绿色建筑技术与书法艺术融合的建筑

我国地大物博，但因人口基数大，人均占有量其实很低，在经济长期高速发展下，对资源的需求不断增加，能源危机与生存环境恶化的矛盾日趋严重，节约利用常规能源和开发利用新能源，已成为可持续发展的趋势。这些年来，我国建筑行业取得了令人瞩目的巨大成就，同时，也使用并消耗了大量的资源，直接或间接地破坏了人类赖于生存的自然环境。建设工程会消耗大量的建筑材料，这些建筑材料的加工制作、运输存放，又消耗了能源，使用中也会产生大量的建筑垃圾，这些垃圾又形成了新的污染源，而运输和处理垃圾过程中，也会消耗能源；绿色建筑理念为这些问题提供了解决方案，同时，为建筑业的持久、健康发展指明了方向。绿色建筑要求从设计、施工到投入使用的全生命周期内，设计技术合理，施工工艺规范，维护成本低、建设周期短。要求建筑师既为业主设计出健康、舒适、低能耗、生态的工作或生活空间，还考虑到建筑寿命终结拆除后，对周边环境的危害、影响最低，最大限度地对自然环境减少破坏和对资源的最小消耗。

1 工程概况

万和堂坐落于天津静海经济开发区华厦科技园内，是天津华厦建筑有限公司静海分公司的办公用房之一，以奇石展示、会议、接待功能为主，占地面积882.00㎡，地下一层，地上五层，钢筋混凝土框架结构，建筑面积2 178.00㎡。建筑外观以两个体量不同的六面体叠合而成,上面的六面体经45°旋转后前后挑出，浮在池水之上，外墙饰面用花岗岩石雕刻的“和”字镶嵌，2 000余名国内书法名家的“和”字书法艺术与现代建筑融于一体，和谐、和睦、和顺、和畅、和美、和气的寓意，或篆刻或镂空，“和”尽显于建筑每一细部，气势宏伟，古朴震撼。见图1。

图1 万和堂

在建筑方案设计时，巧妙地将太阳能建筑发电技术、被动式太阳能建筑采暖技术很好地与建筑融合一起，太阳能利用率达到极限。项目设计中还把双层呼吸墙体技术、清水混凝土装饰技术、植物降温、地下室冷湿空气制冷、地源水制冷等较好运用其中。建筑达到了三星级绿色建筑设计标准,实现节能、环保、绿色、零能耗。在2017年和2018年“海河杯”天津市优秀勘察设计评优中，该项目以其独特的建筑艺术特点和超低的建筑能耗设计，荣获了“建筑工程公建”“装饰设计”及“绿色建筑”三项一等奖。

2 布局设计

建筑的可持续发展，要求建筑与环境能够相互包容，人文绿色与生态绿色在建筑设计中得到很好体现。绿色建筑设计要因地制宜，结合当地的环境气候条件，充分利用自然采光、自然通风，使用当地建材等，以减少能耗和减轻污染。万和堂项目选址时，充分考虑光伏发电及被动太阳能利用时，需要得到阳光直射，建筑沿基地一隅东西向布置，建筑周边空出较大的公共绿化空间，万和堂置于茂密的绿树丛之中，有溪流环绕，阳光普照，视野开阔，除北侧外，其东、西、南侧及顶层均能最大限度地接受到太阳光的照射，建筑与环境形成共荣共生和谐统一的整体。

该建筑在不影响功能和使用舒适度的情况下，充分利用了地下空间冬暖夏凉的特性，将部分展厅布置在地下，地下空间面积占整个建筑面积的21.1%，最大化、合理地利用了土地资源。地下一层全部为存放树化石的展示空间，南北两侧山墙下设置采光口，地下空间也可以享受到自然通风及自然光，装饰墙体沿地下室四周留出一定的夹缝空间，夹缝内数幅实景照片悬挂外侧墙壁上，透过砖花窗口修竹、迎春花郁郁葱葱，虽在地下，疑似室外景观的感觉，行走其间，砖壁林立，奇石万象，峰回路转，步移景异，清水混凝土顶棚素面灰颜，星光万点，一串串的圆形拱门，灯火阑珊，仿佛穿行在时光隧道，心旷神怡。

