1.   研究背景

如今在建筑界，数字化技术发展如火如荼，凭借当前强大的数字建模技术、通用信息集成模型、网络协作、数字化管理等手段，数字化技术为建筑师提供了新的起点。广义的BIM(Building Information Model)，其含义逐渐被市场扩展成数字化技术之后，这个词语也被炒得沸沸扬扬，在很多人看来使用这项技术可以使建筑设计真正回归三维空间和整体性的信息模型之中，并且建筑师能够很好地利用这项技术进行建筑创作而非辅助绘图。

伴随着数字化技术的快速化发展，城市建筑也正在以指数级增长般快速的建设着，然而代价却是我们的生活环境没有得到更好的改善。作为建筑师的我们，这一切的发生都值得我们认真的思考，要为改善生存环境，进行绿色低碳的建筑贡献自己的一份力量。低碳绿色，一方面体现在建筑具体的技术应用上，另一方面则体现在建筑前期策略的使用和被动式技术的适宜选择。

以上两方面的发展背景和国家未来的信息化战略和绿色低碳产业发展战略也是紧密联系的。那么未来建筑师就需要顺应历史潮流，做好准备，迎接新的挑战。可以想象未来的建筑师除了掌握本专业的知识和拥有丰富的设计经验外，一只手要紧跟数字化技术，在虚拟设计、虚拟施工，甚至运维方面起到统领各专业的作用; 另一只手要在设计之初就融入绿色低碳的理念，这样才能为建筑师控制绿色设计、绿色施工创造条件。

2.   项目介绍

该项目位于北京顺义天竺新新家园分区规划中的一区的东北角(如图 1)，该气候分区属于夏热冬冷地区。基地的北侧为待建的2层样板房，东侧临小区车行道和天竺东路，南侧为3层的低层联排别墅，其中北侧的地坪标高为28.80m，南侧标高为26.70m，原型屋建筑面积大致2 200m²(即每户450m²左右)，地上3层，地下1层，层高为3.30m，限高为13.5m的五户联排别墅，设计整体理念依循被动式理念为主、主动式理念为辅的原则，结合零碳技术，打造零碳、绿色、健康的住宅。

图  1  项目区位，黑色虚线框位置为本案位置资料来源：万通房产提供

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3.   方案准备

(1) 方案策划

本方案没有甲方的具体任务书，是作为一个科研项目进行的，故对于住宅的具体使用功能进行问卷调查，便于方案的开展，这里利用Web2.0的技术在“问卷星”网上搭建问卷平台，通过即时聊天工具(如：MSN，QQ)、校内网、开心网发放问卷系统的链接进行统计。其中调查问卷详见：http://www.sojump.com/jq/552291.aspx

通过该调研问卷的结果，对建筑功能面积的分配有了大致的任务要求，可以为下一步设计工作作指导(如图 2)。

图  2  万通联排别墅功能面积要求; 资料来源：自绘

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(2) 气候分析

该项目位于北京顺义，气候分区属于IIA区，根据图 3，4可知最低平均温度有-15℃，不过太阳能资源较为丰富。因此建筑在设计时需要充分考虑保温措施和充分利用太阳能资源。根据图 5给出室外空气参数：

图  3  年平均最低气温分布图资料来源：www.climate.source.com

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图  4  太阳能资源分布图资料来源：中国气象局太阳能资源评估中心

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图  5  Ecotect北京气象数据分析(左：月平均温度右：焓湿图下：风频率、湿度图)资料来源：Ecotect绘制

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在Ecotect中软件默认会对被动式技术中的蓄热体、夜间通风、太阳能加热、自然通风、直接蒸发散热、间接蒸发散热进行分析，在该案例中，软件导入北京这个地区气象数据后，分析图表很明显的展示了上述被动式技术的一个共同特点就是这些技术在春季、秋季的过渡季节效果明显，其次左列第一张、第二张图分别代表的蓄热体技术和夜间通风技术在过渡季节效果最为明显，这就意味着在设计时蓄热技术非常重要，在白天能充分储存外界的热量，而到晚上通过空气循环又能将这些热量散发到建筑的内部，结合建筑的策略，阳光房和墙体蓄热就是必须考虑在内了(如图 7)。

