基于零碳目标的建筑可持续设计实例研究*

张 远

(江苏省建工设计研究院有限公司 南京 210011)

建筑行业是推动我国城市化进程、带动国民经济发展的支柱性产业,在发展过程中需要考量工程项目的社会效益和经济效益。随着我国可持续发展理念的深化落实,建筑行业逐步向绿色、环保、可持续发展方向转型,生态效益成为工程项目需要考量的重要因素。所以现代建筑工程项目应当将“零碳目标”贯彻在建筑工程设计、建筑工程管理、建筑工程施工、建筑工程验收等全过程。所以新型建筑可持续设计技术的研究对建筑工程行业的绿色发展具有重要的现实意义,能够加速建筑工程行业向绿色环保方向转型、衍生建筑工程可持续发展新策略,为建筑工程行业注入新活力。

1 工程概况及工程构思

1.1 工程概况

项目工程位于陕西省某市东北部,该区域属暖温带半湿润大陆性季风气候,冷暖干湿四季分明。冬季寒冷、春季温暖、夏季炎热多雨、秋季凉爽,年降水量约为522.4～719.5 mm。主要用于文化馆,主楼层高2层,包括6间展览室、6 间图书室以及多个功能用房(包括卫生间、厨房、保安室、办公室等),总建筑面积约为2 050 m2。文化馆建筑工程背靠陕西省某国家级森林公园,占地面积超过34.9公顷,具有丰富的森林资源,生态系统稳定、生态环境优秀。所以该文化馆建筑工程需要秉承可持续发展理念进行设计,尽可能发挥周边自然资源丰富的优势。

1.2 工程构思

建筑可持续设计的主要内容是可持续设计的目标和策略,通常情况下建筑可持续设计目标包括“节能、节水、节材”3个部分。后续的可持续设计策略需要从“零碳目标”的最终目标出发,分别从3个设计目标展开策略研究。需要注意的是建筑可持续设计策略并不是将节能减排、绿色环保作为唯一考量因素,而是需要从使用者需求、建筑节能效益、社会效益、建筑成本等多方面综合考量。

2 建筑可持续设计

2.1 节能设计

2.1.1 场地整体可持续设计

2.1.1.1 场地气候设计

该施工区域的冬季寒冷、春季温暖、夏季炎热多雨、秋季凉爽,主要风向为东北风,所以在场地气候设计过程中,将展览室建设在文化馆北侧,图书室、办公室等建设在文化馆南侧,展览室多以展品为主,管理人员的活动较少,建设在北侧可以用于阻挡寒风侵袭、减少热量流失,为南侧的办公室、图书室创造更好的气候条件。另外南北通透的设计有助于形成风压、提升文化馆自然通风能力[2]。

2.1.1.2 绿植优化设计

文化馆的绿植主要分为北侧绿植、南侧绿植和边界绿化带3部分,其中北侧绿植应以常绿乔木为主,例如圆柏、香樟、罗汉松等,能够阻挡冬季寒风,致使寒风偏移和削弱,有利于文化馆内部的热量保存;南侧绿植应以落叶乔木为主,例如国槐、水杉、银杏等,能够在夏季提供遮阴区、避免阳光直射,同时落叶乔木能够起到隔音效果,降低楼下活动区域对南侧图书室的噪音影响;边界绿化带应以常绿乔木配合灌木,阻挡外部的噪音、风沙等影响[3]。

2.1.1.3 电能技术选择

备选的电能技术包括太阳能光伏发电、风力发电和电网集中供电3种,其中,太阳能光伏发电受天气影响较大,电能供应稳定性较差;风力发电的风能强度不足,并且还需要占用邻近的森林公园用地;电网集中供电的供电稳定性较高。所以最终选择了电网集中供电方式。

2.1.2 建筑单体可持续设计

2.1.2.1 建筑平面节能设计

建筑平面节能设计主要包括朝向日照设计、室内空间温度分区设计和被动式通风设计3部分。其中朝向日照设计将建筑朝向设计为南向±30°范围之内,进而提升文化馆的自然采光率,降低电能消耗;室内空间温度分区设计将文化馆分为活动单元(展览室、图书室、活动室等)、辅助单元(卫生间、厨房等)、后勤单元(保安室、配电室等)3 部分,其中活动单元的温度最高、辅助单元其次、后勤单元的温度最低,进而形成室内温差,使得室内温度的上升与流失缓慢进行,将建筑内部的冬季保温与夏季隔热的效率提升;被动式通风设计通过迎风面与背风面产生的风压差,组织建筑内部自然通风,能够提升文化馆内部的空气流动性,有利于夏季热能的疏导[4]。

2.1.2.2 建筑立面节能设计

文化馆的建筑立面节能设计主要集中在窗墙比的计算上。项目工程窗墙比公式参数如表1所示[5]。

表1 项目工程窗墙比(m2)

由表1可知,项目在保证通风性和保温性的前提下,减少文化馆的窗墙比,对施工材料进行节约。

2.1.2.3 被动式太阳能设计

本方案通过与可持续设计的结合,采用技术、材料、空间、功能等方面,实现村镇幼儿园建筑的绿色节能,保温隔热的目标。技术方面利用大面积窗进行自然采光,并配合遮阳帘进行使用,夏季遮阳阻热、冬季采光融热;材料方面使用热惰性好的材料达到保温隔热的目标,保温材料选择泡沫混凝土、墙体材料选择空心砖、玻璃采用中空玻璃;空间方面通过设置附加阳光间的方式,作为热量的缓冲空间;功能方面将图书室、办公室、寝室等单元布置在图书馆南侧,保证充足的采光与自然通风;展览室和卫生间布置在北侧;附加阳光间可局部设置,也可整体布置,一层通过开设门窗,直接联系室外活动场地[6]。

