適應(yīng)性形體校園綠色建筑改造策略研究

王瑞明

(南京大學(xué),江蘇 南京 210000)

1 研究緣起

1.1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟水平提高,我國教育事業(yè)蓬勃發(fā)展,建筑耗能也在不斷增長,國家大力推行綠色校園的建設(shè)[1-2]。校園綠色建筑改造不僅是綠色建成環(huán)境的重要組成部分,更對在其中學(xué)習(xí)生活的學(xué)生們乃至整個社會起到示范作用,是學(xué)校素質(zhì)教育的重要載體[3]。如何構(gòu)建建筑自然一體化,人與自然和諧相處的建筑,是當今校園建筑所必須的[4]。

1.2 研究目的與意義

綠色校園建筑改造不僅僅是建筑領(lǐng)域的問題,涉及到教育、環(huán)境等因素。設(shè)計通過對綠色建筑的本質(zhì)思考,強調(diào)建筑對自然的適應(yīng)性和人們與建筑的交互性。最后通過化整為零的裝配策略,實現(xiàn)以上訴求。綜合上述,設(shè)計研究的目的如下:

通過建筑仿生,探索綠色建筑中技術(shù)生態(tài)有機結(jié)合的方法,實現(xiàn)建筑自然的一體化。

通過探索使用者參與綠色建筑的調(diào)節(jié)方法,實現(xiàn)使用者對建筑技術(shù)更好的認知,從而實現(xiàn)綠色建筑的深入人心與傳播。

研究建筑形體與環(huán)境的內(nèi)在機制,實現(xiàn)建筑因時而變的自我調(diào)節(jié),為極端天氣建筑調(diào)節(jié)提供參考。

運用當下工業(yè)化的建造方式,通過建筑體系的繼承運用實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展,探索綠色建筑化整為零的快速落實和普及的方法。

2 現(xiàn)狀分析與設(shè)計問題

2.1 改造院樓簡介

鄭州大學(xué)建筑學(xué)院位于河南省鄭州市,位于寒冷地區(qū),四季分明。冬季最冷月平均溫度-0.2 ℃,最冷可達-15 ℃左右,夏季最熱月平均溫度27.3 ℃,最高可達40 ℃左右。該地區(qū)的建筑需要同時滿足冬季保溫和夏季隔熱需求。院樓所在的工科園由彭一剛院士規(guī)劃設(shè)計,院樓內(nèi)有中庭,具備綠色建筑改造潛力(見圖1)。

2.2 現(xiàn)狀分析與問題

由于鄭州存在明顯夏熱冬冷現(xiàn)象,氣候在客觀條件上對建筑的適應(yīng)性提出很高的要求[5-6]。院樓有一核心中庭,該中庭為教室之間的走廊引入自然光并加強了內(nèi)部空間的連通性,但該中庭面對夏冬不同季節(jié)仍有提升潛力:建筑學(xué)院樓特別是高層存在明顯的夏熱冬冷現(xiàn)象,中庭煙囪效應(yīng)不夠明顯[7]。

3 研究方法

本設(shè)計從植物生長和調(diào)節(jié)的功能出發(fā),通過植物的光合呼吸等生理機制和氣候適應(yīng)性機制的引入,形成設(shè)計的內(nèi)在邏輯和系統(tǒng)研究基礎(chǔ),提出完善的被動式建筑節(jié)能和應(yīng)對冬夏極端氣候的設(shè)計理論及設(shè)計對策[8]。

3.1 植物生理與適應(yīng)機制研究

本次設(shè)計所選研究的植物為小麥,原因有以下兩點:1)河南作為農(nóng)業(yè)大省,小麥已經(jīng)成為一個省的文化圖騰,人們對小麥具有別樣的感情;2)小麥的生長周期跨越一年中最熱和最冷的兩個季節(jié)(10月—8月(來年)),冬季越冬期休眠,夏季存在明顯的蒸騰作用,具有明顯的氣候適應(yīng)性。

3.1.1 小麥的生理機制

包括小麥在內(nèi)的所有植物的生理機制都包括光合作用、呼吸作用以及介于兩者之間實現(xiàn)能量和物質(zhì)的傳輸。通過接收器(葉綠體)從外界接收物質(zhì)和能量,這是植物的制造車間;通過轉(zhuǎn)換器(線粒體)為植物的生命活動提供物質(zhì)和能量,這是植物的動力車間;通過傳送器(導(dǎo)管系統(tǒng))實現(xiàn)物質(zhì)和能量的傳輸與循環(huán)。

