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科学技术论文

“生态建筑”的实践与设计策略探析

时间:2019年12月16日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:通过生态建筑布洛克环境中心(BrockEnvironmentalCenter)的设计过程以及实践经验,分析了建筑与场地共生的理念,详细论述了布洛克环境中心如何实现生态建筑评价体系中最具挑战的零能耗,零水耗以及零有毒建材三项指标,并解析了与之呼应的生态建筑美学

  摘要:通过“生态建筑”布洛克环境中心(BrockEnvironmentalCenter)的设计过程以及实践经验,分析了建筑与场地共生的理念,详细论述了布洛克环境中心如何实现生态建筑评价体系中最具挑战的零能耗,零水耗以及零有毒建材三项指标,并解析了与之呼应的生态建筑美学。

  关键词:生态建筑;零能耗;零水耗;零有毒材料

建筑节能

  “生态建筑”是比“绿色建筑”更为严苛的一种对建筑评价,也是一种最新最具环境价值的设计理念。在环境保护越来越受重视的今天,环保的理念已经在全球范围内达成基本共识,对于生态环境的保护是涉及人类未来命运的大议题,生态建筑就是在这种理念的指导下诞生的对建筑的一种全新设计范式。但到目前我国还没有一个建筑可以被称为“生态建筑”,所以对这种建筑的设计理念、设计方法和实践活动的研究就显得尤为重要。

  世界上第一个获得LEED白金认证的建筑是在2001年选出的菲利普·梅里尔环境中心。作为试点项目,菲利普·梅里尔环境中心很大程度上推动了绿色建筑的发展。2013年,切萨皮克湾基金会要在弗吉尼亚海滩的乐居屿(PleasureHousePoint)设立一个全新的研究和教育基地———布洛克环境中心(TheBrockEnvironmentalCenter)。该中心提供办公,研究以及集会的空间,和当地环境组织合作,致力于保护美国最珍贵和濒危的天然资源切萨皮克湾。要建造一个最前沿的生态建筑,一个与自然共生的可供世界参考的模式。

  1项目情况介绍

  乐居屿占地48公顷,位于弗吉尼亚海滩的北面,近切萨皮克湾的入海口,被湿地和海岸林所覆盖,28种鸟类常年栖息在这里。依照开发商2008年的规划,1100户的高层公寓和独立住宅将会将乐居屿变成一个高密度的私人住区。但是开发商在次年的美国经济萧条中资金链断裂,48公顷的土地被银行收回。为了让乐居屿免于私人化的过度开发,当地社区,当地政府,以及切萨皮克湾基金会于2012年从银行手中联合购回乐居屿,这其中4公顷的土地将归切萨皮克湾基金会所有。大家形成共识,要最大程度保留这片自然资源的原貌。

  待建的布洛克环境中心,将是48公顷保护区内唯一的新建筑。环境中心的选址既有优势,也深具挑战。一方面在地理位置上,地处切萨皮克湾入海口,没有任何场地比乐居屿更适合成为切萨皮克湾环境中心的办公研究场所;另一方面在建筑单体上,优化占地面积,最大限度地减少对自然生态的影响也变得至关重要。直到1960年代,乐居屿都是潮间带湿地地貌,并有大面积海岸林。70年代由于附近水湾的清淤工程,大量淤泥被倾倒至此,乐居屿的风貌受到影响,植被的多样性曾一度被打破。

  但是大自然的自我修复能力极强,淤泥倾倒的场所通过生态演替,演变成了盐生草甸。建筑的选址,要尽量避免对正在恢复的生态系统的影响,因而选择在距离水岸线70米的海岸林演替的边缘地带,高于海平面4.3米。考虑到由于全球变暖造成的海平面上涨以及日益频繁的恶劣海洋性气候,布洛克环境中心建筑主体一层架空,采用钢结构以抵御193公里/小时的设计风值。除了3个残疾人停车位,场地内不允许停车。

  在基地内有一条现存的主干道,是原投资商在基地开发前期阶段铺设的。设计利用这些已有的条件,将停车限制在基地入口之外的街道。布洛克环境中心预计每年将接纳数万来访者,其中很多是来自中小学的学生和教师。校车的停靠点也设在场地之外,来访者将沿树林环绕小径步行前往布洛克环境中心。基金会员工停车位于场地入口的北部,距离建筑213米远,对现有环境的影响降至最低。

