建筑设计行业前沿技术之二——绿色建筑设计

张 桦

(上海现代建筑设计(集团)有限公司，上海 200000)

1 绿色建筑设计的意义

1.1 绿色设计的概念

绿色设计应用在建筑设计行业，是指贯彻绿色理念，使用信息化技术，在常规设计上提供的增值服务设计内容；是建筑设计充分考虑当地气候条件，综合环境负担、室内外舒适度及建造经济成本等各方面因素后，以性能化分析为支撑手段而进行的空间、体形、围护结构、构造、设备系统等的设计；以规划设计为核心充分并综合利用绿色技术、产品与材料，以达到减少能源消耗与环境影响的目标。

图1 绿色建筑设计概念解析

绿色设计主要体现在室内外风环境的营造、声环境的控制、光环境的调节以及热环境的优化等方面，而这些设计优化往往是同时进行、同步考虑的。

1.2 绿色设计的特点

绿色设计与传统建筑设计不同之处主要体现在以下4个方面。首先是设计效果的可量化。传统建筑设计也注重室内环境品质的营造，也考虑室内通风风路的设计，但是基本上靠的是设计师的经验与感性认识，而绿色设计则可在此基础上更进一步，依托性能化计算进行量化的理性分析，能控制每一步设计改进的通风效果，给设计改动或方案比较以量化的数据支撑，使设计更为理性化(如图 2)。

第二个特点是绿色设计能够将定量的计算直观而形象地表现出来，方便设计改进与结果呈现。传统设计中涉及的部分技术只能用经验公式或简化图表计算，过程复杂且结果抽象，计算结果的验证也只能通过经验或者计算书的检查来实现，对于某些非专业的业主或者使用者就很难表达清楚。绿色设计借助计算机仿真技术将传统的定量设计方法进行可视化。如图3(b)为某大空间建筑的气流组织分析图，与图3(a)的计算方法相比，结果一目了然，可直接根据结果为风口布置的密度、出口风速以及风口形式的优化提出改进建议。

第三个特点是绿色设计可实现建筑性能设计的最优化。传统设计也利用仿真模拟，但一般是在整体方案成型后，利用模拟对其性能进行验证

图2 绿色设计的可量化

图3 绿色设计的可视化

性分析，调整也只能是已有的设计格局下微调；而绿色设计是从设计起点开始即将建筑性能作为一个因子参与设计思维，与设计的每一步推敲紧密结合进行预测分析，甚至推动设计演变，使建筑整体性能达到已有条件下的最优(如图4)。

最后一个特点是绿色设计的集成性。传统设计中对建筑性能的优化分析或技术应用都是单一方面的，如利用自然通风技术改进室内风环境；而实际上设计是一个综合的过程，牵一发而动全身，为通风而作的优化设计可能会影响到室内采光与建筑能耗。绿色设计则是综合考虑各方面因素，进行集成而协同的性能分析，综合并协调各个专业，应用绿色适用的技术，对建筑进行集成优化设计。

1.3 绿色设计的作用

如今建筑对环境的影响、对资源能源的消耗越来越受到社会各界的重视，强调绿色可持续的建筑已是各国建筑的发展趋势。而通过绿色设计，以建筑本体设计为核心，协调各个专业，恰当地应用绿色技术，可以使绿色建筑的实现事半功倍。绿色设计的作用主要体现在以下3个方面：一是从设计之初即贯彻绿色理念，从而使建筑有良好的设计基础，能够适应气候特点，从而减小对耗能设备的依赖，可以大大降低建筑能耗与建筑投资；二是绿色设计选择适用技术进行最优化设计，可大大降低绿色技术的投入成本；三是绿色设计始终以建筑性能为目标，性能化分析伴随着设计的每一步，因此能够保证建筑建成后的环境品质。

2 绿色建筑的发展

2.1 国际绿色建筑发展

近年来各国都在推行可持续的绿色建筑，实行绿色建筑认证制度，通过不同绿色建筑评价体系认证的绿色建筑数量增长迅猛。

美国绿色建筑评价体系LEED是目前世界上应用最广泛的，截至2012年2月，共申请LEED认证项目数106 908个，其中商业建筑33 198个，住宅建筑73 710个；实际通过LEED认证项目数29 748个，其中商业建筑11 818个，住宅建筑17 930 个(如图 5)。

图4 绿色设计的方案演进过程

图5 LEED认证统计

新加坡绿色建筑计划始于2005年，在推行7年后获得良好的效果，影响力扩大到整个东南亚地区，已经逐步走向成熟。截至2011年，获得绿色标志的建筑超过840栋，建筑面积共计2 500万m2，占到全国总建筑面积的12%。新加坡政府计划在2030年80%的建筑要通过绿色建筑认证。

