陳景衡 武玉艷

我國(guó)西部平均海拔高，嚴(yán)寒/寒冷氣候區(qū)面積占比大，太陽(yáng)輻射資源豐富，自然地理?xiàng)l件獨(dú)特鮮明。西部人口總量小、總體密度低，經(jīng)濟(jì)要素不活躍，發(fā)展模式與東部地區(qū)差異較大。有學(xué)者從建筑與氣候關(guān)聯(lián)的角度提出“太陽(yáng)能富集區(qū)”概念，對(duì)西部典型區(qū)域的太陽(yáng)輻射可承擔(dān)的采暖用能展開(kāi)了技術(shù)先導(dǎo)研究，認(rèn)為通過(guò)能量集約轉(zhuǎn)化與建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)，可在富集條件下實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能采暖替代。

如何將太陽(yáng)輻射條件轉(zhuǎn)化為建筑可直接利用的氣候資源，通過(guò)設(shè)計(jì)要素提高太陽(yáng)輻射的利用效率，是西部太陽(yáng)能富集區(qū)綠色建筑設(shè)計(jì)的重要課題。對(duì)量大面廣的城鎮(zhèn)居住建筑主體類型——住宅建筑而言，其綠色設(shè)計(jì)往往被建筑師簡(jiǎn)單粗略地執(zhí)行為“提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)方式。在建筑成本投入、部品產(chǎn)業(yè)條件、物資供應(yīng)、施工組織水準(zhǔn)、建造需求等受限的西部地區(qū)，上述設(shè)計(jì)方法易產(chǎn)生技術(shù)執(zhí)行矛盾與困難，造成綠色設(shè)計(jì)技術(shù)空心化。在住宅商品化趨勢(shì)下，以“科學(xué)高效利用地域氣候資源”與“主動(dòng)通過(guò)建筑設(shè)計(jì)改善建筑性能、降低用能需求”為目標(biāo)要求，打破建筑師固有的“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)貼皮式”的綠色技術(shù)設(shè)計(jì)誤區(qū)，研發(fā)分地域、分條件、分類型提高地域氣候資源利用效益的綠色設(shè)計(jì)方法，是重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——“目標(biāo)和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計(jì)新方法與工具”在西部太陽(yáng)能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑上的技術(shù)研究要求。

本文將針對(duì)分級(jí)引導(dǎo)的西部太陽(yáng)能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計(jì)要點(diǎn)和“三階五步”綠色設(shè)計(jì)流程進(jìn)行具體介紹。

1 西部太陽(yáng)能富集區(qū)居住建筑分級(jí)引導(dǎo)的綠色設(shè)計(jì)技術(shù)需求要點(diǎn)

“太陽(yáng)輻射資源富集”不僅指太陽(yáng)輻射量級(jí)高，也意味著建筑的太陽(yáng)輻射直接熱作用具有較明確的采暖補(bǔ)償效能。太陽(yáng)輻射不只是設(shè)計(jì)的被動(dòng)應(yīng)對(duì)條件，而是可轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)應(yīng)用的資源，單一的保溫隔熱設(shè)計(jì)邏輯需要重新判定，甚至在局部出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，而這些是以建筑師為主推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的一種綠色效益。

太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)須通過(guò)“太陽(yáng)輻射得熱可直接影響到的建筑氣候邊界”影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境，在太陽(yáng)輻射資源極富集條件下，定性識(shí)別建筑室內(nèi)可受太陽(yáng)輻射熱直接影響的空間區(qū)域及可成為得熱構(gòu)件的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而展開(kāi)有效的設(shè)計(jì)構(gòu)思與操作。

