寒冷地区既有住宅与住区的绿色化物化探讨

■ 黄丽玮 HUANG Liwei 杨 丽 YANG Li 王万江 WANG Wanjiang

0 引言

我国住宅建筑业在经过以高耗能、高耗材为代价的近40年粗放式快速发展后，人均居住面积从1978年的3.8m2提高到2016年的40.8m2，其中，城镇为36.6m2。这虽已基本解决居民的居住面积问题，却埋下了居住质量隐患，也使城市出现了许多缺陷。在大量的旧建筑中，至少有一半必须要进行抗震、节能、适老、节水等改造，以解决人民日益增长的对美好生活需求和不平衡、不充分发展之间的矛盾。通过城市双修、绿色化改造等，免除大拆大建所造成的浪费和二次消耗，不仅能满足老年化时代到来的新需求和生态化发展的大趋势，也带来了十多万亿元的投资新机遇，让人民生活更好、城市更美[1]。目前，我国的绿色建筑发展与既有建筑绿色化改造还处于起步阶段，建设量和改造量占总建筑面积的比例还很低，绿色住宅建筑则更少。虽有既有建筑绿色改造的评价标准及众多学者对其改造策略和方法的研究与探讨，但由于国情、地情和认知上存在差别，经济状况和需求也不相同，因此，应依据具体情况因地制宜地进行选择，以解决既有住宅建筑的高耗能、抗震差、功能弱、低使用等问题，实现绿色化的物质化。

1 绿色化改造的物化理念

绿色化原指植树造林的绿化，是一种生产和生活方式，最早出现于1949年的《人民日报》。90年代后，绿色化开始用于生态领域，现已引申并发展至各个行业。十八大在“新四化”（新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化）的基础上又加入了“绿色化”，使“四化”变为“五化”，以促进各行各业的生态发展与良性循环，也表明我国政府对可持续发展的高度重视。

能源与资源的危机以及频发的自然灾害，导致人们不得不重视自然环境的保护与生态重建。作为能源和资源消耗大户的建筑业，也必然要做出新的选择。

20世纪60年代，美籍意大利建筑师保罗·索勒瑞，将生态学与建筑学两词合并，提出生态建筑学（Arology）的新理念；1969年，美国建筑师伊安·麦克哈格所著的《设计结合自然》出版，标志着生态建筑学正式诞生；1990年英国率先颁布的BREEAM，以及1992年“联合国环境与发展大会”提出的“可持续发展思想”，使“绿色建筑”作为一种设计理念应运而生，并成为了未来建筑业发展的趋势和方向[2]，使人们走出与自然的竞争及资源耗竭的困境，迈向与自然和谐共生、互利共荣的可持续发展新阶段。

1992年，我国提出“绿色建筑”纲要；2006年，颁布《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2006），并于2014年修订为“新绿标”，提出以遵循全寿命周期内“可持续发展”与“以人为本”为核心理念，最大限度地节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供一个与自然和谐共生的，舒适、健康的活动空间[3]；2015年，颁布以节约能源资源、改善人居环境、提升使用功能等为目标，对既有建筑进行维护、更新、加固等活动的《既有建筑绿色改造评价标准》（GB/T 51141—2015）。

随着能源危机、资源枯竭和环境恶化的来临，人们不得不重新注重材料的自然性、发展的可持续性，回归到以低碳、节能、环保、生态为主题的绿色建筑上，以及对既有建筑特别是既有住宅建筑和住区的绿色化改造上，并把绿色化设计理念以建筑物的形式进行表达，即绿色化物化。

2 寒冷地区既有住宅

2.1 寒冷地区的居住需求

属温带季风性气候的寒冷地区也称采暖地区，以夏季高温多雨、冬季寒冷干燥为典型气候特征，最冷月份平均气温在0～10℃，每年日平均温度≤5℃的月数为3～5个月。全年四季分明，但春、秋两季短暂，盛行冬季风，以偏西偏北风为主，温差较大、日照较丰富、空气相对湿润，非常适宜农作物生长和人类居住。依据气候特征，总体规划时，应考虑冬季寒冷期较长的采暖与节能措施，以及夏季多暴雨时的防涝排水措施；单体设计和构造处理中，应注重冬季防寒、保温，夏季部分地区兼顾防热，增加气密性防御寒风与风沙，在加强太阳能利用的同时，注重主要房间的遮阳[4]。

