陳曉娟 孫菁芬 林正豪 李珺杰 / CHEN Xiaojuan, SUN Jingfen, LIN Zhenghao, LI Junjie

可持續(xù)策略與建筑的整合設(shè)計(jì)
——清控人居科技示范樓項(xiàng)目實(shí)踐

陳曉娟 孫菁芬 林正豪 李珺杰 / CHEN Xiaojuan, SUN Jingfen, LIN Zhenghao, LI Junjie

1 項(xiàng)目概況

1.1 設(shè)計(jì)原則

基于貴安生態(tài)文明創(chuàng)新園的整體定位和貴安新區(qū)的環(huán)境背景，清控人居科技示范樓（Tsinghua Eco Studio, THE-Studio，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“科技示范樓”）在項(xiàng)目之初就明確了以下原則：

（1）建筑空間、形式與可持續(xù)策略密切結(jié)合，將可持續(xù)技術(shù)融于建筑的表達(dá)中。

（2）以被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略為主導(dǎo)，結(jié)合主動(dòng)式技術(shù)，因地制宜地展示中國(guó)本土化的可持續(xù)建筑，并兼顧先進(jìn)技術(shù)的示范性。

（3）建筑與周邊生態(tài)環(huán)境的一體化設(shè)計(jì)，積極運(yùn)用本土材料和技術(shù)，體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐淖匀缓腿宋膬r(jià)值。

1.2 可持續(xù)技術(shù)的集成

本項(xiàng)目采用了被動(dòng)式和主動(dòng)式相結(jié)合的可持續(xù)技術(shù)。被動(dòng)式技術(shù)包括：充分利用自然通風(fēng)的空間布局，天然采光與可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化——雙層外墻圍護(hù)體系，地道通風(fēng)技術(shù)，雨水回用與生態(tài)景觀相結(jié)合，可循環(huán)材料，本土材料和技術(shù)。

主動(dòng)式技術(shù)包括：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)，生物質(zhì)鍋爐地暖系統(tǒng)，生態(tài)友好型給排水系統(tǒng)，綠色照明，用于室內(nèi)外環(huán)境控制的智能控制系統(tǒng)，能源管控系統(tǒng)（圖1）。

2 以被動(dòng)式和可再生能源為主導(dǎo)的建筑整合設(shè)計(jì)

2.1 促進(jìn)自然通風(fēng)與采光的整體空間布局

貴安新區(qū)地處溫和地區(qū)，常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，但濕度較大，全年平均相對(duì)濕度為77%。在過(guò)渡季及夏初夏末充分利用自然通風(fēng)可有效提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度，縮短夏季供冷時(shí)間。因此，基于最大程度優(yōu)化自然通風(fēng)的原則，科技示范樓對(duì)功能和空間進(jìn)行了整體布局。

科技示范樓采用南北朝向的雙坡屋面形式，將兩層通高的展示中庭置于中間，相對(duì)封閉的功能房間和區(qū)域置于南北兩側(cè)。在坡屋面高起的基礎(chǔ)上，展廳的頂部被進(jìn)一步拔高，并沿南北立面設(shè)置通長(zhǎng)的電動(dòng)開(kāi)啟高側(cè)窗，一方面加強(qiáng)了中庭的風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)作用（圖2），另一方面為展區(qū)塑造了更加挺拔開(kāi)闊的空間。南、北兩側(cè)的電動(dòng)高側(cè)窗可分別控制開(kāi)啟，根據(jù)不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向（春、秋、冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行南風(fēng)和西南風(fēng)），開(kāi)啟背風(fēng)面的窗戶(hù)，形成風(fēng)壓通風(fēng)。自然風(fēng)通過(guò)南北立面的側(cè)窗進(jìn)入各個(gè)功能房間，在風(fēng)壓和熱壓作用的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)門(mén)上方的通風(fēng)窗進(jìn)入中庭，最終通過(guò)頂部的高側(cè)窗排出室外，從而促進(jìn)建筑整體的自然通風(fēng)（圖3）。

