基于綠建軟件應(yīng)用的臺(tái)地式花園樓改造設(shè)計(jì)

范子豪,李海英

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100043)

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)建筑研究院應(yīng)用較多的綠色建筑評(píng)價(jià)軟件是基于CAD的綠色建筑評(píng)價(jià)軟件——綠色建筑斯維爾軟件[1]。該軟件是由北京綠建軟件有限公司開發(fā)的建筑性能模擬軟件[2]，以插件的形式集成在三維建模軟件之中，入手相對(duì)簡(jiǎn)單，并且軟件界面為全中文，非常適合國(guó)內(nèi)相關(guān)人員的使用。軟件從風(fēng)、光、熱、聲、節(jié)能等不同角度分析和優(yōu)化建筑性能[3]，從而達(dá)到建筑性能模擬鏈接建筑設(shè)計(jì)的作用。綠建插件可以即時(shí)獲取AutoCAD軟件中模型信息并處理[4]，用于衡量房屋改造前后的舒適性和合理性，通過(guò)緊密結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)建筑予以評(píng)價(jià)，可以用來(lái)判斷設(shè)計(jì)的建筑是否為綠色建筑，并能確定其綠色建筑等級(jí)，指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)，給房屋改造提供合理的依據(jù)[5]。

2 花園式住宅現(xiàn)狀及分析

2.1 項(xiàng)目介紹

花園住宅采用層層退臺(tái)方式、模塊化建造,并為每戶提供一個(gè)“私家花園”[6]?；▓@樓建成37年來(lái)沒有維修改建，由于人口構(gòu)成的改變、居住要求以及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高[7]，因此小組嘗試對(duì)其進(jìn)行節(jié)能判定和設(shè)計(jì)改造。綠建軟件設(shè)計(jì)流程包含5個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 基于建筑改造設(shè)計(jì)的綠建軟件應(yīng)用流程

2.2 前期調(diào)研

建筑的布局會(huì)直接或間接影響建筑的通風(fēng)采光、室內(nèi)溫度、濕度、通風(fēng)、能耗，因此，最大限度地利用被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略保證室內(nèi)熱舒適至關(guān)重要[8]。

2.2.1 戶型分析

花園樓每家每戶都配套花園陽(yáng)臺(tái)，且樓層越高單個(gè)戶型的總面積越大。建筑首層單戶面積最小，進(jìn)深最大，這就使得層數(shù)越低，自然光越無(wú)法到達(dá)建筑深處房間。二層開始，建筑的部分公共通道被劃分進(jìn)房間，房間開窗直接連通天井，每層的公共空間尤其是被劃歸為室內(nèi)的相對(duì)位置都需考慮采光和通風(fēng)問題。統(tǒng)計(jì)戶型數(shù)量后可知一室一廳一廚一衛(wèi)一陽(yáng)臺(tái)戶型(小套)的房間占很大比例(圖2)，且多集中在建筑首層，采光通風(fēng)問題較大，可作為典型戶型模擬分析。

圖2 花園樓標(biāo)準(zhǔn)單元戶型統(tǒng)計(jì)

2.2.2 采光通風(fēng)問題

以花園樓標(biāo)準(zhǔn)單元首層為典型案例分析(圖3)，A、B、C、D和G戶型進(jìn)深大，臥室南向采光充足，但由于起居室和臥室之間的隔斷，起居室被迫只有間接的自然光。A、B戶廚房(紅色虛線標(biāo)注)開窗朝向天井，自然采光差，且各層廚房開窗戶炒菜時(shí)天井會(huì)有串味問題存在。C、D和E戶廚房(黃色和綠色標(biāo)注)開窗朝向建筑公共區(qū)域，廚房與與天井之間相隔著走廊，并且天井拔風(fēng)效果并不明顯，家庭做飯的高峰時(shí)段無(wú)法有效地排出烹飪所產(chǎn)生的異味氣體，因此走廊和與走廊聯(lián)通的樓梯間、天井都會(huì)有串味問題的困擾。F、G戶得益于北向開窗，能夠有較好的自然采光和雙向通風(fēng)，居住體驗(yàn)略強(qiáng)于其他住戶。

