程國富

（中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶400000）

1 引言

隨著人類文明的不斷進(jìn)步， 人們開始意識到過度的能源消耗以及碳排放將會造成全球氣候變暖以及溫室效應(yīng)，因此，21 世紀(jì)以來全球極端惡劣天氣頻率顯著增加， 不僅對人類的健康以及生活質(zhì)量造成了巨大的影響， 更是對社會的發(fā)展以及人類的生存造成嚴(yán)重的威脅。 在這種大環(huán)境下，我國針對能源領(lǐng)域的發(fā)展提出了體制改革創(chuàng)新的意見， 并大力發(fā)展清潔低碳、安全高效能源體系的建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的科學(xué)轉(zhuǎn)型，為碳達(dá)峰、碳中和這一目標(biāo)的達(dá)成奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示， 目前建筑能耗已經(jīng)超過總能耗的30.0%，已成為能耗較大的行業(yè)之一，并且根據(jù)預(yù)測結(jié)果顯示，若不采取有效措施，建筑能耗的占比將會持續(xù)增加。 因此，響應(yīng)國家的號召， 對建筑的節(jié)能減排進(jìn)行研究具有重要的意義與價值。

在不同類型的建筑中， 高層辦公建筑無疑具有較高的能源消耗率，因此，針對該類型建筑的節(jié)能優(yōu)化工作迫在眉睫。目前， 國內(nèi)外對高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化的研究已具有一定的成果， 國外高層辦公建筑節(jié)能措施方面的研究主要傾向于模擬論證以及遺傳算法在建筑節(jié)能中的應(yīng)用， 而國內(nèi)在此方面的研究主要以高層建筑能耗系數(shù)的優(yōu)化以及節(jié)能材料的應(yīng)用為主。 本研究結(jié)合相關(guān)理論知識及實(shí)際研究成果，將高層辦公建筑中綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能優(yōu)化的探究， 分為新能源技術(shù)以及環(huán)保節(jié)能材料的應(yīng)用兩個方面， 從而為高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化的發(fā)展提供一定幫助。

2 主要概念界定

2.1 綠色建筑設(shè)計(jì)

高層辦公建筑的施工與使用不僅需要消耗大量的資源，在一定程度上還會對周邊生態(tài)環(huán)境造成不同程度的危害。 根據(jù)相關(guān)研究可知， 通過將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑項(xiàng)目中可在最大程度上改善建筑自身以及使用過程中對能源的消耗和對環(huán)境的破壞。 綠色建筑技術(shù)并不能直接套用，當(dāng)作用于不同建筑項(xiàng)目時， 需要根據(jù)建筑的具體情況以及周邊環(huán)境情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的核心是建筑與環(huán)境關(guān)系，將建筑與環(huán)境作為一個統(tǒng)一的整體進(jìn)行分析，并將建筑的用途、內(nèi)部的構(gòu)成作為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)籌的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。 目前，綠色建筑技術(shù)在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中的主要原則是秉持保護(hù)生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)，采用綠色建筑設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對建筑能耗的科學(xué)控制與優(yōu)化[1]。

2.2 綠色建筑技術(shù)的主要原則

2.2.1 全程保持綠色施工監(jiān)控

建筑行業(yè)中施工的全程監(jiān)控是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，而在以綠色建筑技術(shù)為基礎(chǔ)的高層辦公建筑工程中， 需要著重綠色建筑設(shè)計(jì)以及對應(yīng)材料的有效應(yīng)用， 并將綠色施工標(biāo)準(zhǔn)作為建筑項(xiàng)目的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持以低能耗、高環(huán)保的理念作為建筑的設(shè)計(jì)、施工以及建筑、裝飾材料的選用標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)高層辦公建筑的節(jié)能目標(biāo)[2]。

2.2.2 合理實(shí)施資源的綜合利用

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑的應(yīng)用需要注意資源的綜合應(yīng)用， 通過以綠色建筑技術(shù)為原則實(shí)現(xiàn)對資源的有效應(yīng)用，可在最大程度上達(dá)成對資源的配置優(yōu)化，可在提升建筑資源有效利用率的同時， 通過資源的整合最大限度地延長建筑物的使用壽命。

2.2.3 實(shí)施有效的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

有效的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)旨在通過減少能源消耗和提高能源效率來創(chuàng)建舒適和健康的室內(nèi)環(huán)境。 這包括利用被動設(shè)計(jì)策略，如優(yōu)化建筑方向、提高建筑外殼的隔熱性能和利用自然光照， 以及采用主動系統(tǒng)如高效的暖通空調(diào)系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)。 此外，應(yīng)通過實(shí)施先進(jìn)的建筑管理系統(tǒng)和能源監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控建筑的能源消耗，從而進(jìn)一步優(yōu)化能源效率。