首层东西各一出入口，红砖板桥将室外道路引入门厅，狭小的门厅，实为节能而设的过度空间，取先抑后扬之道，迎面一片砖砌花墙，“和”字对联镌刻在周边玻璃门上，彰显书香门第，清秀华丽，正中悬挂匾额万和堂，两侧旁门连接大堂，宽敞的大堂内四尊花砖圆柱均衡立在其间，擎天揽日，中部7.20 m×8.00 m开口空间与地下层联成一体，空透宏大，砖砌牌坊四方粗柱从底层升起，巨大的砖砌“和”醒目嵌于中间，粗狂深邃，敦厚雄伟，曲廊砖台之上形态各异的灵璧石精品如林，栉比鳞次，北侧牌坊后布置两部疏散楼梯和一部电梯通往各层，便捷通畅。

二层为钟乳石展示空间，电梯厅、楼梯。电梯厅将空间分成两部分，北侧布置卫生间、楼梯间，南侧会议室。方形房间内套圆形会议室，取方圆合璧，天然合一之意,厅中央一砖砌圆桌别致新奇，18具原生树化石坐凳围列周边自然风尚，与分立在砖台及壁龛上形态各异的钟乳石相得益彰，在微弱的射灯映照下更显流虹变化，神奇迷离,东西两侧封闭露台上阳光明媚，绿色盎然，玻窗之上“和”字闪烁，疏棂穿壁。

三层是地上单层建筑面积最大的楼层，电梯厅北侧布置对空调要求不高的卫生间、楼梯间、配电室，南侧是开放空间，除奇石展示空间外还可以作为进行其他展览、会议等。

四层电梯厅北侧布置卫生间、楼梯间、储藏室，南侧是椭圆形报告厅，厅内砖砌的主席台、演讲台造型简练，自然古朴，大片的弧形与通透的砖花墙浑然一体，辉映斑斓，地面上摆放百余个高低胖瘦的木化石墩更显报告厅原生独特，典雅奇异，透过东西两侧花墙挑台上修竹浓绿，芭蕉葱郁，如同室外田园景观一般。

五层电梯厅北侧布置卫生间、楼梯间、操作间，南侧是接待餐厅，餐厅顶棚用生态木吊顶，简洁修展，纯朴浑重，四壁砖砌古架古朴新颖，强劲粗放，过透花墙光伏板下的温室内繁花似锦，春意盎然，绿色蔬菜四季常青，玉灿芳香，一片田园景色，景中有房，房中有景。西侧楼梯旁有一通向屋顶太阳房直梯，登上屋顶热浪扑面，果香沁鼻，宽敞的斜坡被动式太阳室内翠绿浓阴，生机盎然，犹入南国植物园。

3 节能设计

3.1 建筑体形设计

建筑物节能与地理位置、气候条件、朝向、围护结构保温隔热、太阳辐射强度等因素有关，在这些环境条件一定的情况下，建筑物的体形系数一般控制在0.3以下有利于建筑节能，建筑物耗热量指标随着建筑体形系数（建筑体形系数指建筑物和大气接触表面积与其大气所包围的建筑空间体积的比值）提高而增加。因此，建筑设计时应控制好体形系数，减小体形系数实际上就是减小建筑耗能，建筑平面布局尽量设计为紧凑型，通过增加建筑物层数，减少建筑面宽，加大建筑进深，避免少凹凸变化等设计措施，将有效降低或控制建筑体形系数。

万和堂建筑外形简洁、紧凑，体形系数为0.28，北侧围护面积只占总表面积的15.5%，东、西、南侧及顶层均在阳光直射之下，建筑得热、隔热设计做到了极致，建筑外表皮为双层，其空腔可呼吸，建筑节点、保温措施及通风处理合理有效，即使在夏季天气炎热、阳光直射，对围护结构的热工性能也影响甚微。各层卫生间、储物设备间等对空调要求不高的次要功能房间布置在北侧，这种布局也变相节约了能源；单体建筑虽为东西向布置，但建筑东西1～3层45°挑出4 m的造型，其下半部三层外墙掩在阴影之中，而围护结构设计成双层呼吸墙，上部三层房间全部掩蔽在太阳房内，上下通风顺畅，节能效果明显。

3.2 围护结构设计

围护结构节能设计主要是提高和改善围护结构的保温、隔热等热工性能，如外墙可用真空玻璃技术、复合墙体保温技术；屋面保温采用新型保温隔热材料、种植技术；门窗采用节能型窗框、节能玻璃，东西侧选用适用的遮阳材料或设备；地面选用舒适度高、热工性能的装饰材料等。

