倡导绿色生态建筑下的被动式设计——以震旦园区新建办公楼设计为例

郑 瑾

上海市建工设计研究总院有限公司 上海市 200235

摘要：绿色生态建筑已是当代建筑的主流趋势。随着国家对建筑设计规范做出进一步的细化调整，各类型的建筑设计逐步向被动式设计转变，用建筑自身的被动方式，来替代借助设备的主动措施，减少建筑全生命周期的运行成本，进而推动我国的建筑设计向着适应自然、气候、人文的方向发展，促进更绿色生态、更适应当地环境的建筑遍布全国。在工程实例——震旦江苏智能生产园区新建办公楼的设计过程中，秉承以“被动节能措施优先”为基本设计原则，由外部环境到内部空间，由整体到局部，积极尝试并运用了相应的被动式的设计方法和技术措施，以求用最小化的设计措施带来最大化的降耗效果，建造一座具有适应性、环保性、舒适性的办公建筑。 关键词：绿色建筑、被动式设计、办公建筑、建筑节能

1 引言

如今的建筑，是城市发展水平和城市文明进程的标志物，占据了社会能耗的1/3以上。人们越来越重视人类活动对自然环境的影响，以及自然环境反作用于人类社会的效应，于是一系列的节能建筑、生态建筑、绿色建筑应运而生，人类逐步对建筑的环保性、适应性以及舒适性提出了更高的要求。各个国家都在为保护环境、适应气候等方面做出设计上和技术上的探索，以求找到用建筑自身的被动方式，来替代借助设备的主动措施，从而在根本上达到节能降耗、自然环保的效果。

我国作为能耗大国，对绿色生态建筑的探索追求更是极为重视。国家对绿色建筑相关的设计规范进行调整细化，地方对绿色节能材料进行推广实践，无一不是在鼓励后续的新建建筑应结合当地自然、气候条件，因地制宜，采用被动式设计，达到建筑的节能环保，减少全生命周期的运行成本。

本案办公楼为新建震旦江苏智能生产园区里一座办公建筑，以“被动节能措施优先”为原则，通过对外部环境、建筑空间和局部细节的三个部分，尝试被动式的设计方法及技术措施，以达到建筑与当地气候相融合，减少建筑整体能耗，提高办公环境品质等多方面要求。

2 外部空间

本案办公楼位于江苏省南通市，属于长江中南下游气候特征，当地主导风向为夏季东南风，冬季东北风。通过对气候环境和场地自然条件的分析，在场地的空间规划上应用被动式设计方法。多利用自然风向和天然日照，满足建筑自身的保温和隔热、通风和采光；结合绿色植物的种植，以达到室内与室外气候相平衡的目的。

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2. 空间规划

整个园区用地呈规整的长方形，建筑单体以分区集中式规划布局，园区道路以环路为主，易于场地内消防环路的形成，且道路与夏季和冬季主导风向的夹角均呈钝角形式，有利于整个场地内的空气流动，避免冬季冷风、夏季热气直吹建筑内部，降低园区内污染颗粒或粉尘的沉积，提高生产区域的空气质量的净化程度。

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3. 建筑朝向

本案办公楼独立设在园区主要出入口的北侧边，建筑呈东西走向，建筑主立面平行于城市主干道，且位于园区内其他工业厂房的上风向。办公楼主立面与夏季主导风向的夹角＞45°，且不与冬季主导风向成正交角度（图1）。在春秋过渡季节，可以接收到来自城市干道系统中流动的空气；在湿热的夏季，能够利用东南风带走建筑外围的闷热空气；在湿冷的冬季，能够避开东北风的冷风侵入到建筑内部。

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4. 绿化景观

场地内的景观绿植，除了能美化环境、降低噪音，更重要的是在夏季时，绿色植物不仅可以遮蔽日晒，还可以通过蒸腾作用吸收热量，协助降低建筑自身的温度。其中，在办公楼周边采用阶梯式种植组合型绿色植物，分别由高大乔木、低矮灌木和铺地草皮组合而成，高低错落、层层递进围合成小型的绿色景观区域，使得办公楼外围形成舒适宜人的小气候。通过利用绿化景观，对建筑周边的小范围的环境进行改造，协助调节建筑自身的温度，来应对气候变化对建筑生命周期的影响。

