劉智偉 丁建華 / LIU Zhiwei, DING Jianhua

基于通風(fēng)模型的“建筑本體節(jié)能”設(shè)計(jì)研究
——以上海崇明陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓為例

劉智偉 丁建華 / LIU Zhiwei, DING Jianhua

本文以上海崇明陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓綠色創(chuàng)作實(shí)踐為例，闡述基于通風(fēng)模型綠色建筑創(chuàng)作的基本思路和若干方法，表達(dá)了“建筑本體節(jié)能”是綠色建筑原創(chuàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)先思路。

通風(fēng)模型 建筑本體節(jié)能 優(yōu)先思路

上海崇明陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓（以下簡(jiǎn)稱“陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓”）是呼應(yīng)崇明生態(tài)島的建設(shè)定位，滿足陳家鎮(zhèn)國(guó)際實(shí)驗(yàn)生態(tài)社區(qū)的規(guī)劃要求，大面積應(yīng)用綠色技術(shù)的示范項(xiàng)目（圖1）。項(xiàng)目基于從設(shè)計(jì)本源出發(fā)的理念，研究建筑的總體布局、平面、剖面以及構(gòu)件細(xì)節(jié)節(jié)能的設(shè)計(jì)原理與方法，強(qiáng)調(diào)通過(guò)綠色設(shè)計(jì)使建筑最大限度地?cái)[脫對(duì)機(jī)電設(shè)備設(shè)施的依賴。該項(xiàng)目已獲得三星級(jí)綠色建筑運(yùn)行評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)認(rèn)證，其成功的綠色原創(chuàng)設(shè)計(jì)、適宜的綠色技術(shù)使用、良好的綠色運(yùn)營(yíng)模式為我國(guó)綠色建筑的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓

1 綠色建筑本源

綠色建筑的節(jié)能方式分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)是指通過(guò)機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗的降低。而被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)具體指通過(guò)合理布置建筑朝向，設(shè)置遮陽(yáng)，采用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)、有利于自然通風(fēng)的建筑開(kāi)口設(shè)計(jì)等方式，實(shí)現(xiàn)建筑保溫隔熱、空氣調(diào)節(jié)等所需能耗的降低。基于綠色建筑評(píng)價(jià)特點(diǎn)，目前關(guān)于“被動(dòng)式建筑節(jié)能”的闡述偏技術(shù)化，關(guān)于“合理布局、遮陽(yáng)設(shè)置”等技術(shù)內(nèi)容的條款，首先強(qiáng)調(diào)的是有無(wú)，進(jìn)而通過(guò)可量化的數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。以《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378－2014）中的評(píng)價(jià)條款為例，綠色公共建筑需要滿足節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、室內(nèi)環(huán)境、施工管理和運(yùn)營(yíng)管理等方面的一系列量化指標(biāo)。

“建筑本體節(jié)能”是基于綠色建筑設(shè)計(jì)的思路和方法，對(duì)“被動(dòng)式節(jié)能”本源的探索，強(qiáng)調(diào)在建筑設(shè)計(jì)中，通過(guò)建筑總體布局、平面、剖面及構(gòu)件細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)合理布局、遮陽(yáng)、通風(fēng)、采光、保溫隔熱等目標(biāo)，即通過(guò)設(shè)計(jì)、材料、構(gòu)造等方式使建筑達(dá)到“冬暖夏涼”的效果。在執(zhí)行層面，本研究將“建筑本體節(jié)能”相關(guān)要素歸類為綠色顯性要素和綠色隱性要素。

綠色顯性要素：建筑通過(guò)具體的形象特征，給觀者強(qiáng)烈的視覺(jué)提示——這是綠色節(jié)能建筑，本文將這些可視化效果明顯的特征歸納為綠色建筑的顯性要素，如建筑造型、遮陽(yáng)構(gòu)件、通風(fēng)塔、架空、大屋檐、立體綠化等（圖2），并主要以自然通風(fēng)為例展開(kāi)研究。在設(shè)計(jì)中根據(jù)地域特色，采用顯性要素中的一個(gè)或者幾個(gè)作為綠色建筑形體或構(gòu)件的原型，進(jìn)而推導(dǎo)綠色建筑設(shè)計(jì)的全過(guò)程，由建筑師主導(dǎo)其過(guò)程與結(jié)果。

圖2 顯性要素組合

綠色隱性要素：其存在只能通過(guò)參數(shù)表格被人感知，也可稱為指標(biāo)要素，如保溫系數(shù)、熱阻、窗墻比、新風(fēng)量、非傳統(tǒng)水源利用率、可再生能源利用率等（圖3）。節(jié)能效果主要由產(chǎn)品性能和智能化控制技術(shù)主導(dǎo)。