除通風(fēng)作用外，頂部的高側(cè)窗為展廳提供了良好的天然采光，活躍了中庭的氣氛。光線透過(guò)木屋架投射到兩側(cè)的展墻上，隨著季節(jié)和時(shí)間進(jìn)行光影變換，將外部自然環(huán)境的變化引入室內(nèi)空間。南北兩側(cè)的坡屋頂上設(shè)置了若干可開(kāi)啟天窗，為辦公區(qū)和會(huì)議區(qū)提供充分的照明，有效減少人工照明能耗。天窗內(nèi)側(cè)均設(shè)有電動(dòng)遮陽(yáng)簾，可根據(jù)需要控制采光量（圖4、5）。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化——雙層外墻圍護(hù)體系

被動(dòng)式優(yōu)先是科技示范樓的能源設(shè)計(jì)策略。建筑雖然位于溫和地區(qū)，但為提高室內(nèi)的熱舒適性，夏季采用地道風(fēng)供冷，冬季采用生物質(zhì)鍋爐地暖和地道風(fēng)結(jié)合的方式供暖，在此前提下，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能可以有效降低建筑的冷熱負(fù)荷。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)的外墻圍護(hù)體系，一方面提升了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，另一方面充分結(jié)合外層表皮與建筑立面的形象和展示功能，作為可持續(xù)技術(shù)和材料的直觀表達(dá)。

科技示范樓的外墻圍護(hù)體系主要包含兩部分：位于內(nèi)側(cè)的基礎(chǔ)墻

體和位于外側(cè)的附加表皮（圖6、7）。內(nèi)側(cè)的基礎(chǔ)墻體是分隔室內(nèi)外環(huán)境的常規(guī)意義的外墻，具有保溫、防水等功能，其中一層采用預(yù)制復(fù)合金屬夾芯墻板，在金屬面層中填充80mm厚巖棉，傳熱系數(shù)約為0.5W/m2·K，窗戶(hù)采用雙層中空Low-E玻璃（5Low-E+12A+5C），傳熱系數(shù)為3.0W/m2·K。二層采用密肋木龍骨墻體，中填120mm厚巖棉，傳熱系數(shù)約為0.37W/m2·K，窗戶(hù)采用三層中空Low-E玻璃（6Low-E+16Ar+4+20Ar+4Low-E），傳熱系數(shù)為0.82W/m2·K。在上述內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)墻體的外側(cè)，附加表皮進(jìn)一步提升了外墻的整體熱工性能。

圖1 科技示范樓綠色技術(shù)集成示意

一層復(fù)合夾芯墻板的外側(cè)設(shè)有單層玻璃幕墻，幕墻上方設(shè)有若干

拉鏈?zhǔn)奖赝L(fēng)百葉，下方設(shè)有300mm高的推拉式鋁板通風(fēng)口，幕墻與夾芯墻板之間形成了方便手動(dòng)控制的通風(fēng)保溫空腔。在過(guò)渡季，幕墻上下的通風(fēng)口一直保持開(kāi)啟狀態(tài)，保證自然風(fēng)可以順暢地進(jìn)入室內(nèi)；夏季，室內(nèi)利用地道通風(fēng)供冷，外墻的窗戶(hù)關(guān)閉，空腔內(nèi)形成自然通風(fēng)，帶走腔體和外墻表面的熱量；冬季最低氣溫在0℃左右，相對(duì)寒冷，室內(nèi)利用地道通風(fēng)和地板輻射供暖，幕墻上部的保溫百葉和下部的通風(fēng)口保持關(guān)閉狀態(tài)，形成封閉的空氣間層，起到保溫緩沖的作用。因此相對(duì)于二層，對(duì)一層的外墻和窗戶(hù)的保溫性能進(jìn)行了適當(dāng)降低（圖8）。

圖2 風(fēng)壓通風(fēng)模擬（來(lái)源：劉加根）

圖3 引導(dǎo)自然通風(fēng)的空間布局

圖4 天然采光示意

圖5 展示中庭效果

圖6 墻身詳圖1

圖7 墻身詳圖2

二層的藤編表皮由標(biāo)準(zhǔn)化的單元板塊組成，與外墻之間形成半封閉的夾層，夏季起到遮陽(yáng)作用，尤其是東西山墻面面積較大，可避免陽(yáng)光直射外墻，減少輻射得熱。南側(cè)外窗部分設(shè)置藤板或可調(diào)節(jié)的竹簾外遮陽(yáng)。此外，夾層促進(jìn)了對(duì)流通風(fēng)，帶走外墻表面的部分熱量。冬季，藤板表皮可起到一定程度的防風(fēng)作用。

