基于Revit軟件的寒地高校教學(xué)樓綠色節(jié)能改造設(shè)計研究

李柱梁 張娜

關(guān)鍵詞：高校建筑；建筑節(jié)能；建筑改造

1研究背景

建筑行業(yè)作為碳排放的重要領(lǐng)域，如何加強(qiáng)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展，是未來行業(yè)發(fā)展的主要方向，建筑行業(yè)作為城市建設(shè)支柱產(chǎn)業(yè)，呈現(xiàn)智能化、智慧化趨勢[1]。

20世紀(jì)90年代是我國高等教育大力發(fā)展階段，為響應(yīng)“科教興國”的國家政策，高校先后擴(kuò)大招生規(guī)模，高校的老舊建筑不能滿足現(xiàn)有使用需求，相繼進(jìn)行擴(kuò)建及改建，目前我國嚴(yán)寒地區(qū)既有高校建筑在節(jié)能方面依然存在很多問題，如外圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較差、能耗總量大、采光不足、設(shè)備陳舊等問題，都是影響室內(nèi)熱工環(huán)境及使用品質(zhì)的重要問題，造成能源浪費(fèi)。因此，對老舊教學(xué)樓的節(jié)能改造，提升師生的使用體驗(yàn)是值得探究的問題。

2綠色節(jié)能改造設(shè)計原則

2.1因地制宜原則

在建筑設(shè)計初期，一個方案之所以成立需要考慮其所在地理位置、周邊環(huán)境、氣候條件、社會文化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多因素[2]，改建方案亦如此。需要進(jìn)行改造方案的總體布局與規(guī)劃，進(jìn)行差異分類與引導(dǎo)，從而獲得切實(shí)可行的改造措施。

2.2規(guī)范性原則

綠色建筑節(jié)能設(shè)計涉及的內(nèi)容及方法均應(yīng)遵照現(xiàn)行法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，需要恪守規(guī)范性原則。斯維爾綠建節(jié)能設(shè)計彰顯建筑行業(yè)數(shù)字信息技術(shù)發(fā)展與實(shí)施成效，經(jīng)計算獲得的參數(shù)、數(shù)據(jù)、成果等均應(yīng)由相關(guān)職能部門進(jìn)行嚴(yán)格審核，保證其標(biāo)準(zhǔn)性及規(guī)范性。

2.3可操作性原則

本文主要應(yīng)用的是BIM及相關(guān)技術(shù)軟件，通過信息建模精準(zhǔn)直觀地反映出節(jié)能改造設(shè)計數(shù)據(jù)與結(jié)果，并能實(shí)時呈現(xiàn)出各階段狀態(tài)，通過參數(shù)化設(shè)計，合理地將各參數(shù)之間的隱形與顯性相關(guān)聯(lián)，為后期方案的落地施工奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3既有高校建筑節(jié)能改造關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為長春某高校教學(xué)樓，于2005年設(shè)計，2007年投入使用。建筑面積為9592.09m2，層數(shù)為7層，建筑高度為27.30m。相關(guān)建筑在設(shè)計之初并未按照綠色節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)來衡量及設(shè)計，且長春氣候條件要求夏季需隔熱、冬季需采暖，因此在建筑的后期使用過程中存在能耗較高、室內(nèi)環(huán)境舒適度不理想等情況。為了解決這一問題，挖掘出影響其能耗的重要因素，并進(jìn)行改造，需要對比改造前后的計算數(shù)據(jù)，得出切實(shí)可行的改造方案。

3.2外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能改造的一個重要組成部分，主要包括外墻、屋頂、門窗等。目前，建筑外墻保溫材料多選用熱阻較大、傳熱系數(shù)較小的保溫材料，如擠塑板、巖棉等材料：屋面要綜合考慮保溫材料的選用、屋頂?shù)男问降纫蛩?，以達(dá)到冬暖夏涼的效果；門窗是為建筑內(nèi)部提供采光、通風(fēng)的主要通道，但其氣密性問題直接影響建筑內(nèi)部熱工環(huán)境，因此在設(shè)計階段應(yīng)控制窗墻比。

3.3采光設(shè)計

建筑內(nèi)部采光設(shè)計是綠色建筑節(jié)能設(shè)計中又一重要組成部分，采光形式可以分為天然采光和人工照明兩類，在設(shè)計初期盡可能地通過天然采光來解決室內(nèi)光環(huán)境與舒適度提升的問題，可解決建筑運(yùn)營過程中所需的主動能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，以符合綠色建筑設(shè)計原則。

