基于綠色建筑技術的學校建筑整體優化設計——以泰安市水泉小學及幼兒園為例

鄧運澤,肖勝亮,孫慶華,王均璐,王學勇*

基于綠色建筑技術的學校建筑整體優化設計——以泰安市水泉小學及幼兒園為例

鄧運澤1,肖勝亮1,孫慶華2,王均璐1,王學勇1*

1. 山東農業大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 2. 山東博宇建筑設計有限責任公司, 山東 泰安 271000

本文以泰安市水泉小學及幼兒園為例，在設計階段通過Revit軟件構建建筑信息模型，導入綠建斯維爾軟件，進行綠色建筑模擬分析，來明確場地中建筑物的采光、噪聲、能耗、風環境以及其相互之間的遮擋關系，進而推斷出建筑物的可優化方向，提出具體的解決方法和建議，為其符合綠色建筑標準評價提供設計思路。

綠色建筑; 建筑節能; 優化設計

近年來我國綠色建筑發展速度明顯加快，已進入普遍開發階段，我國已取得94%的綠色建筑標識工程都集中在設計階段，而在設計階段如何使得設計的建筑符合現行的綠色建筑評價標準，是困擾設計人員的重要問題。本文基于綠色建筑技術，以泰安市水泉小學幼兒園為例使用Revit Architecture軟件建立模型并導入綠建斯維爾分析軟件進行分析，以《綠色建筑評價標準》GB/T 50378—2014為基準進行綜合評價，為其改進和發展提供方向和思路，推動設計方案的優化，也為同類的綠色建筑設計提供設計思路，以期啟發綠色建筑的進一步發展。

1 綠色建筑分析評價

1.1 綠色建筑的評價指標體系發展

綠色建筑發展是未來建筑行業的趨勢，各國都制定了相應的規范標準，希望以此來促進本國的綠色建筑設計發展，例如英國BREEAM、美國LEED、日本CASBEE評估體系以及中國的ESGB評價體系。總體來說中國的綠色建筑發展較晚，但由于可借鑒性多，規模體量大等因素，中國的綠色建筑設計發展迅猛并取得了一定的成就。

以中國綠色建筑各指標來說，其重要性排序大致為節能>節地>室內空氣質量>節水>節材，并以此來劃分星級標準，設計者和建設運營者可根據自身需求和資金要求來確定綠色建筑的建設星級。

目前國內綠建技術的研究主要集中在基礎理論研究、相關標準的制定、軟件開發設計以及實際工程應用上[1]，例如沈小東等基于Visual DOE Vesion4.1.2軟件對重慶某綠色建筑模擬能耗計算分析[2]；王建廷等借助CFD軟件中Ecotect風場模擬工具Winair4對堪輿格局的綠色建筑室外風環境模擬優化研究[3]；王欣怡等基于gbXML的建筑信息模型綠色建筑分析及評價研究[4]等，其對于綠建技術都只還是單方面的分析，綜合性的優化分析研究較少，如何基于綠建技術進行采光、能耗、通風、噪聲的全方面優化設計還有待深入研究。

1.2 綠色建筑分析的目標

由于我國幅員遼闊，各地域氣候差異性較大，綠色建筑分析要結合當地的氣候環境，選擇適合當地建筑的綠色建筑技術，從技術的角度去解決項目的節能等問題。設計項目通過確定目標、選擇合適的設計思路，深化側重點來完成建筑的初步設計，但由于實際原因，無法單單通過普通的模型來確定設計建筑的綠建星級標準，必須通過模擬分析來對建筑的進一步優化來進行引導，綠色建筑分析恰恰是設計人員設計與管理人員審查的重要途徑。

2 綠色建筑分析方法及操作步驟

2.1 模擬模型的建立

通過使用revit軟件構建三維參數化模型，基于三維參數化模型協同設計技術[5]，將構建完畢的參數化模型通過revit軟件附加功能導出，供后期斯維爾綠建分析軟件使用。

2.2 綠建分析軟件應用

2.2.1 工程設置以建筑暖通負荷模擬分析軟件為例，模型導入后進行相關建筑工程設置（圖1），設置擬建建筑建造地點為山東省泰安市，以泰安市氣象天氣為依據，確保擬建建筑建筑環境與真實環境相同；其次設置擬建建筑屋頂，門、窗等相關構造的工程參數，確保擬建建筑與真實工程參數相似，有利于提高模擬結果的準確性。