  2超越LEED白金认证的设计策略

  尊重场地,与环境共生,切萨皮克湾基金会希望布洛克环境中心成为一个可持续建筑的范例,因此决定再次和设计菲利普·梅里尔环境中心的建筑事务所SmithGroupJJR合作。希望将梅里尔环境中心的成功经验继续在布洛克环境中心得以发扬,更希望把新技术和新观念在在布洛克中心发得以应用,通过多年的实践经验我们也体会到LEED评价体系有其局限性。LEED是一种指标加权的体系,它根据评价总分分级,但是对每一个单项指标没有强制要求。

  此外,LEED认证体系是基于模型预测,而不是实际建筑使用的数据。LEED的目标是减少建筑对环境的破坏,而并没有涉及建筑对环境的积极贡献。设计者认为布洛克中心可以做的更好,布洛克中心应该成为一个生态建筑。生态建筑挑战(LivingBuildingChallenge)开始于2006年,是一个全新的,也是世界上目前最严格的绿色建筑评价体系。全世界仅有8个项目获得生态建筑认证。这是一个全新的建筑哲学,也是一个更严格的认证标准。

  作为一个概念,生态建筑视建筑为扎根于所在的场地的一颗植物,就象一株生长在大自然的花朵只需要土壤,阳光,和雨水,一个生态建筑应该就地取能,自给自足。作为认证标准,生态建筑包括七个指标:场地,用水,能量,健康,材料,公平,以及美观,进而细分为20个细则,(此处:“生态建筑评价体系包括7个指标20项细则要求”图略)这其中包括零水耗,零能耗,无害建材的应用等十分严苛的条件。

  只有这些要求全部达到,而且建筑在建成以及运行一年中的实测中全部达标,才可以获得生态建筑的认证。值得一提的是,美观也是生态建筑标准必不可少的一部分。中国有句古话“江南为橘,江北为枳”。绿色建筑的美学不是追求现代主义大一统的美学标准,而是植根于场地,气候,人文和技术的独特美学。它是在实现绿色建筑可持续发展性时自然展现的,而不是附加的装饰。

  3“生态建筑”的设计实践

  在生态建筑的七个指标中,零能耗,零水耗,以及零有毒材料最具挑战性,对设计提出了很多高于常规建筑实践的要求,是决定生态建筑成败的关键。

  3.1零能耗

  零能耗意味着100%的建筑能耗必须来源于基地本身的可再生能源。乐居屿地区夏季炎热潮湿,冬季气候多变。实现零能耗根本手段是减少建筑的耗能。首先在建筑空间上,建筑平面呈线性南北展开,在保证采光的前提下,降低人均办公面积。布洛克中心人均设计办公空间为4.2平方米,和基金会此前的人均11平方米的办公空间相比,极大地提高了空间使用率,促进了交流和合作,控制不必要的面积浪费。

  同时利用BIM建模对建筑曲度和建筑耗能进行关联分析,模型显示平面曲线超过1.5度之后对能耗影响不大,所以建筑成线性布局,平面呈曲线,和东西轴线成1.5度和自然的水岸线也相映成趣。主体建筑被通风廊屋一份为二,但同时又统一在一个连续的屋顶之下。通风廊屋是美国中南部独特的建筑类型,是当地有效改变建筑微环境的建构手法。

  朝南的走廊在夏季有效的遮挡了日晒而在冬季又保证了室内充足的光线。建筑立面窗墙比为25%,无西向窗,南北方向均设有低窗和高窗,从而最大限度的利用不同季节的主导风向,增强自然空气流通。其次在模拟分析上,布洛克中心的整个设计过程使用BIM建模,建筑师,工程师,结构师在三维模型中配合,力图尽可能的模拟现实。从概念设计,到设计深入到最后施工图每一个关键阶段,团队都要对方案进行节能,气流以及采光模型分析并根据分析结果对方案进行调整。

  最终优化的外围合结构的热效参数:墙体SI值5.456m2·K/W,屋顶SI值8.8m2·K/W,以及SI值1.2m2·K/W的高效热能窗,在提高能效和资金投入中需求平衡点。另外在暖通系统的选择上,布洛克中心采用变制冷剂流量空调系统,并利用18个地热井的四季恒温提高系统的功效,同时配合独立新风系统的使用,在保持室内舒适度的同时,最大限度地提高系统的效率;最后在再生能源的选择上,布洛克中心同时使用太阳能和风能。太阳能是最值得依赖的能量来源,但是太阳能板在多云阴雨的天气效率并不高,乐居屿的海洋性气候使的风能可以成为太阳能有效的补充。

