基于零碳目標(biāo)的建筑可持續(xù)設(shè)計實例研究*

張 遠(yuǎn)

(江蘇省建工設(shè)計研究院有限公司 南京 210011)

建筑行業(yè)是推動我國城市化進程、帶動國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè),在發(fā)展過程中需要考量工程項目的社會效益和經(jīng)濟效益。隨著我國可持續(xù)發(fā)展理念的深化落實,建筑行業(yè)逐步向綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型,生態(tài)效益成為工程項目需要考量的重要因素。所以現(xiàn)代建筑工程項目應(yīng)當(dāng)將“零碳目標(biāo)”貫徹在建筑工程設(shè)計、建筑工程管理、建筑工程施工、建筑工程驗收等全過程。所以新型建筑可持續(xù)設(shè)計技術(shù)的研究對建筑工程行業(yè)的綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義,能夠加速建筑工程行業(yè)向綠色環(huán)保方向轉(zhuǎn)型、衍生建筑工程可持續(xù)發(fā)展新策略,為建筑工程行業(yè)注入新活力。

1 工程概況及工程構(gòu)思

1.1 工程概況

項目工程位于陜西省某市東北部,該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,冷暖干濕四季分明。冬季寒冷、春季溫暖、夏季炎熱多雨、秋季涼爽,年降水量約為522.4～719.5 mm。主要用于文化館,主樓層高2層,包括6間展覽室、6 間圖書室以及多個功能用房(包括衛(wèi)生間、廚房、保安室、辦公室等),總建筑面積約為2 050 m2。文化館建筑工程背靠陜西省某國家級森林公園,占地面積超過34.9公頃,具有豐富的森林資源,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀。所以該文化館建筑工程需要秉承可持續(xù)發(fā)展理念進行設(shè)計,盡可能發(fā)揮周邊自然資源豐富的優(yōu)勢。

1.2 工程構(gòu)思

建筑可持續(xù)設(shè)計的主要內(nèi)容是可持續(xù)設(shè)計的目標(biāo)和策略,通常情況下建筑可持續(xù)設(shè)計目標(biāo)包括“節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材”3個部分。后續(xù)的可持續(xù)設(shè)計策略需要從“零碳目標(biāo)”的最終目標(biāo)出發(fā),分別從3個設(shè)計目標(biāo)展開策略研究。需要注意的是建筑可持續(xù)設(shè)計策略并不是將節(jié)能減排、綠色環(huán)保作為唯一考量因素,而是需要從使用者需求、建筑節(jié)能效益、社會效益、建筑成本等多方面綜合考量。

2 建筑可持續(xù)設(shè)計

2.1 節(jié)能設(shè)計

2.1.1 場地整體可持續(xù)設(shè)計

2.1.1.1 場地氣候設(shè)計

該施工區(qū)域的冬季寒冷、春季溫暖、夏季炎熱多雨、秋季涼爽,主要風(fēng)向為東北風(fēng),所以在場地氣候設(shè)計過程中,將展覽室建設(shè)在文化館北側(cè),圖書室、辦公室等建設(shè)在文化館南側(cè),展覽室多以展品為主,管理人員的活動較少,建設(shè)在北側(cè)可以用于阻擋寒風(fēng)侵襲、減少熱量流失,為南側(cè)的辦公室、圖書室創(chuàng)造更好的氣候條件。另外南北通透的設(shè)計有助于形成風(fēng)壓、提升文化館自然通風(fēng)能力[2]。

2.1.1.2 綠植優(yōu)化設(shè)計

文化館的綠植主要分為北側(cè)綠植、南側(cè)綠植和邊界綠化帶3部分,其中北側(cè)綠植應(yīng)以常綠喬木為主,例如圓柏、香樟、羅漢松等,能夠阻擋冬季寒風(fēng),致使寒風(fēng)偏移和削弱,有利于文化館內(nèi)部的熱量保存;南側(cè)綠植應(yīng)以落葉喬木為主,例如國槐、水杉、銀杏等,能夠在夏季提供遮陰區(qū)、避免陽光直射,同時落葉喬木能夠起到隔音效果,降低樓下活動區(qū)域?qū)δ蟼?cè)圖書室的噪音影響;邊界綠化帶應(yīng)以常綠喬木配合灌木,阻擋外部的噪音、風(fēng)沙等影響[3]。

2.1.1.3 電能技術(shù)選擇

備選的電能技術(shù)包括太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)集中供電3種,其中,太陽能光伏發(fā)電受天氣影響較大,電能供應(yīng)穩(wěn)定性較差;風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能強度不足,并且還需要占用鄰近的森林公園用地;電網(wǎng)集中供電的供電穩(wěn)定性較高。所以最終選擇了電網(wǎng)集中供電方式。

