基于區(qū)域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)

于利堯

(江蘇省方圓建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 宿遷 223600)

近年來建筑領(lǐng)域發(fā)展綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱功能目的為提倡低碳環(huán)保、節(jié)能減排的設(shè)計(jì)理念，為大眾營(yíng)造好的居住環(huán)境[1-2]。當(dāng)前該領(lǐng)域常用方法有基于CRITIC和TOPSIS法的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法[3]、基于QCA的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法[4]。傳統(tǒng)的綠色裝配式建筑在不斷發(fā)展過程中暴露許多問題，例如空間設(shè)計(jì)資源浪費(fèi)、設(shè)計(jì)的采光隔熱效果不明顯等問題，這使得建筑裝配領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型出現(xiàn)阻礙。傳統(tǒng)的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)只考慮到了綠色環(huán)保的概念，并沒有考慮在空間采光隔熱設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)低碳理念，因此還不能成為建筑領(lǐng)域最優(yōu)的采光隔熱設(shè)計(jì)。

因此本文融合綠色節(jié)約理念和低碳環(huán)保理念，通過對(duì)分別設(shè)計(jì)綠色裝配式建筑空間低碳采光和隔熱兩個(gè)結(jié)構(gòu)，分析區(qū)域性氣候?qū)τ诮ㄖ臻g內(nèi)采光隔熱的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱的設(shè)計(jì)要求。

1 綠色裝配式建筑空間的特征提取

綠色裝配式建筑融合了生態(tài)和建筑兩個(gè)概念，綠色建筑的準(zhǔn)則是在建筑空間裝配式設(shè)計(jì)時(shí)，以建筑需求作為基礎(chǔ)，最大程度地采用綠色環(huán)保材料，使綠色建筑與自然和諧相處，符合當(dāng)代所提倡的可持續(xù)發(fā)展的理念。綠色裝配式建筑在設(shè)計(jì)過程中主要涉及建筑空間的地理因素、環(huán)境因素等方面，設(shè)計(jì)主要完成空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建筑以及運(yùn)營(yíng)，在此過程中要考慮生態(tài)變化的規(guī)律以及建筑的規(guī)則，最終形成一個(gè)完整的綠色裝配式建筑空間的結(jié)構(gòu)。綠色裝配式建筑空間的特征表現(xiàn)為新能源、環(huán)境保護(hù)特征以及以人為本的設(shè)計(jì)特征。

空間的新能源特征與綠色建筑的主題相呼應(yīng)，在綠色裝配式建筑空間設(shè)計(jì)時(shí)，新能源特征主要表現(xiàn)在太陽能、風(fēng)能、熱能上。空間建筑內(nèi)部的綠色能源如圖1所示。

圖1 空間建筑內(nèi)部綠色能源

建筑空間的保護(hù)環(huán)境特征為一個(gè)綠色裝配式建筑空間設(shè)計(jì)中，一些建筑廢料的處理，根據(jù)空間設(shè)計(jì)需求將廢料進(jìn)行再利用處理，減少環(huán)境的污染。保護(hù)環(huán)境特征還表現(xiàn)在空間裝配過程中的原材料采用最環(huán)保系列，不可提高設(shè)計(jì)利潤(rùn)，導(dǎo)致環(huán)境被污染[5]。

以人文本的空間建筑特征是在設(shè)計(jì)中不僅要以綠色生態(tài)、低碳環(huán)保為理念設(shè)計(jì)，重要的是以居住者的設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ)進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)，否則就會(huì)出現(xiàn)本末倒置的情況，不符合建筑領(lǐng)域的施工原則。

2 綠色裝配式建筑空間低碳采光角度分析

綠色裝配式建筑空間低碳采光與隔熱結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，兩者是互相影響的關(guān)系，最理想的空間采光角度是太陽光線的入射方向和地面之間形成的夾角為90°時(shí)，空間內(nèi)的采光效果最佳[6-7]。采光角度如圖2所示。

圖2 綠色裝配式建筑空間低碳采光角度

空間的采光效果一部分來自于太陽光照射，一部分來自于建筑空間設(shè)計(jì)，因此增加空間太陽光采光效果，減少人工采光的效果，就可以達(dá)到低碳的設(shè)計(jì)理念。本文探索建筑空間采光角度主要是將自然采光效果達(dá)到最佳，降低人工采光，因此從太陽的光照輻射量和太陽與建筑物的地面漫射輻射程度兩方面進(jìn)行分析[8]。

