料和泡沫混凝土板。其中巖棉板主要由玄武巖構成,屬于人造無機纖維板,具有耐久性高、導熱系數小、成本低的應用優勢,但施工安裝條件較差;聚苯乙烯泡沫塑料由聚苯乙烯經加熱發泡形成,項目工程選擇使用膨脹型聚苯乙烯泡沫塑料,具有抗沖擊性好、吸水率較低、受氣溫干擾較小的應用優勢,但抗裂性較差、施工周期較長,燃燒后會產生有害氣體;泡沫混凝土板由空氣、氮氣等其他氣體引入到混凝土漿體中制成,具有成本低、防水性好、使用壽命長、施工簡單的應用優勢,但強度較低、容易吸水。根據3種保溫材料的特性,文化館建筑工程在大面積保溫墻面應用泡沫混凝土板作為外保溫材料,降低工程成本、縮短工期、提高安全性;在臨近山體的一面應用聚苯乙烯泡沫塑料,提升墻面的抗沖擊性;在屋頂以及連接位置采用巖棉板保溫,提升關鍵位置的耐久性并降低導熱系數。

綜上所述,筆者以陜西省某市建筑工程實例為基礎,對基于零碳目標的建筑可持續設計展開研究,分別闡述節能設計、節水設計、節材設計3方面建筑可持續設計的具體措施,得出結論:①節能設計方面應當從場地整體可持續設計和建筑單體可持續設計兩方面切入,其中場地整體可持續設計包括場地氣候設計、綠植優化設計、沼氣技術選擇、電能技術選擇;建筑單體可持續設計包括建筑平面節能設計、建筑立面節能設計、被動式太陽能設計、供熱技術設計。②節水設計方面應當從場地水文設計、污水技術設計、雨水技術設計3方面切入,設計出自然合理排放可持續節水設計。③節材設計方面應當從建筑功能布局設計、建筑材料選擇兩方面切入,選用經濟性好、熱惰性好,使用維護費用低,技術難度低,便于當地取材的建筑設備與材料。