基于绿色建筑技术的学校建筑整体优化设计——以泰安市水泉小学及幼儿园为例

邓运泽,肖胜亮,孙庆华,王均璐,王学勇*

基于绿色建筑技术的学校建筑整体优化设计——以泰安市水泉小学及幼儿园为例

邓运泽1,肖胜亮1,孙庆华2,王均璐1,王学勇1*

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 山东博宇建筑设计有限责任公司, 山东 泰安 271000

本文以泰安市水泉小学及幼儿园为例，在设计阶段通过Revit软件构建建筑信息模型，导入绿建斯维尔软件，进行绿色建筑模拟分析，来明确场地中建筑物的采光、噪声、能耗、风环境以及其相互之间的遮挡关系，进而推断出建筑物的可优化方向，提出具体的解决方法和建议，为其符合绿色建筑标准评价提供设计思路。

绿色建筑; 建筑节能; 优化设计

近年来我国绿色建筑发展速度明显加快，已进入普遍开发阶段，我国已取得94%的绿色建筑标识工程都集中在设计阶段，而在设计阶段如何使得设计的建筑符合现行的绿色建筑评价标准，是困扰设计人员的重要问题。本文基于绿色建筑技术，以泰安市水泉小学幼儿园为例使用Revit Architecture软件建立模型并导入绿建斯维尔分析软件进行分析，以《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2014为基准进行综合评价，为其改进和发展提供方向和思路，推动设计方案的优化，也为同类的绿色建筑设计提供设计思路，以期启发绿色建筑的进一步发展。

1.1 绿色建筑的评价指标体系发展

绿色建筑发展是未来建筑行业的趋势，各国都制定了相应的规范标准，希望以此来促进本国的绿色建筑设计发展，例如英国BREEAM、美国LEED、日本CASBEE评估体系以及中国的ESGB评价体系。总体来说中国的绿色建筑发展较晚，但由于可借鉴性多，规模体量大等因素，中国的绿色建筑设计发展迅猛并取得了一定的成就。

以中国绿色建筑各指标来说，其重要性排序大致为节能>节地>室内空气质量>节水>节材，并以此来划分星级标准，设计者和建设运营者可根据自身需求和资金要求来确定绿色建筑的建设星级。

目前国内绿建技术的研究主要集中在基础理论研究、相关标准的制定、软件开发设计以及实际工程应用上[1]，例如沈小东等基于Visual DOE Vesion4.1.2软件对重庆某绿色建筑模拟能耗计算分析[2]；
王建廷等借助CFD软件中Ecotect风场模拟工具Winair4对堪舆格局的绿色建筑室外风环境模拟优化研究[3]；
王欣怡等基于gbXML的建筑信息模型绿色建筑分析及评价研究[4]等，其对于绿建技术都只还是单方面的分析，综合性的优化分析研究较少，如何基于绿建技术进行采光、能耗、通风、噪声的全方面优化设计还有待深入研究。

1.2 绿色建筑分析的目标

由于我国幅员辽阔，各地域气候差异性较大，绿色建筑分析要结合当地的气候环境，选择适合当地建筑的绿色建筑技术，从技术的角度去解决项目的节能等问题。设计项目通过确定目标、选择合适的设计思路，深化侧重点来完成建筑的初步设计，但由于实际原因，无法单单通过普通的模型来确定设计建筑的绿建星级标准，必须通过模拟分析来对建筑的进一步优化来进行引导，绿色建筑分析恰恰是设计人员设计与管理人员审查的重要途径。

2.1 模拟模型的建立

通过使用revit软件构建三维参数化模型，基于三维参数化模型协同设计技术[5]，将构建完毕的参数化模型通过revit软件附加功能导出，供后期斯维尔绿建分析软件使用。

2.2 绿建分析软件应用

2.2.1 工程设置以建筑暖通负荷模拟分析软件为例，模型导入后进行相关建筑工程设置（图1），设置拟建建筑建造地点为山东省泰安市，以泰安市气象天气为依据，确保拟建建筑建筑环境与真实环境相同；
其次设置拟建建筑屋顶，门、窗等相关构造的工程参数，确保拟建建筑与真实工程参数相似，有利于提高模拟结果的准确性。

