基于绿建软件应用的台地式花园楼改造设计

范子豪,李海英

(北方工业大学，北京 100043)

1 引言

目前，国内建筑研究院应用较多的绿色建筑评价软件是基于CAD的绿色建筑评价软件——绿色建筑斯维尔软件[1]。该软件是由北京绿建软件有限公司开发的建筑性能模拟软件[2]，以插件的形式集成在三维建模软件之中，入手相对简单，并且软件界面为全中文，非常适合国内相关人员的使用。软件从风、光、热、声、节能等不同角度分析和优化建筑性能[3]，从而达到建筑性能模拟链接建筑设计的作用。绿建插件可以即时获取AutoCAD软件中模型信息并处理[4]，用于衡量房屋改造前后的舒适性和合理性，通过紧密结合国家标准规范对建筑予以评价，可以用来判断设计的建筑是否为绿色建筑，并能确定其绿色建筑等级，指导建筑设计，给房屋改造提供合理的依据[5]。

2 花园式住宅现状及分析

2.1 项目介绍

花园住宅采用层层退台方式、模块化建造,并为每户提供一个“私家花园”[6]。花园楼建成37年来没有维修改建，由于人口构成的改变、居住要求以及节能标准的提高[7]，因此小组尝试对其进行节能判定和设计改造。绿建软件设计流程包含5个步骤，如图1所示。

图1 基于建筑改造设计的绿建软件应用流程

2.2 前期调研

建筑的布局会直接或间接影响建筑的通风采光、室内温度、湿度、通风、能耗，因此，最大限度地利用被动式设计策略保证室内热舒适至关重要[8]。

2.2.1 户型分析

花园楼每家每户都配套花园阳台，且楼层越高单个户型的总面积越大。建筑首层单户面积最小，进深最大，这就使得层数越低，自然光越无法到达建筑深处房间。二层开始，建筑的部分公共通道被划分进房间，房间开窗直接连通天井，每层的公共空间尤其是被划归为室内的相对位置都需考虑采光和通风问题。统计户型数量后可知一室一厅一厨一卫一阳台户型(小套)的房间占很大比例(图2)，且多集中在建筑首层，采光通风问题较大，可作为典型户型模拟分析。

图2 花园楼标准单元户型统计

2.2.2 采光通风问题

以花园楼标准单元首层为典型案例分析(图3)，A、B、C、D和G户型进深大，卧室南向采光充足，但由于起居室和卧室之间的隔断，起居室被迫只有间接的自然光。A、B户厨房(红色虚线标注)开窗朝向天井，自然采光差，且各层厨房开窗户炒菜时天井会有串味问题存在。C、D和E户厨房(黄色和绿色标注)开窗朝向建筑公共区域，厨房与与天井之间相隔着走廊，并且天井拔风效果并不明显，家庭做饭的高峰时段无法有效地排出烹饪所产生的异味气体，因此走廊和与走廊联通的楼梯间、天井都会有串味问题的困扰。F、G户得益于北向开窗，能够有较好的自然采光和双向通风，居住体验略强于其他住户。

2.2.3 外立面遭破坏

大部分住户都选择封装露台(图3灰色区域)，露台封装采取了彩钢夹芯板和塑钢窗，颜色不同致使外立面不统一，影响了建筑的美观和整体性。封装露台使原本直达卧室或起居室的阳光受阻，使各户采光不足的问题更加突出，尤其体现在低层。同时，院子的加建未经统一设计，污水自由排放，建筑外围护的隔热性能也无法保证[9]。

图3 花园楼1号一层部分平面

2.3 原有建筑热工性能模拟

原有花园楼主体为砖混结构，楼层居室、方厅、楼梯间等主要楼面的做法是在钢筋混凝土楼板上素水泥浆结合层一道，再用豆石混凝土随打随抹平，上撒水泥沙子后压实赶光。单元门为木质双开大门，入户门为钢制防盗门，窗户均是空腹钢窗和单层玻璃。利用绿建软件进行原建筑性能模拟，从软件计算出的结果来看(表1)，建筑中存在较多不满足《北京市居住建筑节能设计标准》(DB11/891-2012)的地方[10]。

