建筑設(shè)計中綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化策略探析

王宗琦 李洪偉 楊玥

中國人民武裝警察部隊研究院 北京 100020

引言

綠色建筑設(shè)計開展的過程中，需要深度結(jié)合技術(shù)要求以及所在地的自然氣候資源情況展開綜合規(guī)劃分析，實現(xiàn)建筑設(shè)計與當(dāng)?shù)刈匀粴夂虻暮椭C與統(tǒng)一[1]。同時在節(jié)能設(shè)計的過程中，還要深化智能技術(shù)在建筑設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用，促進綠色建筑在設(shè)計實踐中運營出更加節(jié)能的效果。

1 建筑設(shè)計中綠色建筑的設(shè)計原則

1.1 自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一

建筑室內(nèi)熱工環(huán)境和自然氣候之間具有非常緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，尤其是在追求人與自然和諧統(tǒng)一的觀念指導(dǎo)下，建筑設(shè)計應(yīng)深度融入到自然環(huán)境的基本特性和風(fēng)格當(dāng)中，進而避免過度的追求功能空間而影響自然環(huán)境的狀態(tài)，甚至是對自然資源產(chǎn)生過度消耗[2]。因此在開展設(shè)計活動中，應(yīng)注重所在地自然資源的利用，從原材料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工等多方面中深度融合綠色環(huán)保理念，確保設(shè)計效果與自然環(huán)境之間的和諧統(tǒng)一。

1.2 “因地制宜”的選擇場地

地塊的選擇不僅要注重所在地外部環(huán)境的選擇，同時也需要強化對建筑實體區(qū)域中的地理環(huán)境、地址結(jié)構(gòu)以地下水資源的選擇[3]，進而實現(xiàn)基于當(dāng)?shù)刭Y源的可持續(xù)優(yōu)化設(shè)計，力求所在地的資源與建筑設(shè)計的功能性能夠更加具有匹配性。同時區(qū)塊內(nèi)的資源分布應(yīng)較為均勻并且具有實用性，深度適配并滿足建筑的材料要求與設(shè)備要求。

1.3 全過程的節(jié)約能源資源

建筑設(shè)計往往具有終身性，設(shè)計質(zhì)量直接決定了后續(xù)建筑在實際工作中的運維質(zhì)量。因此在開展設(shè)計的過程中，不僅要注重建設(shè)本身材料的節(jié)能，同時還要盡可能的減弱對周邊環(huán)境的資源損耗[4]。在被動式的節(jié)能設(shè)計中，充分利用太陽能、雨水資源，使其更好的為建筑設(shè)計的采光、保溫以及給排水提供技術(shù)支持，確保設(shè)計工作的質(zhì)量能夠達到最佳的水平，實現(xiàn)全過程的資源節(jié)約。

1.4 強化舒適度水平的控制

隨著人們對于美好人居環(huán)境要求的不斷提升，人們對于室內(nèi)熱工環(huán)境的穩(wěn)定性要求越來越高，而單一機械硬件設(shè)備來營造室內(nèi)空氣環(huán)境難免缺乏“自然度”，因此還需要從自然通風(fēng)、自然采光等角度來提升建筑室內(nèi)環(huán)境的整體環(huán)境感知，綜合強化舒適度水平。因此在建設(shè)設(shè)計工具的使用中，可以積極引入建筑能耗模擬軟件以及BIM軟件工具的應(yīng)用，進而綜合強化設(shè)計決策質(zhì)量。

2 綠色建筑節(jié)能設(shè)計的發(fā)展趨勢

2.1 趨向于以人為本的設(shè)計理念

建筑項目開發(fā)的最終目的是為了保證人們的日常生活需求，同時設(shè)計的初衷也是為人提供一個良好的人居環(huán)境，并且維持住穩(wěn)定的室內(nèi)狀態(tài)。因此建筑設(shè)計的核心是要實現(xiàn)以人為本，使得使用者能夠感受到舒適、穩(wěn)定、健康的熱工環(huán)境[5]。對此在建筑材料的選擇中，應(yīng)積極選擇具有低碳并且環(huán)境友好型的材質(zhì)，使得建筑不再是“冰冷的鋼筋混凝土”，并通過科學(xué)的材料分析來降低對基礎(chǔ)材料的浪費。

2.2 趨向于節(jié)能減排設(shè)計方向

在“雙碳”背景下，減少能源消耗并且實現(xiàn)減排已經(jīng)成為各個行業(yè)優(yōu)化自身技術(shù)升級的引導(dǎo)性發(fā)展戰(zhàn)略。建筑工程本身屬于耐耗品，需要切實的提升對各類高能耗材料的使用控制。因此無論是在設(shè)計決策還是在施工的過程中，都要對各類資源進行集成化的利用，在深度做到經(jīng)濟型節(jié)約的同時，還要做到環(huán)保性的要求，進而實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的雙向共贏。

