漢中地區(qū)高校教學樓建筑群優(yōu)化布置設計研究

張琪

摘 ?要：隨著我國高等教育事業(yè)發(fā)展，高校校園規(guī)模逐漸擴大，各地高校新校區(qū)建設與日俱增。教學樓建筑群的布置設計在滿足防火、疏散、隔音等國家規(guī)范的同時，還應該密切結(jié)合當?shù)亟ㄖ夂颦h(huán)境，使得建筑更加綠色節(jié)能。結(jié)合相關規(guī)范及漢中地區(qū)建筑氣候參數(shù)對高校教學樓建筑群排布方式、樓間距及建筑朝向進行設計研究并提供優(yōu)化設計策略。以期為漢中地區(qū)高校教學樓綠色建筑設計提供參考。

關鍵詞：漢中地區(qū)? 教學樓? 建筑群? 優(yōu)化布置

中圖分類號：TU20???????????????? 文獻標識碼：A

Research on the Optimal Layout Design of Teaching Building Complexes in Colleges and Universities in the Hanzhong Region

ZHANG Qi

（Hanzhong Vocational and Technical College， Hanzhong， Shaanxi Province，723002 China）

Abstract：With the development of higher education in China， the scale of university campuses is gradually expanding， and the construction of new campuses in colleges and universities around the country is increasing day by day. The layout design of teaching building complexes should not only meet national standards such as fire prevention， evacuation and sound insulation， but also closely combine the local building climate environment to make buildings more green and energy-saving. Combined with relevant regulations and building climate parameters in the Hanzhong region， this article designs and studies the layout， building spacing and building orientation of teaching building complexes in colleges and universities， and provides optimization design strategies， so as to provide reference for the green building design of teaching buildings in colleges and universities in the Hanzhong region.

Key Words： Hanzhong region; Teaching building; Complex; Optimized layout

隨著我國高等教育事業(yè)發(fā)展，高校學生人數(shù)與日俱增，校園規(guī)模逐漸擴大，目前漢中地區(qū)兩所高校陜西理工大學及漢中職業(yè)技術學院都計劃開展新校區(qū)建設。高校中教學樓形成的建筑群在滿足防火、疏散、隔音等國家規(guī)范的同時，還應該密切結(jié)合當?shù)亟ㄖ夂颦h(huán)境做好建筑群適應性規(guī)劃設計，滿足日照、通風等主要因素設計要求，以營造出更加綠色節(jié)能環(huán)保的建筑。本文結(jié)合相關規(guī)范及當?shù)貧夂騾?shù)對漢中地區(qū)高校教學樓建筑群排布方式、樓間距及建筑朝向進行設計研究。

1 教學樓建筑群排布方式

不同的建筑群布置方式對風環(huán)境有很重要的影響。常見的建筑群布置方式有：行列式、周邊式以及自由式。其中行列式包含了并列式、錯列式以及斜列式。具體見圖1。

其中，周邊式布局形成圍合庭院空間，降低空氣流速，形成相對封閉的空間環(huán)境，在寒冷及嚴寒地區(qū)這種布局方式效果好，但其東西向建筑室內(nèi)舒適性較差，需要通過較多的人工能耗進行調(diào)節(jié)。漢中地區(qū)地處我國夏熱冬冷建筑氣候區(qū)，過渡季及夏季需要良好的自然通風，因此周邊式布置方式不適合漢中地區(qū)使用。

并列式是最常見的建筑群布局形式，這種方式能夠很好地讓所有建筑爭取到最好的建筑朝向，但并列的建筑會導致前方的建筑對后方的建筑日照、通風等產(chǎn)生遮擋等影響。錯列式就可以盡可能避免前面建筑對后方建筑的遮擋，日照及通風效果更好。斜列式和錯列式類似降低了前后建筑之間的影響，同時其貼合周邊道路進行修建，節(jié)約土地。漢中地區(qū)應主要采用錯列式、并列式及斜列式的建筑群布局形式。

2 教學樓樓間距設計

建筑間距指的是兩棟建筑物外墻之間的水平距離。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范對防火、日照以及隔聲等諸多方面對建筑間距做出了明確限值規(guī)定。

2.1 ?防火規(guī)范要求

《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016）對不同類型建筑間防火間距做出了明確的限值規(guī)定。因此在查詢建筑防火間距之前要明確建筑分類。對民用建筑進行分類是一個較為復雜的問題，現(xiàn)行國家標準《民用建筑設計通則》（GB 50352）將民用建筑分為居住建筑和公共建筑兩大類，其中居住建筑包括住宅建筑、宿舍建筑等。在防火方面，除住宅建筑外，其他類型居住建筑的火災危險性與公共建筑接近，其防火要求需按公共建筑的有關規(guī)定執(zhí)行。因此，《建筑設計防火規(guī)范》將民用建筑分為住宅建筑和公共建筑兩大類，并進一步按照建筑高度分為高層民用建筑和單層、多層民用建筑。中小學教學樓類型相對單一，其中《中小學校設計規(guī)范》（GB 50099）中規(guī)定：“各類小學的主要教學用房不應設在4層以上，各類中學的主要教學用房不應設在5層以上”。所以中小學教學樓為多層民用建筑類型。高校教學樓類型較多，根據(jù)前文調(diào)研分析，漢中地區(qū)高校教學樓既有常見的多層民用建筑類型，也有高層民用建筑類型。不同類型不同防火等級的建筑之間的防火間距不同。因本文主要考慮教學樓之間的防火間距，教學樓建筑防火等級為一級或二級，因此查表1可知最大防火間距為13 m，最小防火間距為6 m。

