北方地區被動式住宅立面設計實踐研究*
——以北京首開·國樾天晟住宅項目為例

文/中國建筑設計研究院有限公司 周佳悅 崔軼群

0 引言

被動式技術作為成熟、能耗低、投資少和舒適性高的住宅設計技術，已成為解決我國北方寒冷地區住宅能耗偏高的有效設計方法。2016年北京市發布的《北京市推動超低能耗建筑發展行動計劃（2016—2018年）》中提出，在2016—2018年建設不少于30萬m2的超低能耗示范性建筑，并且DB11/T 1665—2019《超低能耗居住建筑設計標準》也已于2020年4月開始實施。因此，探討北方住宅的被動式設計策略對降低建筑能耗具有重要的理論和現實意義。

1 項目概況

首開·國樾天晟項目是北京市密云區首個超低能耗住宅小區，也是北京市超低能耗示范項目，由10棟商品住宅和1棟配套公共建筑組成。商品住宅主要分為5～6層洋房和4層疊拼住宅，總建筑面積6.7萬m2，建筑朝向為北偏東25.92°，各住宅體形系數均不超過0.29（見圖1，2）。整個項目全面按照北京市超低能耗示范項目認證、德國PHI被動房項目認證雙重標準執行，2019年設計施工，2022年交付使用。同時該項目獲得德國PHI標準、美國LEED金級、中國綠建三星，中國超低能耗建筑等多重體系認證。本項目超低能耗建筑區域總面積35677.52m2，每年共減少逾400t二氧化碳排放。經模擬計算，該項目建筑能耗水平相當于我國建筑相對節能率94%，顯著優于DB11/891—2020《居住建筑節能設計標準》要求。

1規劃總平面

2總體效果

項目在設計階段根據《北京市超低能耗建筑示范工程項目及獎勵資金管理暫行辦法》中針對建筑層數4～8層商品型住房指標要求，設定室內環境參數、氣密性指標及各項技術性能指標，并進行能耗計算。相較通過節能技術指標呈現被動式設計效果，該項目更強調從建筑方案設計角度，充分考慮被動式建筑立面設計控制點，形成項目實踐應用總結，通過被動式節能技術和精細化節點施工，使其在確保消耗較低能源、保證室內舒適度的同時，使住宅外立面呈多元、精致、豐富的形象，提升建筑整體品質。

2 立面重點部位設計策略

2.1 朝向與體形控制

被動式住宅建筑需在滿足平面套型面寬及進深要求的前提下，盡量維持平面形狀完整性，減小建筑周長。本項目規劃采用兩單元和三單元的住宅拼接形式，減少樓棟平面和高度種類，避免高低單元搭配，局部根據日照參數計算需求設置屋頂露臺，提升日照采光均好性，同時豐富沿街立面形象，避免過于單一呆板的山墻面向街道。同時在建筑形態與套型設計時避免過多的形體轉折，減少設置飄窗及入戶花園等相對復雜的住宅建筑立面造型手段，以滿足較小的體形系數指標，從而利于建筑本身的節能和降耗。

2.2 墻體設計

墻體是住宅建筑最重要的外圍護結構，也是評判被動式設計效果的主要指標。發達國家對于被動式墻體設計較為成熟，并且結合建筑表皮形式和遮陽構件已形成相應的節能體系，如格柵表皮、透明表皮、特朗布墻體、綠化表皮等，但這種基于被動式立面系統模塊化的生產安裝方式在我國尚未全面普及，目前只能作為設計參考思路。在我國，大多被動式住宅采用復合墻體構造方式，如內保溫、夾層保溫和外保溫等，其中外保溫墻體作為具有更成熟實踐經驗的構造方式，一直廣泛應用于我國被動式復合墻體。

根據項目定位，不同于以往國內建設的多以單體存在的被動式建筑，該項目所有建筑采用全幕墻裝飾外立面，外部墻體保溫材料厚200mm，石材及鋁板幕墻的外部做法也需至少達到200mm厚，再加上結構墻體厚度本身，因此項目住宅立面墻體呈現體量較厚重的狀態。在進行幕墻深化設計時，必須在PHPP軟件中錄入完整的準確數據，確定幕墻面積及細部節點，通過不同系統參數的比較進行構件選擇。

2.3 門窗設計

被動式住宅對外窗性能要求極高，南向采用較大的外窗尺寸以滿足GB 50033—2013《建筑采光設計標準》中對住宅功能房間自然采光的要求。本項目窗的安裝方式選擇“外掛式”窗，在安裝外保溫前，使用支座將窗戶固定到墻體外側，使窗與墻體保溫層閉合，熱橋系數為負值。同時在東、西、南3個朝向設置電動外遮陽百葉并與石材鋁板幕墻做好密封和防水處理。此種安裝方式可確保建筑外表面平整潔凈，同時與幕墻系統整合，呈現精細化實施效果（見圖3）。

3沿街立面

2.4 陽臺設計

由于我國寒冷地區冬季室外環境較惡劣，多數住宅采用封閉陽臺形式，這種封閉陽臺與建筑主體結構合并考慮設計，有利于被動式密閉性延伸，形式上也較統一美觀，同時應避免陽臺出挑過大影響采光。以北京地區為例，平均太陽高度角約為27°，經過遮陽系數計算，權衡冬季得熱和夏季遮陽需要，南向陽臺進深盡量控制在1.5m以內。同時通過將封閉陽臺與建筑主體整合設計，使建筑界面呈整體連續性。