目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)采用計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能“后修正”的思路。對(duì)建筑師來(lái)講，在設(shè)計(jì)前期較難理解、分辨利用太陽(yáng)輻射富集條件采暖工況下正負(fù)兩類不同熱過(guò)程，習(xí)慣把室內(nèi)看作一個(gè)溫度分布均勻、無(wú)差別的連續(xù)空間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用單一的“隔絕式外殼”保溫隔熱設(shè)計(jì)邏輯。通過(guò)前期設(shè)計(jì)提高太陽(yáng)輻射熱利用的使用效率與質(zhì)量，既要理解太陽(yáng)輻射熱正向作用過(guò)程，判斷其在建筑上的作用范圍，估算輻射程度，還要判斷與區(qū)分建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可得熱構(gòu)件、空間、構(gòu)造、門窗部品和非得熱部分，相應(yīng)采用不同的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)。這與現(xiàn)行的通用設(shè)計(jì)流程、標(biāo)準(zhǔn)有以下幾方面的基礎(chǔ)認(rèn)知差異：1）建筑體形并不能簡(jiǎn)單認(rèn)為越集約越節(jié)能；2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)不是越限制開(kāi)窗越利于節(jié)能（以建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)越大失熱越多，為寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)建筑采暖耗能單一假設(shè)），也并非保溫外殼越厚實(shí)建筑綠色性能越好，更不應(yīng)只采用高價(jià)、高標(biāo)準(zhǔn)材料來(lái)粗略對(duì)應(yīng)建筑綠色星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。另外，部分地區(qū)還需平衡太陽(yáng)輻射熱利用潛在的引起夏季室內(nèi)過(guò)熱的副作用，才能不斷完善整體方案，細(xì)化為經(jīng)濟(jì)可行的設(shè)計(jì)技術(shù)措施。

2 “三階五步”分級(jí)綠色設(shè)計(jì)流程

在太陽(yáng)輻射資源富集條件下，建筑師應(yīng)遵循一個(gè)更流暢、整體的綠色設(shè)計(jì)工作框架，敏銳主動(dòng)地理解與把握地域太陽(yáng)輻射資源、建筑用能需求、建筑設(shè)計(jì)三方面關(guān)系。順應(yīng)居住建筑設(shè)計(jì)選型、調(diào)整、修正的決策流程習(xí)慣，西部太陽(yáng)能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑分級(jí)綠色設(shè)計(jì)方法按“建筑輻射熱利用潛力預(yù)判—建筑空間布局優(yōu)化的空間因應(yīng)規(guī)律與匹配—建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)償優(yōu)化與參數(shù)循環(huán)控制”三個(gè)遞進(jìn)階段，分為“選型比較—戶型平面布局優(yōu)化—立面形態(tài)分區(qū)優(yōu)化—構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化—循環(huán)計(jì)算伴隨”五個(gè)設(shè)計(jì)動(dòng)作組，逐層落實(shí)太陽(yáng)輻射熱利用綠色設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（1）先對(duì)建筑太陽(yáng)輻射熱利用潛力進(jìn)行預(yù)判，落實(shí)被動(dòng)優(yōu)先的綠色設(shè)計(jì)原則，鼓勵(lì)建筑師優(yōu)先采用通過(guò)太陽(yáng)輻射熱削減建筑冬季采暖需求的潛在技術(shù)路徑。

我國(guó)西部太陽(yáng)能富集區(qū)代表城市——拉薩，主要采暖月（11月—次年3月）太陽(yáng)總輻射量是挪威的十倍、柏林的六倍，在西部廣大地區(qū)住宅自改建中有普遍多樣的輻射熱利用方式，而在現(xiàn)代通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定比較籠統(tǒng)，缺乏直觀明確的理解工具與具體指導(dǎo)，容易在設(shè)計(jì)起始環(huán)節(jié)被建筑師誤判或者忽略。太陽(yáng)輻射是一種能量密度較低、較難直接利用的環(huán)境資源。資源富集程度不同意味著可利用潛力和利用方式不同，這一階段要準(zhǔn)確、快速地區(qū)分不同地域環(huán)境條件和輻射資源，確定各類型住宅形態(tài)的輻射熱利用具體目標(biāo)，即輻射熱與建筑類型應(yīng)用間的設(shè)計(jì)可執(zhí)行基礎(chǔ)關(guān)系。