3 綠色建筑技術(shù)在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

3.1 建筑信息模型分析

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可通過建筑信息模型（BIM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 通過BIM 技術(shù)可對非標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的高層辦公建筑的綜合信息進(jìn)行模型分析， 其中包括建筑的基礎(chǔ)信息、材料使用情況、水暖通風(fēng)信息等，并基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、功能需求以及不同地區(qū)建筑行業(yè)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣獲得高層辦公建筑的BIM 模型[3]。 所構(gòu)建的模型可對建筑進(jìn)行全面的細(xì)化和分析，對建筑中不同功能空間的尺寸、形狀以及門窗的大小、數(shù)量進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得具有滿足綠色建筑技術(shù)設(shè)計(jì)的高層辦公樓BIM 建模。

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)層辦公建筑的BIM 建模構(gòu)建中，建筑庭院多以多邊形建筑平面為主， 并可對其平面構(gòu)圖中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整處理，從而獲取符合需求的建筑模型。 另外，可通過調(diào)整平面空間形態(tài)在最大程度上創(chuàng)建出符合需求的獨(dú)特空間，從而提升建筑的價值。 當(dāng)確定建筑物的模型后，以設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)， 以采集的建筑數(shù)據(jù)作為參數(shù)設(shè)定模型的真實(shí)參數(shù)值。 高層辦公建筑建模控制參數(shù)如表1 所示。

表1 高層辦公建筑建?？刂茀?shù)

當(dāng)高層辦公建筑屬于非常規(guī)柔性建筑時， 建筑模型的幾何信息可采用平面形狀及三維形態(tài)進(jìn)行確定。 平面形狀主要應(yīng)用的控制方式為點(diǎn)集控制， 即按照建筑物中點(diǎn)以及端點(diǎn)所構(gòu)成的點(diǎn)陣來確定建筑的平面樣式， 通過對不同區(qū)域位置的點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行不同的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對于子點(diǎn)集的調(diào)整功能，可顯著提升建筑平面設(shè)計(jì)的靈活性，構(gòu)建出理想的建筑外形；三維形態(tài)應(yīng)用的控制方式則為漸變控制， 即依據(jù)逐層計(jì)算梯度的方式實(shí)現(xiàn)建筑物形態(tài)的調(diào)整，應(yīng)用的控制方式為漸變控制，該控制方式的對象為建筑的自然層， 基于對建筑物不同自然層的參數(shù)的控制獲得不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)， 從而實(shí)現(xiàn)建筑各層結(jié)構(gòu)的連續(xù)漸變， 三維形態(tài)控制方式能夠設(shè)計(jì)構(gòu)建出更具有律動的形狀，能夠使其與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，增強(qiáng)二者的聯(lián)系性與關(guān)聯(lián)性。 另外，針對建筑物外窗的BIM 模型構(gòu)建主要是將日照對于建筑物能耗的影響水平作為參照標(biāo)準(zhǔn)， 據(jù)此可甄選出合適的造型與寸尺。

3.2 高層辦公建筑的基礎(chǔ)節(jié)能優(yōu)化

依托于BIM 模型技術(shù)， 通過將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于模型的創(chuàng)建中可實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能優(yōu)化。綠色建筑技術(shù)根據(jù)其性質(zhì)的不同可分為綠色材料設(shè)備技術(shù)以及自然資源應(yīng)用技術(shù)兩種[4]。

自然資源應(yīng)用技術(shù)作為建筑中一種被動式綠色建筑技術(shù)對設(shè)計(jì)與施工具有極為嚴(yán)苛的要求， 在設(shè)計(jì)與施工中需要相關(guān)人員嚴(yán)格遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 主要原因是通過自然資源應(yīng)用技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)高層辦公建筑的基本節(jié)能需求。 在將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑設(shè)計(jì)中時， 應(yīng)首先開展建筑物受到的日照影響分析，確定不同季節(jié)、不同時間的日照對建筑物產(chǎn)生的影響以及相對應(yīng)的建筑物的投影影響。 另外，建筑物的造型、 朝向以及與周邊建筑的間距同樣也是影響建筑節(jié)能優(yōu)化的重要因素， 通過計(jì)算自然季風(fēng)對高層辦公建筑自身以及周邊環(huán)境的影響，從而計(jì)算并確定建筑物與周邊物體的距離、建筑物的外形和朝向。 另外，建筑物中聲環(huán)境以及自然通風(fēng)情況的仿真試驗(yàn)也是節(jié)能優(yōu)化的關(guān)鍵因素， 合理的噪聲控制以及通風(fēng)條件能夠有效減少能源的應(yīng)用。

