因地制宜的可持續(xù)設(shè)計—中美可持續(xù)發(fā)展中心新金帶小學(xué)設(shè)計建造

季祥 婁永琪/ JI Xiang, LOU Yongqi

圖2 新金帶小學(xué)總平面

圖3 新金帶小學(xué)施工時保留的基地中部農(nóng)田

可持續(xù)設(shè)計來源于工業(yè)革命后，西方社會進(jìn)入了一個資源浪費(fèi)巨大的“高消費(fèi)”時期，全球的自然資源迅速減少。人們逐漸認(rèn)識到了這種“消費(fèi)方式”的弊病，并提出了“可持續(xù)設(shè)計”的概念。初期的可持續(xù)設(shè)計概念最早被應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，其目的也僅僅是單純地引入一個新方法以達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品能夠節(jié)約生產(chǎn)成本，減少對資源的過分依賴。多年后，“可持續(xù)設(shè)計”思想逐漸滲透到建筑設(shè)計領(lǐng)域。因?yàn)榻ㄖo論在其建造過程還是建成后的使用過程對能源的消耗都是巨大的。傳統(tǒng)的建筑在設(shè)計中通常需要采用特殊方法來改變自然條件的不利影響，如采光、通風(fēng)、供暖、排水等問題。這就勢必會破壞到建筑周邊的自然環(huán)境，并且使建筑的運(yùn)行消耗大量的能源。而可持續(xù)設(shè)計提供了另外一個思路，充分利用自然條件，讓建筑融入環(huán)境，從而降低能耗。

5·12地震中，梁平縣是重慶市受災(zāi)比較嚴(yán)重的地區(qū)，在中美可持續(xù)發(fā)展中心①和重慶市梁平縣政府的推動下，由雙方共同出資在金帶鎮(zhèn)修建一所安全、經(jīng)濟(jì)、可推廣、可持續(xù)的生態(tài)學(xué)校——新金帶小學(xué)（圖1），是中美中心在國內(nèi)援助的第一座實(shí)現(xiàn)可持續(xù)教育教學(xué)理念的可持續(xù)學(xué)校，成為一個國際交流平臺，讓更多的中國農(nóng)村孩子來了解世界，同時也為今后其他學(xué)校在可持續(xù)設(shè)計理念和技術(shù)應(yīng)用等方面提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

為保證可持續(xù)設(shè)計在整個項目的真正落實(shí)，設(shè)計團(tuán)隊除負(fù)責(zé)整個校園的規(guī)劃、建筑、環(huán)境景觀的從概念方案到施工圖設(shè)計工作外，還全權(quán)負(fù)責(zé)施工建造及設(shè)備選擇采購，從而保障概念的貫徹實(shí)施。將可持續(xù)設(shè)計貫穿于整個設(shè)計建造過程中是該項目的最大特點(diǎn)。

1 設(shè)計原則

可持續(xù)學(xué)校建設(shè)在世界各國均有很多成功的案例，在生態(tài)建筑技術(shù)方面也有非常多的經(jīng)驗(yàn)可供參考。但在中國相對比較貧困的西南農(nóng)村地區(qū)，照搬發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)或是國內(nèi)大中城市的模式都是難以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。如何因地制宜地應(yīng)用可持續(xù)技術(shù)是本項目的最大挑戰(zhàn)。在充分分析基地地形、氣候、植被、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)狀況以及本土建材等眾多因素后，設(shè)計師認(rèn)為應(yīng)遵循以下兩點(diǎn)。

1.1 經(jīng)濟(jì)性

新金帶小學(xué)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)充分考慮中國的國情和農(nóng)村學(xué)校的現(xiàn)狀。經(jīng)濟(jì)性有兩層含意：其一在于建造過程中，務(wù)必使每一筆資金能夠用在最關(guān)鍵的地方，用有限的資金創(chuàng)造最佳的建成效果；其二，在于今后的運(yùn)營過程中，學(xué)校的所有運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均來自地方政府，有效地控制學(xué)校建筑本身的日常運(yùn)營維護(hù)成本，也是這所可持續(xù)學(xué)校的基本要求。

