綠色建筑背景下地下空間設計與優化策略研究*

文/中國建筑設計研究院有限公司 李宗明

地下空間作為新型國土資源，是解決城市用地緊張、交通擁擠、環境污染等城市問題的戰略性選擇。開發利用地下空間已成為世界發展趨勢，目前，對其研究和開發經驗明顯不足，少有對綠色建筑背景下地下空間的研究，導致空間布局不合理、環境品質較差和缺乏生機等問題。故研究地下空間的綠色設計極為重要。

1 研究背景

1.1 國內外研究現狀

美國吉迪恩·S·格蘭尼和尾島俊雄在《城市地下空間設計》中提出城市設計應用全面整合的設計理念考慮城市。2016年，邵繼中從城市地下空間設計的基本知識和理論方法角度對地下發展歷史及形態設計進行闡述。

我國學者對地下空間的研究大多從工程開發角度出發。2004年，朱興平從設計健康的地下空間角度，對地下空間相關自然采光和通風技術進行歸納；2015年，俞明健等從碳排放計量的角度研究低碳地下空間的技術體系。

1.2 研究意義

根據國內外研究現狀可知，目前針對地下空間布局的合理性、改善空間環境等研究嚴重缺失。地下空間作為新型國土資源，亟需關注其綠色和品質建設，并將系統性和專業化研究提上日程。

2 復合化地下空間綠色設計理念

研究基于綠色集約和節能減排，從地下空間的布局結構、空間形態、空間質量系統間的互動關系入手，分析地下空間綠色設計與優化理念，促進地下空間環境質量的改善、地下空間與外部環境的復合式設計。

2.1 被動優先主動優化

綠色建筑的設計策略分為主動和被動：①主動式設計是通過各種高效集成的技術手段，實現綠色建筑的功能；②被動式設計是適應和利用自然環境，通過控制風、光、熱等自然因子的流動獲得舒適的地下環境。

被動式設計較主動式設計，不僅能減少環境負荷、降低建造和運營成本，還能提高建筑物的安全性、健康性。故以建筑形式為主的建筑本體實現氣候適應設計，是實現綠色建筑設計的重要途徑。

2.2 地域設計

地域設計即本土設計，是基于項目所在地的自然條件及當地文化，從人體舒適度出發，根據所處環境的氣候特性，在場地布局、建筑設計、選材與技術協同等方面提出適應性應對策略。

我國傳統民居地坑院是地下空間開發的較早案例，其民居主要分布在黃土高原，屬于氣候適應的民居形式，具有冬暖夏涼的特點。但因采光和通風不足問題，此民居形式正逐漸消失。在地下空間設計開發過程中，需結合地域特點，關注地下空間的綠色建設、品質建設，探索地下空間綠色設計方法。

3 設計策略

GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標準》提出：“綠色建筑應結合地形地貌進行場地設計與建筑布局，且建筑布局應與場地的氣候條件和地理環境相適應，并應對場地的風環境、光環境、熱環境、聲環境等加以組織和利用。”

針對地下空間特點，將地下空間設計與優化策略分為光環境、風環境、能源及植物系統4個子策略，分別包含不同的設計方法和技術手段。設計需從系統集成角度考慮，基于外部環境，結合復合化設計理念選用適用的設計語言，以達到綠色設計的目標。

3.1 光環境策略

照明設計應首先考慮可采用天然光源的設備，在不具備天然光源的條件下，可選擇人工光源。采用人工光源設備時，應根據建筑不同使用功能和照明需求，在進行經濟性對比分析的前提下，選擇高效節能照明設備和附件、合理的照明和控制方式降低照明電能消耗。

3.1.1 注重自然采光

自然采光主要指利用晝光進行采光的形式，晝光包含直射日光和天空漫射光兩部分。盡可能利用自然采光，不論從使用者心理層面還是節能減排的角度，綠色策略都是綠色建筑的重要組成部分。

1）采光窗

適用于淺層的地下空間，分為采光天窗和地下室高側窗兩類。優點是局部采光效率較高、光線柔和，可滿足相關空間白天的采光需求，較多與可開啟通風窗結合布置。中國建筑設計研究院科研創新樓采用采光天窗的做法，在地下餐廳層，結合走廊采用橫向的采光窗滿足白天采光需求（見圖1）。

圖1 中國建筑設計研究院科研創新樓地下餐廳走廊

2）采光中庭

適用于進深較大的建筑，如大型公共建筑內的商業綜合體、大型博物館等。采光中庭作為重要被動設計手段，采光效率高，可提升大進深地下空間的環境品質和使用者的舒適度。

除大型文化建筑外，地下采光中庭做法常出現在現代商業綜合體中。以北京僑福芳草地為例，主體商業部分為地上3層和地下2層，通過在建筑中部設置1個通高的采光中庭，光線從屋面直達地下層，解決了地下商業部分的采光問題。