图  7  Ecotect最佳朝向分析资料来源：自绘

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根据Ecotect最佳朝向分析可知建筑南偏东17.5°的方向是全年利用太阳能最好的朝向。在本项目中的设计条件中，原规划建筑的朝向已经考虑到这一点，在接下来的建筑方案设计中可以坚持原有规划布局(如图 8)。

表    

夏季空气调节计算干球温度：	33.2 ℃;	夏季空气调节日平均计算温度：	28.6 ℃;
夏季空气调节计算湿球温度：	26.4 ℃;	夏季通风计算干球温度：	30 ℃
冬季空气调节计算干球温度：	-12 ℃;	冬季采暖室外计算干	-9 ℃;
球温度：		球温度：
冬季空调室外计算相对湿度：	45%;	冬季通风计算干	-5 ℃;
室外风速：	冬季：2.8 m/s; 夏季：1.9 m/s;
大气压力：	冬季：102 040 Pa; 夏季：99 860 Pa

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图  8  Google Earth的Map交通信息查询功能左：薛大人庄站; 车次：顺义22;右：蓝天大厦站; 车次：顺义27

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C、场地分析

本项目位于北京顺义天竺地区，原址为老式住宅，属于旧楼拆迁再建项目。此外场地内，不含天然水体、农耕地以及濒危动物栖息地，同时场地水平标高高于北京市洪水水位警戒线，这样的选址能够减少建筑物位置对环境的不利影响。

在建筑的总平面设计中将人行入口设在建筑北面，车行入口设在建筑南侧，主要是充分利用现状规划条件和地形北高南低的特点(北侧规划道路标高：28.80 m; 南侧规划道路标高：26.70 m)。

参照LEED-NC的绿色建筑设计指南报告，低碳建筑的建筑密度需要有一定的控制，通过Google Earth，我们可以看到建筑位于已开发的地区，周边具有成熟的住宅区并满足10户/0.405 hm²的密度要求，同时在800m范围内具有至少10个便利设施(如图 6-9)，这样的场地选择利于绿地的保护和保存动植物和自然资源。

图  6  Ecotect被动式策略分析资料来源：自绘

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图  9  万通原型屋低碳技术要点草图推敲; 资料来源：自绘

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在周边交通方面，根据EMSI的LEED2009NC报告，要求项目400m内有2条或以上公交线路，借助Google Earth的Map切换功能，很容易找到本案相应位置400m范围内包括多条公交线路(如图 8)。

4.   建筑策略

根据对本案的任务书、气候分析、场地分析，开始用草图对建筑方案的将会使用的一些技术要点进行思考并整理如下。

(1) 低碳建筑技术的选用

(2) 建筑形体的推导

图  10  形体推导过程图; 资料来源：自绘

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(3)建筑材料

该项目位于寒冷地带，如前文所述保温尤为重要，万通项目墙体、楼板也需采用超级保温结构，这里通过BIM软件的REVIT对材料的构造添加进虚拟材料库中。

其中东西侧外墙的超级保温结构，墙体构造形式由内而外，75 mmGBBS^①混凝土板(密度>1 400 kg/m^3②)+175 mm空气层+150 mmGBBS混凝土砌块+300 mmxps+外墙面材料。建筑的门窗都是双层中空LOW-E玻璃，窗框都有很好的断桥设计，外部和内部框架是被隔开的，紧固件不连通断热桥，这样热流经框架使框架热性能降低到接近门窗中心性能值水平，其U值可达到1.6 W/m²K(如图 11)。

图  11  超级保温墙体构造层资料来源：自绘

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注：① GBBS混凝土是利用炼钢厂的废弃高炉矿渣做为骨料的混凝土，是低碳建筑的优良材料

