基于綠建軟件應用的臺地式花園樓改造設計

范子豪,李海英

(北方工業大學，北京 100043)

1 引言

目前，國內建筑研究院應用較多的綠色建筑評價軟件是基于CAD的綠色建筑評價軟件——綠色建筑斯維爾軟件[1]。該軟件是由北京綠建軟件有限公司開發的建筑性能模擬軟件[2]，以插件的形式集成在三維建模軟件之中，入手相對簡單，并且軟件界面為全中文，非常適合國內相關人員的使用。軟件從風、光、熱、聲、節能等不同角度分析和優化建筑性能[3]，從而達到建筑性能模擬鏈接建筑設計的作用。綠建插件可以即時獲取AutoCAD軟件中模型信息并處理[4]，用于衡量房屋改造前后的舒適性和合理性，通過緊密結合國家標準規范對建筑予以評價，可以用來判斷設計的建筑是否為綠色建筑，并能確定其綠色建筑等級，指導建筑設計，給房屋改造提供合理的依據[5]。

2 花園式住宅現狀及分析

2.1 項目介紹

花園住宅采用層層退臺方式、模塊化建造,并為每戶提供一個“私家花園”[6]。花園樓建成37年來沒有維修改建，由于人口構成的改變、居住要求以及節能標準的提高[7]，因此小組嘗試對其進行節能判定和設計改造。綠建軟件設計流程包含5個步驟，如圖1所示。

圖1 基于建筑改造設計的綠建軟件應用流程

2.2 前期調研

建筑的布局會直接或間接影響建筑的通風采光、室內溫度、濕度、通風、能耗，因此，最大限度地利用被動式設計策略保證室內熱舒適至關重要[8]。

2.2.1 戶型分析

花園樓每家每戶都配套花園陽臺，且樓層越高單個戶型的總面積越大。建筑首層單戶面積最小，進深最大，這就使得層數越低，自然光越無法到達建筑深處房間。二層開始，建筑的部分公共通道被劃分進房間，房間開窗直接連通天井，每層的公共空間尤其是被劃歸為室內的相對位置都需考慮采光和通風問題。統計戶型數量后可知一室一廳一廚一衛一陽臺戶型(小套)的房間占很大比例(圖2)，且多集中在建筑首層，采光通風問題較大，可作為典型戶型模擬分析。

圖2 花園樓標準單元戶型統計

2.2.2 采光通風問題

以花園樓標準單元首層為典型案例分析(圖3)，A、B、C、D和G戶型進深大，臥室南向采光充足，但由于起居室和臥室之間的隔斷，起居室被迫只有間接的自然光。A、B戶廚房(紅色虛線標注)開窗朝向天井，自然采光差，且各層廚房開窗戶炒菜時天井會有串味問題存在。C、D和E戶廚房(黃色和綠色標注)開窗朝向建筑公共區域，廚房與與天井之間相隔著走廊，并且天井拔風效果并不明顯，家庭做飯的高峰時段無法有效地排出烹飪所產生的異味氣體，因此走廊和與走廊聯通的樓梯間、天井都會有串味問題的困擾。F、G戶得益于北向開窗，能夠有較好的自然采光和雙向通風，居住體驗略強于其他住戶。

2.2.3 外立面遭破壞

大部分住戶都選擇封裝露臺(圖3灰色區域)，露臺封裝采取了彩鋼夾芯板和塑鋼窗，顏色不同致使外立面不統一，影響了建筑的美觀和整體性。封裝露臺使原本直達臥室或起居室的陽光受阻，使各戶采光不足的問題更加突出，尤其體現在低層。同時，院子的加建未經統一設計，污水自由排放，建筑外圍護的隔熱性能也無法保證[9]。

圖3 花園樓1號一層部分平面

2.3 原有建筑熱工性能模擬

原有花園樓主體為磚混結構，樓層居室、方廳、樓梯間等主要樓面的做法是在鋼筋混凝土樓板上素水泥漿結合層一道，再用豆石混凝土隨打隨抹平，上撒水泥沙子后壓實趕光。單元門為木質雙開大門，入戶門為鋼制防盜門，窗戶均是空腹鋼窗和單層玻璃。利用綠建軟件進行原建筑性能模擬，從軟件計算出的結果來看(表1)，建筑中存在較多不滿足《北京市居住建筑節能設計標準》(DB11/891-2012)的地方[10]。