圖3 隱性要素組合

2 陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓實(shí)例分析

陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓南臨東灘大道，自然風(fēng)環(huán)境優(yōu)越。建筑主體結(jié)構(gòu)為地上3層，地下1層，主要功能為辦公及綠色技術(shù)展示，占地面積8502.6m2，總建筑面積5117m2。一層架空，設(shè)置了對(duì)外展示廳、接待室等公共空間，二層為開(kāi)敞辦公室，三層為設(shè)置可開(kāi)啟墻面的獨(dú)立辦公室及展示個(gè)性化新風(fēng)系統(tǒng)的貴賓室，建筑頂部是設(shè)置了通風(fēng)塔、光伏發(fā)電系統(tǒng)、光導(dǎo)照明系統(tǒng)和雨水收集系統(tǒng)的設(shè)備區(qū)。

2.1 通風(fēng)原型要素提取

陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓位于北半球亞熱帶，為典型海洋性氣候，溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫15.2℃，空氣相對(duì)濕度常年保持在80%，空氣中的負(fù)氧離子含量為1000～2000個(gè)/m3，自然風(fēng)環(huán)境資源優(yōu)越，能在春秋兩季實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)下舒適的室內(nèi)環(huán)境（圖4、5）。

回溯到具有地域性特點(diǎn)的傳統(tǒng)民居建筑，在沒(méi)有空調(diào)等機(jī)電設(shè)備的情況下，它們完美地實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)、遮陽(yáng)、采光、防潮等性能，其具體對(duì)應(yīng)的建筑要素可以考證，如通風(fēng)塔通風(fēng)、屋檐遮陽(yáng)、天井采光、架空防潮等。

2.2 原型設(shè)定分析

陳家鎮(zhèn)生態(tài)辦公樓以自然通風(fēng)設(shè)計(jì)為核心，采用“原型限定—技術(shù)論證—原型優(yōu)化—設(shè)計(jì)定稿—節(jié)能細(xì)節(jié)創(chuàng)建”5個(gè)步驟。本研究基于建筑前期的原型設(shè)定、技術(shù)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)，進(jìn)行建筑模型和形象的推演。

第一階段為構(gòu)件要素的推導(dǎo)。（1）導(dǎo)風(fēng)墻構(gòu)件的推導(dǎo)——根據(jù)項(xiàng)目所在地夏季、過(guò)渡季和冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，利用草坡形成兩個(gè)方向的導(dǎo)風(fēng)墻 ；（2）通風(fēng)塔構(gòu)件的推導(dǎo)——建筑中部設(shè)有中庭，利用“煙囪效應(yīng)”，在屋頂設(shè)置通風(fēng)塔；（3）土建風(fēng)井構(gòu)件的推導(dǎo)——為了增加室內(nèi)各區(qū)域空氣的自然流通，將自然風(fēng)輸送到建筑的各個(gè)樓層，設(shè)置土建風(fēng)井。

第二階段為空間布局的技術(shù)分析。（1）通過(guò)導(dǎo)風(fēng)墻調(diào)節(jié)風(fēng)向，將室外自然風(fēng)從首層架空層引入室內(nèi)，可提高自然通風(fēng)效果；（2）通過(guò)大空間內(nèi)土建風(fēng)井啟閉控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)剖面維度的通風(fēng)路徑設(shè)計(jì)，可改善室內(nèi)通風(fēng)效果；（3）通過(guò)通風(fēng)塔的高度設(shè)置及啟閉控制增加拔風(fēng)效果，可增強(qiáng)整體通風(fēng)效果。

第三階段為建筑的美學(xué)形象塑造。（1）通風(fēng)構(gòu)架的建筑化設(shè)計(jì)；（2）通風(fēng)路徑的空間化設(shè)計(jì)；（3）其他綠色要素的整合，包括立面遮陽(yáng)、光伏一體化、東西向雙層墻體、立面綠化等。

圖4 區(qū)位

圖5 總平面

經(jīng)過(guò)上述3步基于自然要素和建筑設(shè)計(jì)邏輯的推導(dǎo)，建筑整體布局表達(dá)為：水平方向上，以中間的交通空間連接起東西側(cè)的主功能空間；豎向依次為底部架空導(dǎo)風(fēng)區(qū)、中間主辦公功能區(qū)，以及頂部通風(fēng)塔為主的技術(shù)設(shè)備區(qū)組成的可呼吸的有機(jī)體（圖6、7）。

圖6 原型推導(dǎo)

圖7 形象推導(dǎo)

根據(jù)項(xiàng)目的特定條件和節(jié)能指標(biāo)的要求，建筑師對(duì)可能的建筑原型進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析（表1），設(shè)定與建筑相關(guān)的總體要素、建筑要素和平面要素。