3）地下庭院

地下庭院的應用范圍較廣泛，適用于文化建筑、居住建筑及商業建筑等類型。其最大特點是在地下創造出地上的空間感受，設計中需結合用地條件靈活布置。上海深坑酒店的做法與丹麥海事博物館有異曲同工之妙，同樣利用原有的地下空間。2019年，北京世界園藝博覽會中國館在建筑中部設計了一口井作為水院，人們在地下空間游走，水從上方瀉下，視覺和聽覺相結合，體現四水歸堂的意向（見圖2）。

圖2 北京世界園藝博覽會中國館地下庭院

4）導光管系統

導光管系統是采集天然光，經管道傳輸到室內，進行天然光照明的采光系統。相較其他形式的自然采光，導光管系統采光效率更高，在室內為漫射光，照度更均勻、無眩光，且可根據需要進行光線調節。

3.1.2 采用綠色照明

綠色照明主要針對人工照明，可節約能源資源、保護環境，有利于提高人們工作、學習效率和生活質量，促進身心健康。地下空間的綠色照明策略主要表現在照明調控和動態照明兩方面。

1）照明調控

照明調控是采用自動控制技術及智能管理技術對建筑及環境照明的光源或燈具設備的開啟、關閉、調節、組合、場景模式等實施控制與管理，以達到對建筑節能、環境藝術和傳感聯動等目的。

2）動態照明

動態照明指通過控制照明裝置的光輸出形成場景明暗等變化的照明。動態照明是以人為本的照明理念，對地下空間尤為重要。在缺乏自然采光的區域，它可顯著改善照明環境，增強人們的幸福感和表現能力。

3）光的熱工效能

在南方有太陽光直射的地下庭院，通常采用開敞設計，并結合高大綠植、遮陽棚等遮陽措施減少頂部太陽光的射入，以降低地下空間的輻射得熱，同時減少眩光，提高舒適度。

高緯度地區則不同，太陽高度角較小，氣候寒冷，需為地下空間引入充足的陽光，提高輻射得熱。故在有太陽光直射影響的地下庭院，多采用封閉玻璃屋頂。若在夏季時有眩光影響，則使用臨時遮陽簾等內遮陽措施，但因光線已穿透玻璃進入地下空間，室內輻射得熱未減少，可保持良好的舒適度。

3.2 風環境策略

建筑內的風能利用是指在可利用自然通風的條件下，利用熱壓或風壓的作用，通過設置通風煙囪、天井等設施進行自然通風，排出建筑內的余熱余濕及污濁空氣，補充進新鮮空氣，得到舒適的建筑內環境。

3.2.1 注重自然通風

自然通風指通過建筑開窗等手段，利用風壓和熱壓將室內的空氣更新。通過空氣更新和體感風速直接改善人體的健康和舒適度，同時影響室內的溫度濕度。

1）通風井

通風井指貼臨建筑地下外界面，在出地面一定高度后可自動或手動開窗的窗井，其本質為利用風的風壓組織通風，垂直方向的力產生伯努力效應（Bernoulli’s principle）,促進空氣通過風井流入室內。

2）下沉庭院

下沉庭院是指貼臨地下空間設計室外的庭院，通過建筑的方位和植物的布置引導自然風流入室內，其本質為將地下空間地上化，增加建筑外界面的口部，并朝向于夏季主導風向，促進自然通風。

3）室內中庭

室內設計貫通的中庭，連接地下空間至屋頂，用熱壓形成自然通風，改善建筑內部整體的風環境。中庭頂部設置可開啟的矩形天窗和太陽能集熱板，在寒冷地區的冬季關閉天窗，過渡季開啟，使室內冷空氣下沉，熱空氣上升，加強煙囪效應通風，改善室內通風效果。

4）地道風

地道風是指通過地道，利用引入其中的空氣與土壤層的熱交換，使空氣降溫后送入室內，其中進風口需有一定高度，防止污染，再結合機械通風技術使空氣主動流入地道。

3.2.2 風對地下空間熱環境的影響

不良的室外風環境在夏季可能阻礙建筑室內外自然通風的順暢進行，增加空調負荷；在冬季會增加圍護結構的滲透風而提高采暖能耗。夏季及過渡季加強對流，自然通風能有效降低空調能耗；冬季減少通風，減少氣流滲透，可降低采暖能耗。

3.2.3 利用風對建筑形態的影響

地下空間通常與地上空間形態一致，因此主導風向對于建筑形態的影響也適用于地下空間的整體形態。

根據主導風向設置建筑的方位形態。主導風向對冬季室內熱損耗程度及夏季室內自然通風影響極大，故選擇建筑朝向應在考慮日照時注重主導風向。如世園會中國館的空間形態布局，其面對冬季的主導風向方向為圓弧形的平面形態，且開敞的凹口部位位于主導風向的下風向。

