数字化科技联动绿色建筑设计理念

赵 妍，李柱梁，彭云东，王玥

（吉林建筑科技学院，长春 130114）

“双碳”背景下绿色建筑科技已成为初设阶段的评价内容。严寒地区节能降碳潜力大，结合学科竞赛对既有建筑进行绿色改造相关设计和技术探讨可以带来经济和社会效益。严寒地区自然环境相对恶劣，四季温度变化较大，对建筑室内物理环境要求较高。基于“碳中和”目标，我国既有建筑60%是不节能的建筑，这与新时代所倡导的美好生活理念相悖[1]。根据性能表现的严寒地区既有建筑绿色化改造方法，建立基于性能模拟的敏感度预测模型，结合建筑光环境、声环境和舒适性等性能指标，整合优化改造措施，降低既有建筑改造试错成本，对既有建筑改造综合性提升有指导意义，从多学科视角完善了方案设计阶段建筑改造技术措施选择，是我国实现“双碳”承诺的有效途径[2]。

1 项目概况

1.1 气候分析

长春地处东北地理中心，春季干旱多风，夏季温暖短促，秋季晴朗温差大，冬季严寒漫长。年平均气温4.6 ℃，年降水量600～700 mm，全年冰冻期为5 个月。

1.2 方案简介

科技竞赛要求作品改造真实场地，营造绿色社区，自拟场地师生在此过程中会基本了解绿建评价标准相关条文，以便后期星级评价得到一星以上分数。最终公建项目选定位于长春市朝阳区的某教学楼建筑，北邻桂林路商圈，西邻南湖公园；四周有吉林大学南岭校区、吉林艺术学院和东北师范大学附属小学等学校建筑。校区500 m 内有多处公交站点及地铁站，交通便利，环境优美，设施齐全。本次参赛项目于2005 年设计建成，建筑为7 层混合结构，面积为9 574 m2。绿化率30%，体型系数0.17，功能用途为教学楼。

1.3 设计理念

设计以“绿色”科技为机要点，秉承可持续发展观和以人为本的初心，力求在满足环境、卫生和舒适度的同时高效运行被动式节能方式，提升资源利用降低能耗，实现节能环保兼具的科技建筑。

暖——单体朝向选择及空间布局适应气候特征，结合严寒C 区气候条件和原建筑风格，改变围护结构保温性能，使严寒地区建筑在节能的同时获得温暖舒适地体验。

阳——科学引入通风中庭和采光天井，玻璃幕墙设计增加了阳光的摄入，配合太阳能板设计提高清洁能源利用率，降低建筑能耗。

苑——改造的教学楼。简洁的体量和立面设计形成了较低的体型系数，营造出宜人的教学环境，符合教学类建筑学术庄重典雅的氛围（图1）。

图1 科技智能建筑效果图

1.4 现状问题和初步改造方案

老旧教学楼改造前教学楼内光线昏暗，全靠人工采光，教学楼外立面的内凹设计，不仅浪费了使用空间，而且没有起到预期的采光效果。建筑存在厕所老旧、走廊灯光昏暗等问题。自然光利用率低且走廊内长时间开灯，浪费电力资源，且西侧功能空间下午西晒问题严重。现有建筑冬季供暖条件不理想，冬季冷风渗透问题严重，门窗老旧，严寒冬季建筑室内温度较低，不利于师生日常生活。

通过BIM 技术建模后，导入斯维尔软件进行性能模拟，对改造技术措施进行优化选择。对建筑整体和周边环境进行重新组织设计。结合海绵城市理念对建筑周边绿地进行重新设计，增加透水铺装地面，环保型雨水口，增设电动汽车充电设施。在改造前各个平面存在较多问题，但为减少建筑在改造中的碳排放量，也尽可能减少大量拆建。为增加教学楼内部空间趣味性，在一层布置通高展厅；结合后疫情时代需求，在原南侧入口处改建了医务室和隔离室，同时为了适应未来融合式教学常态化，把个别会议室和教室改为混合式教学教室。

2 基于BIM 技术的建筑室内外环境模拟分析

2.1 体型系数

在严寒地区，通常可以以减小建筑表面积、减小体型系数的方式来达到建筑节能的目的。建筑改造过程中，针对原有建筑内凹立面进行调整，原有立面不利于采光的同时也导致体型系数较高。改造后变成圆弧形立面，在造型上更丰富生动联动，同时对于体型系数的调整也达到了一定的节能目的。

2.2 建筑碳排放

通过碳排放模拟分析，外墙改造同时在岩棉板外侧增加了BIPV 光伏板，降低建筑运行碳排放同时还能让建筑产生清洁能源，推动我国顺利实现碳中和目标[3]。利用南侧墙面3—6 层平台种植藤蔓植物作为墙面绿化措施增加碳汇。

2.3 绿色建筑评价

绿色建筑评价评估报告显示：本项目最终得分79分，二星级，改造后本项目在安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居、提高与创新6 大方向均有改善（图2）。

