基于BIM的被动式绿色建筑技术在校园中的实践

牛润卓 袁小宜 田智华 陈益明

深圳市建筑科学研究院有限公司

0 前言

“绿色校园”是指学校在实现其基本教育功能的基础上，以可持续发展理论为导向，在全面的日常工作中将可持续发展思想纳入管理中，通过制订环境管理制度，开展有效的环境教育活动，创设环境保护的文化氛围，促进师生、家长和专家参与环保和可持续发展的实际行动，全面提高师生的环境素养，共同为社会的可持续发展做出贡献。

绿色建筑则是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑[1]。

在深圳市南山区丽湖中学（以下简称“丽湖中学”）工程建设中，针对夏热冬暖地区的气候特点，采取被动绿色建筑技术为主，主动绿色建筑技术为辅，通过三维信息化设计（BIM Building Information Modeling），实现了绿色建筑技术与绿色学校的有机融合的设计目标。

1 项目概况

丽湖中学位于深圳市南山区西丽与大沙河交叉口的西南侧，于2012年9月份竣工投入使用，总用地面积 30684m2，总建筑面积 21349.12m2，地上 4层、局部地下1层，建筑高度24.6m。根据使用功能需要，工程分为3个组团，分别为教学区，实验区和行政区。用地西侧有西丽水库，东临大沙河，隔河与环境优美的深圳大学城相望，用地南侧有一座自然小山丘，具有良好的自然环境。

丽湖中学已获得国家绿色建筑二星级设计评价标识和深圳地区绿色建筑金级设计认证，并于2012年成为深圳市建筑节能和绿色建筑示范项目之一。

2 BIM技术集成应用

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立。BIM技术由于其丰富的信息量在建筑设计优化、施工过程优化和施工管理优化等方面，已得到了验证，使用BIM技术可以使规划、设计（初步设计、技术设计、施工图）、建造、运营、管理各个环节信息连贯一致。

丽湖中学利用BIM软件建构三维设备管线综合模型，对所有水、暖、电管线间冲突，管线与结构间冲突进行检查，并对管线综合图进行优化，有效降低管线施工过程中时间成本与物料成本，为建设方节约了投资。通过精心设计和三维信息化设计（BIM）手段的相结合，实现绿色建筑性能与文化有机统一的目标。

3 被动式技术集成与创新

被动式技术是以非机械电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术，具体指在建筑规划设计中通过对建筑朝向的合理布置、建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑开口设计等实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗的降低。

本项目大量采用被动式绿色建筑技术，用以改善建筑的室内外环境，如场地高差利用，功能分区，首层架空，场地生态环境营造，以及室内自然采光通风优化设计等。

3.1 因地制宜的空间布局

丽湖中学原用地不平整，存在高差，如采用场地平整后建设方案则会导致大量的挖方和填方，既是对原有场地的破坏，同时也不经济。

项目利用原有场地高差，将倾斜的场地分为若干个标高的台地，利用场地建造的先天因素。西侧沿路较高的台地作为教学区、东侧作为运动场区，不同台地自然形成的高差作为露天运动场看台。不同的标高变化丰富了校园的空间层次感受，同时又有效地减少了工程土方量，节约造价。

3.2 以人为本的院落平面布局

丽湖中学用地呈梯形布置，整体靠近动物园路，用地平面如图1所示。

图1 项目用地示意

从图1可以看出，项目用地不规则，呈梯形分布；同时项目用地靠近动物园路，根据动物园路道路噪声测试发现（图2），动物园路的噪声较大，表1为现场噪声实测数据：

图2 丽湖中学周边噪声测点分布图

表1 丽湖中学项目周边各测点噪声检测值

图3 1.5m高度处声压级dB（A）分布图

结合现场实测和噪声模拟分析技术，得出场地声环境分布图，如图3所示。

通过场地声压级分布图可以发现，靠近动物园路一侧的噪声值较大，随着逐渐远离动物园路，声压级呈逐渐减小的趋势，到了建筑内部噪声已小于40dB（A）。因此，项目在进行建筑平面布局时，将对声环境要求较高的房间，如教学楼和部分实验楼放置在远离西丽湖一侧，营造了静谧的学习空间；并尽可能地将行政楼和实验楼的卫生间、楼梯间等放置在靠近动物园路一侧，尽可能减少噪声对主要功能房间的影响。

3.3 首层架空

丽湖中学场地较紧凑，为节约利用用地，学校采用书院式布局，但同时也为自然通风带来了障碍。为解决院落内部的通风问题，同时也为了人员休憩空间的需求，丽湖中学充分利用了首层架空设计，架空设计不仅可营造花园式的良好环境，还可为自然通风提供廊道，将自然风引入到建筑内部，确保了院落内部的自然通风需求；而且也打通了低层各院落间的视线通廊和交通流线，方便各个组团的沟通[2]。