  因此布洛克中心的可再生能源,40%来源于两个10千瓦的风力发电机,60%来源于45千瓦的光伏;基于以上的分析和设计,布洛克中心最终的预测年耗能为48.8KWh/m2/year,是规范要求的同类建筑耗能的10%,完全可以依靠自己的可再生能源自给自足。

  3.2零水耗

  零水耗要求100%的建筑用水必须来源于降水或者场地自然水源。布洛克环境中心是美国第一个获得政府批准饮用净化雨水的商业建筑,这具有里程碑的意义,为以后类似的实践积累了经验。零水耗设计的关键首先要减少建筑的用水量,这其中最主要的就是减少厕所的用水量。布洛克中心的所有厕所均采用堆肥马桶。使用堆肥马桶,布洛克中心预计用水量可以降为0.5m3/天。这样从屋顶收集雨水,储存在两个6m3的水箱中,可供中心抵御5至6周的干旱期。

  另一方面,零水耗的关键是如何过滤和净化雨水。屋面的雨水收集首先要经过初期弃流装置将大颗粒杂质过滤,然后进入水箱,应用臭氧,紫外处理,以及氯化三重净化过滤。由于用水需求减少,布洛克中心并不需要净化所有来自于屋面的雨水,建筑西面的弧线形屋顶因此就成了盈余雨水的收集处,用来灌溉建筑两边的雨水花园。而两翼齐飞的屋顶造型也让人联想到栖居在水边的飞鸟意象。

  3.3零有毒材料

  可再生建筑使用的建材不能含有对有人体有害的化学物质,这其中包括铅,PVC,甲醛等十四种基本有害物质,以及由此拓展的数百种衍生物。因为很多被可再生建筑标准列为有害的物质还依然被广泛的使用,这就对建筑材料选择和审核提出了很高的要求。因此采用自然材料以及回收的材料是非常有效的设计思路。

  比如布洛克中心所有的地板,实心门以及窗框和踢脚板都是从当地改建的中学体育馆以及办公楼收集来的废弃来料,通过适当加工在布洛克中心获得了新生。从密西西比河流域回收再利用的柏树木材是构成布洛克环境中心建筑外立面的主要材料,其色彩和基地植被十分接近,浑然天成。尽管如此,布洛克中心总共使用了近千种建筑材料,大部分材料都仍需要经过严格的审核。每一个建筑材料的信息都需要精确到其1%的成分组成,这远远超出了普通建筑实践的工作范畴。

  4“生态建筑”的诞生及启示

  2016年4月,中心运行通过了一年的运行监测,正式获得了生态建筑的称号。建筑产生的再生能源是建筑本身消耗能源的1.8倍,多余的电能得以输送到城市管网供附近社区使用。建筑得用水量也仅为预期的1/3,建筑室内环境的使用调查显示员工的满意度为100%。

  所有这些数据都符合甚至超出了设计预期。虽然布洛克环境中心建于美国,但是它表达的生态建筑的理念获得了世界范围的接受。我国目前绿色建筑标准是从2015年开始实施的《绿色建筑评价标准(GB/T50378-2014)》,虽然标准同美国标准有所不同,但这并不妨碍我国的建筑设计者们同世界接轨,做出更好的建筑。正如切萨皮克湾基金会的主席威尔.贝克在演讲中所言:我们可以做的更好,就在此时此地,从布洛克环境中心开始。

  参考文献:

  [1]朱文莉,宋昆,王晓军.卡斯卡迪亚地区“生态建筑挑战”评价体系研究[J].动感(生态城市与绿色建筑),2013,(S1).

  [2]李建平.LEED标准和《绿色建筑评价标准》的应用评价与差别[J].建筑节能,2010,(05)

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  下面文章首先介绍了建筑节能的基本原理,并且在此基础上,对我国的建筑节能技术和节能材料的应用进行了详细的介绍。建筑节能作为一门综合性的技术,发展的重点领域为研究屋面、门窗、墙体等属于成套体系的新型低能耗的围护结构产品和节能技术。建筑节能就是节约建筑物的能源消耗,减少能源损失,提高能源利用率。此技术符合我国可持续发展的方向,值得大力推广。