2.1.2 建筑單體可持續(xù)設(shè)計

2.1.2.1 建筑平面節(jié)能設(shè)計

建筑平面節(jié)能設(shè)計主要包括朝向日照設(shè)計、室內(nèi)空間溫度分區(qū)設(shè)計和被動式通風(fēng)設(shè)計3部分。其中朝向日照設(shè)計將建筑朝向設(shè)計為南向±30°范圍之內(nèi),進而提升文化館的自然采光率,降低電能消耗;室內(nèi)空間溫度分區(qū)設(shè)計將文化館分為活動單元(展覽室、圖書室、活動室等)、輔助單元(衛(wèi)生間、廚房等)、后勤單元(保安室、配電室等)3 部分,其中活動單元的溫度最高、輔助單元其次、后勤單元的溫度最低,進而形成室內(nèi)溫差,使得室內(nèi)溫度的上升與流失緩慢進行,將建筑內(nèi)部的冬季保溫與夏季隔熱的效率提升;被動式通風(fēng)設(shè)計通過迎風(fēng)面與背風(fēng)面產(chǎn)生的風(fēng)壓差,組織建筑內(nèi)部自然通風(fēng),能夠提升文化館內(nèi)部的空氣流動性,有利于夏季熱能的疏導(dǎo)[4]。

2.1.2.2 建筑立面節(jié)能設(shè)計

文化館的建筑立面節(jié)能設(shè)計主要集中在窗墻比的計算上。項目工程窗墻比公式參數(shù)如表1所示[5]。

表1 項目工程窗墻比(m2)

由表1可知,項目在保證通風(fēng)性和保溫性的前提下,減少文化館的窗墻比,對施工材料進行節(jié)約。

2.1.2.3 被動式太陽能設(shè)計

本方案通過與可持續(xù)設(shè)計的結(jié)合,采用技術(shù)、材料、空間、功能等方面,實現(xiàn)村鎮(zhèn)幼兒園建筑的綠色節(jié)能,保溫隔熱的目標(biāo)。技術(shù)方面利用大面積窗進行自然采光,并配合遮陽簾進行使用,夏季遮陽阻熱、冬季采光融熱;材料方面使用熱惰性好的材料達到保溫隔熱的目標(biāo),保溫材料選擇泡沫混凝土、墻體材料選擇空心磚、玻璃采用中空玻璃;空間方面通過設(shè)置附加陽光間的方式,作為熱量的緩沖空間;功能方面將圖書室、辦公室、寢室等單元布置在圖書館南側(cè),保證充足的采光與自然通風(fēng);展覽室和衛(wèi)生間布置在北側(cè);附加陽光間可局部設(shè)置,也可整體布置,一層通過開設(shè)門窗,直接聯(lián)系室外活動場地[6]。

2.2 節(jié)水設(shè)計

2.2.1 場地水文設(shè)計

上述說明該文化館建筑工程背靠陜西省某國家級森林公園,所以文化館整體的場地地勢具有一定坡度?；诖?項目工程采用地表徑流方式進行排水,通過場地內(nèi)自然的高差,將雨水、廢水統(tǒng)一導(dǎo)入居民區(qū)生活污水處理設(shè)備,再通過污水處理設(shè)備將處理后的污水排入森林公園的山谷中。文化館場地的整體鋪裝采用透水鋪裝,最大程度地保護文化館地基的土地資源、保持土壤的滲透性。

2.2.2 污水技術(shù)設(shè)計

污水處理技術(shù)是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵手段,針對文化館的排水特征(生活用水較多、污水水質(zhì)穩(wěn)定,有機物、氮、磷等營養(yǎng)物含量較高,一般不含有毒物質(zhì)),選擇使用居民區(qū)生活污水處理設(shè)備,該設(shè)備基于膜生物反應(yīng)器(MembraneBio-Reactor,MBR)制成,能夠處理生活系統(tǒng)綜合性廢水及其相類似有機污水,并且具有耐腐蝕、施工簡單、操作容易、自動化控制、維保便捷的應(yīng)用優(yōu)勢。具體居民區(qū)生活污水處理設(shè)備運行原理圖如圖1所示。

圖1 居民區(qū)生活污水處理設(shè)備運行原理圖

雨水技術(shù)能夠提升文化館建設(shè)工程對水資源的利用率,其主要目的是通過對雨水的集蓄、凈化,實現(xiàn)對雨水的二次利用。通過雨水來源可以將雨水分為屋頂雨水和地面雨水兩類,凈化后的雨水可以用于文化館日常用水和干旱儲備用水。其中日常用水需要對雨水進行凈化處理,考慮到文化館建設(shè)的經(jīng)濟成本,項目工程決定去除凈化處理環(huán)節(jié),將雨水輸入居民區(qū)生活污水處理設(shè)備進行簡單過濾,并用于文化館清潔用水。為提升文化館的干旱儲備用水能力,項目在文化館西側(cè)建立約15m3容積的蓄水池。