图 1 建筑模型东南轴测图

2.2.2 结果的模拟输出在工程相关构造设置完毕后，进行拟建建筑的冷负荷、热负荷及全年负荷的计算，软件自动将计算公式，模拟建筑屋顶、墙体等围护结构的导热系数及该建筑是否满足暖通负荷要求等结果生成计算报告书。设计人员可以通过结果的不满足因素，返回工程设置中，调整相关围护结构的材料及尺寸等影响导热系数的因素，从而全部满足暖通负荷的要求。

采用绿建斯维尔系列软件，进行“建筑内外、风光热声”的模拟分析，应用一模多算技术，相关协同软件可自动采取计算热工模型的门、窗等工程构造参数设计，既能提高模拟结果的准确性，又大大提高了分析人员的分析效率。

3.1 项目简述

该项目位于泰安市高新区，东临水泉路，位于中天门大街以南，居于城市闹市区的边缘地带，各种配套相对比较齐全，属于综合性学校建筑，具有办公、教学等功能。规划总用地面积为55 300 m2；
总建筑面积为25 850.65 m2；
容积率0.47；
绿地面积22 893 m2；
绿地率38.16%；
建筑密度13.97%；
结构形式为框架结构。该项目通过节地、节能、节水、节材、改善室内环境质量等方面分析优化设计[6]，使其达到绿色建筑评价体系标准，为类似综合性学校建筑的绿色节能设计提供了参考，具有鲜明的现代校园建筑的特点，因此选择此项目作为研究对象。

3.2 建筑风环境

3.2.1 建筑风环境计算原理建筑风环境分析采用了湍流模型的原理，该模型反映了建筑物周围流体流动的状态，通过选择不同流体流动的湍流模型，较为科学的模拟了在当地风环境下，建筑周围的风压风速大小以及建筑物表面的压强，最大限度地模拟实际流场的数值[7]。

图 2 建筑迎风面风压云图

图 3 建筑背风面风压云图

图4 1.5 m高处风速矢量图

图5 1.5 m高处风压云图

3.2.2 计算结果及分析经测算全区风速均低于绿色建筑评价标准中规定的5 m/s，地区内气流较为平稳，环境舒适度良好，且区域内校园室外活动区内没有无风区，满足夏季的通风散热需求，自然风的散热使得建筑能耗降低，有利于建筑节能[8]。从建筑迎风面及背风面风压云图（图2-3）得出，建筑迎风面与背风面表面风压差不超过5 Pa，由于夏冬季风向及风速不同，建筑物表面风压基本维持在-2～2Pa，在建筑物周围合理的规划绿化植被可以有效的减少建筑物表面的风压，符合防风要求。

从区域的1.5 m高处风压云图及风速矢量图（图4-5）得出，建筑区域未形成较大涡流区，区域的空气质量较为稳定，但在西部和部分建筑物的凹角处会形成小涡流区，该区域内灰尘和污染物容易聚集，造成空气质量下降，在设计建筑物出入口要尽量避免设置在此处，以免对室内环境造成影响，且室外需要及时清理该区域的环境空气污染物，也可以进行绿化种植来削减涡流降低风速，减少污染物的飘散，防止污染物以及风沙颗粒物的聚集，影响师生的学习工作质量。

3.3 建筑采光设计

3.3.1 建筑采光计算原理建筑物的采光性能主要是以采光系数为标准，其对指导采光设计、分析照明能耗起着重要作用。该项目所处地区光气候分区为IV，光气候系数为1.10，表面反射比各部分取：顶棚0.75；
地面0.84；
墙面0.84；
外表面0.50。模型以距地面0.75 m功能房间平面作为分析参考平面，当房间面积≤10 m2，网格大小为0.25 m；
当房间面积10～100 m2，网格大小为0.5 m；
当房间面积≥100 m2，网格大小为1 m。模拟软件采用Radiance程序进行模拟计算，最后将计算结果返回到Dali进行处理分析，得到各部分的日照彩图以及光达标率图。