1.2 可推廣性

本項目是中美可持續(xù)發(fā)展中心在中國農(nóng)村建設(shè)可持續(xù)學(xué)校計劃中的首個試點(diǎn)學(xué)校，必須具有在中國廣大農(nóng)村地區(qū)推廣的價值，成為可持續(xù)校園建設(shè)的示范標(biāo)準(zhǔn)。所以，可推廣性是設(shè)計工作的原則之一。校園設(shè)計須充分考慮到中國廣大農(nóng)村地區(qū)自然條件和人文條件的差異性，尋找到可以推廣的設(shè)計語言和方法，為未來可持續(xù)學(xué)校的推廣奠定良好的基礎(chǔ)。

新金帶小學(xué)設(shè)計中采用的可持續(xù)技術(shù)成本相對較低，對建設(shè)成本的控制和運(yùn)營維護(hù)都可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，校園建筑土建投資基本可以控制在每平方米2 000多元，對今后的校園建設(shè)，特別是國內(nèi)廣大農(nóng)村學(xué)校都可以有相當(dāng)?shù)慕梃b意義。

2 因地制宜的可持續(xù)技術(shù)應(yīng)用

整個校園總體布局以基地中央現(xiàn)有農(nóng)田為中心（圖2），設(shè)計環(huán)形局部架空跑道，將教學(xué)區(qū)、社區(qū)中心和后勤服務(wù)區(qū)相連，建筑分散布局，更好地與環(huán)境相融合；環(huán)形跑道布置在一個適當(dāng)?shù)臉?biāo)高，可以將高處的地面、建筑單體屋面及聯(lián)廊頂面巧妙相連形成校園環(huán)形跑道，并保留運(yùn)動場中部原有的農(nóng)田植被和生物通道，減少工程建設(shè)對原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞（圖3），同時創(chuàng)建農(nóng)業(yè)教育園地，教育學(xué)生珍惜勞動成果；校園污水采用PKA人工濕地污水凈化系統(tǒng)②，在極低的后期維護(hù)前提下，實(shí)現(xiàn)了整個校園的污水的零排放；對回收利用的建筑材料進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計利用，節(jié)約有限的自然資源；通過AutoDesk的Ecotect軟件精確計算反光板、吊頂?shù)奈恢媒嵌?，將室外光線有效引入教室內(nèi)部，減少對人工照明的依賴；收集校園內(nèi)所有建筑屋面的雨水，作為景觀水和生態(tài)濕地中水的補(bǔ)充；減少不透水地面的使用，在硬質(zhì)鋪裝區(qū)增加雨水涵養(yǎng)措施；另外通過社區(qū)交流中心的設(shè)置，在不影響學(xué)校教學(xué)的前提下，將學(xué)校的部分功能對外開放，使之成為可持續(xù)教育展示的一個窗口，達(dá)到資源與社會共享。

2.1 被動式室外可持續(xù)通風(fēng)策略

梁平縣位于四川盆地東部暖濕亞熱帶氣候區(qū)域，日照偏少，風(fēng)速小，靜風(fēng)天多，降雨較多，空氣濕度大，特別在夏季氣溫較高，在目前類似原金帶完小規(guī)模的國內(nèi)農(nóng)村學(xué)校每月電費(fèi)僅僅幾百元的條件下，如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境的舒適度，是設(shè)計師一直在思考的問題。根據(jù)中美可持續(xù)發(fā)展中心美方一些著名綠色建筑師的最初提出的方案：建筑集中布置，盡量減少建筑表面積，采用地源熱泵節(jié)能空調(diào)，利用太陽能產(chǎn)生的熱壓改善室內(nèi)空氣質(zhì)量等。這些方式對于國內(nèi)的普通農(nóng)村學(xué)校來說，僅僅是運(yùn)營費(fèi)用就無法承受，這些“高技術(shù)”的方式顯然不符合中國國情。