參考建筑氣候?qū)W提出的“輻射度日比”可直觀耦合太陽(yáng)輻射資源與采暖需求匹配程度的思路，經(jīng)過(guò)不同建筑類型“太陽(yáng)輻射可直接影響到的建筑氣候邊界”的邏輯預(yù)判修正，形成參考列表及排序，幫助建筑師提前判斷地域居住建筑太陽(yáng)輻射熱利用潛力。對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)決策初期對(duì)戶型的比較選擇設(shè)計(jì)步驟，即“空間布局選型”，幫助建筑師選擇太陽(yáng)輻射熱利用基礎(chǔ)較好的戶型，并合理確定太陽(yáng)輻射熱利用目標(biāo)區(qū)間及參照標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建筑方案形成階段有兩個(gè)主要設(shè)計(jì)操作動(dòng)作組，即平面布局適配直接太陽(yáng)輻射得熱影響范圍、立面形態(tài)構(gòu)造適配太陽(yáng)輻射熱設(shè)計(jì)分區(qū)，構(gòu)成建筑空間布局優(yōu)化的空間因應(yīng)與匹配設(shè)計(jì)階段。

緊湊的體形與利用太陽(yáng)輻射資源有時(shí)會(huì)有矛盾，在富集條件下建筑各界面太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)差異明顯，在室內(nèi)會(huì)形成較為顯著的太陽(yáng)輻射得熱直接影響區(qū)域，不同類型居住建筑有效影響界面、直接得熱影響空間范圍遵循一般輻射熱規(guī)律。能簡(jiǎn)化預(yù)判建筑形體上太陽(yáng)輻射分布規(guī)律、輻射得熱空間分布規(guī)律、圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律，有助于建筑師建立起基于現(xiàn)有空間模式“順向”經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)的構(gòu)思要點(diǎn)，形成迅速、簡(jiǎn)單、合適的設(shè)計(jì)決策。這個(gè)過(guò)程一般集中于住宅選型和公寓、宿舍空間組織模式構(gòu)架的方案初期。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、部品選用與組合設(shè)計(jì)往往在產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)指導(dǎo)下“以設(shè)計(jì)績(jī)效”為導(dǎo)向展開(kāi)，建筑師會(huì)尋求適合的建筑產(chǎn)業(yè)化部品及設(shè)計(jì)手段，開(kāi)展“部品組件選用調(diào)試組合”，該步驟與建筑形態(tài)和表皮整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向都有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。在完成空間層面的優(yōu)化后，增加立面分區(qū)設(shè)計(jì)工具，嵌入圍護(hù)結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)造設(shè)計(jì)分類處理，結(jié)合后期等熱流計(jì)算與驗(yàn)算、SHGC等參數(shù)計(jì)算優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在空間、部件尺度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）在方案提交條件圖形成完整具體技術(shù)方案前，還有大量協(xié)調(diào)性工作，包括落實(shí)細(xì)部構(gòu)造及諸多性能參數(shù)兩方面設(shè)計(jì)內(nèi)容，構(gòu)成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)償優(yōu)化與參數(shù)循環(huán)控制階段。屋頂、南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及陽(yáng)臺(tái)、門窗、外墻部品在太陽(yáng)輻射富集條件下，得熱區(qū)內(nèi)構(gòu)件形態(tài)的適應(yīng)性調(diào)整要符合集熱蓄熱的基本原理、滿足夏季通風(fēng)要求，采用“雙層壁面+空腔”的方式一般能提高太陽(yáng)輻射熱利用效率，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響起到積極作用。但由于涉及透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射透射、熱傳導(dǎo)、熱輻射和空腔內(nèi)及室內(nèi)空間熱對(duì)流等復(fù)雜熱過(guò)程，且窗墻面積比與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體性能間關(guān)系較為復(fù)雜，需要綜合判斷。該階段與技術(shù)協(xié)同，采用參數(shù)循環(huán)的方式更好地調(diào)適各部分構(gòu)造設(shè)計(jì)。

