數字化科技聯動綠色建筑設計理念

趙 妍，李柱梁，彭云東，王玥

（吉林建筑科技學院，長春 130114）

“雙碳”背景下綠色建筑科技已成為初設階段的評價內容。嚴寒地區節能降碳潛力大，結合學科競賽對既有建筑進行綠色改造相關設計和技術探討可以帶來經濟和社會效益。嚴寒地區自然環境相對惡劣，四季溫度變化較大，對建筑室內物理環境要求較高。基于“碳中和”目標，我國既有建筑60%是不節能的建筑，這與新時代所倡導的美好生活理念相悖[1]。根據性能表現的嚴寒地區既有建筑綠色化改造方法，建立基于性能模擬的敏感度預測模型，結合建筑光環境、聲環境和舒適性等性能指標，整合優化改造措施，降低既有建筑改造試錯成本，對既有建筑改造綜合性提升有指導意義，從多學科視角完善了方案設計階段建筑改造技術措施選擇，是我國實現“雙碳”承諾的有效途徑[2]。

1 項目概況

1.1 氣候分析

長春地處東北地理中心，春季干旱多風，夏季溫暖短促，秋季晴朗溫差大，冬季嚴寒漫長。年平均氣溫4.6 ℃，年降水量600～700 mm，全年冰凍期為5 個月。

1.2 方案簡介

科技競賽要求作品改造真實場地，營造綠色社區，自擬場地師生在此過程中會基本了解綠建評價標準相關條文，以便后期星級評價得到一星以上分數。最終公建項目選定位于長春市朝陽區的某教學樓建筑，北鄰桂林路商圈，西鄰南湖公園；四周有吉林大學南嶺校區、吉林藝術學院和東北師范大學附屬小學等學校建筑。校區500 m 內有多處公交站點及地鐵站，交通便利，環境優美，設施齊全。本次參賽項目于2005 年設計建成，建筑為7 層混合結構，面積為9 574 m2。綠化率30%，體型系數0.17，功能用途為教學樓。

1.3 設計理念

設計以“綠色”科技為機要點，秉承可持續發展觀和以人為本的初心，力求在滿足環境、衛生和舒適度的同時高效運行被動式節能方式，提升資源利用降低能耗，實現節能環保兼具的科技建筑。

暖——單體朝向選擇及空間布局適應氣候特征，結合嚴寒C 區氣候條件和原建筑風格，改變圍護結構保溫性能，使嚴寒地區建筑在節能的同時獲得溫暖舒適地體驗。

陽——科學引入通風中庭和采光天井，玻璃幕墻設計增加了陽光的攝入，配合太陽能板設計提高清潔能源利用率，降低建筑能耗。

苑——改造的教學樓。簡潔的體量和立面設計形成了較低的體型系數，營造出宜人的教學環境，符合教學類建筑學術莊重典雅的氛圍（圖1）。

圖1 科技智能建筑效果圖

1.4 現狀問題和初步改造方案

老舊教學樓改造前教學樓內光線昏暗，全靠人工采光，教學樓外立面的內凹設計，不僅浪費了使用空間，而且沒有起到預期的采光效果。建筑存在廁所老舊、走廊燈光昏暗等問題。自然光利用率低且走廊內長時間開燈，浪費電力資源，且西側功能空間下午西曬問題嚴重。現有建筑冬季供暖條件不理想，冬季冷風滲透問題嚴重，門窗老舊，嚴寒冬季建筑室內溫度較低，不利于師生日常生活。

通過BIM 技術建模后，導入斯維爾軟件進行性能模擬，對改造技術措施進行優化選擇。對建筑整體和周邊環境進行重新組織設計。結合海綿城市理念對建筑周邊綠地進行重新設計，增加透水鋪裝地面，環保型雨水口，增設電動汽車充電設施。在改造前各個平面存在較多問題，但為減少建筑在改造中的碳排放量，也盡可能減少大量拆建。為增加教學樓內部空間趣味性，在一層布置通高展廳；結合后疫情時代需求，在原南側入口處改建了醫務室和隔離室，同時為了適應未來融合式教學常態化，把個別會議室和教室改為混合式教學教室。

2 基于BIM 技術的建筑室內外環境模擬分析

2.1 體型系數

在嚴寒地區，通常可以以減小建筑表面積、減小體型系數的方式來達到建筑節能的目的。建筑改造過程中，針對原有建筑內凹立面進行調整，原有立面不利于采光的同時也導致體型系數較高。改造后變成圓弧形立面，在造型上更豐富生動聯動，同時對于體型系數的調整也達到了一定的節能目的。

2.2 建筑碳排放

通過碳排放模擬分析，外墻改造同時在巖棉板外側增加了BIPV 光伏板，降低建筑運行碳排放同時還能讓建筑產生清潔能源，推動我國順利實現碳中和目標[3]。利用南側墻面3—6 層平臺種植藤蔓植物作為墻面綠化措施增加碳匯。

2.3 綠色建筑評價

綠色建筑評價評估報告顯示：本項目最終得分79分，二星級，改造后本項目在安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居、提高與創新6 大方向均有改善（圖2）。