万和堂按节能75%设计，玻璃屋顶与被动式太阳能采暖设施同建筑完美结合。双层外墙可呼吸，靠室内一侧墙为保温墙体，与大气接触的面饰为花岗岩和保温玻璃幕墙，墙体之中留有＞0.15 m厚的空气间层。在被动太阳能阳光室顶部和二层斜挑空间底部，窗扇可自动或手动开启、关闭，窗扇在冬春季全部关闭，以阻止热量外泻，太阳辐射能量留在阳光房内供房间采暖；在夏秋季，窗扇全部开启，形成一个从底部窗口，经空腔、阳光室至顶部窗口贯穿的通风道，类似烟囱效应原理，空腔内的气流由热压引导自然上升，到达顶部窗口自然排出，形成连续的穿堂风，有效降低了围护结构其内侧保温墙体的外表面温度，减小了通过围护结构向室内传导热量。

四、五层挑台、退台及平顶阳光充沛，适宜的温湿度，再补足紫外线光及适当的通风控制，蔬菜、火龙果、玉米、高粱等农作物长势良好，修竹、芭蕉、花卉等更是四季如春绿色植物，不但减少了温室气体排放，还改善了室内景观环境效果。被动式阳光房为本建筑提供了所需采暖的清洁能源，同时，还为企业员工提供了免费的设施农业的温室暖棚，员工能在工作之余，通过农业劳作享受到了收获的愉悦，茂盛的植物枝叶更起到了吸热、遮阳并调节局部空气环境，减小了室内空间对空调的依赖，实现了节能。

3.3 节水措施

主要是使用节水型卫生器具以及将污水、雨水进行合理收集处理并循环利用。

卫生设备全部采用节水型；给水系统分为两个区，1～3层为低区，由市政管网直接供水，4～5层为高区，采用二次供水设备加压后供水；生活污水经华厦科技园室外管道收集后，统一处理，中水一部分回用冲洗厕所，一部分作景观绿化水；地面、屋顶上的雨水收集后导入景观水池；室内景观绿化采用滴灌系统进行浇灌，尽量减少水资源浪费并充分利用雨水和中水；室外地面设计为透水地面，饰面砖采用拆迁农房回收的旧粘土砖，砌筑时预留出种植绿草的孔洞，砖下铺粗砂、碎石，雨水先由面层吸收一部分，多余部分通过汇入收集层，再通过暗埋管道导入景观水池，补充景观水。

3.4 绿色建材选用

有些传统建材对能源和资源消耗较高，对生态环境污染程度也高，有悖于绿色可持续发展的理念，不宜在建筑工程中应用。绿色建筑要求材料除有优异的强度外，还要求节能、环保、耐久性好。绿色建材是指不用或者少用自然资源和能源，大量使用清洁生产技术及其工农业或者城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性，在使用期满后可以回收利用的，对环境和人类健康有益的建筑材料。

万和堂坚持简约设计理念，结构及装饰材料全部采用对资源消耗低、环境污染小的绿色建材并尽量少使用装饰材料，室内大空间更没有多余的装饰，梁、板、柱为清水混凝土；室内墙体采用清水墙，墙体及地面成品砖是用工业炉废弃耐火砖，重新粉粹压制，循环利用，其质感好,再经人工精致组合，古朴精美；幕墙用天然花岗岩火烧板及中空三层LOW-E玻璃、光电转换玻璃；围护墙采用自保温YL组合砌块，砌块是用工业废渣、炉灰等废弃物加工制成；室外透水地坪采用拆除建筑物回收的旧粘土砖等。

4 地下空间冷湿空气的利用

覆土建筑具有节能、节地，自身微气候稳定，防风、防尘暴，有利生态平衡和地方文脉保护等特点，在地表下3～6 m有一条恒温线，不受气候变化影响，一般保持在16～18℃。覆土建筑就是利用地下恒湿、恒温这一特点，室内实现冬暖夏凉。

地下层与首层空间联通一体，南北山墙下设置采光口，地下也能享受到自然通风及阳光照射。夏天，地下室阴凉、潮湿，一般都将冷湿空气排到室外，才能保证空气舒适。针对地下滞留冷湿空气特点，地下室底部与上部房间设计了直通的暗装管道，夏天直接开启风机将冷湿空气通过管道送到上部房间使用，房间内的送风口均匀布置在混凝土架空楼板内，向下排出微弱的冷风（类似风机盘管吹出冷风），同时，上层房间内的热干空气因负压作用，经房间门，再通过楼梯间、竖井回返到地下层，地下室地板、墙体与土壤、水接触，又不断地从中吸取冷量，这样循环往复，昼夜冷热交换，不断将地下冷量导入上部房间。室内梁、板、柱的清水混凝土（约80 m3）,墙体、地面装饰材料耐火砖（约710 m3），室内存放的奇石均为导热系数较大的重质材料，这些重质材料蓄能（热能、冷能）能力很强，平时吸收、储存房间内的冷量，当室内温度逐渐升高时，蓄存在重质材料中的冷量也将缓慢地释放出来，平衡室内温湿度；同时，地下室梁、板、柱及上层结构与底板联在一起，地下结构与土壤接触的冷源一部分也会通过混凝土结构体传至地上各层，因热桥作用也有效地降低了夏季室内温度，地下室夏季室内温度保持22～24℃，全天可为上部房间提供510.00 MJ的冷量，在供冷过渡期及供冷高峰期的中午之前，地下室的冷空气基本满足全楼使用。排到上部空间的冷湿空气，不仅避免了地下室潮湿、阴凉，还为上部房间免费提供了源源不断的冷湿空气，极大地降低了建筑对空调的依赖。