圖8 通風(fēng)保溫空腔示意

圖9 風(fēng)帽示意

外層的附加表皮既提升了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，又構(gòu)建了建筑的立面形象。一層透明的空腔層也是多種示范性技術(shù)設(shè)備的展示層，地道風(fēng)風(fēng)管經(jīng)過(guò)南北立面的空腔層分別進(jìn)入一、二層的各功能房間，東西立面的空腔層進(jìn)深較大，設(shè)有智能控制系統(tǒng)設(shè)備模塊、機(jī)電控制箱、太陽(yáng)能熱水、生物質(zhì)鍋爐煙道等設(shè)備，并為日后的附加設(shè)備

及展示物品預(yù)留一定的空間。與常規(guī)建筑將管線隱藏的做法不同，透明間層便于參觀者更直觀地感受到各種系統(tǒng)的運(yùn)行，最大程度地發(fā)揮其示范性功能。

圖10 雨水處理系統(tǒng)示意

2.3 可再生能源

2.3.1 地道通風(fēng)技術(shù)

貴安新區(qū)氣候溫和，適宜自然通風(fēng)。在做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目選擇采用地道通風(fēng)作為主要能源策略，可大幅度降低建筑的空調(diào)能耗。結(jié)合周邊生態(tài)環(huán)境，地道設(shè)于建筑的東北側(cè)，夏季送入室內(nèi)的新風(fēng)可達(dá)到17～20℃，冬季可達(dá)到11～14℃，根據(jù)夏季和冬季對(duì)新風(fēng)量要求的不同采用變風(fēng)量系統(tǒng)。

根據(jù)科技示范樓整體的通風(fēng)組織，南北兩側(cè)功能房間的送風(fēng)口設(shè)于外墻處，垂直風(fēng)管沿玻璃幕墻與外墻間的空腔層到達(dá)送風(fēng)口，新風(fēng)通過(guò)封閉房間或開(kāi)敞辦公區(qū)后，經(jīng)靠近中庭一側(cè)的通風(fēng)窗進(jìn)入展廳，最后由拔高的中庭頂部天窗排出室外。中庭兩側(cè)的展示墻底部也設(shè)有通長(zhǎng)的送風(fēng)口，風(fēng)管從中庭下方的架空設(shè)備層直接進(jìn)入中庭。送風(fēng)口和風(fēng)管的布置盡量避免直接穿透預(yù)制的輕鋼箱體模塊，減少現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，建筑地上空間內(nèi)部不布置水平風(fēng)管，避免對(duì)使用功能和室內(nèi)效果的干擾。

2.3.2 太陽(yáng)能光電、光熱與建筑一體化

與建筑一體化設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏電板和集熱器，位于頂部向南傾斜的風(fēng)帽裝置上方（圖9）。風(fēng)帽裝置位于建筑頂部的拔高部位，集成多種技術(shù)與性能。除作為安裝光伏電板和集熱器的基座外，風(fēng)帽主要起到導(dǎo)風(fēng)的作用，有利于在背風(fēng)面的高側(cè)窗附近形成負(fù)壓區(qū)，促進(jìn)展示中庭的風(fēng)壓通風(fēng)作用。同時(shí)，風(fēng)帽也為帶有傾斜角度的高側(cè)窗提供了遮雨的作用。

南側(cè)頂部的高側(cè)窗復(fù)合了薄膜太陽(yáng)能光電技術(shù)，并采用多種顏色的彩色薄膜光電玻璃，豐富了展示中庭的室內(nèi)效果。科技示范樓探討了太陽(yáng)能光電光熱技術(shù)與建筑結(jié)合的可能性，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的裝置使其成為建筑形象和空間的重要元素，而不僅僅是簡(jiǎn)單的技術(shù)設(shè)備的附加。

2.3.3 生物質(zhì)鍋爐地暖系統(tǒng)