2.2.3 外立面遭破壞

大部分住戶都選擇封裝露臺(tái)(圖3灰色區(qū)域)，露臺(tái)封裝采取了彩鋼夾芯板和塑鋼窗，顏色不同致使外立面不統(tǒng)一，影響了建筑的美觀和整體性。封裝露臺(tái)使原本直達(dá)臥室或起居室的陽(yáng)光受阻，使各戶采光不足的問題更加突出，尤其體現(xiàn)在低層。同時(shí)，院子的加建未經(jīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，污水自由排放，建筑外圍護(hù)的隔熱性能也無(wú)法保證[9]。

圖3 花園樓1號(hào)一層部分平面

2.3 原有建筑熱工性能模擬

原有花園樓主體為磚混結(jié)構(gòu)，樓層居室、方廳、樓梯間等主要樓面的做法是在鋼筋混凝土樓板上素水泥漿結(jié)合層一道，再用豆石混凝土隨打隨抹平，上撒水泥沙子后壓實(shí)趕光。單元門為木質(zhì)雙開大門，入戶門為鋼制防盜門，窗戶均是空腹鋼窗和單層玻璃。利用綠建軟件進(jìn)行原建筑性能模擬，從軟件計(jì)算出的結(jié)果來(lái)看(表1)，建筑中存在較多不滿足《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/891-2012)的地方[10]。

表1 改造前花園樓規(guī)定性指標(biāo)檢查結(jié)論

體形系數(shù)越小，則各部位傳熱系數(shù)取值的上限越大；反之，體形系數(shù)越大，則各部位傳熱系數(shù)取值的上限越小[11]?；▓@樓的設(shè)計(jì)作為改變“大板樓”刻板印象的試點(diǎn)，有著特殊意義，為了保證每戶配套花園陽(yáng)臺(tái)和層層退臺(tái)的復(fù)雜形式，單位的建筑體積會(huì)分?jǐn)偟捷^多的外表面積，且天井處的墻面也被算作外表面積，會(huì)加大體形系數(shù)。雖然不同朝向及屋頂?shù)拈_窗面積都經(jīng)嚴(yán)格控制，建筑原體型系數(shù)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)差距較大[12]。

通過(guò)模擬結(jié)果報(bào)告分析，房屋的屋頂、外墻、分隔采暖與非采暖空間的隔墻、挑空樓板、戶門、窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行的住宅標(biāo)準(zhǔn)，在軟件的性能模擬中的表現(xiàn)不理想。既有建筑的改造中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造是重中之重，性能良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以使得建筑能耗降低[13]。

3 建筑節(jié)能優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

3.1 建筑熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 屋頂綠化+墻體綠化

由于綠地面積減少、高建筑密度導(dǎo)致的低風(fēng)速以及街道表面涂層材料的變化[14]，使得住區(qū)溫度通常較高，花園樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)還是20世紀(jì)產(chǎn)物，保溫隔熱性能不能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，夏季室內(nèi)體感較熱，尤其是建筑頂層。改造設(shè)計(jì)從屋頂入手，通過(guò)屋頂綠化、垂直綠化等調(diào)節(jié)熱環(huán)境，使保溫隔熱效果得到了改善，也有景觀美化的作用。種植的綠植夏季形成蔭蔽，冬季葉片凋落，形成自動(dòng)百葉給人提供舒適的熱環(huán)境[15]。

3.1.2 預(yù)制裝配式陽(yáng)光間

根據(jù)入戶調(diào)研結(jié)果中住戶的需求——需要更多的居住空間，且北方大量露臺(tái)不適宜當(dāng)?shù)貧夂騕16]，導(dǎo)致多年來(lái)住戶自己私加亂建露臺(tái)部分造成市容的影響，因此針對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行了花園樓的露臺(tái)改造，設(shè)計(jì)統(tǒng)一加裝預(yù)制裝配式陽(yáng)光間，一方面減小了整個(gè)建筑的體型系數(shù)，另一方面使建筑具有整體性，美觀加強(qiáng)。原有陽(yáng)臺(tái)特色的院墻加裝預(yù)制式鋼框架和半特朗勃墻后外包雙層中空玻璃組成主體，東、西面墻采用垂直綠化，通過(guò)夏季冬季植物作為天然百葉的調(diào)節(jié)，以及白天夜間窗戶和百葉的開閉，使室內(nèi)維持在一個(gè)舒適的溫度，減少空調(diào)、暖氣等能源的損耗。預(yù)制裝配式陽(yáng)光間在屋頂裝配太陽(yáng)能光電板，利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能[17]，為住戶提供用電，減少了能源的損耗。