2.2 节水设计

2.2.1 场地水文设计

上述说明该文化馆建筑工程背靠陕西省某国家级森林公园,所以文化馆整体的场地地势具有一定坡度。基于此,项目工程采用地表径流方式进行排水,通过场地内自然的高差,将雨水、废水统一导入居民区生活污水处理设备,再通过污水处理设备将处理后的污水排入森林公园的山谷中。文化馆场地的整体铺装采用透水铺装,最大程度地保护文化馆地基的土地资源、保持土壤的渗透性。

2.2.2 污水技术设计

污水处理技术是实现区域可持续发展的关键手段,针对文化馆的排水特征(生活用水较多、污水水质稳定,有机物、氮、磷等营养物含量较高,一般不含有毒物质),选择使用居民区生活污水处理设备,该设备基于膜生物反应器(MembraneBio-Reactor,MBR)制成,能够处理生活系统综合性废水及其相类似有机污水,并且具有耐腐蚀、施工简单、操作容易、自动化控制、维保便捷的应用优势。具体居民区生活污水处理设备运行原理图如图1所示。

图1 居民区生活污水处理设备运行原理图

雨水技术能够提升文化馆建设工程对水资源的利用率,其主要目的是通过对雨水的集蓄、净化,实现对雨水的二次利用。通过雨水来源可以将雨水分为屋顶雨水和地面雨水两类,净化后的雨水可以用于文化馆日常用水和干旱储备用水。其中日常用水需要对雨水进行净化处理,考虑到文化馆建设的经济成本,项目工程决定去除净化处理环节,将雨水输入居民区生活污水处理设备进行简单过滤,并用于文化馆清洁用水。为提升文化馆的干旱储备用水能力,项目在文化馆西侧建立约15m3容积的蓄水池。

2.3 节材设计

2.3.1 建筑功能布局设计

文化馆的建筑功能布局设计秉承节材设计的理念,在不影响功能性和合理性的情况下,缩紧文化馆建筑功能布局、尽可能减少外墙面积和结构用料。文化馆建设工程中,单个功能用房的建筑面积均有缩减,形成平面功能较为紧凑的布局,能够大幅度缩减工程量和原料量,在保持功能用房功能性的同时,满足了节省建筑材料的经济性原则。

2.3.2 建筑材料选择

2.3.2.1 结构材料

项目工程文化馆的展览室共有6间,均在2层,并且相互之间均可贯通,属于无柱开敞的空间,能够灵活布置文化馆展览内容,方便搬运体积较大的展品。基于此,文化馆建设工程的结构承重材料选择使用钢筋混凝土材料、墙体选择空心砖材料。其中钢筋混凝土材料主要用于承重、空心砖材料主要用于控制成本。另外这种结构材料搭配能够赋予文化馆一定程度的热惰性,有利于文化馆的热能利用。

2.2.3 雨水技术设计

2.3.2.2 装饰材料

装饰材料主要考虑经济性原则,选取饰面砖、合成树脂涂料、釉面砖、大白浆墙面等成本较低、装饰简单的材料。

2.3.2.3 保温材料

保温材料涉及到项目工程的热能利用率,该区域属暖温带半湿润大陆性季风气候,所以应当重视夏季通风和冬季保温。基于此,项目工程的保温材料选择复合使用岩棉板、聚苯乙烯泡沫塑料和泡沫混凝土板。其中岩棉板主要由玄武岩构成,属于人造无机纤维板,具有耐久性高、导热系数小、成本低的应用优势,但施工安装条件较差;聚苯乙烯泡沫塑料由聚苯乙烯经加热发泡形成,项目工程选择使用膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料,具有抗冲击性好、吸水率较低、受气温干扰较小的应用优势,但抗裂性较差、施工周期较长,燃烧后会产生有害气体;泡沫混凝土板由空气、氮气等其他气体引入到混凝土浆体中制成,具有成本低、防水性好、使用寿命长、施工简单的应用优势,但强度较低、容易吸水。根据3种保温材料的特性,文化馆建筑工程在大面积保温墙面应用泡沫混凝土板作为外保温材料,降低工程成本、缩短工期、提高安全性;在临近山体的一面应用聚苯乙烯泡沫塑料,提升墙面的抗冲击性;在屋顶以及连接位置采用岩棉板保温,提升关键位置的耐久性并降低导热系数。

综上所述,笔者以陕西省某市建筑工程实例为基础,对基于零碳目标的建筑可持续设计展开研究,分别阐述节能设计、节水设计、节材设计3方面建筑可持续设计的具体措施,得出结论:①节能设计方面应当从场地整体可持续设计和建筑单体可持续设计两方面切入,其中场地整体可持续设计包括场地气候设计、绿植优化设计、沼气技术选择、电能技术选择;建筑单体可持续设计包括建筑平面节能设计、建筑立面节能设计、被动式太阳能设计、供热技术设计。②节水设计方面应当从场地水文设计、污水技术设计、雨水技术设计3方面切入,设计出自然合理排放可持续节水设计。③节材设计方面应当从建筑功能布局设计、建筑材料选择两方面切入,选用经济性好、热惰性好,使用维护费用低,技术难度低,便于当地取材的建筑设备与材料。