3 内部环境

内部环境舒适、格局灵活多变是信息时代办公建筑的主要特征，天然采光、自然通风是绿色生态办公的基本要求。需要体现以人为本的设计理念，充分利用被动式设计，最大化的发挥建筑自身的基本条件，对内部环境进行调节。

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2. 平面布局

本 案办公楼通过集中布局的设计手法，按照功能划分，将竖向交通系统、设备空间、辅助服务用房等人员短时间停留的房间，集中设置在办公楼的西向，人员密集且长时间停留的房间则多设置在东南向(图2)。利用西向房间里空气隔层的缓冲作用，一方面解决了夏季太阳西晒对建筑内部空气的传热问题，降低了外墙辐射进来的温度；另一方面阻隔了冬季西北风的渗透对内部环境的温度影响，提高了建筑自身的保温能力。

通过被动式平面布局设计手法，简单有效地做到了创造一个舒适宜人的建筑内部的微气候。同时，建筑平面的集中布局，也为办公使用功能划分出更多连续且完整的空间，有利于办公空间内部的自由灵活的组合，满足了办公建筑对内部大空间的使用需求。

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3. 天然采光

建筑内部的光环境对于身处其中的人们，有着调节感官和情绪的作用，工作效率高低与否，室内光环境是一个不可忽略的必要条件。江苏省全部地区属于光气候Ⅳ区，对于规范规定的采光等级Ⅰ级的建筑窗地面积比1/3的设计要求，需要乘以1.1的光气候系数，方能得出当地窗地比要求，即窗地比不小于37%。

本案办公楼采用避免造成炫光污染的窗墙系统，在保证合理的窗墙比的前提下，借助层高的优势，加大外窗面积和增加外窗个数，以扩大采光面域。使得采光使得室内主要大进深空间的窗地比达到63%，满足建筑采光设计标准的限值。通过增加合理开窗的被动式设计手法，争取了更多的天然光线，降低了室内人工采光的耗能，提高了建筑内部光环境的宜人舒适度。

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4. 自然通风

室内通风有利于提高建筑内部环境的空气质量，维持室内宜人的温度和湿度。同时，合理利用自然通风和辅助机械新风设备相结合的方式，更加有利于形成建筑内部的“恒温、恒湿、恒净”空间。

本案办公楼所在气候地区，可利用的自然通风的时长占全年的30%左右，过渡季节的最大有效时间可达80%。办公楼所设置的可开启外窗面积达到窗面积的30%，且每个房间的有效通风换气面积占房间外墙面积的10%，符合甲类公共建筑的自然通风要求。加强了非采暖季节的建筑内部的空气流通，减少了空调设备的运行时间，用最小成本来维护建筑的生命周期。

办公楼同时采用了机械新风系统，通过机械送新风的方式，将过滤净化的空气直接送入每个房间。一方面，避免了冬季开窗换气的这种常用方式，减少了开窗的冷风渗透，降低了建筑内部的热量损失，减轻了室内灌入冷风的不适感，以及防止污染室内空气的问题。另外一方面，保证了空气质量，过滤室外空气的尘埃和污染物，控制空气的湿度，为建筑内部提供优质洁净的空气。

4 局部细节

由于本案办公楼属于夏热冬冷设计分区，该分区的设计原则为必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。通过控制体型系数，选取适应当地气候和环境的外围护结构的保温措施，增加建筑整体的气密性等，都是提高建筑自身热工节能的有效措施。

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2. 体形系数

办公建筑的造型体量，多以规整方形和长方形两种类型见常。从使用功能的角度，这两种形式内部平面布局相对较紧凑、功能流线和面积使用都较高效。从热工计算的角度，在体积一定的条件下，尽量减少建筑外围表面积的大小，能够进一步的控制建筑的体型系数，有利于减少建筑自身的能耗。

本案办公楼采用简洁集中的长方形体量，没有多余的外墙凸凹变化的造型。浅灰色铝合金板的外墙，结合有进退变化的外窗体系，打破了外立面的平板，增加了立面的层次，表现出建筑干净利落的造型效果，符合信息时代智能生产园区的设计理念。

经由PKPM软件模拟计算，办公楼的体形系数为0.16，远小于公共建筑节能设计标准对苛刻气候条件的体形系数的要求。其各个立面的窗墙比的设计值中，最不利方向的比值为0.33，也不超过0.70的标准限值。

