舊城院落改造中的綠色建筑適用技術(shù)模擬

趙 輝 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 前言

隨著我國城市建設(shè)和土地市場的高速發(fā)展，老舊城區(qū)與現(xiàn)代城市發(fā)展的矛盾愈發(fā)突顯，舊城改造更新迫在眉睫，逐漸被政府社會(huì)關(guān)注重視。尤其近年，我國掀起了一波舊城改造的熱潮。除升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施和房屋質(zhì)量外，人們對(duì)城市歷史文化的傳承和綠色節(jié)能方面的需求也開始提升。歷史文化風(fēng)貌的保護(hù)延續(xù)和綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用將逐漸成為未來城市更新的核心要義。

文章以北京天壇周邊局部老城區(qū)院落為研究對(duì)象，借鑒國內(nèi)外舊城改造更新理論，采取適用的舊城改造更新策略，通過改造前后的模擬數(shù)據(jù)分析，得出具有適用性、經(jīng)濟(jì)性、推廣性的技術(shù)成果。研究旨在探索以北京天壇片區(qū)為典型代表的舊城改造更新的適用性策略與模式。在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)分析，力求建立起一套針對(duì)舊城改造、街區(qū)更新等具有可操作性的改造策略。

2 關(guān)于舊城改造更新

2.1 城市更新理論發(fā)展

《雅典憲章》被認(rèn)為是第一個(gè)國際公認(rèn)的歷史街區(qū)保護(hù)和更新的指導(dǎo)性規(guī)劃綱領(lǐng)文件。此后1964年在威尼斯召開的第二屆歷史古跡建筑師及技師國際會(huì)議中通過了《威尼斯憲章》，肯定了歷史文化建筑的重要意義。1987年在華盛頓召開的國際文物建筑與歷史地段工作者協(xié)會(huì)第八次會(huì)議中通過了《華盛頓憲章》，強(qiáng)調(diào)歷史地區(qū)的保護(hù)應(yīng)該成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展政策的完整組成部分。

二十世紀(jì)九十年代以來，1994年的《奈良真實(shí)性文件》強(qiáng)調(diào)“真實(shí)性”是遺產(chǎn)保護(hù)的基本原則，關(guān)注的是價(jià)值在不斷生成的對(duì)象。隨后，1999年的《巴拉憲章》提倡慎微的改造：盡全力保護(hù)并利用歷史文化場所，同時(shí)盡可能不對(duì)其做出任何改造。2011年，聯(lián)合國教科文組織頒布了《關(guān)于城市歷史景觀（HUL）的建議書》，提出應(yīng)將城市遺產(chǎn)的保護(hù)納入一般性政策規(guī)劃，政策應(yīng)提供短期和長期平衡保護(hù)與可持續(xù)性的機(jī)制。其核心在于城市環(huán)境與自然環(huán)境之間、今世后代的需要與歷史遺產(chǎn)之間可持續(xù)的平衡關(guān)系。

21世紀(jì)以來，2012年的《瓦萊塔原則》[1]是目前關(guān)于歷史城鎮(zhèn)與城區(qū)保護(hù)的最新、最重要的國際憲章，它在《華盛頓憲章》《內(nèi)羅畢建議》等一系列文件的基礎(chǔ)上，提倡將歷史城鎮(zhèn)作為城市生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)部分實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的整體保護(hù)與和諧發(fā)展。

2.2 舊城改造的城市更新策略

由前述國內(nèi)外城市更新理論發(fā)展歷程來看，關(guān)于舊城改造更新同樣經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)期。

（1）開始重視歷史文化的重要性；

（2）全部保留，不做任何改造；

（3）在盡可能保留歷史文化脈絡(luò)的基礎(chǔ)上，尋求歷史與城市未來需求及自然環(huán)境保護(hù)之間的可持續(xù)平衡狀態(tài)。

天壇片區(qū)歷史悠久，建筑和城市空間呈現(xiàn)多樣化的形態(tài)，對(duì)于不同風(fēng)貌類型的建筑適宜于采用不同的方法，改造過程中，需要在尊重地區(qū)文脈與街區(qū)風(fēng)貌的前提條件下進(jìn)行。強(qiáng)調(diào)保留大城市中的小空間，對(duì)其進(jìn)行微更新改造，提供給人們美好的場所環(huán)境。綜上所述，它具有如下特征。

①小尺度、自下而上；

②謹(jǐn)慎更新、循序漸進(jìn)；

③經(jīng)濟(jì)、文化可持續(xù)發(fā)展。

3 關(guān)于綠色建筑技術(shù)

3.1 舊城建筑改造的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)是指以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù)，主要的改造思路是減少對(duì)原有建筑的拆改與設(shè)備能源的投入。在此原則下的技術(shù)措施主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）增大南向窗墻比；