② 密度>1 400 kg/m³的建筑材料有较好的蓄热能力

(4) 建筑结构

万通项目主体结构采用轻钢装配式，这是因为在中国林木资源紧缺，加之防火以及抗震的要求，原型屋建筑的结构采用国内比较成熟又能够形成很好强度和刚度的轻钢结构(S构造)，同时轻钢结构的内含碳系数也相对比较低，符合低碳建筑材料的要求(如图 12)。

图  12  混凝土、钢骨混凝土、轻钢结构建筑内含CO₂排放量系数资料来源：林宪德著，绿色建筑，中国建筑工业出版社

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在本方案设计中考虑北京地处8级抗震地区，在楼梯这个抗震薄弱的位置增设了南北交叉的钢结构斜撑，使建筑楼梯的南北部分整体性更好，同时也不失建筑错层时的空间趣味性。

(5) 建筑信息模型

图  13  形体推导过程图; 资料来源：自绘

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图  14  万通原型屋信息化模型方案展示图; 资料来源：自绘

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5.   能耗模拟

(1) 设计参数

① 室外设计参数

表    

夏季空气调节计算干球温度：	33.2℃;	夏季空气调节日平均计算温度：	28.6℃;
夏季空气调节计算湿球温度：	26.4℃;	夏季通风计算干球温度：	30℃
冬季空气调节计算干球温度：	-12℃;	冬季采暖室外计算干球温度：	-9℃;
冬季空调室外计算相对湿度：	45%;	冬季通风计算干球温度：	-5℃;
室外风速：		冬季：2.8m/s; 夏季：1.9m/s;
大气压力：		冬季：102040Pa; 夏季：99860Pa

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② 室内设计参数

表    

	夏季		冬季		新风量m3/h人	噪声dB(A)
	温度℃	湿度%	温度℃	湿度%
卧式、书房	26	≤65	20	/	30	/
餐厅、客厅	27	≤65	20	/	30	/
活动房、健身房	27	≤65	18	/	30/	/

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③ 空调房间热工指标传热系数K值W/(m²·K)

外墙≤0.11W/(m²·K);

屋面≤0.15W/(m²·K);

外窗≤1.6W/(m²·K)。

(2) 能耗计算模型

能耗模拟建筑模型以五户联排别墅整体进行，模型通过REVIT中的体量模型导出为中间格式GBXML格式进入Design Builder中进行能耗模拟分析，再稍加调整和对建筑材料计算参数进行指定即可。(如图 15)该建筑能耗模拟模型如实反映该建筑外观与特点，南面设置阳光房区域，该区域上下连通，且与大气相通，将室外热空气从屋顶高点排出，可以起到降低空调负荷的作用，这一特点在模型中也得到了反映。

图  15  万通原型屋能耗模型建立资料来源：自绘

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(3) 能耗模拟结果

万通原型屋减排基准以国家标准节能建筑为基准，以同样的建筑设计形式，能耗模拟对比建筑采用上世纪80年代的材料与采暖方式，冬季以燃煤锅炉供暖，夏季采用风冷热泵为空调冷源(如图 16)。

图  16  五户联排别墅能耗对比汇总; 资料来源：自绘

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设计目标建筑的主要减碳表现在空调能耗上，目标建筑较基准建筑减碳量88%。光伏发电的额定电功率130 W的太阳能薄膜450 m²(峰值效率70%)，平均每天发电4小时，采用玻璃夹层与单晶硅结合的发电形式，计算光伏薄膜年发电量约：450*0.13*0.7*4*365=59787KWH，由于能耗模拟计算包括了地下车库的能耗，所以模拟计算出的能耗应小于实际能耗，所以，光伏发电量基本可以满足建筑所需的电力需求。参照发改委2009年华北区域电网基准线排放因子(如图 17)，可以得到万通原型屋每年运营期的CO2的排放量为：