图 6 1#教学楼日照彩图

图 7 1#教学楼达标率彩图

图 8 3#综合教学楼日照图

图 9 3#综合教学楼达标率图

图 10 幼儿园日照图

图 11 幼儿园达标率彩图

3.3.2 计算结果及分析根据光源视觉测试结果表明[9]，在相同照度的条件下，处于天然光的环境下的人们对于物体识别能力要优于人造光，并且天然光对于人眼的保护以及心理舒适程度要优于人造光，所以对于校园建筑，教室以及办公室内尽量使用天然采光，来避免学生和老师产生视觉疲劳，对他们的学习工作效率、心情状况等都有较好的帮助。

根据各建筑的日照彩图以及光达标率彩图（图7-11）可得，拟建学校建筑的室内空间天然采光面积为2 460.44 m2，其达标面积为1 881.07 m2，达标率为76.4%。大部分区域的采光性能良好，但局部用于满足建筑物的室内工作面照度需求的窗口远处的亮度相对较低，近处的区域亮度相对较高，导致室内眩光率较高，区域内的光均匀度较低，所以在进一步优化设计过程中，在入射光强的窗户位置添加遮挡物或设施来削减眩光现象发生，在交通空间和远窗口区域，需要增大侧窗面积或补充人工光源来改善建筑室内远窗处的光照舒适度。

3.4 建筑暖通

3.4.1 建筑暖通计算原理建筑暖通负荷分析按照热平衡原理进行模拟计算，热负荷以计算房间散失的热量为重点，参考围护结构传热耗热量、加热渗入冷空气耗热量等影响房间散失热量的因素进行模拟计算，总热负荷选取各影响因素热负荷逐时值的综合最大值。

该模拟计算模型与以往采用单位面积负荷指标估算法进行负荷计算相比，最大限度的真实还原了拟建建筑的冷热负荷数值，可使设计者对主机、系统的选择更加合理，降低运行、维护成本，从而达到节约能源与资源的目的。

3.4.2 计算结果及分析基于建筑模型的可视化分析计算可得，拟建学校建筑的建筑能效理论测评数值如下图表所示（表1）。在拟建学校建筑工程构造设计阶段，设置其屋顶构造的传热系数为0.34 W/(m.K)，外墙墙体构造考虑线性热桥后的传热系数为0.6 W/(m.K)，通过模拟分析计算可得，拟建学校建筑的比对节能率为-4.31%，标识建筑的建筑负荷耗冷量高于比对建筑的建筑负荷耗冷量，拟建建筑的能耗相对较高。

已知在稳态条件下，传热组的数值为传热系数的倒数。对于大部分民用建筑而言，屋顶、外墙等外围护结构构造及楼板、门窗等内围护结构构造，其传热系数越低，传热阻越高，建筑的保温性能越高，比对节能率也会相对高一些。在该拟建学校建筑项目中，可以通过调整围护构造的材料，降低围护构造的传热系数，提高建筑的保温性能，将对比节能率调整到相对节能标准范围内，从而达到拟建建筑绿色节能的目的。但对比节能率与各围护结构传热系数的具体关系还需要进一步研究。

表 1 设计建筑与比对建筑的能耗对比分析表

3.5 建筑声环境

3.5.1 建筑声环境计算原理室内噪声级计算公式见公式：L2=L1-D。式中L1——室外噪声级值；
D——减去缝隙影响后组合外墙的计权隔声量。

图 12 构件隔声量与空气隔声量曲线

3.5.2 计算结果及分析综上图表信息可知：水泉小学项目最不利教学楼的最不利阅览室的室内噪声级昼间为30.8 dB（A），夜间为35.8 dB（A），楼板标准碰撞声压级≤62 db。