3.2 采光體系的優(yōu)化

對(duì)建筑首層進(jìn)行采光模擬(圖4)，天然光無(wú)法到達(dá)室內(nèi)深處，在建筑天井頂部外墻處設(shè)置采光裝置，讓自然光通過(guò)中央光導(dǎo)管及分光導(dǎo)管進(jìn)入建筑每層的內(nèi)部空間，通過(guò)漫射器使自然光均勻的散布于室內(nèi)[18]。系統(tǒng)中空密閉，保溫性能良好，不會(huì)給室內(nèi)帶來(lái)熱負(fù)荷效應(yīng)。

圖4 改造前首層采光效果分析

原建筑部分臥室和起居室的采光不滿足標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比改造前后的分析報(bào)告能明顯發(fā)現(xiàn)改造后采光達(dá)標(biāo)率有明顯的提升，達(dá)標(biāo)面積的比例從一半提升到了74%。對(duì)室內(nèi)采光的調(diào)整不單影響了日常起居空間，還使公共區(qū)域(樓梯間)受益。以采光問題最嚴(yán)重的一層為例，增設(shè)預(yù)制式陽(yáng)光間前后的采光效果分析彩圖顯示：樓梯間的采光系數(shù)明顯提升，從大部分位于0.5-1.0區(qū)間躍升至1.0-2.0區(qū)間，起居空間窗戶附近和天井處窗戶附近的采光系數(shù)也直線飆升(圖5)。并且得益于導(dǎo)光管的安裝，自然光可以到達(dá)房間的更深處，填滿房間的角落。

圖5 改造后首層采光效果分析

3.3 風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)通風(fēng)問題和排煙問題，在天井頂部結(jié)合當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)性氣候設(shè)置了風(fēng)塔(圖6)，利用熱空氣上升，冷空氣下降的原理，以及內(nèi)外風(fēng)壓不同產(chǎn)生拔風(fēng)進(jìn)風(fēng)的原理[19]，還結(jié)合了季風(fēng)轉(zhuǎn)換風(fēng)塔調(diào)節(jié)開啟窗扇，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量的改善。還對(duì)改造前后的模型進(jìn)行了室內(nèi)風(fēng)速模擬，并且依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析效果，顯示風(fēng)塔拔風(fēng)效果明顯(圖7)，使夏季建筑室內(nèi)風(fēng)速整體提升。

圖6 天井頂部風(fēng)塔示意

圖7 改造前后剖面風(fēng)速對(duì)比

3.4 聲環(huán)境體系的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的主體磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土樓板模擬中不滿足現(xiàn)行的隔聲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但與評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相差不大，設(shè)計(jì)適當(dāng)增加墊層厚度或鋪設(shè)緩沖材料后重新模擬。建筑的隔聲問題主要由于門、窗等構(gòu)件的透射系數(shù)大，隔聲性能差。

根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3096-2008中對(duì)于聲環(huán)境功能區(qū)的劃分，花園樓屬于1類以居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研設(shè)計(jì)、行政辦公為主要功能，需要保持安靜的區(qū)域。由于建筑在學(xué)校內(nèi)部，聲環(huán)境質(zhì)量良好，校內(nèi)道路限速嚴(yán)格，且校內(nèi)禁止鳴笛，區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯噪聲，噪聲的來(lái)源是校外五環(huán)快速路和學(xué)校北門外使用率不高的鐵路。模擬計(jì)算結(jié)果彩圖顯示由于建筑周圍的校園公共建筑遮擋(圖8)，公路噪聲對(duì)花園樓室外噪聲影響可以忽略，而部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能有不滿足項(xiàng)，需要通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化空氣聲隔聲。

圖8 場(chǎng)地噪聲頒食俯瞰(晝間)