表1 改造前花園樓規定性指標檢查結論

體形系數越小，則各部位傳熱系數取值的上限越大；反之，體形系數越大，則各部位傳熱系數取值的上限越小[11]。花園樓的設計作為改變“大板樓”刻板印象的試點，有著特殊意義，為了保證每戶配套花園陽臺和層層退臺的復雜形式，單位的建筑體積會分攤到較多的外表面積，且天井處的墻面也被算作外表面積，會加大體形系數。雖然不同朝向及屋頂的開窗面積都經嚴格控制，建筑原體型系數與現行標準差距較大[12]。

通過模擬結果報告分析，房屋的屋頂、外墻、分隔采暖與非采暖空間的隔墻、挑空樓板、戶門、窗等圍護結構的保溫隔熱性能已經不能滿足現行的住宅標準，在軟件的性能模擬中的表現不理想。既有建筑的改造中，圍護結構的改造是重中之重，性能良好的圍護結構可以使得建筑能耗降低[13]。

3 建筑節能優化改造設計

3.1 建筑熱環境的優化設計

3.1.1 屋頂綠化+墻體綠化

由于綠地面積減少、高建筑密度導致的低風速以及街道表面涂層材料的變化[14]，使得住區溫度通常較高，花園樓的圍護結構還是20世紀產物，保溫隔熱性能不能滿足現行標準，夏季室內體感較熱，尤其是建筑頂層。改造設計從屋頂入手，通過屋頂綠化、垂直綠化等調節熱環境，使保溫隔熱效果得到了改善，也有景觀美化的作用。種植的綠植夏季形成蔭蔽，冬季葉片凋落，形成自動百葉給人提供舒適的熱環境[15]。

3.1.2 預制裝配式陽光間

根據入戶調研結果中住戶的需求——需要更多的居住空間，且北方大量露臺不適宜當地氣候[16]，導致多年來住戶自己私加亂建露臺部分造成市容的影響，因此針對現狀進行了花園樓的露臺改造，設計統一加裝預制裝配式陽光間，一方面減小了整個建筑的體型系數，另一方面使建筑具有整體性，美觀加強。原有陽臺特色的院墻加裝預制式鋼框架和半特朗勃墻后外包雙層中空玻璃組成主體，東、西面墻采用垂直綠化，通過夏季冬季植物作為天然百葉的調節，以及白天夜間窗戶和百葉的開閉，使室內維持在一個舒適的溫度，減少空調、暖氣等能源的損耗。預制裝配式陽光間在屋頂裝配太陽能光電板，利用太陽能轉化為電能[17]，為住戶提供用電，減少了能源的損耗。

3.2 采光體系的優化

對建筑首層進行采光模擬(圖4)，天然光無法到達室內深處，在建筑天井頂部外墻處設置采光裝置，讓自然光通過中央光導管及分光導管進入建筑每層的內部空間，通過漫射器使自然光均勻的散布于室內[18]。系統中空密閉，保溫性能良好，不會給室內帶來熱負荷效應。

圖4 改造前首層采光效果分析

原建筑部分臥室和起居室的采光不滿足標準，對比改造前后的分析報告能明顯發現改造后采光達標率有明顯的提升，達標面積的比例從一半提升到了74%。對室內采光的調整不單影響了日常起居空間，還使公共區域(樓梯間)受益。以采光問題最嚴重的一層為例，增設預制式陽光間前后的采光效果分析彩圖顯示：樓梯間的采光系數明顯提升，從大部分位于0.5-1.0區間躍升至1.0-2.0區間，起居空間窗戶附近和天井處窗戶附近的采光系數也直線飆升(圖5)。并且得益于導光管的安裝，自然光可以到達房間的更深處，填滿房間的角落。

圖5 改造后首層采光效果分析

3.3 風環境的優化設計

針對通風問題和排煙問題，在天井頂部結合當地季風性氣候設置了風塔(圖6)，利用熱空氣上升，冷空氣下降的原理，以及內外風壓不同產生拔風進風的原理[19]，還結合了季風轉換風塔調節開啟窗扇，實現建筑內部空氣質量的改善。還對改造前后的模型進行了室內風速模擬，并且依據模擬計算結果分析效果，顯示風塔拔風效果明顯(圖7)，使夏季建筑室內風速整體提升。

圖6 天井頂部風塔示意

圖7 改造前后剖面風速對比

3.4 聲環境體系的優化改造設計

現有的主體磚混結構和鋼筋混凝土樓板模擬中不滿足現行的隔聲設計標準，但與評測標準相差不大，設計適當增加墊層厚度或鋪設緩沖材料后重新模擬。建筑的隔聲問題主要由于門、窗等構件的透射系數大，隔聲性能差。