由于當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 綠色材料設(shè)備技術(shù)所涵蓋的類型已經(jīng)較為全面，如建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、保溫材料、采暖地板、供水管道、給排水綜合利用優(yōu)化等。 其中基于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑使用的商用預(yù)拌混凝土可顯著減少材料對環(huán)境的污染以及施工過程產(chǎn)生的噪聲； 土建裝修一體化施工技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠縮短施工周期，減少施工成本，而且最主要的是這種工藝技術(shù)可通過采用半成品材料的方式降低對于環(huán)境的影響；將傳統(tǒng)外墻保溫材料更換為石墨厚聚苯板可有效提升建筑外墻傳熱系數(shù)； 屋面保溫層通過應(yīng)用擠塑聚苯板能夠顯著提升屋面的傳熱系數(shù)； 建筑中窗戶使用低輻射玻璃以及斷橋鋁合金門窗可有效提升室內(nèi)空間的密封性及隔熱效果； 建筑室內(nèi)通過進(jìn)行采暖地板系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可有效提升室內(nèi)采暖的效率、減少資源浪費(fèi)，如在混凝土墻以及混凝土地板應(yīng)用低溫?zé)崴竦匕澹浜穸确謩e為＞200 mm、＞100 mm、＞130 mm，可獲得良好的節(jié)能效果；為了更好地降低建筑周圍環(huán)境噪聲的影響，可合理規(guī)劃建筑周邊綠化設(shè)施；建筑用水由市政供給，景觀、清潔用水則采用再生水；綠化用水則由地下水、雨水收集設(shè)施提供；建筑內(nèi)熱水由頂面太陽能提供；建筑內(nèi)用水器具均采用高效節(jié)水型號。

3.3 智能節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

綠色建筑技術(shù)中，智能節(jié)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能耗的降低，相關(guān)應(yīng)用策略如圖1 所示。

圖1 智能節(jié)能技術(shù)應(yīng)用策略

另外，建筑的物業(yè)管理同樣采用智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶用水、用電的智能在線監(jiān)管，并通過智能樓宇綜合管理系統(tǒng)，如消防聯(lián)動、災(zāi)害報(bào)警、智能監(jiān)控及安防等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高層辦公建筑的科學(xué)管理。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1.1 案例概述

某沿海地區(qū)高層辦公樓工程為采用了綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑，主建筑南側(cè)為城市主干道，另外3 面為市政規(guī)劃用地，建筑地基的規(guī)格為東西向100.5 m、南北向?yàn)?5.3 m，主體建筑為長方形，總面積為7 567.7 m2，建筑層數(shù)為26 層，其中， 地上24 層、1～3 層為裙房、 地下室2 層， 地上4～12 層、13～23 層為開放式辦公空間，地上13 層、24 層為機(jī)房；辦公空間設(shè)計(jì)的主要原則是能夠滿足空間的靈活劃分， 設(shè)計(jì)方面具有較為規(guī)整的空間布局。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)分析

案例工程中的綠色建筑技術(shù)以及建筑節(jié)能優(yōu)化主要參考依據(jù)是建筑的能源消耗數(shù)據(jù)，主要有建筑照明能源消耗、制冷能源消耗等，結(jié)合常規(guī)建筑能耗、一般節(jié)能能耗以及本研究采用的能耗節(jié)能方式為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑能耗及節(jié)能優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的對比采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行處理分析， 主要方式為最大方差旋轉(zhuǎn)法， 利用建筑節(jié)能程度檢驗(yàn)原則，參照數(shù)值＞1、累積方差解釋率＞60%作為建筑設(shè)計(jì)的主要約束限制條件，通過將照明能源消耗、制冷能源消耗作為公因子，可獲得累積方差貢獻(xiàn)率。

根據(jù)累積方差貢獻(xiàn)率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)， 不同因子所具有的隱含的特性能夠通過各子項(xiàng)目數(shù)據(jù)顯示， 表明數(shù)據(jù)間能夠得到明確的區(qū)分，并表現(xiàn)出顯著的收斂趨勢。 在上述數(shù)據(jù)中，由于建筑中照明需要長期應(yīng)用， 而制冷多用于每年的夏季，對此，照明、制冷輸入分別為全季節(jié)照明與夏季制冷。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究實(shí)驗(yàn)中全年照明能耗實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)如圖2 所示。依據(jù)圖2 中數(shù)據(jù)可以看出， 本研究所采用的節(jié)能優(yōu)化策略顯著優(yōu)于常規(guī)建筑能耗方式以及一般節(jié)能優(yōu)化策略。

圖2 不同策略下全年照明能耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比曲線

本研究實(shí)驗(yàn)中夏季制冷能耗實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)如圖3 所示。依據(jù)圖3 中數(shù)據(jù)可以看出， 本研究所采用的節(jié)能優(yōu)化策略顯著優(yōu)于常規(guī)建筑能耗方式以及一般節(jié)能優(yōu)化策略。

圖3 不同策略下夏季制冷能耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比曲線

5 結(jié)語

將基于綠色建筑技術(shù)的建筑信息模型應(yīng)用在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中，通過采用科學(xué)、適用的綠色建筑技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。 對不同的建筑能耗形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比研究可知，本研究中所采用的節(jié)能優(yōu)化策略能減少全季節(jié)建筑照明能耗、夏季制冷能耗，具有重要的應(yīng)用價值， 但本研究在應(yīng)用的地域方面具有一定的局限性，需要在今后的研究中繼續(xù)深化研究，從而獲得更具有適用性的研究成果。