建筑聲學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)建筑內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各類門窗、墻體、樓板、屋頂及地面的隔聲性能做出了明確要求。建筑施工圖表明樓板和墻面為鋼筋混凝土結(jié)合素水泥漿，經(jīng)計(jì)算樓面密度滿足標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單的室內(nèi)家裝(如鋪地磚、木地板或地毯等)就可使樓板的撞擊聲隔聲性能達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分優(yōu)秀。而空氣聲隔聲性能評(píng)價(jià)不理想，查看報(bào)告書發(fā)現(xiàn)主要原因是門窗構(gòu)件由于透射系數(shù)大，在空氣隔聲量計(jì)算中不占優(yōu)勢(shì)，所以替換了老舊的鋼窗改為斷橋鋁合金雙層中空玻璃窗，并在新加建的預(yù)制陽(yáng)光間選取了斷橋鋁雙層中空玻璃，滿足了國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 花園樓改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.5 建筑節(jié)能改造設(shè)計(jì)成果模擬分析

根據(jù)軟件計(jì)算的分析結(jié)果，也可以對(duì)比得出住宅類很難完全達(dá)到控制建筑能耗的同時(shí)滿足室內(nèi)舒適，但經(jīng)過(guò)改造設(shè)計(jì)基本符合了《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/891-2012)、《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176)的規(guī)定。下文結(jié)合改造設(shè)計(jì)圖紙和分析報(bào)告說(shuō)明改造中較典型的問題和處理方法。

預(yù)制式陽(yáng)光間雖然增大了建筑物與室外空氣接觸的外表面積，也相應(yīng)地增大了建筑面積，加大了建筑物的棟深和體量，極力縮小體形系數(shù)。雖然在改造設(shè)計(jì)中已經(jīng)通過(guò)封裝露臺(tái)和加裝風(fēng)塔把原天井處的建筑外立面變?yōu)槭覂?nèi)空間來(lái)極力減小建筑的體型系數(shù)，但是花園式臺(tái)地的特殊設(shè)計(jì)理念，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的改造來(lái)改變此建筑的結(jié)構(gòu)，使得只能讓建筑系數(shù)趨近標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定的數(shù)值(表3)。

表3 改造前后花園樓體型系數(shù)檢查

老舊的居住類建筑建設(shè)年代較早，存在不符合現(xiàn)行建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的問題，在改造設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制建筑的開口面積和形式，改善外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方法使的建筑中的除體形系數(shù)的規(guī)定性指標(biāo)都趨向標(biāo)準(zhǔn)值，但由于臺(tái)地式花園體型系數(shù)較大，改造后體形系數(shù)指標(biāo)也無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，關(guān)于建筑的能耗權(quán)衡計(jì)算結(jié)果還是無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)(表4)。權(quán)衡計(jì)算需要所有檢查項(xiàng)都滿足才能得出滿足的結(jié)論,雖然此項(xiàng)計(jì)算結(jié)果不滿足，但是通過(guò)使用斷橋鋁合金雙層玻璃、更換隔聲透射系數(shù)低入戶門等改造設(shè)計(jì)手法提升了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，也使得改造后花園樓除權(quán)衡計(jì)算外的檢查項(xiàng)都達(dá)到了滿足。

表4 改造后花園樓熱工性能權(quán)衡判斷

4 結(jié)論

本文使用了綠建模擬軟件權(quán)衡判斷建筑熱工并鏈接綠色改造的建筑節(jié)能改造策略，改造時(shí)可將建筑及場(chǎng)地模型導(dǎo)入建筑模擬軟件中計(jì)算建筑物理性能，相較于傳統(tǒng)的模擬軟件可以及時(shí)獲取建筑模型信息并使用軟件進(jìn)行優(yōu)化處理。此次改造設(shè)計(jì)通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造來(lái)優(yōu)化建筑熱工、風(fēng)環(huán)境、采光和噪聲的缺陷，例如風(fēng)塔的加建對(duì)建筑性能改善效果明顯，應(yīng)用拔風(fēng)原理改善建筑風(fēng)環(huán)境，在分析報(bào)告中也能看出建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境有明顯改善，并且將內(nèi)庭的建筑外表面變?yōu)槭覂?nèi)面積，盡可能地減小了體形系數(shù)?；诰G色性能的建筑節(jié)能策略是推進(jìn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的最佳對(duì)策。綜合節(jié)能設(shè)計(jì)策略可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能目標(biāo)。在既有建筑的綠色節(jié)能改造中，量體裁衣、合理應(yīng)用綠色節(jié)能技術(shù)顯得尤為重要[20]。