根據《聲環境質量標準》GB 3096-2008中對于聲環境功能區的劃分，花園樓屬于1類以居民住宅、醫療衛生、文化教育、科研設計、行政辦公為主要功能，需要保持安靜的區域。由于建筑在學校內部，聲環境質量良好，校內道路限速嚴格，且校內禁止鳴笛，區域內無明顯噪聲，噪聲的來源是校外五環快速路和學校北門外使用率不高的鐵路。模擬計算結果彩圖顯示由于建筑周圍的校園公共建筑遮擋(圖8)，公路噪聲對花園樓室外噪聲影響可以忽略，而部分圍護結構的隔聲性能有不滿足項，需要通過外圍護結構改造設計來優化空氣聲隔聲。

圖8 場地噪聲頒食俯瞰(晝間)

建筑聲學相關標準中對建筑內外圍護結構中各類門窗、墻體、樓板、屋頂及地面的隔聲性能做出了明確要求。建筑施工圖表明樓板和墻面為鋼筋混凝土結合素水泥漿，經計算樓面密度滿足標準，簡單的室內家裝(如鋪地磚、木地板或地毯等)就可使樓板的撞擊聲隔聲性能達到現行國家標準，評分優秀。而空氣聲隔聲性能評價不理想，查看報告書發現主要原因是門窗構件由于透射系數大，在空氣隔聲量計算中不占優勢，所以替換了老舊的鋼窗改為斷橋鋁合金雙層中空玻璃窗，并在新加建的預制陽光間選取了斷橋鋁雙層中空玻璃，滿足了國家現行標準(表2)。

表2 花園樓改造前后圍護結構隔聲性能評價結果

3.5 建筑節能改造設計成果模擬分析

根據軟件計算的分析結果，也可以對比得出住宅類很難完全達到控制建筑能耗的同時滿足室內舒適，但經過改造設計基本符合了《北京市居住建筑節能設計標準》(DB11/891-2012)、《民用建筑熱工設計規范》(GB50176)的規定。下文結合改造設計圖紙和分析報告說明改造中較典型的問題和處理方法。

預制式陽光間雖然增大了建筑物與室外空氣接觸的外表面積，也相應地增大了建筑面積，加大了建筑物的棟深和體量，極力縮小體形系數。雖然在改造設計中已經通過封裝露臺和加裝風塔把原天井處的建筑外立面變為室內空間來極力減小建筑的體型系數，但是花園式臺地的特殊設計理念，無法通過簡單的改造來改變此建筑的結構，使得只能讓建筑系數趨近標準要求規定的數值(表3)。

表3 改造前后花園樓體型系數檢查

老舊的居住類建筑建設年代較早，存在不符合現行建筑規范標準的問題，在改造設計中嚴格控制建筑的開口面積和形式，改善外圍護結構等方法使的建筑中的除體形系數的規定性指標都趨向標準值，但由于臺地式花園體型系數較大，改造后體形系數指標也無法達到標準要求，關于建筑的能耗權衡計算結果還是無法滿足標準(表4)。權衡計算需要所有檢查項都滿足才能得出滿足的結論,雖然此項計算結果不滿足，但是通過使用斷橋鋁合金雙層玻璃、更換隔聲透射系數低入戶門等改造設計手法提升了建筑圍護結構的性能，也使得改造后花園樓除權衡計算外的檢查項都達到了滿足。

表4 改造后花園樓熱工性能權衡判斷

4 結論

本文使用了綠建模擬軟件權衡判斷建筑熱工并鏈接綠色改造的建筑節能改造策略，改造時可將建筑及場地模型導入建筑模擬軟件中計算建筑物理性能，相較于傳統的模擬軟件可以及時獲取建筑模型信息并使用軟件進行優化處理。此次改造設計通過建筑圍護結構的改造來優化建筑熱工、風環境、采光和噪聲的缺陷，例如風塔的加建對建筑性能改善效果明顯，應用拔風原理改善建筑風環境，在分析報告中也能看出建筑室內風環境有明顯改善，并且將內庭的建筑外表面變為室內面積，盡可能地減小了體形系數。基于綠色性能的建筑節能策略是推進建筑節能設計的最佳對策。綜合節能設計策略可以實現高效節能目標。在既有建筑的綠色節能改造中，量體裁衣、合理應用綠色節能技術顯得尤為重要[20]。