2.2 既有住宅建筑与住区

根据中国建筑能耗研究报告，至2015年底，我国既有住宅建筑面积约50 000km2，其中，城镇居住面积约24 800km2，且有一半属寒冷地区。在众多的既有住宅建筑中，由于始建年代不同，其结构、材料、保温隔热性能等存在较大差异。建成于2000年以前的城镇住房中，以福利性为主，存在基础设施不良、居住环境较差、抗震级别偏低、使用功能和性能不高、能源消耗量大等问题，急需进行改造。其建成年代与地域分布占比如图1所示[5]。

1952年，由前苏联引入，以标准设计为基础的单元式（梯间式）住宅[6]，是目前我国大量兴建的多、高层住宅中，应用最为广泛的住宅建筑形式，并以此为基础，构建了开放或封闭式住宅小区。从1986年以“统筹规划”为方针的城市实验住宅小区，到90年代中期注重质量提升的住房市场化、商品化的大规模建设，再到21世纪注入生态文明建设理念的多元化设计，住区的配套设施与绿色化环境逐渐得到重视[7]。这些早期住宅与小区虽已基本满足了住宅数量和面积上的需求，但受当时经济状况和技术条件限制，在经济高速发展后的老龄化、私家车等到来之际，以及公共设施需求增加和住宅环境亟需改善的大背景下，大多需要改造更新，以适应目前高舒适、低能耗的居住需求。

河南省开封市属寒冷地区。1994年，开封市为了解决城市居民的居住问题，在其古城东城墙外、河南大学东侧设置了苹果园生活区。至1997年，面积为4km2的住区人口已达4万人，现为人口高密度聚集区，区内均为无电梯、无暖气（除河南大学生活区外）的单元式多层住宅。早期是由市政府和不同单位兴建的福利住房，后期出现了商品式住宅小区，开放式和封闭式并存。由于建成时间不同，承建主体各异，因此，其空间布局、建筑结构、房屋质量等良莠不齐，区内市政设施与环境较差（表1）。

2.3 价值评估与病理诊断

2.3.1 价值评估

绝大多数既有住宅建筑为非保护性建筑，种类繁多、风格多样。因此，应以再利用价值为主，兼顾其建筑本身价值、社会心理价值和城市空间价值等[8]，按照可持续发展理念，结合全生命周期理论及既有建筑绿色改造评价标准，采用综合评价体系，对需要改造的非保护性既有建筑进行改造前的价值评估。依据建设年代、建筑结构、群落关系、周边环境、人文特色，对城市远期规划和利益驱使下的商业开发影响等多方面进行评价，并建立完善的定量和定性指标体系，综合判定其“去”与“留”及存留时间，判定其是否需要改造，包括其改造价值、改造更新程度及需满足哪些绿色化改造指标等，避免造成新的浪费和消耗。

2.3.2 病理诊断

对于既有建筑而言，造成其寿命缩短的主要原因并非建筑本身，而是由规划政策、经济利益等导致。因此，应在城市远期规划和发展需求的基础上，对需要保留的住区及区内住宅建筑进行改造前的病理诊断和综合评价。首先，应在深入调研的基础上，对住区及周边的整体环境和市政设施做出准确诊断，以便综合治理；然后，针对区内建筑，运用超声波、热红外成像、微波测湿及计算机仿真模拟技术等，对房屋病害进行综合评估[9]，找出病因根源对症整治，以达到事半功倍的效果。

表1 开封市苹果园住区状况

3 既有住宅建筑与住区的绿色化物化

据统计，截止2015年底，在全国约20 000km2需要改造更新的旧建筑中，绿色化改造项目占比不足1%。随着既有建筑绿色化改造需求的增多和逐步推进，绿色化改造占比与规模会逐年增大，将成为未来建筑业尤其是住宅建筑业的重要工作；而占据我国中原、西部、东北等大约70%地域的寒冷地区，因冬季需要较长时间采暖，能源消耗巨大，约占全国建筑总能耗的1/4，更是绿色化物化改造的重点，对能源节约、环境改善意义重大。

3.1 市政改善优化环境

老旧小区普遍存在以下问题：①变电站所老化、设计不合理、容量不足，以及区内线路缠结、线损和电能质量差；②供排水管线陈旧，尤其是排水系统，容易导致雨季积水；③交通状况堪忧，特别是私家车乱停乱放，占用消防通道，造成经常性拥堵；④缺乏合理的社区商业设置，占道经营严重（图2）；⑤小区内能源供应不良，环境绿化较差，垃圾处理不善。因此，基础市政设施的加强对绿色化物化有决定作用，不仅能改善环境、便捷交通，还能提高居住质量、美化城市，提升城市品质。