2.3 剖面和構(gòu)件設(shè)計(jì)

在原型確定的前提下，建筑師對(duì)通風(fēng)路徑進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，將建筑的剖面路徑分成3段：進(jìn)風(fēng)區(qū)域、室內(nèi)流動(dòng)區(qū)域和屋頂出風(fēng)區(qū)域。通過(guò)剖面的豎向通風(fēng)分析（圖8），推演項(xiàng)目的基本設(shè)計(jì)思路：利用通風(fēng)構(gòu)件，借助壓差原理和“煙囪效應(yīng)”，將非最佳朝向的風(fēng)引入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)春秋兩季最佳的自然風(fēng)可控導(dǎo)入。

基于通風(fēng)模型推演的另一個(gè)重點(diǎn)是通風(fēng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)?；诮ㄖ缹W(xué)，建筑師設(shè)計(jì)了導(dǎo)風(fēng)墻、可開(kāi)啟通風(fēng)井、可開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)墻、通風(fēng)塔等通風(fēng)構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)的最大化。其中，導(dǎo)風(fēng)墻是針對(duì)建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向不一致的情況，專門(mén)設(shè)計(jì)的土建導(dǎo)風(fēng)組件，通過(guò)與迎風(fēng)面的直線和弧形墻體相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)的水平方向角度和渦流原理帶來(lái)的維度改變（圖9～13）。

圖8 豎向自然通風(fēng)分析示意

圖9 夏季保溫剖面研究

圖10 冬季通風(fēng)剖面研究

2.4 自然通風(fēng)測(cè)試

建筑落成后，業(yè)主單位組織上海建筑科學(xué)研究院的相關(guān)人員對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果進(jìn)行了檢測(cè)。測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在辦公區(qū)、走廊區(qū)和休息區(qū)3個(gè)開(kāi)敞空間（圖14、15），辦公區(qū)為室內(nèi)主要人員常待區(qū)域，走廊區(qū)和休息區(qū)則是處于設(shè)計(jì)的室內(nèi)通風(fēng)路徑上。

測(cè)試進(jìn)行了兩種條件設(shè)定，分別為通風(fēng)塔獨(dú)立作用和通風(fēng)塔配合外門(mén)窗聯(lián)合作用，測(cè)試結(jié)果如下：（1）通風(fēng)塔獨(dú)立作用，自然通風(fēng)增加幅度達(dá)到28.2%；（2）通風(fēng)塔、窗戶、室內(nèi)風(fēng)道等建筑自然通風(fēng)構(gòu)件系統(tǒng)聯(lián)合作用，可以大幅增加自然通風(fēng)，增幅達(dá)到66.9%（圖16）。

表1 建筑原型設(shè)定與推導(dǎo)

2.5 通風(fēng)隔熱空腔平面設(shè)計(jì)

在建筑平面的組合研究上，根據(jù)功能將其分為3個(gè)區(qū)域：主要功能區(qū)、主要交通區(qū)和兩側(cè)輔助功能區(qū)?；诳沙掷m(xù)的平面生長(zhǎng)原理，橫向平面原型采用再生疊加，形成一個(gè)有基本原型的有機(jī)體。

利用輔助設(shè)備區(qū)對(duì)抗東西兩側(cè)的室外熱量輻射，空氣隔離區(qū)將阻斷輔助設(shè)備區(qū)與主要功能區(qū)之間的直接物理聯(lián)系。通過(guò)空氣腔體的啟閉，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域與外界的熱傳遞或者蓄熱，以建筑手段實(shí)現(xiàn)對(duì)主要活動(dòng)區(qū)熱傳導(dǎo)的控制。打開(kāi)空氣腔體上的通風(fēng)口，可實(shí)現(xiàn)空氣腔體兩端或上下與室外空氣的貫通，帶走熱量，減少夏季西曬對(duì)建筑能耗的影響；關(guān)閉空氣腔體上的通風(fēng)口，可減少冬季主要活動(dòng)區(qū)熱量的對(duì)外流失，實(shí)現(xiàn)空氣間層的蓄熱。在不同季節(jié)的工況條件下，可以通過(guò)啟閉空氣隔離區(qū)，減少能源消耗，營(yíng)造最佳的室內(nèi)舒適度（圖17）。

3 研究意義

圖11 一層平面導(dǎo)風(fēng)示意

圖12 一層導(dǎo)風(fēng)組件

圖13 剖面通風(fēng)空間設(shè)計(jì)