（2）增加“共享氣候核”，設(shè)置陽光室或半室外緩沖空間；

（3）采用特朗伯墻或具有超強(qiáng)保溫隔熱性能的墻體材料；

（4）加建屋頂綠化或水蓄熱屋面；

（5）垂直綠化；

（6）活動(dòng)外遮陽。

3.2 舊城建筑改造的主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，是指通過機(jī)械設(shè)備干預(yù)手段為建筑提供采暖空調(diào)通風(fēng)照明等舒適環(huán)境控制的建筑設(shè)備工程技術(shù)，主要的改造思路是優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選用高效的設(shè)備以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)。在此原則下的技術(shù)措施主要有以下幾點(diǎn)。

（1）地源熱泵和水蓄能系統(tǒng)；

（2）高效的空調(diào)控制系統(tǒng)和地板輻射供熱；

（3）可進(jìn)行監(jiān)控的自動(dòng)化控制溫控系統(tǒng)。

4 天壇片區(qū)院落研究

4.1 天壇片區(qū)基本情況

調(diào)研選取的地塊位于北京東城區(qū)天壇街道內(nèi)，東至崇文門外大街，南至天壇路，西至祈年大街，北至廣渠門內(nèi)大街，總面積約30.16公頃。地塊南側(cè)為天壇公園；西側(cè)為待開發(fā)項(xiàng)目和金魚池危改小區(qū)；東側(cè)地塊，也是歷史遺留項(xiàng)目，屬于老舊平房區(qū)。

地塊內(nèi)突出問題是如何改善民生，實(shí)現(xiàn)居住環(huán)境改善和歷史記憶的延續(xù)，保留原住民的同時(shí)解決人口密度大、人口老齡化所帶來的居住及空間矛盾

4.2 選取院落分析

本文以片區(qū)內(nèi)一處保護(hù)較為完整的獨(dú)立院落為例，結(jié)合創(chuàng)新的綠建技術(shù)模擬，進(jìn)行探索性的舊城改造更新嘗試，用大數(shù)據(jù)分析其空間改造潛力、能耗優(yōu)化效果。

典型院落為磚木結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)四合院，現(xiàn)居住有18口人，共經(jīng)歷三次改造加建?，F(xiàn)內(nèi)部空間呈現(xiàn)出不同年代加建改造與原始院落同時(shí)共存的混合空間形態(tài)。基礎(chǔ)設(shè)施方面，建筑現(xiàn)無集中供暖，冬季需采用燃?xì)獗趻鞝t或空調(diào)進(jìn)行取暖。隨著政府開展的一系列環(huán)境治理的政策，街道內(nèi)綠化良好，生態(tài)逐漸恢復(fù)，街區(qū)內(nèi)有大量鳥類棲息于此，院內(nèi)有許多天然鳥巢，戶主不愿破壞，卻也影響了院落的整潔。

原有院落建筑結(jié)構(gòu)為磚木混合結(jié)構(gòu)，加建部分為磚結(jié)構(gòu)。建筑墻體為黏土磚墻，厚度370mm，無保溫層；建筑的門窗多為單層玻璃木門窗，僅個(gè)別門窗更新為塑鋼窗。建筑屋面為坡屋面，掛黏土瓦片，無保溫層，無組織排水。根據(jù)軟件PKPM模擬數(shù)據(jù)分析，經(jīng)提取歸納，現(xiàn)狀院落的各部分構(gòu)造做法如下。

屋面構(gòu)造類型（由上到下）：

第1層：瓦片

第2層：水泥砂漿（30.0mm）

外墻構(gòu)造類型（由外至內(nèi)）：

第1層：灰砂磚砌體（370.0mm）

第2層：水泥砂漿（10.0mm）

外窗類型：

構(gòu)造：金屬型材或木框Kf=5.0W/(m2·K)框面積20%（6mm厚透明玻璃）

熱工性能：傳熱系數(shù)3.20W/(m2·K)，夏季玻璃太陽得熱系數(shù)0.75/冬季玻璃太陽得熱系數(shù)：0.75，氣密性為6級(jí)，可見光透射比0.81。

由上述信息，通過模擬計(jì)算，可得到以下判定結(jié)果。

從上述模擬分析結(jié)果來看，該院落現(xiàn)狀墻體及屋面保溫性能較差，門窗傳熱系數(shù)過高，均無法達(dá)到現(xiàn)行居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[3]或綠建標(biāo)準(zhǔn)[4]的熱工性能，同時(shí)建筑的自然通風(fēng)和采光不足，居住舒適度較低。

5 綠色建筑適用技術(shù)模擬

5.1 改造更新策略及措施

我們根據(jù)上述居民基本情況和建筑真實(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬，可知，該院落改造的首要現(xiàn)實(shí)問題是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能急需提升。