新金帶小學(xué)校園最終方案采用分散布局，利用地形高差，底層聯(lián)廊架空，建筑布局朝向以最有利于自然通風(fēng)的方式設(shè)置的被動式可持續(xù)策略，并利用軟件模擬基地自然通風(fēng)情況，優(yōu)化總體設(shè)計達(dá)到最優(yōu)結(jié)果（圖4）。

2.2 因地制宜的室內(nèi)環(huán)境改善設(shè)計

由于工期和造價的限制，對于建筑室內(nèi)空氣環(huán)境的改善一直沒有更好的解決策略。當(dāng)工程進(jìn)行到主體基礎(chǔ)施工期間，由于1號、2號教學(xué)樓的基礎(chǔ)持力層不同，當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門強(qiáng)制要求所有基礎(chǔ)必須落在巖石層上。結(jié)構(gòu)工程師雖有充分依據(jù)在保證工程質(zhì)量及安全性的前提下可以通過組織專家評審方式按原設(shè)計施工，但是考慮該方式將拖延整個工期至少2個月，為確保工程進(jìn)度，加深基礎(chǔ)也是無奈之舉。但基礎(chǔ)加深的同時也為利用土壤深處冬暖夏涼的特性來改善學(xué)校建筑內(nèi)部的空氣環(huán)境和熱舒適度提供了可能。

因目前沒有可以參考的相關(guān)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，為此筆者組織施工單位以基地中現(xiàn)有水井中空氣溫度，粗略估算土壤深處與地面溫度差值，經(jīng)測量在距井口2m深的空氣與室外溫度差可以達(dá)到4℃ ～5℃。多方案比選發(fā)現(xiàn)，采用地埋風(fēng)道通風(fēng)方式可以基本滿足改善教室冬夏季室內(nèi)溫度的要求，最終方案確定在基礎(chǔ)最深的1號、2號教學(xué)樓基礎(chǔ)處埋設(shè)通風(fēng)管道，在教室隔墻處預(yù)留豎向通風(fēng)道，結(jié)合室內(nèi)為改善采光布置的斜面吊頂形成教學(xué)樓地埋管通風(fēng)系統(tǒng)。利用風(fēng)機(jī)將埋在土壤深處通風(fēng)管中的空氣抽出來通過管道系統(tǒng)鼓入各班教室，既可以改變教室內(nèi)的環(huán)境溫度，同時也加大了新風(fēng)量，改善密閉房間內(nèi)的空氣質(zhì)量（圖5）。

針對重慶地區(qū)夏熱冬冷，特別是夏季較為炎熱，7月平均氣溫為27.3℃③，同時還有“雨熱同季”的特點(diǎn)，利用EcoTect重點(diǎn)模擬7月的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，采用空氣齡數(shù)值來衡量室內(nèi)空氣的新鮮程度，熱舒適指標(biāo)（Predicted Mean Vote，PMV）來衡量熱環(huán)境物理量及人體有關(guān)因素對人體熱舒適的綜合作用的指標(biāo)。

地埋管材料選用了高密度聚乙烯（High-density Polyethylene，HDPE）雙壁波紋管，與金屬管相比，具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可以滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。由于基礎(chǔ)埋深最淺處約為3m，為達(dá)到深埋效果，采用多根DN400mm的塑料管水平并排排列鋪設(shè)，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于建筑較為隱蔽處；為了避免在地埋管內(nèi)產(chǎn)生積水，在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)排水井，從外界抽入的室外空氣經(jīng)深埋的地埋管充分熱交換后，利用集中變頻風(fēng)機(jī)鼓入垂直方向的各教室垂直風(fēng)道。

圖4 新金帶小學(xué)風(fēng)壓模擬

圖5 教學(xué)樓地埋管通風(fēng)系統(tǒng)