貴安新區(qū)的冬季氣溫較低，在使用地道風(fēng)預(yù)熱新風(fēng)的基礎(chǔ)上，建筑設(shè)置了地板采暖系統(tǒng)，提高室內(nèi)的舒適性，熱源采用生物質(zhì)顆粒鍋爐，為產(chǎn)業(yè)化“再生林/秸稈－顆粒燃料制備－清潔鍋爐使用”的循環(huán)產(chǎn)業(yè)試點(diǎn)提供潛在的可能。針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和使用功能的不同，南北兩側(cè)的輕鋼箱體采用模塊化的干鋪式地暖，荷載較小，并減小了現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，中庭的展示區(qū)考慮到可能放置較重的展品，因此結(jié)合現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面采用濕鋪式地暖。

2.4 水資源的高效利用與回用

2.4.1 生態(tài)景觀結(jié)合雨水回用

貴安新區(qū)年降雨量達(dá)1 136.8mm，相對(duì)充沛，適宜采用雨水回收及多層次利用等生態(tài)措施。因此，科技示范樓對(duì)南半側(cè)的屋面雨水進(jìn)行收集，匯水面積約200m2，并結(jié)合建筑西南側(cè)的生態(tài)綠地設(shè)置模塊化人工濕地。收集的雨水經(jīng)人工濕地過(guò)濾后進(jìn)入綠地下方的雨水存蓄罐，再通過(guò)消毒系統(tǒng)處理，最后作為南側(cè)景觀鏡面水池的水源補(bǔ)充；當(dāng)雨量較大時(shí)，存蓄罐內(nèi)多余的雨水可通過(guò)溢流管外排到周邊較低的生態(tài)綠地區(qū)域（圖10）。以上過(guò)程均采用重力流方式，無(wú)需外加動(dòng)力。建筑北側(cè)綠地設(shè)計(jì)為生態(tài)凹地，北半屋面收集的雨水排放至此后自然下滲，周邊的景觀則以生態(tài)綠地為主，減少硬質(zhì)鋪裝，西側(cè)主入口廣場(chǎng)全部采用透水鋪裝。

2.4.2 生態(tài)友好型給排水系統(tǒng)

科技示范樓采用污水廢水分流系統(tǒng)，使用高效節(jié)水型源分離潔具，將糞便污水（褐水）、尿液污水（黃水）、洗漱及設(shè)備泄水（灰水）3種污廢水分別排出、處理及回用，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水和污廢資源化利用。

本項(xiàng)目采用市政給水和市政中水系統(tǒng)進(jìn)行分質(zhì)供水，充分利用中水等非常規(guī)水資源，同時(shí)設(shè)置智能漏水探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)用水?dāng)?shù)據(jù)、水系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖11 本土材料的應(yīng)用

2.5 可持續(xù)性建筑材料

2.5.1 主體結(jié)構(gòu)和內(nèi)裝材料的可循環(huán)性

科技示范樓的主體結(jié)構(gòu)以鋼材和木材兩種可循環(huán)建筑材料為主，采用木建筑+輕鋼箱體模塊的混合結(jié)構(gòu)體系，外墻和屋面主要采用木龍骨、歐松板、木瓦等木材制品。室內(nèi)裝修大量使用農(nóng)作物秸稈制成的麥秸板，減少對(duì)森林資源的消耗。

混合結(jié)構(gòu)體系可以最大程度地提高預(yù)制程度。兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，但共用相同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，既保證了結(jié)構(gòu)的整體性，又使現(xiàn)場(chǎng)的交叉作業(yè)成為可能。這種高度的預(yù)制化和交叉作業(yè)方式大大降低了現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不良影響。

2.5.2 本土材料的應(yīng)用

科技示范樓在注重先進(jìn)的可持續(xù)技術(shù)的同時(shí)，深入挖掘本土材料和技術(shù)。建筑外立面主要采用具有地方特色的藤編板塊，將傳統(tǒng)工藝材料和現(xiàn)代幕墻干掛體系結(jié)合起來(lái)，成為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能化表皮。所有藤編均由當(dāng)?shù)氐氖止に嚾送瓿桑@是一次將本土的傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)化為建筑部品應(yīng)用的嘗試。展示大廳及東側(cè)室外觀景平臺(tái)選用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的青石板，地下架空層的北立面采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的片石砌墻，既增強(qiáng)了外墻的保溫隔熱性能，也展現(xiàn)了本土材料與現(xiàn)代工藝的完美結(jié)合（圖11）。