參照Sofie編著的《環(huán)境設(shè)計(jì)手冊》[2]內(nèi)相關(guān)綠色建筑構(gòu)造做法，我們最終提出的具體措施是，整體外墻材料繼續(xù)延用天壇片區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的建筑材料，保持其原貌，以保護(hù)整體的歷史風(fēng)貌。與此同時(shí)加入現(xiàn)代、高效的保溫隔熱材料和先進(jìn)的構(gòu)造做法以提升其保溫性能，從而減少供暖等能源消耗。具體做法是保持其黏土磚外墻面，內(nèi)側(cè)做夾芯墻保溫。

屋面部分在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，增加擠塑聚苯板保溫層和新型材料透氣防水膜，并增加“空氣隔熱層”以緩沖屋面的熱傳導(dǎo)，從而提高屋面熱阻、降低屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。該透氣防水膜具有防水功效，同時(shí)不影響透氣性，是一種高效的建筑材料。鑒于大量鳥類棲息于街道，我們通過構(gòu)造轉(zhuǎn)換，在瓦面下為鳥類留出了棲息空間，從而達(dá)到人與自然的互通共融。

門窗方面，通過拆除現(xiàn)有門窗，替換為性能更高的門窗，以提高熱阻和氣密性，大幅提升其熱工性能?，F(xiàn)狀建筑上的單層玻璃木門窗和鋼門窗將被替換成斷橋鋁隔熱金屬型材、多腔密封雙層玻璃門窗。

改造后的屋面墻身構(gòu)造如圖1所示。

圖1 改造后的屋面墻身做法示意

表2 外墻平均傳熱系數(shù)判定（簡化計(jì)算法）

表3 朝向外窗傳熱系數(shù)判定

5.2 模擬數(shù)據(jù)分析

我們采用綠色建筑模擬軟件PKPM進(jìn)行改造后的能耗模擬分析，改造后的各部分構(gòu)造做法如下：

屋面類型（由上到下）：

第1層：瓦片

第2層：細(xì)石混凝土（ρ=2100）（30.0mm）

第3層：擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（不帶表皮）（90.0mm）

第4層：飾面層

外墻類型（由外至內(nèi)）：

第1層：灰砂磚砌體（370.0mm）

第2層：巖棉板（80.0mm）

第3層：蒸壓加氣混凝土墻（ρ=1100）（80.0mm）

外窗類型：

構(gòu)造：80系列鋁合金平開窗5mm厚單銀Low-E+12(16)mm厚Ar+5+12(16)Ar+5mm厚單銀Low-E隔熱

熱工性能：傳熱系數(shù)3.20W/(m2·K)，夏季玻璃太陽得熱系數(shù)0.75/冬季玻璃太陽得熱系數(shù)：0.75，氣密性為6級(jí)，可見光透射比0.81

由上述信息，通過模擬計(jì)算，可得到表1～表6判定結(jié)果。

表1 屋面平均傳熱系數(shù)計(jì)算表

表4 屋面平均傳熱系數(shù)計(jì)算表

表5 外墻主斷面平均傳熱系數(shù)判定

表6 朝向外窗傳熱系數(shù)判定

5.3 數(shù)據(jù)分析對(duì)比

從上述改造后的模擬結(jié)果與現(xiàn)狀建筑數(shù)據(jù)對(duì)比來看，該院落墻體、屋面、門窗傳熱系數(shù)均得到了很大的提升。年均節(jié)約能耗35.9%。

6 結(jié)束語

本文以天壇老城區(qū)一處真實(shí)院落案例為基礎(chǔ)，探索了舊城改造更新的策略方法和技術(shù)措施。通過綠色建筑技術(shù)，大幅提升老舊建筑能耗效應(yīng)以及其居住品質(zhì)。其意義可歸納如下。

（1）歷史文化意義：國內(nèi)外憲章均強(qiáng)調(diào)了歷史保護(hù)與場所精神的重要性。天壇老城區(qū)正是這樣具有重要?dú)v史價(jià)值和意義的場所。因此，在片區(qū)改造時(shí)，不應(yīng)單純地為了提升建筑性能而大拆大改，導(dǎo)致破壞其歷史風(fēng)貌，建議以保護(hù)風(fēng)貌為基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)，最大程度保留其歷史文化價(jià)值。

（2）建筑節(jié)能意義：結(jié)合北方寒冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，原有天壇老城區(qū)院落外圍護(hù)結(jié)構(gòu)品質(zhì)過低，每年由于保溫性能不佳而需要耗費(fèi)大量供暖能源，以維持基本室溫。因此，提高熱工性能非常必要。

（3）經(jīng)濟(jì)意義：該做法的建筑材料可通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配式安裝，用以在片區(qū)乃至市區(qū)內(nèi)推廣，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。規(guī)?；a(chǎn)和裝配式施工，可以獲得更加低廉的價(jià)格，降低投資成本，減少施工周期及干擾，在保護(hù)傳統(tǒng)風(fēng)貌的同時(shí)，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。