图2 住区内的不良环境状况

3.1.1 改进电力、通信

（1）通过对变电站所重新设计、线路线经整治，无功补偿、馈线自动化改造，电表智能化提升等措施，满足电器增多后的用电新需求。这虽然增加了一定的改造成本，但能累计节约大量购电费用[10]，并能适应阶梯电价，方便用电量查询与电费支付。

（2）优化升级电力通信、网络通信，改善管理与运营体系，为住宅和住区智能化及城市智能化奠定基础。

3.1.2 改良给排水

改造老化供水管路，避免渗漏造成的浪费与污染，提升智能化管理水平，惠及民生。

（1）通过暴雨强度计算，重新设计满足需求的排水管网，采用暗渠收集、加大泵站提升、截流式雨污合流排水体制等集中处理污水，避免雨季区内积水防止内涝。

（2）注重区内沟渠建设，不仅可接纳雨水，还能美化环境、营造休闲景观、浇灌区内植物等，达到水资源的节约与控制。

3.1.3 改善供能

（1）引入天然气，杜绝使用非清洁能源。检修管网采用多功能、高安全、智能化燃气表具，杜绝安全隐患。

（2）明确供热企业进行集中供热改造。采用循环水泵变频调速，加力站和直供系统安装气候补偿装置、总计量表和热计量装置；室外管网直埋铺设，并对原有管网中的管道与保热质量进行检查与检修；分环路与建筑物入口处设置水力平衡装置；采用分户计量方式，提高节约意识，确保节能前提下的安全用暖。

（3）若住区无法连接市政供热管网，特别是在限制燃煤供能和取暖的大背景下，可采用新型地下热能或太阳能等清洁可再生能源，以减少城市污染。

3.1.4 疏导交通

交通状况的改善对城市发展、住区繁荣及生态环境等都具有重要影响，可通过以下方式进行疏导。

（1）针对住区增设公共交通站点，改变封闭状态，打通局部断头路。

（2）综合地上地下与立体空间，在住区及公共场所合理设置停车场位，免除乱停乱放的后患，从而构建完善的静态交通体系。

（3）确保消防通道畅通，打造区内及区间通畅交通。

3.1.5 绿化环境

（1）加强区内外植物绿化，尤其是常青绿化，减少裸露地表与硬质铺地对温湿度调控的负面作用。在草坪绿化的基础上结合灌木、乔木等遮荫树木，形成复杂植物群落以降低温度，但应注意设置通风道[11、12]。

（2）改善住区及住宅周边的大环境，净化室内外小环境，以提高室内空气质量。

（3）加大区内垃圾收集站点密度并强化分类，鉴于住宅区内厨余垃圾较多的情况，可采用厨房厨余垃圾处理器、区内专设场所集中处理等模式[13]，做到区内实质性环境绿色化。

3.2 整体增固延长寿命

随着时间的推移，既有建筑的坚固程度将逐渐变弱，增固不仅能提高抗震级别和安全系数，也有利于延长寿命，尤其是对具有一定历史价值或纪念意义的住宅建筑。寿命延长是节约资源的一种重要表达形式，在判定建筑物所在地理地质区域、原设计后续使用年限及建筑物本身状况的基础上，依照《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—2017）进行加固，以预防为主，减轻破坏，减少损失。

3.2.1 抗震性能检测

既有建筑加固前的详细性能检测，可为改造、纠正设计或施工失误提供技术依据，为加固方案的制定提供指导。①搜集相关原始资料、调查现状、比对符合程度、找出缺陷；②资料不全或比对有误时，需要进行现场实际检测，考察其结构特点、构造和抗震承载力等；③采用逐级鉴定方法评定等级和抗震性能。

3.2.2 基础地基加固

对地基与基础进行检测鉴定后，依据沉降观测、是否加层等确定承载力，选择适宜的加固方法，通过加深、加宽、改良地基土体、设置墩或桩等加强地基基础，以增强承载力减小变形。

3.2.3 建筑物加固

良好的整体性是房屋坚固耐用的根本保障，而采用框架增固是强化整体性的最基本措施[14]。早期住宅建筑多为砌体结构，整体性较差，可运用外加柱、壁柱，混凝土或钢构套加固，外墙保温的同时采用钢筋网、纤维网等形成面层或板墙加固，以及架构外框架圈梁等方式，增强整体性以提高抗震性能。1966年，河北邢台地震后的外闪墙体经加铁丝网拉结后，在二次地震中没有倒塌，充分说明了建筑物外加固的抗震作用。