在《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）要求下，通過模擬法計算功能空間的采光系數(shù)。在此過程中，需要考慮建筑周邊環(huán)境對建筑主體的遮擋作用，和室內(nèi)環(huán)境（如頂棚、地面、墻體等）對光線的反射作用等影響，借助BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)分析手段，計算主要功能房間的采光要求的符合度，從而捕捉建筑內(nèi)部空間是否由于布局問題導(dǎo)致采光不足或采光過強(qiáng)等問題，為后期采光改造提供切入點(diǎn)。

3.4室內(nèi)熱舒適度設(shè)計

所謂熱舒適，是指人體對周圍冷熱程度所感受到的滿意狀態(tài)，它是保持人體健康，使人能夠正常工作、學(xué)習(xí)和生活的基礎(chǔ)[3]。人體與其周邊環(huán)境達(dá)到熱平衡，是多種因素共同作用的結(jié)果。它除與個體的屬性（如著衣厚薄、本身調(diào)節(jié)能力、活動量大小等）有關(guān)，還有決定室內(nèi)熱環(huán)境的組成因素（主要是室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、氣流速度、環(huán)境輻射溫度等）有關(guān)。

3.5其他設(shè)計

除了建筑主體本身，我們還要考慮場地及周圍環(huán)境對其影響，如場地內(nèi)既有建筑對其陽光的遮擋、主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ζ溆绊?、場地地面的?guī)劃形態(tài)、地面鋪設(shè)材料等。

4基于Revit軟件的高校既有建筑節(jié)能改造措施

4.1外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造措施

通過對外墻、外窗和屋面保溫技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，保證建筑的節(jié)能效果。

4.1.1墻體節(jié)能措施

由于外墻和空氣的接觸面積最大，外墻的熱損失在建筑能耗中占有相當(dāng)大的份額，所以增加外墻熱阻對改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造設(shè)計具有重要意義。一般按保溫材料所處位置不同，有j種做法，即外墻內(nèi)保溫法、外墻夾心保溫法、外墻外保溫法。但考慮到該建筑位于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季室內(nèi)與室外溫差較大，外墻保溫性能要求高，又考慮到教學(xué)樓人員流動量大，所以在建設(shè)的過程中，不應(yīng)該影響教學(xué)樓的正常投入使用。依據(jù)上述三種外墻保溫形式特點(diǎn)，對教學(xué)樓外墻的改造形式上選擇外墻外保溫的做法，但在施工過程中需要對基墻做好保溫工作，從而保證保溫系統(tǒng)與基層墻體較好的結(jié)合。

在外墻保溫材料的選擇上也應(yīng)選擇熱阻較大、傳熱系數(shù)較小、吸水性較差的保溫材料，本次節(jié)能改造選擇的是A級巖棉板，構(gòu)造層次由外到內(nèi)依次為“巖棉板（p=60-160） 110mm+水泥砂漿20mm+煤矸石空心磚370mm”。巖棉隔熱保溫性能優(yōu)良，以及防火性能優(yōu)良，適合人員密集場所，化學(xué)性能比較穩(wěn)定，吸聲性能優(yōu)良，使用周期長，熱阻高，冬季可阻隔室內(nèi)熱量傳導(dǎo)到戶外，改變A級巖棉板厚度以達(dá)標(biāo)。通過嚴(yán)寒地區(qū)外保溫做法外墻主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正系數(shù)=1.3的確定，外墻平均傳熱系數(shù)K=3.0x1.30=0.39W/（m2K）。

4.1.2外窗節(jié)能措施

建筑外窗原采用一般中空玻璃塑鋼窗結(jié)構(gòu)，塑鋼窗以鋼襯增強(qiáng)強(qiáng)度為主，長春地區(qū)春、冬季兩季風(fēng)力較強(qiáng)、溫差較大[4]．且塑鋼窗抗風(fēng)壓性能較差，歷經(jīng)15年歲月洗禮后，該建筑的塑鋼窗出現(xiàn)變形、窗框外凸內(nèi)凹、密封膠條變硬、老化等現(xiàn)象，多數(shù)外窗損壞比較嚴(yán)重，造成冷風(fēng)滲透量大，極大地減弱了密封效果。為了增加房間數(shù)量，在走廊兩側(cè)墻壁開長條形高側(cè)窗，造成走廊內(nèi)采光和通風(fēng)不足，常年陰冷。因此，外窗的改造具體做法是把原先“60系列（三腔）空氣4+9A+4+9A+4暖邊密封構(gòu)造”改為“Low-E+白玻中空5+12A+5Low-E+9A+5鋁條密封”“70系列平開推拉窗（五腔）氬氣4+12A+4Low-E+12A+4暖邊密封”“幕墻為斷橋鋁5+12A+5Low-E氬氣斷橋?qū)?4.0mm膠條封邊”三種構(gòu)造類型，南向房間采光窗使用透光較好的玻璃，使太陽輻射熱能盡量地進(jìn)入室內(nèi)。