2.3 趨向于生態(tài)化的人居環(huán)境

建筑工程的材料選擇中大多來自于天然資源，建筑工程本身與生態(tài)工程之間具有較強的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此在開展建筑設(shè)計的過程中，設(shè)計思想要深度融合生態(tài)化和可持續(xù)的發(fā)展理念，深度遵循環(huán)境一致以及可協(xié)調(diào)的生態(tài)原理，盡可能挖掘與利用可再生能源，實現(xiàn)人與環(huán)境相協(xié)調(diào)的目的。

3 綠色建筑節(jié)能設(shè)計的技術(shù)應(yīng)用策略

3.1 建筑規(guī)劃中的節(jié)能設(shè)計

在開展建筑規(guī)劃的過程中，首先應(yīng)從建筑的外部環(huán)境角度出發(fā)，綜合考慮外部環(huán)境可能會對建筑產(chǎn)生的影響。尤其是在開展外部環(huán)境分析的過程中，深度探討所在地微氣候的情況，實現(xiàn)對外部資源的綜合利用。園區(qū)設(shè)計中可以通過建筑周邊種植花草樹木來達到降塵和降噪的目的，還可以在園區(qū)的公共景觀空間中設(shè)置雨水回收池塘，強化資源的循環(huán)利用。

3.2 外墻節(jié)能保溫設(shè)計

外墻的保溫質(zhì)量直接決定了室內(nèi)空氣溫度的波動情況，因此建筑設(shè)計中應(yīng)深度強化外墻保溫的設(shè)計，其設(shè)計要點應(yīng)從整體性的角度出發(fā)，在保溫設(shè)計中強化保溫材料的應(yīng)用（聚苯乙烯板、巖棉以及玻璃棉），并且在材料的選擇中還要注重材料質(zhì)量的過濾，保證材料在建筑全生命周期內(nèi)的應(yīng)用穩(wěn)定性效果[6]。并且為了更好地迎合參數(shù)設(shè)計的要求，還可以積極采用輕質(zhì)型外墻材料，必要時還可以在外墻中直接使用保溫加固材料及墻體相變材料，盡可能保證保溫系統(tǒng)的耐久性，營造穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境。

3.3 門窗節(jié)能設(shè)計

在開展建筑設(shè)計的過程中，還要重點關(guān)注門窗的節(jié)能效果，合理的計算及控制窗墻比。綜合考慮不同地區(qū)以及不同房屋朝向的功能性來保障門窗面積設(shè)計的合理性，最大限度減少在門窗位置中發(fā)生能量損失。在玻璃材料類型的選擇上，應(yīng)盡可能地選擇多層中空玻璃或低輻射型的玻璃，進而綜合保證門窗的熱工參數(shù)穩(wěn)定性，減少冬季熱量的損失以及夏季熱量的流入。在門窗節(jié)能設(shè)計中，還要兼顧好門窗的遮陽效果，通過合理化的優(yōu)化設(shè)計，避免太陽輻射直接進入室內(nèi)所產(chǎn)生的能耗增加。

3.4 屋頂節(jié)能設(shè)計

屋頂?shù)墓?jié)能設(shè)計是綠色建筑設(shè)計中重要的組成部分，由于屋頂?shù)拿娣e較大，并且長期暴露于外界環(huán)境當(dāng)中，直接受到太陽的直射輻射，因此這也就成為建筑外表面中能耗最高的部分。而在屋頂?shù)墓?jié)能設(shè)計中，要重點強化其保溫隔熱性能的設(shè)計，同時還要保證其表面有較強的通風(fēng)效果。而通過屋頂綠植的介入能夠降低太陽的直接輻射，實現(xiàn)了場地面積的高效利用，達到了最優(yōu)的節(jié)能效果。

4 綠色建筑節(jié)能設(shè)計的技術(shù)優(yōu)化措施

4.1 跨學(xué)科合作與綜合設(shè)計

綠色建筑的技術(shù)優(yōu)化措施并不是單一學(xué)科的技術(shù)知識集成，而是需要多個跨學(xué)科的專業(yè)體系共同形成的設(shè)計綜合體，通過多領(lǐng)域?qū)＜抑g的密切協(xié)作，最終達到最佳的設(shè)計形式和設(shè)計效果。在整個過程中，跨學(xué)科的交互融合以及模型綜合設(shè)計至關(guān)重要，而綠色建筑設(shè)計本身作為一種綜合性的設(shè)計理念，還要深度兼顧好建筑生命周期內(nèi)所有的過程要素，其要點涵蓋場地選擇、自然資源分析、能源應(yīng)用形式分析以及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求等。尤其是在建筑材料選擇的過程中，需要考究其對環(huán)境的影響，同時還要測評好其耐久性和能源效率等要點，進而找到對環(huán)境負擔(dān)較小的優(yōu)質(zhì)材料。在能源利用形式的評估中，要綜合考慮太陽能、風(fēng)能以及可再生能源的利用，將能源系統(tǒng)作為整體性關(guān)聯(lián)的整體，確保每項決策都能夠為綠色建筑的整體性能做貢獻。因此在開展功能設(shè)計中需要深化與工程師以及環(huán)境評估專家之間的合作，進而共同制定綜合的設(shè)計方案。其中，由建筑設(shè)計師提供建筑設(shè)計外觀、建筑空間布局以及建筑的功能設(shè)計要求；工程師提供項目可行的技術(shù)方案；環(huán)境評估專家對綜合設(shè)計方案進行專門的環(huán)境綜合評估，進而判斷設(shè)計方案對生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境的影響?？鐚W(xué)科的交互與交流是綠色建筑性能優(yōu)化的關(guān)鍵措施之一，最終實現(xiàn)了建筑能耗最低的最佳技術(shù)組合。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策與模擬