3.3 强化实用满足需求

建设年代和理念的不同，导致住区及建筑物的功能差异性很大。通过绿色化改造，可改善其使用功能，满足生活质量提升、私家车停放及老龄化到来的实际需求，从而实现真正意义上的住区绿色化物化。

3.3.1 住区开放

自2016年国务院提出开放住区理念以来，引起了广泛关注。尽管打开住区后会引起诸如小区安全、步行空间减少、物权法需适应等许多问题，但总体而言，最直接的也是最有利的是交通状况的改善[15]，人们可以享受到舒展的交通空间和便捷的出行与停车。街区制不仅是绿色住区建设的要求，也会诱导生活理念的变革、住区功能的改变[16]。

3.3.2 院落整治

（1）拆除住区内所有的违规、违章搭建，以及已不太适宜的自行车车库，打开院区围墙，扩展院落空间。

（2）重新规划住区布局与安全保障，增加绿化美化并提升环境质量。

（3）增设区内景观尤其是滨水景观，以利雨水收集并缓解暴雨后的水涝。

（4）合理设置私家车停车场位，并设置充电设施，以满足新能源交通工具的充电需求。

3.3.3 适老改造

随着老龄化社会的到来，许多既有多层住宅建筑对于老年人尤其是腿脚不便者已显现出诸多不便，因此，加装电梯已经成为既有多层单元式住宅的改造趋势。应遵循“业主自愿、政府扶持、因楼制宜”的原则进行改造[17]，实现无障碍通行。同时，通过智能化改造，并创建以住区或附近居民楼为单位的家庭住宅式养老模式，解决老年人的后顾之忧，使其能在住区颐养天年。

3.3.4 便民商业

治理和疏解“开墙打洞”式的临街密集无证小铺及低端或占道经营摊点，提升蔬菜食品零售、早餐、社区便利商业等的服务质量，建立品牌化、连锁化、便捷化，且能保障品质和服务的社区商业体系。建议采用地上地下及便民店与超市合理配置的综合运行模式。

3.3.5 颜值提升

由于建筑年代的局限，多数建筑都有其时代背景。在改造过程中，应加强规范以适应城市双修、城市修补的大背景，提升城市品质和颜值，协调整体市容。同时，在改造过程中，要注重其外立面的整洁性、美观性和安全性（图3）；要在提取城市特色基因与传统元素的基础上进行改善，注重突出特色，避免“千区一面”。

3.4 节能改造以利永续

节能改造是绿色化物化的重要内容，但不能只考虑运行阶段的能耗，而应当始终站在全生命周期的角度考虑[18]。要注重源头、注重整体，供应中减少损耗，使用时注重节约，改造围护结构以降低能源损耗，满足绿色化用能要求，尽可能降低总能耗，以利于可持续的健康发展。

3.4.1 广义能耗宏观控制

应从广义角度考虑建筑能耗，在注重运行能耗的同时，更要控制建造中的消耗（钢铁、水泥、玻璃等）能耗。“一拆了之”或“空置不用”，都已经消耗了能源和资源，因此，对既有建筑的更新改造和充分利用，是降低总能耗的良好途径之一。建筑寿命延长不仅有利于降低广义能耗，也有利于生态稳定和环境维持，彰显城市个性。改造过程中，应采用主动与被动结合的策略，在尽可能降低能耗的前提下，不仅要满足炎热地区的通风、遮阳、隔热，也要满足寒冷地区的采暖、防冻和保温等需要。

3.4.2 围护结构节能改造

围护结构是居住建筑的主体，也是绿色化改造的关键。既有住宅建筑由于受建造时设计、技术及材料的限制，大多保温性能较差，可通过改善传热系数、体型系数、窗墙比等[12]，减少建筑物的能源损耗，达到降低能耗的目的。

3.4.2.1 墙体保温增固

墙体对居住建筑能耗起决定作用，可采用内外墙体保温改造的方式，降低能源损耗。不同年代的住宅建筑，其外墙面有所不同，可视墙面状况进行处理。若需加固，可于底层、四周、户间及楼层或隔层构建钢筋混凝土框架，墙面挂网（钢丝网或纤维网），水泥砂浆找平，粘贴保温材料（每层及洞口处用A级材料设置防火隔离带）并安装锚栓，再涂抹面层并进行饰面修整。地基处与底层应做约1.8m高的防水处理，避免渗漏。规范处理外墙附属物，空调外挂机应加装外护罩，防止其脱落以确保安全，且位置要协调统一，以增强美感。