2.2? 建筑日照要求

在建筑排布時，南側(cè)建筑會對北側(cè)建筑日照產(chǎn)生遮擋的影響。教學樓排布時也存在同樣的問題，如果要讓北側(cè)建筑完全避開南側(cè)建筑的遮擋陰影，建筑間距會拉得過大，不符合節(jié)約用地的原則。因此要進行綜合考量。中小學設計有明確的規(guī)定，根據(jù)《中小學校設計規(guī)范》（GB 50099）中4.3.3規(guī)定：“普通教室冬至日滿窗日照不應小于2小時”。查詢該條文具體解釋：日照是學生健康發(fā)育的基本條件，日照時間長短直接關系學生的健康成長。我國國家衛(wèi)生健康委員會的專題科研成果指出，人體只能通過每天有一定時間的日照才能合成維生素D，日照對抑制癌細胞的侵襲和體格的生長能發(fā)揮重要作用。直射陽光對保護學生健康有重要作用，小學生有50％的課程在普通教室進行，中學生有41％的課程在普通教室進行，所以本規(guī)范規(guī)定了普通教室冬至日滿窗日照時間。荷蘭、瑞士、日本、俄羅斯等國家的法規(guī)對學校建設的日照時間也有所規(guī)定。關于高校教學日照并沒有明確要求，高校學生主體為18歲以上成年學生，但也包含有滿18歲的學生，如現(xiàn)在高職院校開設的五年制高職專業(yè)，入學學生為初中畢業(yè)生，年齡基本在15歲左右。因此高職院校教學樓也可參照中小學校關于日照的規(guī)定進行設計。本科院校因?qū)W生年齡較大，不用再按本條文考慮日照間距問題。

計算漢中地區(qū)日照間距。首先要確定窗臺高度，根據(jù)《民用建筑設計統(tǒng)一標準》（GB 50352-2019）第7.1.3規(guī)定：“側(cè)面采光時，民用建筑采光口距離地面高度0.75 m以下的部分不應計入有效采光面積。^[[5]]”所以設定建筑一層窗臺高度為750 mm。其次確定遮擋建筑高度，根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）中規(guī)定公共建筑建筑高度大于24 m為高層民用建筑，建筑耐火等級以及工程造價都比24 m以內(nèi)的多層民用建筑高很多。加之教學樓為人流密集建筑，建筑過高會導致使用不便。因此遮擋建筑高度可定為24 m。

2.3? 建筑隔聲需求

教學樓的排布要避免臨近噪聲源的干擾。高校教學樓設計沒有明確規(guī)定，可參照《中小學校設計規(guī)范》（GB 50099），其中4.3.7規(guī)定：“各類教室的外窗與相對的教學用房或室外運動場地邊緣間的距離不應小于25 m。”因為在開窗的情況下，教室內(nèi)朗讀和歌唱聲傳至室外1 m處的噪聲級約80 dB，上體育課時，體育場地邊緣處噪聲級約70～75 dB，根據(jù)測定和對聲音在空氣中自然衰減的計算，教室窗與校園內(nèi)噪聲源的距離為25 m時，教室內(nèi)的噪聲不超過50 dB^[3]。因此高校教學樓從建筑隔聲需求考慮樓間距不得小于25 m。

2.4? 建筑風環(huán)境需求

王立雄著《建筑節(jié)能》對建筑進深對風影區(qū)的影響進行了分析。由于教學樓對采光要求較高，建筑山墻面寬度不能很大。因此建筑山墻寬度與建筑高度相比，建筑山墻面寬度較小。通過分析發(fā)現(xiàn)這種類型的建筑在其背風面會形成4.5～5 H寬度的風影區(qū)。該區(qū)域內(nèi)風速較小，對自然通風不利。所以在建筑布置時最好是避開風影區(qū)，對建筑夏季自然通風有利。

漢中地區(qū)高校教學樓常見為6層。設定一層高度為3.9 m，6層總高23.4 m?？紤]建筑一層地坪要高出室外地坪以及屋頂構(gòu)筑物等，總高可考慮為24 m。4.5倍的高度是108 m，5倍高度是120 m。如果建筑之間間距設定為120 m，這會極大地浪費土地，因此在設計時不能將樓間距定得過大?？梢試L試在教學樓每層中部設計出鏤空通透的自由休憩交流空間，該空間在教學樓外立面上設計成不封閉的護欄，能夠保證氣流順利通過建筑，提升教學樓群體風環(huán)境。