4.1.3屋頂節(jié)能措施

屋面是否具有保溫隔熱能力，是建筑節(jié)能中另一個關(guān)鍵[5]。在溫度的影響下，建筑材料會出現(xiàn)嚴(yán)重的漲縮現(xiàn)象，且嚴(yán)寒地區(qū)屋頂需要敷設(shè)保溫層以減少房間熱量損失，炎熱地區(qū)屋頂需要敷設(shè)隔熱降溫層以減少太陽熱輻射向房間傳遞。因此，在建筑屋面上合理地使用保溫材料可增強(qiáng)建筑物保溫隔熱性能、減少建筑能耗。此外，這種做法可改善用戶工作、居住環(huán)境，所以建筑屋面節(jié)能應(yīng)采取的主要措施就是采用保溫隔熱性能強(qiáng)的材料。屋面保溫材料應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)小，吸水率低，表觀密度小，并具有一定強(qiáng)度等。綜上所述，屋面采用120mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料作為保溫層，以提高屋頂蓄熱能力，在防水層上直接設(shè)置保溫隔熱層。

4.2光環(huán)境改造措施

通過斯維爾軟件模擬和分析建筑各房間的日照時間與遮擋陰影情況，得知該建筑北側(cè)采光較差，因此改造時考慮在北側(cè)去掉幾個功能房間，增加～個上下聯(lián)通的公共空間，作為室內(nèi)活動討論區(qū)，以提升生活品質(zhì)，并適當(dāng)?shù)卦黾娱_窗面積，以解決采光不足的問題。同時，建筑外立面原有的內(nèi)凹設(shè)計不僅浪費(fèi)了空間，對于1層采光有較大影響，采光嚴(yán)重不足。改造后將外立面連接，增加建筑整體窗戶面積，并在東側(cè)公共空間部分增加玻璃幕墻。此外，在建筑外墻增設(shè)導(dǎo)光管，將室外光線引到走廊內(nèi)，并進(jìn)行均勻的漫反射，增加走廊內(nèi)采光。

根據(jù)《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》第4.3條第3款規(guī)定，普通教室在冬至日滿窗照的時間不得小于2h。改造后，經(jīng)過對周邊場地建模，利用斯維爾軟件分析場地冬至日（2022年12月22日）上午8：00至下午18：00時間段地面高度的日照時間。通過計算得出該建筑不再受南側(cè)建筑遮擋影響，確保了教學(xué)樓南側(cè)教室獲得充分采光。

4.3室內(nèi)熱舒適度改造措施

熱舒適受兩大要素影響：一是環(huán)境因素，如空氣溫度、相對濕度、氣流速度與室內(nèi)平均輻射溫度4個環(huán)境要素；二是人體因素，如人的衣著、活動量等，均會對人的熱舒適產(chǎn)生重大影響。教學(xué)樓的使用主要集中在每年3月1日至7月15日和9月1日至12月15日，學(xué)生在校期間的建筑內(nèi)部熱舒適度符合正常使用需求即可。

由表1可知，一年之中長春的室外月平均溫度溫差較大，冬冷夏熱，為了保證室內(nèi)熱舒適度穩(wěn)定，我們需要采取相應(yīng)措施，如冬季采暖、夏季通風(fēng)。在采暖方面，近年來超低能耗被動式節(jié)能措施（如地源熱泵、太陽能光伏板、可再生能源利用等）均得到了廣泛推廣與應(yīng)用，無疑為建筑節(jié)能提供了新路徑：在通風(fēng)隔熱方面，可根據(jù)建筑主體設(shè)計及外立面兩個部分考慮。

4.3.1地源熱泵

目前，我國東北地區(qū)采暖主要是以燃煤為基礎(chǔ)的集中供暖，煤作為不可再生資源，世界已經(jīng)產(chǎn)生能源不足等問題，近年來已出現(xiàn)多次煤供應(yīng)不足導(dǎo)致的停電停暖的現(xiàn)象。地源熱泵是一種新型空調(diào)系統(tǒng)，它以地球表層淺層地?zé)豳Y源為冷熱能源，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，加裝地源熱泵后，具有一機(jī)多用、維護(hù)成本低、污染小、使用壽命長、節(jié)約空間、可有效提高室內(nèi)熱舒適度、地埋管熱交換器無須除霜、降低結(jié)霜除霜能耗等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外許多城市都在積極推廣地源熱泵技術(shù)，尤其針對面積較大的公共建筑使用，順應(yīng)了可持續(xù)性發(fā)展趨勢，擺脫了地域、資源的限制。