通过计算分析，可得室内噪声级为：昼间：60-29.2=30.8 dB（A）；
夜间：50-14.2=35.8 dB（A）。影响学校建筑的主要功能房间的噪音分为两种，一种是建筑物的外部噪声源通过建筑围护结构向室内传播的噪声，另一种是建筑内部设备的噪音和振动，通过空气扩散到其他空间。在该学校建筑中，可以通过隔声、吸声、消声以及隔振等技术措施来削减室内噪声[10]，主要从四个方面入手：一是增强建筑物围护结构的隔声能力，对于噪声较大的使用空间进行建筑构件上的隔声处理，防止其对周围教室的干扰；
二是对设备进行降噪消声处理，设置消声器等装置，减少噪声的传播；
三是对建筑进行隔振处理，在建筑构件上切断或降低声音的传播，避免固体传播造成室内噪声干扰；
四是对于会议室等大型空间，控制室内混响时间，防止产生共振让人体感到不适。

经过本文的计算与分析，可以得出如下结论：

1）参照国家绿色建筑标准，基于绿建分析软件的分析结果从风环境、光环境、暖通、声环境四个方面对该学校项目进行评分，最终参照标准得出该设计项目为二星级绿色建筑；

2）项目的室外风环境需要进行绿化种植来削减涡流降低风速；
室内需要增大侧窗面积或补充人工光源来改善建筑室内远窗处的光照舒适度；
通过调整围护结构的材料，降低围护构造的传热系数，提高建筑的保温性能，提高节能效率；
并通过建筑构件的隔声、吸声、消声以及隔振等技术处理来使室内声环境更加舒适；

3）将改造后的建筑设计再次进行模拟，判断该建筑绿建评分是否提高，为达到三星级运营绿色建筑提出优化设计方案，同时也为该类型的学校建筑后续绿色建筑设计提供改造设计思路。

[1] 中华人民共和国建设部.GB/T500378-2006绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2] 沈小东,胡望社,肖益民,等.重庆某绿色建筑模拟能耗计算分析[J].土木建筑与环境工程,2013,35(增刊1):177-180

[3] 王建廷,张畯.基于堪舆格局的绿色建筑室外风环境模拟优化[J].建筑科学,2018,36(6):15-22

[4] 王欣怡,吴贤国,柳海东,等.基于gbXML的建筑信息模型绿色建筑分析及评价[J].工业建筑,2020,50(7):190-197,40

[4] 杨远丰,莫颖媚.多种BIM软件在建筑设计中的综合应用[J].南方建筑,2014(4):26-33

[6] 中华人民共和国建设部.绿色建筑技术导则[S]北京:中国建筑工业出版社,2005

[7] 汪阔,沈炼,韩艳,等.基于修正SSTk-ω湍流模型的建筑群风环境数值分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学 版),2021,53(3):386-392

[8] 李立力,张亮亮,刘纲,刘书洋,郑尚龙.某绿色建筑风环境数值模拟分析[J].土木建筑与环境工程,2015,37(S2):215-218

[9] 董中旭,刘杰,梅建,等.无频闪教室光源保护学生视觉功能的应用与评价[J].中国学校卫生,2004(4):480-481

[10] 邹瑜,徐伟,王东旭,等.全文强制工程建设国家标准GB55016—2021《建筑环境通用规范》标准解读[J].建筑科学,2022,38(2):7-13,216

Overall Optimization Design for the School Building Based on the Green Building Technology——Taking Shuiquan Primary School in Tai"an City as a case

DENG Yun-ze1, XIAO Sheng-liang1, SUN Qing-hua2, WANG Jun-lu1,WANG Xue-yong1*

1.271018,2.271000,

Taking Shuiquan Primary School in Tai"an City as an example, this paper builds a building information model through Revit software in the design stage, imports Lvjiansheville software, and carries out green building simulation analysis to clarify the lighting, noise, energy consumption, arrangement mode, wind environment and their mutual shielding relationship of buildings in the site, and then infers the optimal direction of buildings, and puts forward specific solutions and suggestions, Provide design ideas for the evaluation of its compliance with green building standards.

green building; energy conservation; optimization design

TU29

A

1000-2324(2022)06-0941-06

2022-03-11

2022-05-07

教育部产学合作协同育人项目(202002042036);大学生创新创业训练计划项目(202110434135)

邓运泽(2001-),男,本科生,主要研究方向为建筑设计及其理论. E-mail:2801500515@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.021