2.3 節(jié)材設(shè)計

2.3.1 建筑功能布局設(shè)計

文化館的建筑功能布局設(shè)計秉承節(jié)材設(shè)計的理念,在不影響功能性和合理性的情況下,縮緊文化館建筑功能布局、盡可能減少外墻面積和結(jié)構(gòu)用料。文化館建設(shè)工程中,單個功能用房的建筑面積均有縮減,形成平面功能較為緊湊的布局,能夠大幅度縮減工程量和原料量,在保持功能用房功能性的同時,滿足了節(jié)省建筑材料的經(jīng)濟性原則。

2.3.2 建筑材料選擇

2.3.2.1 結(jié)構(gòu)材料

項目工程文化館的展覽室共有6間,均在2層,并且相互之間均可貫通,屬于無柱開敞的空間,能夠靈活布置文化館展覽內(nèi)容,方便搬運體積較大的展品?；诖?文化館建設(shè)工程的結(jié)構(gòu)承重材料選擇使用鋼筋混凝土材料、墻體選擇空心磚材料。其中鋼筋混凝土材料主要用于承重、空心磚材料主要用于控制成本。另外這種結(jié)構(gòu)材料搭配能夠賦予文化館一定程度的熱惰性,有利于文化館的熱能利用。

2.2.3 雨水技術(shù)設(shè)計

2.3.2.2 裝飾材料

裝飾材料主要考慮經(jīng)濟性原則,選取飾面磚、合成樹脂涂料、釉面磚、大白漿墻面等成本較低、裝飾簡單的材料。

2.3.2.3 保溫材料

保溫材料涉及到項目工程的熱能利用率,該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,所以應(yīng)當(dāng)重視夏季通風(fēng)和冬季保溫?；诖?項目工程的保溫材料選擇復(fù)合使用巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料和泡沫混凝土板。其中巖棉板主要由玄武巖構(gòu)成,屬于人造無機纖維板,具有耐久性高、導(dǎo)熱系數(shù)小、成本低的應(yīng)用優(yōu)勢,但施工安裝條件較差;聚苯乙烯泡沫塑料由聚苯乙烯經(jīng)加熱發(fā)泡形成,項目工程選擇使用膨脹型聚苯乙烯泡沫塑料,具有抗沖擊性好、吸水率較低、受氣溫干擾較小的應(yīng)用優(yōu)勢,但抗裂性較差、施工周期較長,燃燒后會產(chǎn)生有害氣體;泡沫混凝土板由空氣、氮氣等其他氣體引入到混凝土漿體中制成,具有成本低、防水性好、使用壽命長、施工簡單的應(yīng)用優(yōu)勢,但強度較低、容易吸水。根據(jù)3種保溫材料的特性,文化館建筑工程在大面積保溫墻面應(yīng)用泡沫混凝土板作為外保溫材料,降低工程成本、縮短工期、提高安全性;在臨近山體的一面應(yīng)用聚苯乙烯泡沫塑料,提升墻面的抗沖擊性;在屋頂以及連接位置采用巖棉板保溫,提升關(guān)鍵位置的耐久性并降低導(dǎo)熱系數(shù)。

綜上所述,筆者以陜西省某市建筑工程實例為基礎(chǔ),對基于零碳目標(biāo)的建筑可持續(xù)設(shè)計展開研究,分別闡述節(jié)能設(shè)計、節(jié)水設(shè)計、節(jié)材設(shè)計3方面建筑可持續(xù)設(shè)計的具體措施,得出結(jié)論:①節(jié)能設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)從場地整體可持續(xù)設(shè)計和建筑單體可持續(xù)設(shè)計兩方面切入,其中場地整體可持續(xù)設(shè)計包括場地氣候設(shè)計、綠植優(yōu)化設(shè)計、沼氣技術(shù)選擇、電能技術(shù)選擇;建筑單體可持續(xù)設(shè)計包括建筑平面節(jié)能設(shè)計、建筑立面節(jié)能設(shè)計、被動式太陽能設(shè)計、供熱技術(shù)設(shè)計。②節(jié)水設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)從場地水文設(shè)計、污水技術(shù)設(shè)計、雨水技術(shù)設(shè)計3方面切入,設(shè)計出自然合理排放可持續(xù)節(jié)水設(shè)計。③節(jié)材設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)從建筑功能布局設(shè)計、建筑材料選擇兩方面切入,選用經(jīng)濟性好、熱惰性好,使用維護費用低,技術(shù)難度低,便于當(dāng)?shù)厝〔牡慕ㄖO(shè)備與材料。