5 地源水在空调中的循环利用

炎热的夏天，随着室外温度的日益升高，室内需要更多的冷量，地下室的冷湿空气已不能满足上部房间的供冷要求时，空调自动控制系统开启水泵抽取地源侧冷水循环，地源侧约15℃的冷水，不通过热泵主机，直接进入地面辐射系统，地盘管辐射供冷，深埋在120 m地源井中的管网水与土壤冷热交换，免费使用地下冷源，与地下室冷湿空气共同为上部房间供冷，整个供冷期室内温度基本维持24～29℃，当遇到极端天气时，才开启热泵主机，7～12℃的冷水直接通入地面辐射系统供冷。

为防止楼地面结露，用吸水性较好的耐火砖做饰面层，地盘管在楼面内循环，面层与空气接触结露形成的冷凝水，在室内湿度≯70%时，全部由耐火砖地面吸收，地面保持干燥，如果遇到连续的极端潮湿天气或空气湿度超过70%时，除湿系统将自动启动，及时排除过高的室内湿气，避免了地面结露，保证了室内环境的舒适。地盘管中循环的冷水没有经过冷凝机组处理，没有动力二次转换，是直接利用循环，有效地节约了空调运行费用。

6 被动式太阳能采暖技术应用

利用“温室效应”原理为建筑提供热能，其供热方式分为被动式太阳能和主动式太阳能两种。被动式太阳能是利用太阳能直接为建筑室内供热，无需其他机械装置运行提供能源，通过传导、辐射、对流的热交换过程，对太阳能实现收集、储藏、分配及控制，收集以被动式太阳房为主，太阳房外围护结构要有具有较大的热阻，以阻止热能外泄，室内有足够和良好的蓄热性能力，实现热能的储存，室内一般多采用砖石、混凝土等重质材料或设计蓄水箱用来蓄存热能。

万和堂西北侧的建筑群是阻挡严冬寒风的天然屏障，其他三面视野开阔，无任何遮挡，光照充裕，为太阳能的采集、利用提供了良好的外部条件。万和堂建筑上半部为东西向45°两坡玻璃屋顶，南墙面及东西倾斜的玻璃顶全部暴露在阳光直射下，856.00 m2（含透光率10%的光伏板585.60 m2）的玻璃幕围合成一个高11.78 m的尖塔状玻璃阳光室，见图2。

图2 玻璃阳光室剖面

围护结构为三层中空保温玻璃，阳光透过玻璃墙进入阳光室，尖塔室内顶部设计分设四组通风机组，风机、管道通至各层房间，当顶部空气温度升至25℃时，风机温控伐自动启动风机，阳光室内热空气通过管道自动分配，输送至下层各房间，直接或间接被墙体、梁、板、柱吸收蓄存，日间还可以开启阳光室与三、四、五层房间相通的采光窗对流热空气，夜间随着室内温度降低，储存在墙体、梁、板、柱内的余热缓慢地释放出来，平衡房间温度，经计算，白天太阳辐射平均日得3 179 MJ的热量，基本满足室内供暖需要。遇到极端天气时，太阳热能已不能满足供热需要，备用地源热泵采暖系统自动开启供暖，45～40℃的低温热水，通过管网进入地板辐射供暖系统向房间辐射供暖。

7 传统砖技在室内的巧用

粘土砖自古以来就广泛用于修建房屋，只因占用农田，浪费土地资源才停止使用。粘土砖因其不变形、不褪色、不变质、无维修费用，质感自然粗犷的特点，在室内装饰中也常常使用。