2.5 屋頂立面設計

住宅屋頂作為墻體表面的延伸，其保溫構造措施需延續墻體構造形式處理，必要時采用更難傳熱的材料且具有足夠厚的保溫層，使室內墻體內表面溫度即使在供熱條件有限的情況下也能保持恒定。

屋頂立面造型可采用局部北向退臺形式，由此可減小北向立面面積。同時坡度設計時充分考慮冬季太陽高度及角度，設置合適的挑檐寬度，盡量避開建筑日照遮擋間距限制，提高土地利用率。在項目造價預算允許條件下，可考慮局部屋面覆土綠化實現隔熱保溫，但需處理好屋面構造防水。

屋頂室內空間也需采取特殊設計處理，多數選取加建閣樓的方式，北方地區住宅通過在屋頂自行加建陽光房，實現被動式太陽能利用，但屬于用戶自發行為，缺乏統一設計控制，極易對住宅的第五立面外觀產生不利影響，而且夏季該空間熱環境較差。在本項目設計階段，更傾向于考慮使用坡屋面結合平板天窗，通過設計整合屋面開窗位置與室內空間一體化處理。屋頂表面結合坡度設置集熱器，平均每個單元設置16～24m2集熱器，滿足熱水溫度及用水定額，能夠承擔全年冬季采暖、夏季空調和生活熱水負荷，達到良好的集熱效果，從而獲得更高的能源轉化率和更大范圍的鋪設面積。

2.6 樓梯間設計

由于存在采暖供熱條件變化和樓梯間本身上下貫通的空間特性，單元式住宅樓梯間的被動式設計也需充分考慮。目前多層住宅多采用封閉式樓梯間設計，且體量高出屋面部分，其開窗形式可配合建筑防排煙規范要求及滿足自然通風循環目的，如在高處開側窗等，形成“煙囪效應”。本項目疊拼住宅部分設置室外景觀樓梯，并與建筑主體連接，為避免墻體交接處保溫層導熱不均勻，通過在外挑樓梯和結構主體之間設置分隔梁，保證外墻保溫板的連續性。

3 其他部位與界面交接控制

3.1 設計范圍界面控制

為保證被動式技術設計及應用效果，在設計過程中需明確被動式設計與非被動式設計范圍，并做好界面交接處理（見圖4）。尤其對于本項目，需注重地上結構主體與地下室設計界面及其他不同形式保溫材料之間的處理。住宅地下室為非采暖地下室，因此地面保溫層設置在首層樓板上方，保溫材料采用300mm厚擠塑聚苯板；外墻與屋面保溫無法滿足連續性，故將外墻300mm厚保溫層延伸至地面以下，保溫厚度變化會帶來立面及空間的變化，均需在方案設計中予以明確（見圖5）。

4被動式設計范圍及界面4a洋房4b疊拼住宅

5被動式住宅圍護結構保溫節點構造

3.2 構件連接界面控制

針對主體墻體結構固定連接件與幕墻設計界面，墻體保溫層外側和內側分別設置防水層和隔汽層，而幕墻金屬支撐龍骨需穿透隔汽層與結構主體連接，其穿透部位需加強處理以提高住宅氣密性。優化設計過程中在滿足幕墻安裝及使用條件下，增大龍骨跨度，嚴格控制支撐點數量，并在支座中間增加隔熱橡膠墊塊。本項目石材幕墻體系通過增加地梁等方式將單體幕墻的龍骨連接點從原始的1500個優化至300個，從而減少熱量傳遞，實現斷熱橋效果。

4 結語

4.1 系統化立面整合設計的必要性

對于我國北方寒冷地區的被動式住宅，由于在建筑上、下、左、右、前、后6個方向上均使用超厚的保溫隔熱斷熱材料進行圍護和密封，外觀體量通常較厚重，需通過結合外立面細部節點的優化處理，實現住宅實用而美觀的特性。無論從技術應用或是節能效果的實現來說，由于季節不同、時間不同，墻體和陽臺部分的被動式設計更容易呈現較大的可變性和多樣性。針對北方寒冷地區，住宅冬季需接受最大范圍的陽光照射，夏季則需滿足遮陽和通風的需求。通過不同建筑立面元素的構件組合應用，形成被動式系統整合，提高被動式節能效率。

4.2 預設計階段的必要性

被動式住宅項目需在初步設計方案中融入被動式理念，考慮能耗需求與平衡計算，兼顧整體住區規劃環境，提高太陽能利用潛力，同時需維持建筑本身的緊湊性，控制外圍護結構保溫措施及造價等，從而判斷并提高建筑設計方案的可行性，促進建成更符合預期的被動式住宅效果。

4.3 建筑師的主導與協調作用

在被動式住宅方案設計過程中，需要建筑師充分理解被動式技術的應用要求和關鍵節點控制，更需在完成設計理念表達的同時，及時與甲方及項目合作方進行深入交流，以方案為龍頭做好協調合作，形成一套切實可行的設計方案和工作流程。