英国的BREEAM最早推行的绿色建筑认证体系，自1990年以来，BREEAM共评估英国市场25%～30%的新建办公建筑。截至2012年全球超过245 000栋建筑完成BREEAM认证，另有超过950 000栋建筑已申请认证，除英国外其他国家和地区共有300多栋建筑申请BREEAM认证(如图 6、7)。

澳大利亚绿色建筑认证的发展截至2012年9月14日，申请“绿色之星”认证的注册项目为520项，通过认证的绿色建筑工程共501项，其中办公建筑409栋，通过认证的面积达到7 973 691 m2。

2.2 国内绿色建筑发展

我国从2006年颁布《绿色建筑评价标准》开始，陆续出台了《绿色建筑评价技术细则》《绿色建筑评价技术细则补充说明(规划设计部分)》《绿色建筑评价技术细则补充说明 (运行使用部分)》《绿色工业建筑评价导则》《民用建筑绿色设计规范》《绿色医院建筑评价标准》《绿色商店建筑评价标准》《绿色超高层建筑评价技术细则》《绿色校园评价标准》《绿色生态城区评价标准》等标准，并且已有20个地方在国家标准基础上推出了地方的绿色建筑评价标准，经过逐步完善与发展，形成了一套较为完整的绿色建筑标准体系。而且结合绿色项目的经验积累，对2006年的《绿色建筑评价标准》进行了修编，目前新版标准已完成征求意见稿，将于2014年颁布。

随着标准体系的完善，绿色建筑数量的增长速度在不断加快。虽然2006年就出台了绿色建筑评价标准，但我国的绿色建筑自2008年才进入实质性的发展，从2008年10个、2009年20个，2010年已突破性的增长到82个；2011年增加了241个，几乎比上一年增长了2倍；2012年389个，2013年518个，绿色建筑数量呈井喷式增长(如图 8)。

图6 新加坡绿色建筑发展预测

图8 我国绿色建筑数量统计

国务院在2013年颁布的1号文转发的绿色建筑行动方案中明确提出我国“十二五”期间要完成新建绿色建筑面积10亿m2的目标，随着政府推动，绿色建筑数量还将更加迅速的增加，对绿色设计的需求也将越来越大。

2.3 绿色建筑发展的影响因素

分析各国大力发展绿色建筑的因素(如图9)，可以看到，降低能耗、更低的温室气体排放、保护自然资源、减少水资源消耗、改善室内空气质量是各国建造绿色建筑最重要的环境原因。也就是说，各国对绿色建筑设计作用的认知是较为统一的，即绿色建筑目标主要为降低能耗、减小建筑对环境的影响与提高建筑室内环境品质这三大方面。

图7 英国绿色建筑统计

图9 建造绿色建筑的环境因素[1]

而分析影响各国绿色建筑发展的因素(如图10)，可以看到“高昂的原始成本、缺乏政策支持/激励、资本支出与运营成本节省之间的挑战、缺少市场需求、可承受性——绿色是高端的、缺乏公共意识与缺乏专业人士”等因素是阻碍绿色建筑发展的因素。特别是高昂的原始成本，影响虽然2012年比2008年有所下降，但依然是各国绿色建筑首要关注的问题。由此也可以看出绿色设计的重要性。靠设备与技术堆砌的绿色建筑成本高昂，唯有通过绿色设计，从设计的根本上实现与环境融合、各专业协调、技术适宜，才能降低投资，实现便宜的绿色建筑。

3 绿色建筑设计的内容与要点

3.1 绿色建筑设计涵盖的内容

绿色建筑设计所涵盖的范围很广，涉及从宏观的区域规划到单体的专项设计，从新建建筑到改造项目，乃至绿色建筑的认证，都属于绿色建筑设计的内容。

图10 影响绿色建筑发展的因素[1]

1)绿色城市区域规划设计与咨询。

在规划阶段，结合总体规划理念进行环境分析、能源规划等可持续城市规划技术服务，取得满足绿色、低碳、生态等要求的城市规划文件。在前期阶段，通过基于项目自然环境、社会环境、技术条件、技术成本的专业调研，确定建筑项目的实施目标和技术策略。主要设计技术包括绿色生态规划咨询与优化设计、区域能源规划咨询与优化设计、新建建筑节能评估专项分析和区域风环境分析与优化设计。如现代设计集团做的包头新都市中心区规划风环境分析、青岛蓝海新港城风环境优化、四方欢乐滨海城室内外风环境分析等(如图 11)。

2)建筑绿色专项设计。

在项目设计阶段，设计结合日照分析、室外风环境模拟、室内自然通风模拟、自然采光模拟、建筑遮阳模拟、围护结构节能计算、建筑能耗模拟分析等分析技术，对设计进行优化分析，推进设计。主要设计技术包括建筑采光遮阳设计与数值模拟分析、复杂建筑全年能耗及节能潜力分析、复杂式地源热泵系统优化设计及仿真分析、室内舒适度分析及优化设计、日照分析、围护结构节能分析。如：烟台机场节能专项设计、上海虹桥产业楼全年能耗计算分析、复合式诚品书店文化商业综合体地源热泵土壤热响应试验和系统优化分析、南京机场节能专项设计、京沪高速铁路上海虹桥站遮阳系统专题研究、上海汇都公寓地源热泵与太阳能热水集成设计专项等(如图12)。