表1 改造前花园楼规定性指标检查结论

体形系数越小，则各部位传热系数取值的上限越大；反之，体形系数越大，则各部位传热系数取值的上限越小[11]。花园楼的设计作为改变“大板楼”刻板印象的试点，有着特殊意义，为了保证每户配套花园阳台和层层退台的复杂形式，单位的建筑体积会分摊到较多的外表面积，且天井处的墙面也被算作外表面积，会加大体形系数。虽然不同朝向及屋顶的开窗面积都经严格控制，建筑原体型系数与现行标准差距较大[12]。

通过模拟结果报告分析，房屋的屋顶、外墙、分隔采暖与非采暖空间的隔墙、挑空楼板、户门、窗等围护结构的保温隔热性能已经不能满足现行的住宅标准，在软件的性能模拟中的表现不理想。既有建筑的改造中，围护结构的改造是重中之重，性能良好的围护结构可以使得建筑能耗降低[13]。

3 建筑节能优化改造设计

3.1 建筑热环境的优化设计

3.1.1 屋顶绿化+墙体绿化

由于绿地面积减少、高建筑密度导致的低风速以及街道表面涂层材料的变化[14]，使得住区温度通常较高，花园楼的围护结构还是20世纪产物，保温隔热性能不能满足现行标准，夏季室内体感较热，尤其是建筑顶层。改造设计从屋顶入手，通过屋顶绿化、垂直绿化等调节热环境，使保温隔热效果得到了改善，也有景观美化的作用。种植的绿植夏季形成荫蔽，冬季叶片凋落，形成自动百叶给人提供舒适的热环境[15]。

3.1.2 预制装配式阳光间

根据入户调研结果中住户的需求——需要更多的居住空间，且北方大量露台不适宜当地气候[16]，导致多年来住户自己私加乱建露台部分造成市容的影响，因此针对现状进行了花园楼的露台改造，设计统一加装预制装配式阳光间，一方面减小了整个建筑的体型系数，另一方面使建筑具有整体性，美观加强。原有阳台特色的院墙加装预制式钢框架和半特朗勃墙后外包双层中空玻璃组成主体，东、西面墙采用垂直绿化，通过夏季冬季植物作为天然百叶的调节，以及白天夜间窗户和百叶的开闭，使室内维持在一个舒适的温度，减少空调、暖气等能源的损耗。预制装配式阳光间在屋顶装配太阳能光电板，利用太阳能转化为电能[17]，为住户提供用电，减少了能源的损耗。

3.2 采光体系的优化

对建筑首层进行采光模拟(图4)，天然光无法到达室内深处，在建筑天井顶部外墙处设置采光装置，让自然光通过中央光导管及分光导管进入建筑每层的内部空间，通过漫射器使自然光均匀的散布于室内[18]。系统中空密闭，保温性能良好，不会给室内带来热负荷效应。

图4 改造前首层采光效果分析

原建筑部分卧室和起居室的采光不满足标准，对比改造前后的分析报告能明显发现改造后采光达标率有明显的提升，达标面积的比例从一半提升到了74%。对室内采光的调整不单影响了日常起居空间，还使公共区域(楼梯间)受益。以采光问题最严重的一层为例，增设预制式阳光间前后的采光效果分析彩图显示：楼梯间的采光系数明显提升，从大部分位于0.5-1.0区间跃升至1.0-2.0区间，起居空间窗户附近和天井处窗户附近的采光系数也直线飙升(图5)。并且得益于导光管的安装，自然光可以到达房间的更深处，填满房间的角落。

图5 改造后首层采光效果分析

3.3 风环境的优化设计

针对通风问题和排烟问题，在天井顶部结合当地季风性气候设置了风塔(图6)，利用热空气上升，冷空气下降的原理，以及内外风压不同产生拔风进风的原理[19]，还结合了季风转换风塔调节开启窗扇，实现建筑内部空气质量的改善。还对改造前后的模型进行了室内风速模拟，并且依据模拟计算结果分析效果，显示风塔拔风效果明显(图7)，使夏季建筑室内风速整体提升。