万和堂项目中的室内隔墙全部使用回收耐火砖，这种耐火砖是工业炉废弃经重新粉碎、加工烧制，与传统粘土砖有异曲同工之处，而且质地更加优良、粗犷，室内饰面墙体、地面全部采用清水工艺，人工砌筑，经出挑、镂空、拼花、平拱、圆券巧妙组合，环廊通幽灵动，墙壁参差旖旎，壁龛错落有致，斗拱叠悬豪放，柱式通透奇特，“和”字攀墙，奇石若林,景墙千姿百态，玲珑剔透，古色古香，楼面小砖拼花图案清新迤逦，方正流畅，自然清秀，返璞归真，墙壁上砖砌的“和”字照壁巧斧神工，雄浑粗犷，在漫射的阳光辉映下五彩斑斓，幽古空透，砖花烂漫，集中展现了红砖艺术的精华。见图3。

图3 耐火砖装饰效果

耐火砖为重质材料，导热系数较大，有很好地蓄冷热能力，利用砖的这一特性，使用中通过自然通风降低室内温度，减小对空调制冷的依赖。在炎热夏季的夜间，房间窗户部分开启，凉爽的空气穿堂对流通过，砖地面、清水混凝土梁、板、柱的外表面、砖墙与空气冷热交换，空气中的冷量被这些重质材料吸收、储存；白天室内窗户全部关闭，随着房间温度的慢慢提高，重质材料中储存的冷量也将缓慢地释放出来，平衡房间的温湿度，这样，昼夜循环往复，就有效地降低了夏季房间的温度。寒冷的冬季，当需要开启采暖热泵设备时，采暖热泵系统是利用夜晚低谷电力，实现电力负荷“移峰填谷”，很大程度上节约了采暖热泵系统运行费用，这也变相地节约了能源，地源热泵在夜间开启，进入地盘管采暖系统散出的热量很大一部分由导热系数大的墙体、地面及清水混凝土楼板、梁、柱吸收、蓄存；白天随着房间温度徐徐降低，重质材料中储存的多余热量缓慢释放出来，用于平衡房间温度，满足房间采暖需要。

耐火砖的吸水性和透水性能较好，利用这一优势，在空调制冷系统设计中，末端直接采用地盘管循环辐射冷量，楼板一侧通过保温、防水等技术处理，避免了楼板与空气接触产生冷凝水以及向下渗透，地盘管上部与空气因热桥产生的凝结水，直接被饰面耐火砖吸收，保持楼面层干燥、不打滑，当房间空气干燥时，储存耐火砖中的凝结水又重新蒸发，调节了室内湿度，增加了室内舒适度。

8 太阳能光伏发电的应用

天津为光照II类地区，光照充足，特别适合太阳能发电。太阳能光伏发电系统是利用电池方阵，以光生伏打效应的原理制成的，将太阳能直接转化为电能，具有安全、可靠、无噪声、无污染、无需燃料、无机械传动等优点且不受地域限制，与建筑物结合方便，建站的周期短，大小灵活，故障率低，维护简便，是最重要的清洁能源之一。

万和堂的南立面安装了非透光标准组件211.00 m2的65 W单晶硅电池组，坡顶安装了10%透光率、共585.00 m2的透光组件，这些组件按每天有效标准光照数平均为3.8～4.8 h，太阳光总辐射量为6 000 MJ/（m2·a），光电转换率按28%，系统转化效率按80%计算，装机容量为62.9 kW·h，总发电量为6.70万kW·h/a，建筑总耗电量为4.9万kW·h/a。在晴朗的白天，太阳能电池板阵列，将太阳能转化成直流电力，再经过逆变器转变成交流电力，当发电量大于使用设备消耗电力时，剩余的电力返送华厦科技园局域电网。阴雨或多云天气的白天，发电量小于用电设备消耗的电力时，不足部分由华厦科技园局域电网补充。在夜晚太阳能系统不发电时，用电设备则完全由华厦科技园局域电网供给。万和堂采光、照明在充分利用自然光之外，照明系统采用分区、分组控制，高效率的LED节能灯采用红外线、声控制等，也有效得节约了能源。

9 结语

绿色建筑的建设实施，能够把各种能源、资源有效、合理运用，最大限度地减小了对常规能源的依赖及消耗，也减少了对自然环境的破坏。绿色建筑设计必须根据所在地的实际情况，从环境特点、建造方式着手规划设计，利用各种不同的绿色技术，有效地增强和丰富建筑室内的舒适性，保证人们健康的生活环境。万和堂项目设计，充分体现了“绿色、节能、环保、低碳、生态”的先进的设计理念，为绿色建筑发展提供了一个很好的成功案例，其建设成本、运行参数以及建成的实际效果可控。