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，由過程數(shù)據(jù)所驅(qū)動的決策和模擬也為綠色建筑的性能設(shè)計提供了科學(xué)和精確的引導(dǎo)。而這個過程中，基于BIM建筑信息模型的數(shù)字化工具為過程數(shù)據(jù)的積累提供了集成化的平臺，實現(xiàn)了設(shè)計業(yè)務(wù)的協(xié)作與優(yōu)化設(shè)計，極大減少了設(shè)計誤差。BIM技術(shù)工具及其能耗模擬仿真技術(shù)實現(xiàn)了對設(shè)計模型的全過程復(fù)現(xiàn)，使得建筑設(shè)計師、工程師能夠在協(xié)同的平臺中實現(xiàn)交互式的工作，通過聯(lián)動式的功能要義極大提升了設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計效果。同時通過實時的能耗模擬結(jié)果，也能夠清晰展示出方案設(shè)計的成效。這不僅僅是傳統(tǒng)二維設(shè)計技術(shù)的升級，也是一種全方位信息整合的可視化載體。而通過基于BIM模型的設(shè)計變量與元素調(diào)整，能夠顯著提升能源系統(tǒng)以及模型的設(shè)計效率，進而深度優(yōu)化材料的應(yīng)用質(zhì)量以及空間布局的質(zhì)量，工程師可以在協(xié)同的設(shè)計平臺中模擬形狀、尺寸、材料類型多室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響，BIM模型能夠準確描述出每種材料的屬性參數(shù)，最終計算出每種材料的成本價值及經(jīng)濟效益。同時基于數(shù)據(jù)協(xié)同的優(yōu)化設(shè)計還能夠發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計缺陷與不足，進而能夠?qū)栴}進行及時的糾正。而通過能源系統(tǒng)的實時模擬，設(shè)計團隊能夠發(fā)現(xiàn)早期階段設(shè)計建筑的能源消耗情況，深度識別了潛在的浪費及能源效率低下的問題，在不斷地綜合評估中，輔助設(shè)計師逐級做出相應(yīng)的調(diào)整，最終找到了最優(yōu)的設(shè)計方案。

4.3 綠色建筑認證與評價體系

綠色建筑認證與評估是推動綠色建筑技術(shù)發(fā)展的重要引導(dǎo)性措施，在建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中提供了標準化的技術(shù)措施引導(dǎo)。通過一系列的約束性評估指標設(shè)計，能夠引導(dǎo)從業(yè)者在設(shè)計要素中引用更加環(huán)保和可持續(xù)的設(shè)計措施。其中，我國的綠色建筑評價標準、BREEAM評價標準以及LEED認證都是綠色建筑評估中的重要評估方法。其內(nèi)容指標上分別設(shè)定了能源效率、水資源效率以及室內(nèi)環(huán)境等多個指標進行耦合計算，最終為建筑項目設(shè)定了不同級別的認定，輔助設(shè)計者和運行維護者采用更加高效的環(huán)保技術(shù)策略，進而綜合減少對環(huán)境的影響以及傳統(tǒng)能源的依賴。其中，LEED評估標準主要激勵設(shè)計人員以及項目業(yè)主采取創(chuàng)新化的環(huán)保技術(shù)措施及策略來對設(shè)計方案/既有建筑進行優(yōu)化，進而降低建筑本體對于環(huán)境的影響。而BREEAM評估措施重點考慮了建筑生態(tài)系統(tǒng)的影響、能源的利用效率以及健康舒適的性能，進而對不同的參數(shù)標準進行了評級，通過不同的評級結(jié)果來促進設(shè)計人員重視生態(tài)系統(tǒng)的維護，為建筑的綜合可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)的指導(dǎo)。而我國的綠色建筑評價標準中，深度融合了我國本土的實際氣候資源情況以及可持續(xù)發(fā)展的要求，尤其是對能源利用效率、環(huán)境影響參數(shù)給出了具體的評估與說明，進而使其更好的適配中國綠色建筑的發(fā)展要求。

5 結(jié)束語

隨著“雙碳”理念及生態(tài)保護理念的不斷深化，建筑行業(yè)中的高能耗、高污染問題得到了高度重視，對于設(shè)計端來說也要不斷地調(diào)整自身的發(fā)展戰(zhàn)略，通過外墻、屋面、門窗等節(jié)能參數(shù)的設(shè)計以及能耗模擬、可視化設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計等措施來促進建筑節(jié)能降耗目標的實現(xiàn)，進而促進建筑行業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展。