1 西部太陽(yáng)能富集區(qū)居住建筑“三階五步”分級(jí)綠色設(shè)計(jì)流程

成熟的住宅產(chǎn)品構(gòu)成了建筑師、開(kāi)發(fā)者習(xí)慣的“戶型”或“產(chǎn)品類型”概念，這種住宅認(rèn)識(shí)模型具有較為復(fù)雜的層級(jí)要素結(jié)構(gòu)，從技術(shù)角度來(lái)講是完整、不易拆解的應(yīng)用集成模型。這與目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拆解出的“空間—圍護(hù)結(jié)構(gòu)”技術(shù)模型有較大的精度差異，常會(huì)造成“技術(shù)粗暴干預(yù)設(shè)計(jì)”的認(rèn)識(shí)偏差。簡(jiǎn)化的“選型”式設(shè)計(jì)方式，在方案的地域回應(yīng)上容易造成較大的條件因應(yīng)、資源利用的理解偏差與設(shè)計(jì)手段錯(cuò)位?！叭A五步”分級(jí)綠色設(shè)計(jì)流程（圖1）則對(duì)應(yīng)建筑設(shè)計(jì)操作，采用適合不同階段思維精度的三類模型展開(kāi)綠色設(shè)計(jì)優(yōu)化，與設(shè)計(jì)階段建筑師的思維模式伴隨度高，與建筑氣候分析、節(jié)能貢獻(xiàn)率及設(shè)計(jì)要素敏感度排序等工具相比較，結(jié)合了“宏觀判斷—精細(xì)設(shè)計(jì)—參數(shù)微調(diào)”分級(jí)、逐步的設(shè)計(jì)手段，采用目標(biāo)引導(dǎo)與設(shè)計(jì)補(bǔ)償措施相結(jié)合的方式，利用建筑師設(shè)計(jì)決策思維中必要的戶型比選、優(yōu)化等設(shè)計(jì)操作的“前期窗口”，引導(dǎo)建筑師逐步理解建筑與環(huán)境資源條件的多層、多種、多樣設(shè)計(jì)因應(yīng)關(guān)聯(lián)途徑。比較與計(jì)算整體設(shè)計(jì)措施對(duì)建筑太陽(yáng)輻射熱利用效能的貢獻(xiàn)量，需要設(shè)計(jì)算法高維決策模型的支持，僅靠建筑技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)，對(duì)于建筑師來(lái)講，按照空間尺度和構(gòu)件尺度兩個(gè)設(shè)計(jì)操作層級(jí)分別展開(kāi)設(shè)計(jì)優(yōu)化便能執(zhí)行，對(duì)設(shè)計(jì)決策思維友好。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

設(shè)計(jì)方法不同深度的應(yīng)用在西寧和拉薩的兩項(xiàng)城鎮(zhèn)居住建筑工程中，分別為中高層板式集合住宅和低層院落式住宅（圖2,3）。對(duì)應(yīng)“三階五步”分級(jí)綠色設(shè)計(jì)流程，首先確定兩項(xiàng)工程的太陽(yáng)輻射熱利用目標(biāo)分別為“三級(jí)區(qū)四級(jí)住宅類型”和“一級(jí)區(qū)一級(jí)住宅類型”。中高層集合住宅體形系數(shù)較優(yōu)、單位體積可直接接收太陽(yáng)輻射表面積受限、建筑間日照遮擋較嚴(yán)重。該工程重點(diǎn)運(yùn)用空間布局適配太陽(yáng)輻射熱利用分區(qū)的設(shè)計(jì)方法、立面日照時(shí)數(shù)可視化軟件輔助建筑立面工程做法分型設(shè)計(jì)、多種構(gòu)造組合提升建筑熱工性能的輻射熱利用設(shè)計(jì)技術(shù)（圖4,5），采用成熟通用的材料、部品建造，采暖季室內(nèi)環(huán)境用戶滿意度達(dá)到83.3%，供暖能耗比《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161-2016）約束值降低30.5%。低層院落式住宅體形系數(shù)大，每戶具有多個(gè)直接接收太陽(yáng)輻射表面，單位體積可直接接收太陽(yáng)輻射表面積大。該工程采用退臺(tái)形式，增加單位體積潛在輻射得熱面積，重點(diǎn)運(yùn)用空間布局適配太陽(yáng)輻射熱利用分區(qū)的設(shè)計(jì)方法，使熱舒適需求高的功能空間被日射得熱直接影響范圍覆蓋，結(jié)合功能空間需求加設(shè)陽(yáng)光間集熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境、降低采暖用能需求、優(yōu)化居住品質(zhì)（圖6）。拉薩院落式住宅項(xiàng)目采用間歇性電采暖設(shè)備，采暖季室內(nèi)環(huán)境用戶滿意度達(dá)到91%，采暖設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間大多集中在19:00～20:00，供暖時(shí)長(zhǎng)縮短了83.3%，當(dāng)將采暖耗電量計(jì)入綜合電耗時(shí)，該項(xiàng)目綜合電耗比《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161-2016）約束值降低35.1%。