圖 1 建筑模型東南軸測圖

2.2.2 結果的模擬輸出在工程相關構造設置完畢后，進行擬建建筑的冷負荷、熱負荷及全年負荷的計算，軟件自動將計算公式，模擬建筑屋頂、墻體等圍護結構的導熱系數及該建筑是否滿足暖通負荷要求等結果生成計算報告書。設計人員可以通過結果的不滿足因素，返回工程設置中，調整相關圍護結構的材料及尺寸等影響導熱系數的因素，從而全部滿足暖通負荷的要求。

采用綠建斯維爾系列軟件，進行“建筑內外、風光熱聲”的模擬分析，應用一模多算技術，相關協同軟件可自動采取計算熱工模型的門、窗等工程構造參數設計，既能提高模擬結果的準確性，又大大提高了分析人員的分析效率。

3 項目實例

3.1 項目簡述

該項目位于泰安市高新區，東臨水泉路，位于中天門大街以南，居于城市鬧市區的邊緣地帶，各種配套相對比較齊全，屬于綜合性學校建筑，具有辦公、教學等功能。規劃總用地面積為55 300 m2；總建筑面積為25 850.65 m2；容積率0.47；綠地面積22 893 m2；綠地率38.16%；建筑密度13.97%；結構形式為框架結構。該項目通過節地、節能、節水、節材、改善室內環境質量等方面分析優化設計[6]，使其達到綠色建筑評價體系標準，為類似綜合性學校建筑的綠色節能設計提供了參考，具有鮮明的現代校園建筑的特點，因此選擇此項目作為研究對象。

3.2 建筑風環境

3.2.1 建筑風環境計算原理建筑風環境分析采用了湍流模型的原理，該模型反映了建筑物周圍流體流動的狀態，通過選擇不同流體流動的湍流模型，較為科學的模擬了在當地風環境下，建筑周圍的風壓風速大小以及建筑物表面的壓強，最大限度地模擬實際流場的數值[7]。

圖 2 建筑迎風面風壓云圖

圖 3 建筑背風面風壓云圖

圖4 1.5 m高處風速矢量圖

圖5 1.5 m高處風壓云圖

3.2.2 計算結果及分析經測算全區風速均低于綠色建筑評價標準中規定的5 m/s，地區內氣流較為平穩，環境舒適度良好，且區域內校園室外活動區內沒有無風區，滿足夏季的通風散熱需求，自然風的散熱使得建筑能耗降低，有利于建筑節能[8]。從建筑迎風面及背風面風壓云圖（圖2-3）得出，建筑迎風面與背風面表面風壓差不超過5 Pa，由于夏冬季風向及風速不同，建筑物表面風壓基本維持在-2～2Pa，在建筑物周圍合理的規劃綠化植被可以有效的減少建筑物表面的風壓，符合防風要求。

從區域的1.5 m高處風壓云圖及風速矢量圖（圖4-5）得出，建筑區域未形成較大渦流區，區域的空氣質量較為穩定，但在西部和部分建筑物的凹角處會形成小渦流區，該區域內灰塵和污染物容易聚集，造成空氣質量下降，在設計建筑物出入口要盡量避免設置在此處，以免對室內環境造成影響，且室外需要及時清理該區域的環境空氣污染物，也可以進行綠化種植來削減渦流降低風速，減少污染物的飄散，防止污染物以及風沙顆粒物的聚集，影響師生的學習工作質量。

3.3 建筑采光設計

3.3.1 建筑采光計算原理建筑物的采光性能主要是以采光系數為標準，其對指導采光設計、分析照明能耗起著重要作用。該項目所處地區光氣候分區為IV，光氣候系數為1.10，表面反射比各部分取：頂棚0.75；地面0.84；墻面0.84；外表面0.50。模型以距地面0.75 m功能房間平面作為分析參考平面，當房間面積≤10 m2，網格大小為0.25 m；當房間面積10～100 m2，網格大小為0.5 m；當房間面積≥100 m2，網格大小為1 m。模擬軟件采用Radiance程序進行模擬計算，最后將計算結果返回到Dali進行處理分析，得到各部分的日照彩圖以及光達標率圖。