圖2 綠色建筑評價評估報告

3 既有建筑綠色改造的方案選擇與技術運用

3.1 被動式節能方式的運用

巖棉熱阻大兼具保溫、防火性能，是建筑圍護結構A 級防火的優質材料，適用東北地區冬季外圍護結構的保溫[4]。改變A 級巖棉板厚度達到設計要求。增加顏色較深的外墻材料進行裝飾，加大南向房間的采光面積和窗地比，以提高得熱性能。外窗改造方面把原60系列（三腔）（空氣）4+9A+4+9A+4 暖邊密封構造改為Low-E+白玻中空5+12A+5Low-E+9A+5 鋁條密封、70系列平開推拉窗（五腔）（氬氣）4+12A+4Low-E+12A+4暖邊密封、幕墻為斷橋鋁5+12A+5Low-E（氬氣）斷橋寬24.0 mm 膠條封邊3 種構造類型，提高了圍護結構熱工性能。改善了原外窗建筑年代已久，窗戶氣密性較差，冬季冷風滲透量較大的問題。建筑屋頂改造方面提高屋頂保溫材料EPS 保溫板厚度，設置保溫屋面，提高屋頂蓄熱能力，在防水層上直接設置保溫隔熱層。

3.2 主動優化節能

3.2.1 可再生能源利用

1）太陽能光伏板。在建筑屋頂設置太陽能光伏板，建筑外立面安裝太陽能光伏面板，并結合BIPV 板實現光伏建筑一體化，實現建筑西立面局部遮陽及視線遮擋，保證空間的私密性，防止室內眩光。降低建筑能耗的同時還能讓建筑產生清潔能源，推動我國順利實現雙碳目標。光伏發電用于公共區域照明，余量并入電網獲取收益。

2）新能源汽車充電樁。結合GB/T 50348—2014《綠色建筑評價標準》技術要求，配備車輛充電設備，減少城市汽車尾氣及溫室氣體排放，是綠色建筑為實現我國碳達峰、碳中和的技術貢獻[5]。

3）地源熱泵。增設地源熱泵，其具有一機多用、維護費用低、污染小、壽命長和節省空間等優點，能有效地改善室內熱舒適度，地埋管熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的能耗。太陽能源多次利用是可持續發展的體現。

3.2.2 海綿城市理念。

1）屋頂雨水收集利用。在設置沿口綠化的南側屋頂處設置集水槽，收集屋面雨水，用于澆灌南側沿口種植的綠化植物，減少雨水徑流，降低地面排水壓力。

2）透水鋪裝地面。本項目停車位布置在水泥混凝土路面上。改造時采用海綿理念，將停車位改造為混凝土植草磚，停車位草坪覆蓋率達到30%，夏季可以降低園區地面熱量反射，改善熱島效應。

3）環保型雨水口。按照規范在校園道路內的雨水口增加攔污籃，從源頭攔截雨水中較大的污染物。濾水桶設置孔隙，濾水桶上設有溢流口，雨量較大時可以直接溢流。下部設有沉淀區，可積淤深度為300 mm。出水管前設置防臭管，攔截浮渣油污，阻擋臭氣。能夠去除25%雨水中的固體懸浮污染物[6]。

3.2.3 節水器具及防疫設計

1）節水器具。衛生間原采用的大便槽統一改造為一級節水器具，按照CJT 164—2014《節水型生活用水器具》坐便器沖洗水量不大于4 L；小便器及水龍頭采用感應龍頭，小便器沖洗水量不大于2 L，水龍頭水嘴流量不大于0.1 L/s。

2）后疫情時代改造。基于后疫情時代，對建筑防疫設計進行反思，在原南側入口處改建了醫務室和隔離室，同時為了適應未來融合式教學常態化，把個別會議室和教室改為混合式教學教室，以適應后疫情時代對教學樓的要求。

3.3 綠化固碳

建筑南側立面在3—6 層平臺上種植藤蔓植物作為墻面綠化措施，夏季遮擋陽光，體現立體綠化與外遮陽的等效熱阻優勢，冬季植物枯萎可充分利用日照輻射得熱，提高室內房間溫度[7]。

4 數字科技振興高校學術建設

科技學科競賽充分調動學生參與課程的積極性，使教學模式更加生動，使學與用融合得更好，相互促進。學生可以在短時間內得到專業水平的提升。不同的設計理念碰撞能夠開拓學生視野，幫助學生得到更好的發展。教師在指導競賽過程中完善了自己的知識儲備，同時可以用學科競賽促進科學研究的發展，在學科競賽中總結經驗促進教學改革發展。產學合作協同育人可以達到推動人才培養創新發展的目的。數字化學科建設應將社會需求、企業需求、科研成果與人才培養無縫銜接、創新并推廣。

5 結束語

“碳達峰”“碳中和”是我國對世界做出的鄭重承諾，“雙碳”目標已成為貫徹落實生態文明建設國家綠色發展戰略的重要任務之一，發展綠色建筑是建筑領域實現“雙碳”目標的重要途徑。參加綠色建筑設計技能大賽不僅豐富師生的實踐經驗，同時也可以滿足建筑類院校對綠色建筑教學的需求，由于BIM 技術其信息化、參數化及可視化的特點為綠色建筑的設計提供了更有效的解決方案。

國家支持開展綠色低碳技術發展，學科競賽可以引導學生從競賽中了解綠色建筑、了解節能減排，實踐中學到的知識水平比教科書中理論知識的掌握更扎實。同時，也可以在專業課程設計融入節能減排理念，從而在思維上植入綠色概念。國家倡導積極推動既有建筑節能改造，通過對一批高能耗、低能效的既有建筑實施節能改造，提高建筑運行能耗、降低建筑碳排放。可以實現我國“雙碳”承諾。因此，綠色設計競賽是在學生、教師、產學合作與社會實踐等多方面積極響應“雙碳”目標。