通过风环境仿真对比分析，验证项目的首层架空方式是否满足要求：

根据丽湖中学所在地气象特点，分析以下两种气象条件下的首层通风状况：1）夏季主导风：风速为1.8m/s，风向为东风；2）冬季主导风：风速为 2.0m/s，风向为北风。

丽湖中学冬夏两季建筑内部通风效果如下所示：

图4 场地人行高度处风环境分析

通过以上模拟结果可知：夏季和冬季主导风室外人员活动区域风速均控制在5m/s以下，并可以将外界的自然风引入建筑内部，从而改善了建筑内部的通风，避免了因围合布局带来的通风不畅的影响（如图4红色虚线所示）。此外，建筑迎背风面平均压差大于3Pa，具有良好室内自然通风的先决条件，如图5所示。

图5 迎风面和背风面表面压力分布图

此外，为缓解校园紧凑带来的活动空间减少的问题，丽湖中学在架空区域设置大量绿化，为师生提供了遮风避雨的休憩空间；同时，项目尽可能地采用各种透水铺装，减少雨水在地表的积蓄，减轻市政排水管网压力，缓解城市热岛效应。

3.4 自然采光优化设计

人眼在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效，并感到舒适和有益于身心健康，这表明人类在长期进化过程中，眼睛已习惯于天然光。太阳光是一种巨大的安全的清洁光源，室内充分地利用天然光，就可以起到节约资源和保护环境的作用[3]。此外，天然采光照明相对于人工采光照明不仅节省能源，而且光照舒适度好，更适于人眼阅读的需要。因此，自然光对于正处在成长发育的青少年显得尤其重要。

本工程主要通过两个措施加强主要房间，如教室，实验室的自然采光：1）减少采光进深；2）突破性地采用玻璃砖作为建筑内墙，充分加强围护结构的透光特性，从而确保功能房间最大可能地获得自然采光。

国家标准对于学校建筑的采光系数要求[4]如表2所示。

表2 学校建筑的采光系数标准要求

丽湖中学位于深圳，深圳属于III类光气候区，光气候系数为1.0，因此对于丽湖中学，采光系数的最低要求为2%。

通过模拟分析可以发现（图6），典型教室和实验室的平均采光系数均超过2%，其中教室的平均采光系数达到2.9%，实验室的平均采光系数达到4.06%，以上分析均是在全阴天，即最不利的情况下进行的，因此采用控制进深和玻璃墙的方法可以满足师生的昼间阅读和学习需求，不用额外开灯。

图6 典型教室与实验室自然采光系数分析

3.5 生态环境营造

丽湖中学作为学校建筑，建筑生态环境对在校师生的身心健康有着显著的影响，因此项目在有限的校园里进行了大量的结合场地本身的生态环境营造设计，如地理园，博知园，生物园等供学生休憩的绿化空间，让学生在休憩之余可以学习到各种植物知识；此外，项目还结合中水回用系统设计了人工湿地，从身边教育学生要珍惜水资源。

丽湖中学大量采用各种透水铺装，如植草砖，透水砖等，室外透水地面面积比可达50.4%，利于减少地表径流，减轻市政排水管网压力，缓解城市热岛效应。

3.6 绿色教育

丽湖中学将绿色建筑与绿色学校相结合，制定绿色建筑参观学习流线，通过学生日常的学习，将环境意识和行动贯穿于教育教学的整体性活动中，引导学生关注环境问题，掌握基本的绿色建筑科学知识，懂得人与自然要和谐相处的基本理念；学会如何从自己开始，从身边的小事做起，积极参与保护环境的行动。

4 总结

丽湖中学在探索绿色学校建筑之路走出了重要的一步，该工程以被动技术为主，主动技术为辅，如结合数值分析的优化布局、自然通风，自然采光，首层架空等，为在校师生提供了宜人的学习环境和浓郁的绿色建筑学习气氛。

工程全面采用全专业、全过程BIM设计，建筑师和各专业工程师以及绿色建筑咨询工程师无缝配合，同步采用软件模拟验算，对建筑的设计方案推敲比选、及时修正，寻找最佳的实现途径。通过精心设计和三维信息化设计（BIM）手段的相结合，实现了绿色建筑性能与文化有机统一的目标。

[1]绿色建筑评价标准(GB/T50378-2006)[S].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2]王毅立,袁小宜.传统传承与绿色精宜在校园文化建筑中的融合——以深圳市南山区丽湖中学绿色校园规划设计为例[J].生态城市与绿色建筑,2012,(1):21-24

[3]建筑物理(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

[4]建筑采光设计标准(GB50033-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001