圖 6 1#教學樓日照彩圖

圖 7 1#教學樓達標率彩圖

圖 8 3#綜合教學樓日照圖

圖 9 3#綜合教學樓達標率圖

圖 10 幼兒園日照圖

圖 11 幼兒園達標率彩圖

3.3.2 計算結果及分析根據光源視覺測試結果表明[9]，在相同照度的條件下，處于天然光的環境下的人們對于物體識別能力要優于人造光，并且天然光對于人眼的保護以及心理舒適程度要優于人造光，所以對于校園建筑，教室以及辦公室內盡量使用天然采光，來避免學生和老師產生視覺疲勞，對他們的學習工作效率、心情狀況等都有較好的幫助。

根據各建筑的日照彩圖以及光達標率彩圖（圖7-11）可得，擬建學校建筑的室內空間天然采光面積為2 460.44 m2，其達標面積為1 881.07 m2，達標率為76.4%。大部分區域的采光性能良好，但局部用于滿足建筑物的室內工作面照度需求的窗口遠處的亮度相對較低，近處的區域亮度相對較高，導致室內眩光率較高，區域內的光均勻度較低，所以在進一步優化設計過程中，在入射光強的窗戶位置添加遮擋物或設施來削減眩光現象發生，在交通空間和遠窗口區域，需要增大側窗面積或補充人工光源來改善建筑室內遠窗處的光照舒適度。

3.4 建筑暖通

3.4.1 建筑暖通計算原理建筑暖通負荷分析按照熱平衡原理進行模擬計算，熱負荷以計算房間散失的熱量為重點，參考圍護結構傳熱耗熱量、加熱滲入冷空氣耗熱量等影響房間散失熱量的因素進行模擬計算，總熱負荷選取各影響因素熱負荷逐時值的綜合最大值。

該模擬計算模型與以往采用單位面積負荷指標估算法進行負荷計算相比，最大限度的真實還原了擬建建筑的冷熱負荷數值，可使設計者對主機、系統的選擇更加合理，降低運行、維護成本，從而達到節約能源與資源的目的。

3.4.2 計算結果及分析基于建筑模型的可視化分析計算可得，擬建學校建筑的建筑能效理論測評數值如下圖表所示（表1）。在擬建學校建筑工程構造設計階段，設置其屋頂構造的傳熱系數為0.34 W/(m.K)，外墻墻體構造考慮線性熱橋后的傳熱系數為0.6 W/(m.K)，通過模擬分析計算可得，擬建學校建筑的比對節能率為-4.31%，標識建筑的建筑負荷耗冷量高于比對建筑的建筑負荷耗冷量，擬建建筑的能耗相對較高。

已知在穩態條件下，傳熱組的數值為傳熱系數的倒數。對于大部分民用建筑而言，屋頂、外墻等外圍護結構構造及樓板、門窗等內圍護結構構造，其傳熱系數越低，傳熱阻越高，建筑的保溫性能越高，比對節能率也會相對高一些。在該擬建學校建筑項目中，可以通過調整圍護構造的材料，降低圍護構造的傳熱系數，提高建筑的保溫性能，將對比節能率調整到相對節能標準范圍內，從而達到擬建建筑綠色節能的目的。但對比節能率與各圍護結構傳熱系數的具體關系還需要進一步研究。

表 1 設計建筑與比對建筑的能耗對比分析表

3.5 建筑聲環境

3.5.1 建筑聲環境計算原理室內噪聲級計算公式見公式：L2=L1-D。式中L1——室外噪聲級值；D——減去縫隙影響后組合外墻的計權隔聲量。

圖 12 構件隔聲量與空氣隔聲量曲線

3.5.2 計算結果及分析綜上圖表信息可知：水泉小學項目最不利教學樓的最不利閱覽室的室內噪聲級晝間為30.8 dB（A），夜間為35.8 dB（A），樓板標準碰撞聲壓級≤62 db。