設(shè)計(jì)方法前期引導(dǎo)項(xiàng)目進(jìn)行整體性理解，落實(shí)“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)輔助”原則，并以目標(biāo)等級(jí)分解居住建筑太陽(yáng)輻射熱利用貢獻(xiàn)目標(biāo)。中間階段對(duì)影響太陽(yáng)輻射熱利用效果的關(guān)鍵、強(qiáng)約束設(shè)計(jì)要素，采用空間輻射熱分布規(guī)律和立面輻射熱分級(jí)分區(qū)設(shè)計(jì)引導(dǎo)；對(duì)設(shè)計(jì)措施與材料部品要素較為開(kāi)放，在形態(tài)利用、構(gòu)造措施層面遵循“能用則用”、鼓勵(lì)多樣使用的原則，利于建筑師發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)造力，因地制宜地采用不同手法進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，控制建筑性能保持整體目標(biāo)一致即可。后階段采用參數(shù)與技術(shù)模型接口循環(huán)驗(yàn)算，便于建筑師控制居住建筑太陽(yáng)輻射熱利用最終效果。

該設(shè)計(jì)方法根據(jù)不同的居住建筑類型及地域太陽(yáng)輻射可利用條件設(shè)定太陽(yáng)輻射資源利用目標(biāo)，符合現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范導(dǎo)則等技術(shù)管理文件體系，便于在方案階段直接轉(zhuǎn)化為施工技術(shù)文件；對(duì)各類居住建筑設(shè)計(jì)過(guò)程友好開(kāi)放，既適合于前期的引導(dǎo)設(shè)計(jì)，也適合于后期的檢驗(yàn)；在住宅設(shè)計(jì)導(dǎo)則、軟件工具、設(shè)計(jì)流程、工程上可協(xié)同作用。

4 結(jié)語(yǔ)

住宅是我國(guó)城鎮(zhèn)居住建筑的主體，是國(guó)家政策法規(guī)關(guān)切、開(kāi)展技術(shù)引導(dǎo)的重點(diǎn)建筑類型。本研究提出了一種分級(jí)響應(yīng)氣候環(huán)境資源的居住建筑綠色設(shè)計(jì)工作方法，與住宅建筑主流設(shè)計(jì)流程對(duì)應(yīng)，適用于西部太陽(yáng)能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑。與豐富多樣的公共建筑設(shè)計(jì)作品相比，城鎮(zhèn)居住建筑設(shè)計(jì)受綜合技術(shù)約束較多，從設(shè)計(jì)技術(shù)路線的角度對(duì)居住建筑形態(tài)進(jìn)行拆解和重組，開(kāi)發(fā)界面直觀、簡(jiǎn)潔且與現(xiàn)有工作習(xí)慣高度統(tǒng)一的方法與工具，才能引導(dǎo)建筑師主動(dòng)地使用多樣設(shè)計(jì)手段轉(zhuǎn)化地域環(huán)境條件為建筑可直接利用資源，讓建筑師在綠色建筑設(shè)計(jì)中合理貢獻(xiàn)創(chuàng)造力。

＊ 本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“目標(biāo)和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計(jì)新方法及工具”（2016YFC0700200）之課題“西部太陽(yáng)能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計(jì)新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”（2016YFC0700208）資助。

1,4-6武玉艷繪制

2,3武玉艷攝影

2 西寧中高層集合住宅實(shí)景3 拉薩低層院落式住宅實(shí)景

4 西寧中高層集合住宅工程戶型空間布局適配太陽(yáng)輻射熱利用分區(qū)

5 西寧中高層集合住宅工程構(gòu)造、部品組合優(yōu)化提升建筑整體熱工性能

6 拉薩低層院落式住宅工程戶型空間布局適配太陽(yáng)輻射熱利用分區(qū)示意