本研究從“建筑本體節(jié)能設(shè)計(jì)”這一思路出發(fā)，架構(gòu)綠色建筑的“顯性和隱性要素”表象及內(nèi)在的空間邏輯，建構(gòu)具象的建筑形象及節(jié)能特征。基于通風(fēng)模型的設(shè)計(jì)研究是“建筑本體節(jié)能設(shè)計(jì)”若干推導(dǎo)過(guò)程中的一條路徑，其目標(biāo)是基于通風(fēng)功能需求和場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境的特性，以建筑空間和構(gòu)件細(xì)節(jié)為原型實(shí)現(xiàn)綠色建筑。

圖14 測(cè)試點(diǎn)

圖15 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖16 測(cè)試工況

圖17 平面/立面空腔模型分析

研究的意義之一是基于通風(fēng)的綠色建筑原型的架構(gòu)（圖18）。針對(duì)風(fēng)向這一不可變的場(chǎng)地條件，嘗試用可調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)墻系統(tǒng)做出回應(yīng)。建筑原型清晰地表達(dá)了在特定的通風(fēng)目的下，建筑師通過(guò)對(duì)建筑底層、中間層和頂層的平面、空間、構(gòu)件等建筑要素的策劃設(shè)計(jì)，所展示的形象和通風(fēng)效果。經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)實(shí)證，建筑原型在特定條件下滿足設(shè)定的節(jié)能通風(fēng)目標(biāo)。從另外一個(gè)維度來(lái)看，本研究的意義是使通風(fēng)構(gòu)件如門(mén)窗一樣成為常見(jiàn)的建筑部品，在一定條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以低技、廉價(jià)的方式實(shí)現(xiàn)大面積的推廣應(yīng)用。易復(fù)制的建筑原型和可產(chǎn)業(yè)化的構(gòu)件對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)化過(guò)程中的綠色節(jié)能建筑的推廣有極大的意義。

“建筑本體節(jié)能”是綠色建筑原創(chuàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)先思路。無(wú)論是強(qiáng)調(diào)建筑美學(xué)的從建筑到技術(shù)的正向推導(dǎo)，還是強(qiáng)調(diào)技術(shù)能效的從技術(shù)到建筑的逆向推導(dǎo)，建筑師都需要在抽絲剝繭中尋找可利用的綠色創(chuàng)作原點(diǎn)，如通風(fēng)、采光、綠化、光伏一體化遮陽(yáng)等，從建筑學(xué)而不是技術(shù)的維度創(chuàng)造建筑有機(jī)體，使其具備一定的節(jié)能效果，盡可能擺脫綠色設(shè)計(jì)思維對(duì)機(jī)電設(shè)備的依賴，同時(shí)最大限度地展現(xiàn)其建筑美學(xué)的魅力。

項(xiàng)目信息

建設(shè)地點(diǎn)：上海崇明陳家鎮(zhèn)東灘大道1688號(hào)

建筑類別：辦公建筑

設(shè)計(jì)/竣工時(shí)間：2007/2010年

容積率：0.55

總建筑面積：5117m2

建筑總高度/層數(shù)：21m/3層

獲獎(jiǎng)情況：

2008年獲二星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)認(rèn)證；

2009年獲上海建筑學(xué)會(huì)第三屆建筑創(chuàng)作獎(jiǎng)公共建筑佳作獎(jiǎng)；

2011年度上海優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)；

2011年獲第六屆中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑創(chuàng)作獎(jiǎng)；

2012年獲三星級(jí)綠色建筑運(yùn)營(yíng)標(biāo)識(shí)認(rèn)證；

2013年度全國(guó)綠色建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；

2008～2012年度上海崇明縣科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

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[2]戎武杰, 劉智偉. 建筑綠色本體設(shè)計(jì)模式的實(shí)踐——崇明生態(tài)藝術(shù)展示館綠色創(chuàng)作[J]. 建筑技藝, 2014(06).

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RESEARCH OF BUILDING ENERGY SAVING DESIGN BASED ON VENTIL ATION SIMUL ATION MODEL:A CASE STUDY OF THE ECOLOGIC OFFICE BUILDING AT CHENJIA TOWN IN CHONGMING, SHANGHAI

This paper has treated an example according to the practice of Ecological Office Building of Chenjia Town of Chongming District, Shanghai,expound the first thinking and several methods about green building creation which based on the ventilation model, express the priority design idea of green building is the "ontology of architecture energy conservation".

Ventilation Model, Ontology of Architecture Energy Conservation, Priotity Method

劉智偉，高級(jí)建筑師，副所長(zhǎng)，主任建筑師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)建筑師，華建集團(tuán)華東都市總院

丁建華，通訊作者，副教授，主任工程師，深圳大學(xué)本原設(shè)計(jì)研究中心，深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2017-07-09