太陽通過門窗入射到空間的入射角度和方位角決定了太陽輻射量的大小，也決定了空間內(nèi)的采光效果，空間的輻射量越多，空間采光效果最佳。由于太陽高度指的是太陽日出到日落過程中每一時(shí)刻照射在地球垂直方向映射的角度，它主要取決于建筑空間的經(jīng)緯度，并且建筑地理位置也影響著太陽日照時(shí)數(shù)。經(jīng)過調(diào)查，建筑空間的經(jīng)緯度越趨近于180°，則太陽的光照高度與空間地面的夾角約趨近于90°，光照亮度強(qiáng)，空間的采光效果好[9-10]。另一方面空間的太陽方位角指的是太陽光線照射到地球某一點(diǎn)時(shí)的水平投影與南北方向線的水平夾角，主要表現(xiàn)形式是空間門窗設(shè)計(jì)的朝向。

建筑空間的自然采光還與地幔輻射程度有關(guān)系，空間的地幔輻射程度是利用空氣中的水汽、灰塵、以及其他顆粒吸收太陽光的光照，因此在建筑空間采光角度設(shè)計(jì)時(shí)，要適當(dāng)降低空間的地幔輻射程度，一旦此輻射超過標(biāo)準(zhǔn)，那么就會(huì)吸收太陽的輻射光照，減少空間內(nèi)的采光效果。

3 域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱

建筑空間的采光隔熱的設(shè)計(jì)是十分重要的，合理控制隔熱的效果，一旦隔熱效果過甚或者過微就會(huì)導(dǎo)致建筑空間內(nèi)過冷或者過熱的效果，影響建筑空間裝配式效果。本文分析的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱結(jié)構(gòu)主要是分析空間內(nèi)構(gòu)件隔熱、人工材料隔熱兩部分。采光隔熱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采光隔熱結(jié)構(gòu)

空間的構(gòu)件隔熱主要是植物隔熱和建筑屋頂隔熱兩方面。綠色植物代謝的有效氣體可以吸收空氣中的熱空氣，降低空間內(nèi)的溫度，植物構(gòu)件隔熱也可以美化建筑空間的設(shè)計(jì)[11-12]。屋頂是建筑空間本身的結(jié)構(gòu)之一，在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)空間地理位置適當(dāng)增加屋頂?shù)南陆蹈叨龋箍臻g的隔熱效果達(dá)到最佳。建筑門窗也可以作為隔熱的工具，在建筑空間采光的設(shè)計(jì)過程中，合理的門窗位置有助于將建筑空間外的冷熱空間阻擋，保證良好的空間隔熱效果。

空間建筑的人工材料隔熱是在裝配式中后期采用一些施工材料構(gòu)成的隔熱結(jié)構(gòu)，主要采用的材料是水泥、隔熱板、涂料、石灰等其他建筑材料，在材料選擇中，要堅(jiān)持低碳環(huán)保原則，不采用有毒含量高的材料，保證空間的安全性。人工材料隔熱板組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人工材料隔熱板組成結(jié)構(gòu)

區(qū)域性氣候一般指的是某一地區(qū)作為單位進(jìn)行統(tǒng)一分析氣候特征，某一地區(qū)不只是根據(jù)省份進(jìn)行劃分，而是根據(jù)地理位置進(jìn)行劃分，具有相同氣候特征的地區(qū)共同稱為某一區(qū)域性氣候。常見的區(qū)分區(qū)域性氣候的特征是風(fēng)向動(dòng)力、溫差大程度變化、節(jié)氣的變化周期等其他特征，在綠色裝配式建筑空間的采光隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，不同區(qū)域性氣候?qū)τ诮ㄖ嗤牟晒夂透魺峤Y(jié)構(gòu)的影響是不同的[13]。區(qū)域性氣候的本質(zhì)是由地球經(jīng)緯變化決定的，經(jīng)緯度不同會(huì)導(dǎo)致太陽的同一時(shí)間太陽高度不同、晝夜時(shí)長(zhǎng)不同、氣溫溫差不同等其他情況的出現(xiàn)，這些因素就會(huì)影響相同綠色裝配式建筑空間的采光和隔熱情況，因此區(qū)域性氣候是綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)的根本[14-15]。

通過在區(qū)域性氣候分析的基礎(chǔ)上探究綠色裝配式建筑空間低碳采光角度和隔熱結(jié)構(gòu)的分析，本文總結(jié)出基于區(qū)域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)流程，具體流程如圖5所示。