3 基于日照影響下的建筑最佳朝向

影響建筑能耗的因素有很多方面，如建筑朝向、建筑體型系數(shù)、建筑外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻比等。在建筑群體規(guī)劃時，應優(yōu)先考慮建筑朝向問題。因不同地區(qū)氣候環(huán)境不同，太陽輻射情況不同。設置建筑合理的朝向可以降低建筑能耗，如冬季增加室內(nèi)太陽輻射得熱，可以減少冬季供暖能耗；夏季減少室內(nèi)太陽輻射得熱，可以減少夏季制冷能耗。

基于日照影響分析建筑朝向也有多種形式。靜態(tài)分析可以使用Weather tool軟件導入當?shù)貧庀髤?shù)文件，分析出當?shù)亟ㄖ罴殉?。如西藏大學工學院的孫文婧利用該軟件對拉薩市建筑最佳朝向進行了分析。動態(tài)分析主要通過軟件模擬不同朝向建筑耗能情況，通過對比能耗確定出最佳朝向。如華南理工大學建筑學院的毛以沫等人利用DeST能耗軟件分析了廣州地區(qū)建筑最佳朝向。中國科學院大學建筑研究與設計中心的李榕榕等人利用DeST軟件對哈爾濱、北京、上海、廣州4座城市的典型公共建筑進行能耗模擬分析，并確定出上述4座城市的建筑最佳朝向。

本文主要通過動態(tài)分析建筑能耗情況進行最佳朝向研究，能耗軟件采用清華大學研發(fā)的斯維爾綠建軟件BECS。創(chuàng)建12 000 mm×7 500 mm×3 900 mm教室空間環(huán)境，為簡便計算外圍護結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)默認構(gòu)造形式，其中屋頂傳熱系數(shù)為0.768 W/m²·k，外墻傳熱系數(shù)為1.113 W/m²·k，外窗傳熱系數(shù)為3.9 W/m²·k。工程地點設置為陜西省漢中市，標準選用《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189-2015）。將教室空間環(huán)境模型每隔10°旋轉(zhuǎn)一次，計算一次全年耗能情況，具體能耗情況如表2、圖2所示。教室外窗側(cè)為建筑主要朝向，指北針方向正東向為0°。

通過模型分析得出：在僅考慮日照影響建筑能耗情況下，漢中地區(qū)教室模型在正南偏西向10°情況下，全年能耗最小。與此同時，正南偏西20°，正南向，正南偏東10°能耗都較小，因此這些朝向都可以采用。因此，漢中地區(qū)教室朝向應以正南偏西20°至正南偏東10°為宜。

4 ?基于自然通風影響下的建筑最佳朝向

漢中地區(qū)北依秦嶺，南屏巴山，是群山中一片平原。因受周邊地形影響，常年風力較小，靜風盛行，年平均風速2 m/s左右。其中夏季及過渡季節(jié)，主導風向為東東南風（ESE），風速為1.9 m/s。冬季主導風向為東風（E），風速為2.4 m/s。

建筑設計需考慮合適的朝向以營造建筑內(nèi)部自然通風，滿足使用者舒適的使用需求。因此，建筑主要朝向應在向南同時適當向東傾斜，以營造良好的建筑內(nèi)通風環(huán)境。

5 ?結(jié)語

結(jié)合前文研究分析，漢中地區(qū)高校教學樓建筑群宜采用以下布置形式：（1）建筑群優(yōu)先采用錯列式布局，宜采用并列式和斜列式布局；（2）對于高職院校，高度24 m以內(nèi)多層教學樓樓間距宜為36 m；（3）對于本科院校，高度24 m以內(nèi)多層教學樓樓間距宜為25 m；（4）建筑朝向宜為南偏東10°至正南向范圍。

參考文獻

[1] 陳縱.“兩觀三性”視角下的當代大學校園空間更新、改造設計策略研究[D].廣州：華南理工大學，2020.

[2] 劉加平.建筑物理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑設計防火規(guī)范：GB 50016-2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.中小學校設計規(guī)范：GB 50099-2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.民用建筑設計統(tǒng)一標準：GB 50352-2019[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

[6] 王立雄.建筑節(jié)能[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[7] 孫文婧.拉薩市最佳建筑朝向分析[J].房地產(chǎn)世界，2021（17）：54-55.

[8] 毛以沫，司一凡，徐碧霞.基于空調(diào)年耗電量的廣州地區(qū)居住建筑體形系數(shù)與最佳朝向研究[J].建筑技藝，2021（S1）：128-131.

[9] 李榕榕，程曉喜，黃獻明等.基于日照影響下冷熱負荷計算的公共建筑“最佳朝向”反思[J].建筑學報，2020（11）：99-104.

[10] 李云斌.漢中地區(qū)傳統(tǒng)民居風環(huán)境優(yōu)化設計研究[D].西安：長安大學，2022.