3.3 能源策略

地下空間相較地上建筑與外界接觸面較小，對室外溫度變化不敏感，具有熱惰性優勢。設計中發揚地下空間熱惰性優點，從開源和節流兩個層面進行能源系統設計。

首先減少依賴能源，在此基礎上使用可再生能源，減少溫室氣體的排放。其次，需選用高性能設備，提高能源利用效率，注重建筑設備的系統節能。

3.3.1 太陽能

太陽能是將太陽的熱輻射能轉換成熱能或電能進行利用的可再生能源，可分為太陽能光熱利用和光伏利用兩種形式，利用太陽能替代化石能源，可節約化石能源，減少環境污染。

3.3.2 地熱能

地熱能是指蘊藏在淺層地表層的土壤、巖石、水源中的可再生能源，建筑領域中主要的利用方式是地源熱泵。淺層地熱能的廣泛利用可極大降低對常規能源，尤其是化石能源的依賴性，緩解我國常規能源嚴重不足的矛盾，減少污染物排放。

3.3.3 水資源的回收與利用

1）雨水收集利用

雨水收集利用是將發展區內的雨水徑流量控制在開發前的水平，即攔截、利用硬化面上的雨水徑流增量，包括雨水入滲、收集回用和調蓄排放等。通過雨水收集利用，可減小外排雨水峰流量和總量，替代部分傳統水源，補充土壤含水量。

2）中水利用

中水是各種排水經處理后達到規定的水質標準，可在生活、市政、環境等范圍內利用的非飲用水。中水利用可實現污、廢水資源化，節約用水，治理污染，保護環境。

3.3.4 高性能設備利用

1）高性能冷熱源設備

冷熱源設備是向建筑物內提供熱量或冷量的設備，合理配置能源系統，采用高性能的冷熱源設備利于節約能源，提高能源利用率，減少碳排放。

2）高性能節水設備與器具

節水設備與器具設計先進合理，性能優良，較長時間內可免維修，可減少水量消耗，減小維修次數，達到節約水資源、保護環境和減少碳排放的目的。

3.4 植物系統策略

地下建筑位于地表下，從與自然環境的互動層面，地下空間的內部環境與地面建筑差異較大，以人工環境為主；從認知心理學角度，人與環境的交互過程追求動態平衡。在其過程中，植物系統對人的身心健康起著難以替代的作用。

3.4.1 融綠

1）場地綠化

合理選擇綠地位置，優化布局方式，實現場地內綠化分散布局，全面覆蓋，以改善場地內舒適度及生態質量。如在北京城市副中心行政辦公區A2工程下沉庭院中，設計了多個地下庭院，結合喬灌木的種植改善場地微環境，使人們在高強度的工作之余，有更多接近大自然的機會。

2）屋頂綠化

屋頂綠化可降低“城市熱島”效應，有助于增強地下空間保溫隔熱的性能，在保證室內舒適度情況下，有效降低非過渡季的能耗。

3）垂直綠化

與屋頂綠化類似，垂直綠化作為立體綠化的組成部分，能有效緩解城市土地資源緊缺和綠化不足的矛盾，是節約土地的有效手段。地下空間的垂直綠化主要用于室外地下庭院和室內墻面。

3.4.2 利用植物的風環境組織能力

綠色植物對地下空間風環境的影響主要體現在兩個方面：防風和導風。根據建筑所處地區的氣候特點和風向類型，合理配置植物，結合內部的開窗組織，在不同季節為地下空間提供良好的風環境。

如在寒冷地區，在冬季主導風向的上風向布置林帶，可將冬季風速大而干旱的寒風變為風速小而濕潤的暖風，有效降低寒風的危害；夏季通過灌木墻等植物的配置，可在風速較小的情況下將室外的自然風導入室內，實現通風、降溫與除濕功能。

3.4.3 利用植物的隔聲能力

地下空間對聲學要求較高，植物的減噪效應可起到明顯作用。一般情況下，植物林帶對噪聲的減弱值為0.2～0.5dB/m。在實際工程中，可選用常綠喬木，搭配灌木，形成自上而下的隔聲屏障，相較傳統的無機材料隔聲屏，植物墻功能與景觀效益均佳。

4 結語

研究以地下空間為主體，依托綠色建筑相關理論及實踐，提煉適應我國本土的地下空間綠色設計手法，歸納為光環境、風環境、能耗和植物系統4個策略。

地下空間的開發是未來的發展方向，針對其綠色設計與優化的策略動態變化，相關手段技術應隨著時代進步不斷更新完善。該策略的研究將為地下空間的綠色設計和建造提供理論支持，有助于改善地下空間的品質和布局的合理性，提高場所的人性化，達到節能減排作用，并有效促進行業對綠色地下空間的關注和綠色地下空間產業的發展。