在通風(fēng)效果的驗(yàn)算方面設(shè)定在無風(fēng)的情況下，教室門按照全部開啟計算，窗按照開啟一半計算，室外溫度設(shè)定28℃，計算結(jié)果顯示室內(nèi)空氣齡數(shù)值較大，教室內(nèi)部空氣不新鮮，特別在教室遠(yuǎn)離開門一側(cè)空氣齡較長，同時教室中50%區(qū)域PMV＞2.0，空間熱舒適度較差（圖6、7）。

而增設(shè)了地埋管通風(fēng)的情況下，即便按低風(fēng)量計算（每間教室送風(fēng)量1 000m3/h），通過空氣齡圖可以發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域空氣齡數(shù)值比較小，證明其室內(nèi)空氣流通較好。PMV值也大大降低，同時教室各部分PMV值也趨于平均，大大改善了室內(nèi)的熱舒適性（圖8、9）。

在地埋管通風(fēng)系統(tǒng)中，如果埋管系統(tǒng)需要額外土方開挖，必定是一筆不小的開銷。而在新金帶小學(xué)地埋管通風(fēng)系統(tǒng)中除了在基礎(chǔ)深度增加了一些波紋管及進(jìn)風(fēng)井、變頻風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇之外，額外的設(shè)備很少，增加的電力消耗也僅僅是風(fēng)機(jī)的能耗。在建筑內(nèi)的通風(fēng)管道增加的工程量也較少，因教室樓板本身就有用于反光的吊頂，教室樓板采用單向梁設(shè)計，就自然形成了房間頂部的水平通風(fēng)管?？傮w來說這套系統(tǒng)在建設(shè)成本和運(yùn)營費(fèi)用上都是在可以承受的范圍內(nèi)，目前各項設(shè)備已完成最后的安裝調(diào)試，相信地埋管送風(fēng)系統(tǒng)在新金帶小學(xué)會發(fā)揮良好的運(yùn)行效果，建成后的實(shí)際效果筆者也會進(jìn)一步予以跟蹤。

圖6 無風(fēng)條件下空氣齡

圖7 無風(fēng)條件下PMV

圖8 機(jī)械通風(fēng)條件下空氣齡

圖9 機(jī)械通風(fēng)條件下PMV

3 總結(jié)

新金帶小學(xué)的可持續(xù)設(shè)計是實(shí)現(xiàn)中國國內(nèi)廣大農(nóng)村教學(xué)類建筑可持續(xù)發(fā)展的一次嘗試，在綜合考慮降低對資源的依賴，節(jié)約能源，減少廢棄物的排放，同時還要求成本可控等較為苛刻的條件下，該項目2011年4月完全竣工，并成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。在設(shè)計建造中采用的特定可持續(xù)技術(shù)固然可以作為其他類似項目的借鑒，但是筆者深深感到一個優(yōu)秀的可持續(xù)設(shè)計還必須從周圍特殊的自然環(huán)境要素出發(fā)，從文脈傳承出發(fā)，因循不同的設(shè)計出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造出因地制宜的可持續(xù)設(shè)計方法，這也是可持續(xù)設(shè)計的一個基本要求。

注釋

① 中美可持續(xù)發(fā)展中心是1999年朱镕基總理赴美訪問期間，由中國科技部和美國俄勒岡州政府共同成立，旨在推動和實(shí)現(xiàn)中國、美國以及世界的可持續(xù)性發(fā)展。中美可持續(xù)發(fā)展中心聯(lián)合理事會中方理事長為原科技部副部長鄧楠，美方理事長為享有“再度工業(yè)革命之父”之譽(yù)的美國前總統(tǒng)克林頓的科技顧問威廉·麥克唐納（William McDonough）。

② PKA濕地由介質(zhì)層和濕地植物兩大系統(tǒng)組成，利用這兩大系統(tǒng)共同營造的生態(tài)系統(tǒng)，綜合物理、化學(xué)、生物3種放大功效，使污水處理功效達(dá)到最大化。

③ 資料摘自百度空間http://hi.baidu.com/%C1%BC%CF%E7/blog/item/094022a2e08fd3a8caefd01e.html。