3.1.2 小麥的適應(yīng)機制

假如vmax>v0,設(shè)P5是P1P2減速運動區(qū)間的起始點.設(shè)P1P2加速短、勻速區(qū)間段和減速區(qū)間段內(nèi)的運動時間為T11、T12、T13,可得:

小麥在生長過程中跨越冬季和夏季。小麥夏季耐高溫得以植物的蒸騰作用,而在冬季小麥耐低溫得以其越冬期的休眠機制。蒸騰作用是植物對水分的吸收和運輸?shù)闹饕獎恿?。通過蒸騰作用,將地下的水蒸發(fā)到大氣中,降低植物體表面的溫度。小麥為保證自身安全越冬,當冬天日平均氣溫低于3 ℃時,小麥會停止生長,進入越冬階段。

3.2 建筑仿生研究

好的綠色建筑應(yīng)像植物一樣實現(xiàn)建筑自然一體化,將技術(shù)和生態(tài)有機結(jié)合,主動的從外界獲取物質(zhì)和能量,實現(xiàn)被動節(jié)能。同時應(yīng)像植物一樣,實現(xiàn)建筑自身因時而變的自我調(diào)節(jié),積極應(yīng)對極端氣候[9]。

3.2.1 生理機制仿生——接收運輸轉(zhuǎn)化

通過梳理得出發(fā)生在建筑內(nèi)部的物質(zhì)流動有陽光的采集、水的運輸和空氣的流通。

植物在光照條件下,從外界接收的水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖并釋放能量,植物中發(fā)生光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)變、水和氣體的流動。將這些過程對應(yīng)到建筑中,能量的轉(zhuǎn)化為接收外界的太陽能,實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化,之后將電能通過電管運輸?shù)礁鱾€電器使用;從外界收集雨水,通過水管的運輸實現(xiàn)綠植灌溉和地暖冷梁的使用;從外界接收新鮮的空氣,通過風(fēng)道傳送到建筑內(nèi)。即通過太陽能板,雨水收集和通風(fēng)口接收太陽能、雨水和空氣,通過各種管道體系實現(xiàn)能量和物質(zhì)的傳輸,最終運用到電器、冷梁地暖和綠化。同時,在整個接收運輸轉(zhuǎn)化的過程中同時伴隨著熱量交換(見圖2)。

3.2.2 適應(yīng)性機制仿生——蒸騰與冬眠機制

建筑在夏天模仿植物的蒸騰作用,通過中庭熱壓通風(fēng),降低室內(nèi)空間的溫度,為人們能提供舒適的環(huán)境并降低能耗。此時中庭呈現(xiàn)倒V腔體,加強煙囪效應(yīng)并改變外立面形態(tài)減少接觸的光照。建筑在冬天則模仿植物的冬眠機制,通過溫室效應(yīng),更多的采集并儲存能量。此時建筑中庭呈現(xiàn)V形腔體且頂部封閉,同時外立面形態(tài)改變更多的接收光照(見圖3)[10]。

4 研究內(nèi)容

4.1 采光通風(fēng)研究

接下來分別對建筑冬季和夏季的采光及通風(fēng)進行研究,研究內(nèi)容分為中庭夏季通風(fēng)和中庭冬季得熱[11]。

4.1.1 中庭夏季通風(fēng)研究

建筑高寬比α=H/W,建筑口底比β=L1/L2,建筑的中庭形態(tài)由高寬比和口底比i共同研究綜合考慮中庭在夏季通風(fēng)和冬季采暖兩個方面的最佳比例組合。探討建筑中庭高寬比和口底比與建筑內(nèi)部通風(fēng)的具體關(guān)系。模型基本參數(shù):高度9 m,層數(shù)3層。中庭高寬比分別為3∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶3,中庭口底比分別為5∶1,3∶1,1∶1,1∶3,1∶5,控制變量法:保持不變,取不同與之進行組合。設(shè)置計算時間為6月21日,實現(xiàn)熱壓與風(fēng)壓通風(fēng)的全面計算,比較每個模型建筑內(nèi)部風(fēng)速,得到如下結(jié)論(見圖4)。

1)建筑內(nèi)部通風(fēng)隨建筑中庭高寬比的增大而增大,當高寬比不小于2時,建筑中庭內(nèi)出現(xiàn)煙囪效應(yīng),建筑中庭對建筑內(nèi)部通風(fēng)效果逐漸明顯。