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3. 围护结构

围护结构分别为非透明维护结构和透明维护结构两大部分构成，前者为屋面、外墙、架空楼板等的总概括，后者是指外门窗及幕墙系统。对于夏热冬冷的气候环境，本案办公楼需要通过被动式的技术措施设计，加强建筑围护体系的性能，来进行冬季保温防冷，夏季隔热遮阳，来提高建筑整体的节能降耗的效果，从而达到建筑外部气候变化不断，而建筑内部微气候“恒温、恒湿”的最终目标。

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2. 冬季保温

对于本案办公楼的建筑保温性能的加强，关键节点在于围护体系两大部分的保温，以及保温地面的设置。另外还要防止梁柱等结构构件连接处，挑空楼板的外露处，外窗和外墙连接处，和保温材料连接处等，这些地方保温性能薄弱的地方产生“冷桥”现象。冷桥除了会导致热量的散失，还会因室内外温差产生水汽凝结，形成“结露”进而发生霉变，破坏建筑结构的稳固性和持久性。

选用适应当地气候的绿色节能材料，提高围护结构热阻R值，降低建筑的传热系数K值，可以提高建筑的热工性能。本案办公楼采用外墙外保温系统，且墙体材料采用有利于自身保温的加气混凝土砌块。在非透光围护结构的外墙、冷桥梁柱和架空楼板处采用岩棉板，在屋面和保温楼板采用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料等材料。经由PKPM软件模拟计算，得出下表，均满足标准限值：

非透明围护结构
部位	传热系数K	标准限值
屋面	0.44	≤0.50
外墙	（平均）0.68	≤0.80
架空楼板	0.60	≤0.70

在透光围护结构的外窗系统，采用传热系数K=5.8的隔热金属型材，玻璃采用6中透光Low-E +12空气+6透明的形式。其中最不利方向的加权传热系数K值为2.6，太阳得热系数SHGC值为0.33，二者都满足甲类办公建筑的透光围护结构的传热系数K限值和太阳得热系数SHGC限值的。完全满足办公楼自身的被动式保温，大幅度的降低空调设备的耗能。

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3. 夏季隔热

本案办公楼的夏季隔热方法，主要采用两种方式，一是窗户遮阳，在窗户顶端设置水平向铝合金遮阳板，在保证室内采光的同时实现夏季的遮阳率，减少外窗玻璃的太阳辐射热量的吸收；二是使用浅色外立面材料增加外表面折射率，外墙采用浅灰色铝合金外墙板，加大对夏季太阳的多余辐射的折射，减少非透光外表面的热量吸收。

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4. 气密性

建筑的气密性尤为重要，是建筑内部空间可以不受外部环境的干扰，自成独立的微气候环境系统的重要保证。

在设计上，相对于外墙、屋面等混凝土和加气混凝土砌块等构件的气密性，外门窗的气密性属于薄弱节点。选用气密性优良的外门窗产品，有利于建筑整体气密性的提高。本案办公楼外门窗经模拟计算达到气密性6级，满足10层以下建筑对外窗的气密性＞6级的规范要求。通过气密性良好的外门窗来抵御冬季冷风的侵入、夏季热气的渗入，降低了建筑内外环境的热量交换，减少了外部噪音的进入，维护了建筑内的“恒温、恒湿、恒净、恒静”的宜人办公环境。

5 结语

在全国乃至全球大力提倡绿色生态建筑的大环境下，应遵循被动优先、主动优化的节能措施原则，结合每个工程当地的气候、自然、人文等特定存在的条件，将被动式设计应用到设计过程的各个环节。不断探索各种被动式设计方法和技术措施的优化组合，以求建造出与环境和谐统一，具有地域人文标识的绿色生态建筑。

参考文献：

1. 
   

2. 公共建筑节能设计标准GB50189-2015,中国建筑工业出版社，北京，2015

3. 民用建筑热工设计规范 GB50176-2016，中国建筑工业出版社，北京，2016

4. 办公建筑设计标准 JGJ/T67-2019，中国建筑工业出版社，北京，2019

5. 建筑采光设计标准 GB50033-2013，中国建筑工业出版社，北京，2013