图3 改造前后的建筑外观对比

3.4.2.2 门窗隔热密合

门窗是热交换最活跃的部分，可采用换窗、加窗、改窗或玻璃贴膜等方法。更换或加装中空玻璃外窗，并使用加长型膨胀螺栓，要注意窗边缩尺发泡剂的填充，增加其气密性、水密性及抗风性。同时，针对夏季较热地区，可通过内外兼顾的方法进行遮阳，减少制冷能耗，提高热舒适度。

3.4.2.3 屋顶隔热防渗

屋顶是围护结构的重要部分，对能源消耗影响较大，尤其是年代较早的既有住宅建筑，其大多数楼顶及楼层多为预制板材而非整浇，需要对顶层进行保温与防水处理。①可改造成适宜当地建筑风格的坡屋顶；②通过对屋面进行强化防水处理与外周防护后填土，营造简易的被动节能式楼顶花园，既增加绿化又有效隔热与保温；③增加太阳能热利用及电热综合利用设施，减少常规能源的消耗。

3.4.3 充分利用再生能源

城镇住宅小区的可再生能源利用，应以太阳能或地热能为主要形式。可依据当地的地理和地质状况，统一组织使用地热能源。在条件允许时，可在屋顶与见光墙体上加装太阳能板，通过光电光热建筑一体化（BIPV/T）技术[19]，并结合太阳能相变储能技术，充分利用太阳能，减少对常规能源的依赖，实现常规能源的低使用甚至零使用。这不仅能减轻居民的负担，也有利于生态和绿色发展。

3.4.4 与自然和谐共生

住宅是人类长期停留的处所，其舒适程度及与自然的和谐程度至关重要。住宅环境的改善不仅能为人们提供健康的生态环境，也为和谐共生提供了有利的平台和机遇，尤其是在外部环境被严重污染的今天。和谐共生乃自然界的生存法则，如何使住宅建筑也能像植物一样会呼吸可调节，取之于自然、回归于自然，是我们未来住宅建筑建造及既有住宅建筑改造的愿望和梦想。

3.5 全程全责实施管理

既有住宅建筑的绿色化改造实施，是一项需要多部门共同协作、长期进行的复杂工作，应引入全程全责理念[20]并构建BIM平台，全程全周期监控改造的设计、实施与运营。

3.5.1 全程全责理念

全程全责是指以政府职能部门为主导，结合地理地貌环境、人文社会环境、城市远期规划定位，组织多学科、多领域的合作团队，对绿色化物化的规划、设计、实施、运营管理、拆除及后期处理等全寿命周期进行参与管控的管理运营模式，避免二次污染和浪费（图4）。可通过产业化、工业化、规模化、标准化模式实施，但要避免抄袭，要突出个性、彰显特色。

3.5.2 改造实施管控

良好的方案是有条件的，也具有一定的适用范围。我国地域广阔，地理、人文与经济环境等区域差异性较大，因此，应结合当地具体情况及远期规划制定改造方案，对方案进行生命周期评价（LCA），判断其经济与性能的优越程度，以及能耗高低及对环境的影响[21]。同时，在运用实验手段、计算机模拟技术的基础上，构建BIM平台，对全生命周期内的信息实行数据化管理。通过可视的、可以触摸的界面，全程管控各个环节，并对后期的拆除及拆除物进行处理和利用，确保绿色化物化改造能顺利实施。

4 结语

既有住宅建筑与住区的绿色化物化改造实施是一场革命，任重而道远。随着历史的演进和时间的推移，旧城及既有建筑的改造将会是长期行为，必须要长远考虑、前瞻规划，让既有建筑、老旧住区重新焕发新的活力。细节决定成败，要突破传统理念的束缚，克服许多技术与管理上的困难，进一步研究实施的具体细则，更加深入地研究适宜的实用技术和改造方法。通过政府政策的指导与支持，多学科、多领域团队的通力合作，新理念新技术的综合运用，模拟、实验、LCA等的评价修正，以及全程全责的施工与运营管理，设计并改造出满足居住需求，安全、舒适、低能耗（零能耗甚至负能耗），且能与自然和谐共生的绿色住宅建筑。

图4 全程全责法示意图