2)建筑內(nèi)部通風(fēng)隨建筑中庭口底比的減小而先增大再減小,當口底比=1∶3時建筑中庭對建筑內(nèi)部通風(fēng)優(yōu)化效果最為明顯。

4.1.2 中庭冬季得熱研究

設(shè)置計算時間為7:00—19:00,實現(xiàn)有效輻射的全面計算,比較每個模型建筑中庭外表面日照輻射得熱,得到如下結(jié)論:

1)建筑中庭高寬比越大中庭得熱越大。2)建筑中庭高寬比越小中庭得熱越均勻。

當口底比大于1時,隨著建筑中庭口底比的增大,建筑中庭得熱增大,當口底比小于1時,隨著建筑中庭口底比的減小,中庭得熱呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當中庭口底比=1∶3時,建筑中庭得熱最大。建筑中庭口底比越小,建筑中庭得熱越均勻(見圖5)。

4.1.3 研究落實

由上述研究可知建筑中庭夏季α=+∞,β=1∶3,建筑中庭冬季α→0,β→+∞最優(yōu)。但存在中庭最小寬度3 m,教室最小寬度不小于4.5 m的限制因素,分析建筑學(xué)院整體高寬比可知該中庭適合做A型通風(fēng)中庭,故建筑中庭α=8∶1。中庭夏季β=1∶3,中庭冬季β=1∶3(如圖6所示)。

4.2 裝配式單體研究

在完成建筑冬夏季適應(yīng)性形體研究后,如何實現(xiàn)這一目標,設(shè)計采用化整為零的可以推拉變化的單體置于建筑內(nèi)部。通過單體的變化,實現(xiàn)建筑中庭和外立面的調(diào)節(jié)[12-13]。

單體構(gòu)造與節(jié)點:由于校園建筑的特殊性,圍繞中庭兩端大都分布空間形態(tài)統(tǒng)一的小單元,對小單元進行設(shè)計,實現(xiàn)建筑的裝配化生產(chǎn)[14-15]。完整的建筑單體設(shè)計如圖7所示,面對中庭及外部的立面均有調(diào)節(jié)系統(tǒng),同學(xué)們在日常生活中可以實現(xiàn)對建筑的調(diào)節(jié)[16]。單體內(nèi)部也呼應(yīng)建筑仿生小麥的生理機制,引入冷梁地暖,各種運輸物質(zhì)能量的管道(見圖7)[17]。

5 研究成果

在建筑的綠色技術(shù)方面,通過改造前后建筑采光和通風(fēng)的對比,可以得出最終建筑采光和通風(fēng)都得到很大提升(見圖8,圖9)。

6 結(jié)論

本文基于“以人為本”的可持續(xù)發(fā)展理念,以鄭州大學(xué)建筑學(xué)院為例,應(yīng)從建筑的仿生性、交互性、適應(yīng)性、裝配性等方面進行研究,具體如下:

1)師法自然——建筑應(yīng)具備仿生性:未來大學(xué)的建筑設(shè)計或改造,更應(yīng)倡導(dǎo)技術(shù)生態(tài)有機的整合,以實現(xiàn)建筑因時而變的自我調(diào)節(jié),從而達到建筑自然一體化的營造。

2)天人合一——建筑應(yīng)具備交互性:設(shè)計應(yīng)通過引導(dǎo)使用者參與到使用技術(shù)完成建筑調(diào)節(jié)的過程,實現(xiàn)了使用者對建筑技術(shù)的認知,從而達到人與建筑和諧相處的境界。

3)隨遇而生——建筑空間應(yīng)具備適應(yīng)性調(diào)節(jié)的能力:綠色校園研究應(yīng)關(guān)注建筑體形與環(huán)境之間聯(lián)系的內(nèi)在機制[18]。

4)化整為零——建筑應(yīng)具備裝配性:設(shè)計應(yīng)推廣建筑主體及內(nèi)裝全方位設(shè)計標準化、施工裝配化、管理信息化和運維智能化,通過建筑體系的集成運用實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[19-20]。

本研究探索發(fā)掘了校園建筑中具有可持續(xù)意義的綠色改造和創(chuàng)新策略,為相關(guān)綠色建筑改造提供具體策略,最終實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新設(shè)計,賦予校園建筑新的活力。