3)既有建筑绿色改造设计。

不仅是新建建筑，对既有建筑改造也可以将绿色理念融入其中，做可持续的设计——寻求资源、环境与空间品质的最佳平衡，使历史得以延续，当下能够适用，未来可以发展。将既有建筑改造需求同现有造型特征进行紧密结合，是绿色改造设计的一个重点与难点。此类设计实例如上海香港广场南、北楼裙房外立面装饰工程节能设计、银河宾馆节能改造、虹桥宾馆节能改造等。

图11 区域规划风环境优化示意

图12 遮阳专项优化设计示意

4)绿色建筑星级认证。

从建筑设计到最终绿色星级的认证，提供绿色建筑全过程服务内容。如：项目绿色开发策划、绿色星级目标定位可行性分析、绿色任务书设置、绿色规划与建筑方案咨询、绿色专项技术分析(日照分析、室外风环境模拟分析、室内自然通风模拟分析、自然采光模拟分析、建筑遮阳模拟分析、室内外环境噪声模拟分析、围护结构节能计算、建筑能耗模拟分析等)与绿色管理(施工绿色技术交底和绿色施工指导)等内容，并代理委托专家团队进行质量控制，从而获得国家绿色建筑星级认证和美国LEED认证。此类项目如苏州诚品绿色建筑设计、申都大厦绿色建筑设计、湖州太湖旅游度假区绿色建筑设计、崇明陈家镇能源中心绿色建筑设计等。截至2012年12月，上海现代建筑设计集团已有17个项目获得绿色建筑评价标识，11项为上海市项目，其中设计标识19项(上海市14项)，运营标识3项(上海市3项)，占上海市绿色建筑数量的25%(如图13)。

3.2 绿色建筑设计应注意的问题

绿色建筑设计强调的是建筑对气候的适应性，应首先通过建筑本体的设计尽可能实现建筑性能与品质的优化，如微环境设计(风环境优化、日照控制)、建筑遮阳(活动外遮阳)、立体绿化(垂直绿化、屋顶绿化)、自然通风(通风隔音窗技术、中庭、拔风井、导风构造)、自然采光(光导、光纤照明)、隔热保温(保温遮阳一体化外窗、双层幕墙、变色玻璃、断热桥构造、气密性)等设计，这也是需要资金投入最少的部分，投入产出比高；在此基础上协调暖通、电气、给排水等专业进行技术优化，实现设备的高效运行，如智能照明(LED照明、光感控制)、能量回收利用(空调排风热回收、冷凝热回收、烟气热回收、电梯势能回收)、能效监控(能耗分项计量、水泵风机变频调节、可变新风比、污染物控制与设备联动)、节水技术(节水卫生器具、微灌滴灌技术)、蓄冷蓄热技术、冷热电联产技术；最后可根据条件考虑增加可再生能源与资源的利用设计，如太阳能(热水、发电、制冷空调、采暖)、浅层地热能(土壤源热泵、地表水源热泵、海水源热泵、地下水源热泵)、风能发电、生物质能利用、水(雨水、中水)、材料(废旧材料、可循环材料<木、钢 >)(如图 14)。

图13 申都大厦绿色三星级设计

图14 绿色设计要点

另一方面，绿色建筑设计还应注意应用技术对建筑功能、气候条件的适用性。不同绿色技术有其不同的适用条件，以土壤源热泵技术为例。土壤源热泵系统适用于冬夏季负荷相近的地区或建筑；尤其适用于热负荷大、间歇运行和占地面积大等特点的建筑使用；宜与其他系统形成复合式系统，以确保系统的可靠性和高效运营。如上海浦东游泳馆，占地面积较大，运行时间为间歇运行，泳池热负荷大，非常适合采用土壤源热泵，如图15所示，经过两个加热和两个制冷季的运行，土壤温度基本保持稳定；而地源热泵在运行过程中，间歇运行也有利于土壤温度的恢复。

图15 整个运行期间土壤温度变化

4 结语

绿色建筑设计是从设计之初就贯彻绿色理念，利用性能化分析手段优化设计，协调各个专业，选择适宜技术，从而实现建筑对环境影响的最小化、建筑性能的最优化及建筑能耗最小化的目标。随着绿色建筑的大力推进，绿色建筑设计将是未来建筑设计发展必然。

[1]Smart Market Report:World Green Building Trends,Business Benefits Driving New and Retrofit Market Opportunities in Over 60 Countries.McGraw-Hill Construction.www.construction.com.

[2]国务院办公厅关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知.国办发〔2013〕1号.