2.6 用于室內(nèi)外環(huán)境的智能控制系統(tǒng)

科技示范樓結(jié)合室內(nèi)外環(huán)境和能源管控設(shè)置了全面的智能控制系統(tǒng)。

（1）燈光控制：室內(nèi)大廳燈、室外庭院燈、泛光燈的調(diào)光控制，所有應(yīng)急照明燈的控制。

（2）空調(diào)系統(tǒng)控制：地道風(fēng)風(fēng)機(jī)、除濕泵控制，風(fēng)閥和水閥控制。

（3）水泵控制：市政水池水位水泵控制、海綿城市水位水泵控制。

（4）室內(nèi)濕度、溫度和CO2、PM2.5、照度、紅外感應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)視頻、電動(dòng)窗等監(jiān)測(cè)，室外氣象站。

（5）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)及App控制：具有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能、App控制功能。

2.7 能源管控體系

根據(jù)使用功能的不同分區(qū)域設(shè)置傳感器，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄，并通過(guò)后臺(tái)算法對(duì)環(huán)境品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。從而實(shí)現(xiàn)：（1）地道風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)采用變頻控制，通過(guò)室內(nèi)舒適度的測(cè)量反饋結(jié)果對(duì)系統(tǒng)總送風(fēng)量進(jìn)行控制；（2）生物質(zhì)鍋爐地暖系統(tǒng)可人為調(diào)節(jié)各房間的室溫，鍋爐根據(jù)總熱量需求控制啟停；（3）對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)、生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量，并對(duì)建筑的用水、用電進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，最終通過(guò)實(shí)際用能數(shù)據(jù)對(duì)建筑的節(jié)能減排效果進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目自設(shè)計(jì)之初就結(jié)合貴安新區(qū)的氣候特征，注重將可持續(xù)技術(shù)策略與建筑的功能、空間和形式進(jìn)行整體化的考慮，避免示范性技術(shù)的簡(jiǎn)單附加和堆砌。因地制宜地選擇被動(dòng)式策略為主導(dǎo)，依據(jù)可持續(xù)設(shè)計(jì)原理對(duì)本土材料和技術(shù)進(jìn)行重新挖掘，同時(shí)關(guān)注先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，選擇適宜的主動(dòng)式技術(shù)，并將其與建筑的空間體驗(yàn)和形式表現(xiàn)積極結(jié)合。

陳曉娟，清控人居建設(shè)（集團(tuán)）有限公司

孫菁芬，清控人居建設(shè)（集團(tuán)）有限公司

林正豪，清華大學(xué)建筑學(xué)院，清華大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

李珺杰，清華大學(xué)建筑學(xué)院，清華大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2015-06-04

ARCHITECTURE DESIGN INTEGRATED WITH SUSTAINABLE STRATEGY：THE-STUDIO

本文以貴安新區(qū)的清控人居科技示范樓為例，探討了以被動(dòng)式技術(shù)為主導(dǎo)、結(jié)合主動(dòng)式技術(shù)的可持續(xù)策略與建筑的一體化，詳細(xì)介紹了自然通風(fēng)、天然采光、圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可再生能源利用、結(jié)合雨水回用的生態(tài)景觀和本土材料等可持續(xù)技術(shù)與建筑功能、空間和形式的整合設(shè)計(jì)實(shí)踐。

With the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an Area as an example, this paper introduces an integrated design practice of sustainable strategies and building function, space, as well as form in green building. The THE-STUDIO is built based on passive design strategies and active technologies, as well as other sustainable technologies including natural ventilation, natural lighting, building envelope optimization, renewable energy utilization, ecological landscape that is based on rainwater reuse, and local materials.

被動(dòng)式設(shè)計(jì) 自然通風(fēng) 雙層外墻圍護(hù)體系 雨水回收利用 本土材料

Passive Design, Natural Ventilation, Double Facades, Rainwater Recycle, Local Materials

本文由亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2013KB05）支持。