通過計算分析，可得室內噪聲級為：晝間：60-29.2=30.8 dB（A）；夜間：50-14.2=35.8 dB（A）。影響學校建筑的主要功能房間的噪音分為兩種，一種是建筑物的外部噪聲源通過建筑圍護結構向室內傳播的噪聲，另一種是建筑內部設備的噪音和振動，通過空氣擴散到其他空間。在該學校建筑中，可以通過隔聲、吸聲、消聲以及隔振等技術措施來削減室內噪聲[10]，主要從四個方面入手：一是增強建筑物圍護結構的隔聲能力，對于噪聲較大的使用空間進行建筑構件上的隔聲處理，防止其對周圍教室的干擾；二是對設備進行降噪消聲處理，設置消聲器等裝置，減少噪聲的傳播；三是對建筑進行隔振處理，在建筑構件上切斷或降低聲音的傳播，避免固體傳播造成室內噪聲干擾；四是對于會議室等大型空間，控制室內混響時間，防止產生共振讓人體感到不適。

4 結論

經過本文的計算與分析，可以得出如下結論：

1）參照國家綠色建筑標準，基于綠建分析軟件的分析結果從風環境、光環境、暖通、聲環境四個方面對該學校項目進行評分，最終參照標準得出該設計項目為二星級綠色建筑；

2）項目的室外風環境需要進行綠化種植來削減渦流降低風速；室內需要增大側窗面積或補充人工光源來改善建筑室內遠窗處的光照舒適度；通過調整圍護結構的材料，降低圍護構造的傳熱系數，提高建筑的保溫性能，提高節能效率；并通過建筑構件的隔聲、吸聲、消聲以及隔振等技術處理來使室內聲環境更加舒適；

3）將改造后的建筑設計再次進行模擬，判斷該建筑綠建評分是否提高，為達到三星級運營綠色建筑提出優化設計方案，同時也為該類型的學校建筑后續綠色建筑設計提供改造設計思路。

[1] 中華人民共和國建設部.GB/T500378-2006綠色建筑評價標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2006

[2] 沈小東,胡望社,肖益民,等.重慶某綠色建筑模擬能耗計算分析[J].土木建筑與環境工程,2013,35(增刊1):177-180

[3] 王建廷,張畯.基于堪輿格局的綠色建筑室外風環境模擬優化[J].建筑科學,2018,36(6):15-22

[4] 王欣怡,吳賢國,柳海東,等.基于gbXML的建筑信息模型綠色建筑分析及評價[J].工業建筑,2020,50(7):190-197,40

[4] 楊遠豐,莫穎媚.多種BIM軟件在建筑設計中的綜合應用[J].南方建筑,2014(4):26-33

[6] 中華人民共和國建設部.綠色建筑技術導則[S]北京:中國建筑工業出版社,2005

[7] 汪闊,沈煉,韓艷,等.基于修正SSTk-ω湍流模型的建筑群風環境數值分析[J].西安建筑科技大學學報(自然科學 版),2021,53(3):386-392

[8] 李立力,張亮亮,劉綱,劉書洋,鄭尚龍.某綠色建筑風環境數值模擬分析[J].土木建筑與環境工程,2015,37(S2):215-218

[9] 董中旭,劉杰,梅建,等.無頻閃教室光源保護學生視覺功能的應用與評價[J].中國學校衛生,2004(4):480-481

[10] 鄒瑜,徐偉,王東旭,等.全文強制工程建設國家標準GB55016—2021《建筑環境通用規范》標準解讀[J].建筑科學,2022,38(2):7-13,216

Overall Optimization Design for the School Building Based on the Green Building Technology——Taking Shuiquan Primary School in Tai'an City as a case

DENG Yun-ze1, XIAO Sheng-liang1, SUN Qing-hua2, WANG Jun-lu1,WANG Xue-yong1*

1.271018,2.271000,

Taking Shuiquan Primary School in Tai'an City as an example, this paper builds a building information model through Revit software in the design stage, imports Lvjiansheville software, and carries out green building simulation analysis to clarify the lighting, noise, energy consumption, arrangement mode, wind environment and their mutual shielding relationship of buildings in the site, and then infers the optimal direction of buildings, and puts forward specific solutions and suggestions, Provide design ideas for the evaluation of its compliance with green building standards.

green building; energy conservation; optimization design

TU29

A

1000-2324(2022)06-0941-06

2022-03-11

2022-05-07

教育部產學合作協同育人項目(202002042036);大學生創新創業訓練計劃項目(202110434135)

鄧運澤(2001-),男,本科生,主要研究方向為建筑設計及其理論. E-mail:2801500515@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.021