图6 天井顶部风塔示意

图7 改造前后剖面风速对比

3.4 声环境体系的优化改造设计

现有的主体砖混结构和钢筋混凝土楼板模拟中不满足现行的隔声设计标准，但与评测标准相差不大，设计适当增加垫层厚度或铺设缓冲材料后重新模拟。建筑的隔声问题主要由于门、窗等构件的透射系数大，隔声性能差。

根据《声环境质量标准》GB 3096-2008中对于声环境功能区的划分，花园楼属于1类以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能，需要保持安静的区域。由于建筑在学校内部，声环境质量良好，校内道路限速严格，且校内禁止鸣笛，区域内无明显噪声，噪声的来源是校外五环快速路和学校北门外使用率不高的铁路。模拟计算结果彩图显示由于建筑周围的校园公共建筑遮挡(图8)，公路噪声对花园楼室外噪声影响可以忽略，而部分围护结构的隔声性能有不满足项，需要通过外围护结构改造设计来优化空气声隔声。

图8 场地噪声颁食俯瞰(昼间)

建筑声学相关标准中对建筑内外围护结构中各类门窗、墙体、楼板、屋顶及地面的隔声性能做出了明确要求。建筑施工图表明楼板和墙面为钢筋混凝土结合素水泥浆，经计算楼面密度满足标准，简单的室内家装(如铺地砖、木地板或地毯等)就可使楼板的撞击声隔声性能达到现行国家标准，评分优秀。而空气声隔声性能评价不理想，查看报告书发现主要原因是门窗构件由于透射系数大，在空气隔声量计算中不占优势，所以替换了老旧的钢窗改为断桥铝合金双层中空玻璃窗，并在新加建的预制阳光间选取了断桥铝双层中空玻璃，满足了国家现行标准(表2)。

表2 花园楼改造前后围护结构隔声性能评价结果

3.5 建筑节能改造设计成果模拟分析

根据软件计算的分析结果，也可以对比得出住宅类很难完全达到控制建筑能耗的同时满足室内舒适，但经过改造设计基本符合了《北京市居住建筑节能设计标准》(DB11/891-2012)、《民用建筑热工设计规范》(GB50176)的规定。下文结合改造设计图纸和分析报告说明改造中较典型的问题和处理方法。

预制式阳光间虽然增大了建筑物与室外空气接触的外表面积，也相应地增大了建筑面积，加大了建筑物的栋深和体量，极力缩小体形系数。虽然在改造设计中已经通过封装露台和加装风塔把原天井处的建筑外立面变为室内空间来极力减小建筑的体型系数，但是花园式台地的特殊设计理念，无法通过简单的改造来改变此建筑的结构，使得只能让建筑系数趋近标准要求规定的数值(表3)。

表3 改造前后花园楼体型系数检查

老旧的居住类建筑建设年代较早，存在不符合现行建筑规范标准的问题，在改造设计中严格控制建筑的开口面积和形式，改善外围护结构等方法使的建筑中的除体形系数的规定性指标都趋向标准值，但由于台地式花园体型系数较大，改造后体形系数指标也无法达到标准要求，关于建筑的能耗权衡计算结果还是无法满足标准(表4)。权衡计算需要所有检查项都满足才能得出满足的结论,虽然此项计算结果不满足，但是通过使用断桥铝合金双层玻璃、更换隔声透射系数低入户门等改造设计手法提升了建筑围护结构的性能，也使得改造后花园楼除权衡计算外的检查项都达到了满足。

表4 改造后花园楼热工性能权衡判断

4 结论

本文使用了绿建模拟软件权衡判断建筑热工并链接绿色改造的建筑节能改造策略，改造时可将建筑及场地模型导入建筑模拟软件中计算建筑物理性能，相较于传统的模拟软件可以及时获取建筑模型信息并使用软件进行优化处理。此次改造设计通过建筑围护结构的改造来优化建筑热工、风环境、采光和噪声的缺陷，例如风塔的加建对建筑性能改善效果明显，应用拔风原理改善建筑风环境，在分析报告中也能看出建筑室内风环境有明显改善，并且将内庭的建筑外表面变为室内面积，尽可能地减小了体形系数。基于绿色性能的建筑节能策略是推进建筑节能设计的最佳对策。综合节能设计策略可以实现高效节能目标。在既有建筑的绿色节能改造中，量体裁衣、合理应用绿色节能技术显得尤为重要[20]。