(1)首先在對(duì)綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮建筑空間所在地理位置的區(qū)域性氣候，確定好空間的區(qū)域性氣候后，再進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域性氣候特征分析空間的低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方案；

(2)然后根據(jù)綠色裝配式空間的地理位置合理地控制太陽輻射角度與空間底面的角度，使角度趨近于90°，使建筑空間內(nèi)的自然采光效果最佳，達(dá)到低碳采光的目的；

圖5 基于區(qū)域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)流程

(3)其次根據(jù)空間的大小結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)構(gòu)件隔熱結(jié)構(gòu)和人工材料隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使空間內(nèi)采光隔熱效果達(dá)到最佳；

(4)最后，將空間采光角度和隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)歸納在一個(gè)綠色裝配式建筑設(shè)計(jì)圖紙上，對(duì)最后的設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)檢，主要復(fù)檢的內(nèi)容是設(shè)計(jì)方案是否符合區(qū)域性氣候的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中的碳資源消耗是否最低，如果出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)方案，在此過程中可以根據(jù)實(shí)際情況更改方案。

隔熱板如圖6所示。

圖6 隔熱板

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文提出的基于區(qū)域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法的有效性，與傳統(tǒng)的基于CRITIC和TOPSIS法的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法，基于QCA的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

施工場(chǎng)地如圖7所示。

圖7 施工場(chǎng)地

根據(jù)表1中參數(shù)，選用本文提出的方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

得到的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱方法采光耗時(shí)如圖8所示。

圖8 綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱方法采光耗時(shí)

根據(jù)圖8可知，本文提出的基于區(qū)域性氣候的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)方法采光耗時(shí)少于傳統(tǒng)方法。本文提出的方法分析區(qū)域氣候特點(diǎn)，逐步建立適合本地的預(yù)制構(gòu)件家族庫(kù)，可以取得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。由于 BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，降低了建筑整個(gè)生命周期中各個(gè)參與方的溝通成本，創(chuàng)造出了區(qū)域內(nèi) BIM與裝配式建筑相結(jié)合的應(yīng)用模式，具有很好的示范和推廣效果。

裝配式建筑以 BIM信息化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。信息集成云平臺(tái)的 BIM技術(shù)將為全生命周期的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化提供強(qiáng)有力的支持。裝配式建筑必須與 BIM信息化發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合，發(fā)揮其集成優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，成為 BIM信息化建設(shè)的新方向。

隔熱性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 隔熱性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖9可知，本文提出的方法隔熱性能更好，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)隔熱工作。預(yù)制施工過程以先進(jìn)的技術(shù)與管理相結(jié)合，適用于工程構(gòu)件的各個(gè)方面，設(shè)計(jì)部門可編制整體工程藍(lán)圖，生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)工程構(gòu)件制作，運(yùn)營(yíng)部門負(fù)責(zé)工程構(gòu)件的維修與管理。這個(gè)部門負(fù)責(zé)裝配工程的裝配和建造。將以往的建筑施工模式進(jìn)行整合和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)建筑施工生產(chǎn)的流程化。裝配式建筑在我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展中，其生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量也將得到極大提高，從而推動(dòng)了現(xiàn)代建筑業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。組合式施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)址主要環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)移。以往，建筑工程都是現(xiàn)場(chǎng)施工，到處都是各種噪音。建材亂堆亂放，能耗極大，整塊地塵土飛揚(yáng)，環(huán)境污染十分嚴(yán)重，城市周邊居民區(qū)的居住環(huán)境受到了極大的影響，裝配式建筑正是對(duì)這些現(xiàn)象的有效改善。該廠已完成建筑構(gòu)件的生產(chǎn)，隨著水資源生產(chǎn)的有序流動(dòng)，建設(shè)項(xiàng)目的生產(chǎn)越來越環(huán)保，建筑垃圾得到集中處理，城市環(huán)境污染得到有效改善，促進(jìn)了城市生態(tài)文明建設(shè)。

綜上所述，本文提出的方法隔熱性能更好，采光耗時(shí)更短，更適合于實(shí)際應(yīng)用中。

5 結(jié) 語

本文首先分析綠色裝配式建筑空間的特征，在此基礎(chǔ)上分別探究不同角度下的綠色裝配式建筑空間低碳采光設(shè)計(jì)方案和綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱的結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)區(qū)域性氣候的概念，設(shè)計(jì)出最佳的綠色裝配式建筑空間低碳采光隔熱設(shè)計(jì)流程，達(dá)到本文研究的目的，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的理念，促進(jìn)綠色建筑領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型發(fā)展。