图2 绿色建筑评价评估报告

3 既有建筑绿色改造的方案选择与技术运用

3.1 被动式节能方式的运用

岩棉热阻大兼具保温、防火性能，是建筑围护结构A 级防火的优质材料，适用东北地区冬季外围护结构的保温[4]。改变A 级岩棉板厚度达到设计要求。增加颜色较深的外墙材料进行装饰，加大南向房间的采光面积和窗地比，以提高得热性能。外窗改造方面把原60系列（三腔）（空气）4+9A+4+9A+4 暖边密封构造改为Low-E+白玻中空5+12A+5Low-E+9A+5 铝条密封、70系列平开推拉窗（五腔）（氩气）4+12A+4Low-E+12A+4暖边密封、幕墙为断桥铝5+12A+5Low-E（氩气）断桥宽24.0 mm 胶条封边3 种构造类型，提高了围护结构热工性能。改善了原外窗建筑年代已久，窗户气密性较差，冬季冷风渗透量较大的问题。建筑屋顶改造方面提高屋顶保温材料EPS 保温板厚度，设置保温屋面，提高屋顶蓄热能力，在防水层上直接设置保温隔热层。

3.2 主动优化节能

3.2.1 可再生能源利用

1）太阳能光伏板。在建筑屋顶设置太阳能光伏板，建筑外立面安装太阳能光伏面板，并结合BIPV 板实现光伏建筑一体化，实现建筑西立面局部遮阳及视线遮挡，保证空间的私密性，防止室内眩光。降低建筑能耗的同时还能让建筑产生清洁能源，推动我国顺利实现双碳目标。光伏发电用于公共区域照明，余量并入电网获取收益。

2）新能源汽车充电桩。结合GB/T 50348—2014《绿色建筑评价标准》技术要求，配备车辆充电设备，减少城市汽车尾气及温室气体排放，是绿色建筑为实现我国碳达峰、碳中和的技术贡献[5]。

3）地源热泵。增设地源热泵，其具有一机多用、维护费用低、污染小、寿命长和节省空间等优点，能有效地改善室内热舒适度，地埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗。太阳能源多次利用是可持续发展的体现。

3.2.2 海绵城市理念。

1）屋顶雨水收集利用。在设置沿口绿化的南侧屋顶处设置集水槽，收集屋面雨水，用于浇灌南侧沿口种植的绿化植物，减少雨水径流，降低地面排水压力。

2）透水铺装地面。本项目停车位布置在水泥混凝土路面上。改造时采用海绵理念，将停车位改造为混凝土植草砖，停车位草坪覆盖率达到30%，夏季可以降低园区地面热量反射，改善热岛效应。

3）环保型雨水口。按照规范在校园道路内的雨水口增加拦污篮，从源头拦截雨水中较大的污染物。滤水桶设置孔隙，滤水桶上设有溢流口，雨量较大时可以直接溢流。下部设有沉淀区，可积淤深度为300 mm。出水管前设置防臭管，拦截浮渣油污，阻挡臭气。能够去除25%雨水中的固体悬浮污染物[6]。

3.2.3 节水器具及防疫设计

1）节水器具。卫生间原采用的大便槽统一改造为一级节水器具，按照CJT 164—2014《节水型生活用水器具》坐便器冲洗水量不大于4 L；小便器及水龙头采用感应龙头，小便器冲洗水量不大于2 L，水龙头水嘴流量不大于0.1 L/s。

2）后疫情时代改造。基于后疫情时代，对建筑防疫设计进行反思，在原南侧入口处改建了医务室和隔离室，同时为了适应未来融合式教学常态化，把个别会议室和教室改为混合式教学教室，以适应后疫情时代对教学楼的要求。

3.3 绿化固碳

建筑南侧立面在3—6 层平台上种植藤蔓植物作为墙面绿化措施，夏季遮挡阳光，体现立体绿化与外遮阳的等效热阻优势，冬季植物枯萎可充分利用日照辐射得热，提高室内房间温度[7]。

4 数字科技振兴高校学术建设

科技学科竞赛充分调动学生参与课程的积极性，使教学模式更加生动，使学与用融合得更好，相互促进。学生可以在短时间内得到专业水平的提升。不同的设计理念碰撞能够开拓学生视野，帮助学生得到更好的发展。教师在指导竞赛过程中完善了自己的知识储备，同时可以用学科竞赛促进科学研究的发展，在学科竞赛中总结经验促进教学改革发展。产学合作协同育人可以达到推动人才培养创新发展的目的。数字化学科建设应将社会需求、企业需求、科研成果与人才培养无缝衔接、创新并推广。

5 结束语

“碳达峰”“碳中和”是我国对世界做出的郑重承诺，“双碳”目标已成为贯彻落实生态文明建设国家绿色发展战略的重要任务之一，发展绿色建筑是建筑领域实现“双碳”目标的重要途径。参加绿色建筑设计技能大赛不仅丰富师生的实践经验，同时也可以满足建筑类院校对绿色建筑教学的需求，由于BIM 技术其信息化、参数化及可视化的特点为绿色建筑的设计提供了更有效的解决方案。

国家支持开展绿色低碳技术发展，学科竞赛可以引导学生从竞赛中了解绿色建筑、了解节能减排，实践中学到的知识水平比教科书中理论知识的掌握更扎实。同时，也可以在专业课程设计融入节能减排理念，从而在思维上植入绿色概念。国家倡导积极推动既有建筑节能改造，通过对一批高能耗、低能效的既有建筑实施节能改造，提高建筑运行能耗、降低建筑碳排放。可以实现我国“双碳”承诺。因此，绿色设计竞赛是在学生、教师、产学合作与社会实践等多方面积极响应“双碳”目标。