4.3.2太陽能光伏板

我國太陽能資源豐富，但太陽能受到氣候、地理等因素影響較大，具有地域性差異，按太陽能年輻射量的多少，我國可以分為4個太陽能資源帶。由于長春位于我國太陽能資源一般帶，因此在巖棉板外側(cè)考慮增加了BIPV光伏板，在降低建筑能耗的同時還能讓建筑產(chǎn)生清潔能源，推動我國順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。此外，光伏發(fā)電用于公共區(qū)域照明，余量并人電網(wǎng)獲取收益。

4.3.3可再生能源的利用

太陽能、風(fēng)能、熱能等可再生能源具有污染小、可再生、使用時間長等優(yōu)點(diǎn)，因此對這些可再生能源的收集和利用在建筑綠色節(jié)能優(yōu)化中具有促進(jìn)作用，可在長周期的建筑運(yùn)行中減少不可再生能源消耗，降低建筑運(yùn)行成本。

4.3.4通高空間通風(fēng)

室內(nèi)自然通風(fēng)能加快夏季室內(nèi)空氣的流動速度，降低人工供冷的使用頻率。改造時將層高較高的展覽空間二層樓板拆除，結(jié)合該建筑東側(cè)開窗室外氣流貫通，形成拔風(fēng)效應(yīng)，建筑內(nèi)空氣受熱壓驅(qū)動通過開窗流向室外。此外，借助調(diào)整部分房間的不同墻面窗戶的高度的手段，形成空氣流，帶走房間上部空間的熱氣體。

4.3.5立體綠化

利用建筑南側(cè)立面在3～6層平臺上種植藤蔓植物作為墻面綠化措施，夏季遮擋陽光，體現(xiàn)立體綠化與外遮陽的等效熱阻優(yōu)勢，冬季植物枯萎可充分利用日照輻射熱能，提高室內(nèi)房間溫度。

4.4建筑周邊環(huán)境的改造

在對建筑周邊環(huán)境改造時引人海綿城市理念，雨天吸水、蓄水、滲水、凈水，必要時蓄存水排放利用，使雨水能自由運(yùn)移到校園。基于此，使校園在面對環(huán)境變化、自然災(zāi)害日寸，具有很好的應(yīng)對“彈性”。采用透水鋪裝地面。原有停車位布置在水泥混凝土路面上，將水泥混凝土改造為混凝土植草磚，停車位草坪覆蓋率達(dá)到30％，夏季可以減少園區(qū)地面熱量反射，改善熱島效應(yīng)。采用環(huán)保型雨水口。按照規(guī)范在校園道路內(nèi)的雨水口增加攔污籃，在源頭上截留雨水中更大污染物。濾水桶內(nèi)開設(shè)有孔隙，濾水桶開設(shè)有溢流口，在降雨較多的情況下可直接進(jìn)行溢流。下部設(shè)有沉淀區(qū)，可積淤深度為300mm。出水管前設(shè)置防臭管，攔截浮渣油污，阻擋臭氣，能夠有效去除雨水中25%的固體懸浮污染物。

結(jié)合《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50348-2014）技術(shù)要求，保證在綠色建筑停車場（庫）配建新能源電動汽車充電設(shè)施或具備安裝條件，鼓勵使用電動汽車，減少城市汽車尾氣及溫室氣體排放，是綠色建筑為實(shí)現(xiàn)我國2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的技術(shù)貢獻(xiàn)。

5結(jié)束語

高校既有建筑綠色節(jié)能改造以Revit軟件為基礎(chǔ)，以及利用斯維爾軟件進(jìn)行模擬計算分析，采用定性和定量結(jié)合的方法，通過模擬計算將節(jié)能措施的數(shù)據(jù)及其預(yù)期成果可視化，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、光環(huán)境、熱舒適、碳排放、聲環(huán)境等進(jìn)行改造優(yōu)化，尋求該建筑綠色節(jié)能改造最優(yōu)方案。這不僅有利于達(dá)成實(shí)踐過程中的風(fēng)險可控化，延長既有建筑的使用壽命，還可以顯著提升其經(jīng)濟(jì)效益。理論結(jié)合實(shí)際有利于理論研究成果的驗(yàn)證，及時預(yù)防將來可能出現(xiàn)的問題。