图  17  2009年中国区域电网基准线排放因子资料来源：发改委：关于公布2009年中国区域电网基准线排放因子的公告

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(71757-59787)*1.0069*0.001=12.053t CO₂，这个数值平均到住户每个人身上的话，基本上已经使建筑在使用期接近零二氧化碳碳排放了。

6.   总结建议

本文基于万通地产的一个科研项目的设计过程总结了一个粗略的设计方法及设计流程，这点是比较值得欣慰的，但是当一个建筑师真正面对各种不同建筑类型的时候，低碳或是数字化技术的应用又会根据具体的设计条件和建筑特点变得不同，所以本文只是希望起到一点抛砖引玉的效果，另外，建筑师在这个时代要真正有所作为还需要行业及社会的成熟和进步来支持。

几点建议：

(1) 对于建筑行业

① 数据库：中国要建设和推广低碳建筑，除了近期要进一步完善建筑节能体系之外，中长期需要建立自己的数据库，对各种不同建筑材料如钢材、水泥、玻璃、铝制品和内部装修材料，以及建筑设备(空调等)等在生产过程中的能耗量做出全面统计和分析。同时，对不同地区厂家生产的各种建筑材料其单位能耗进行标识和追踪，建造时才能有更节能、减碳的方案可选择。

② 建筑技术体系：中国需要设计、研发和建立适合国内市场需求且经济成本上可行的建筑技术体系。通过这种体系，更有效地降低二氧化碳排放量，使之成为切实降低建筑物碳排放量的建筑结构体系，如建立轻钢、新型轻质混凝土结构、复合材料结构体系等的追踪，使建筑材料的碳排放量计算有科学依据。最后在设计和开发过程中，需要综合考虑各方面因素，如要求减少二氧化碳排放量、进行建筑开发的规划设计、建筑结构的造型、建筑材料的选择等。

③ 可回收建材：针对人类工业化生产过程中含有大量有害物质并危害人类健康等恶劣因素，通过使用环保并且可回收的建材去消解工业产品中的废弃物，这样不仅能够达到创造健康舒适的建筑使用空间，也可以减少人类建设活动对环境产生的负面影响。

④ 多采用低品位能源^③：采取利用低品位能源进行建筑整体性或基础性调温，而高品位的能源如电力、煤气等等，进行局部性、精细性调温，作为绿色建筑的通则。比如深圳建科院报告厅设计成自然通风，平时基本可以不开空调，只有在特别炎热的夏季，在通风降温的基础上，再采取座位空调的送风，来增强建筑内的舒适度，平均下来能耗就比普通建筑要低得多。现在有些建筑采用玻璃幕墙全封闭式，夏天太阳一晒，尽管将空调开足，也难以降温。据测算，北方建筑夏季一扇窗子就相当于一个400W的电灯泡，十扇窗子就是4 000W，要用5 000W以上的空调能量才能抵消。如果建筑采用外遮阳方式，就可以减少90%以上的射入建筑物的太阳能热量及所需的制冷能耗。

注：③所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。高品位的能源是指电力、机械功、燃气和液体燃料等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的。http://zhidao.baidu.com/question/15688021.html

⑤ 可再生能源的全面应用：实际上，太阳能、地热能、风能、电梯的下降再生能都可以用来发电，应该把这些统一利用起来。比如利用太阳能光伏发电板进行聚能发电、太阳能聚热，用光导管导进太阳光用于地下车库直接照明。可以把垃圾集中起来，产生沼气，然后再带动微型的燃气轮机运转。屋顶风力发电、污水热泵、水源热泵、地源热泵，可以利用的能源还有很多，完全可以组成一个新的能源体系。

⑥ 推行建筑配件化：我国建筑施工整个过程产生的建筑垃圾占城市垃圾的30%以上，住宅的二次装修也造成了很大的浪费，因此有条件的城市第一步必须要推行全装修。据测算，一旦推行全装修，全国每年可以减少300亿元价值的资源消耗，二氧化碳气体的排放也可以大幅度减少。我国毛坯房的供应比例之高是世界上少有的。如果在深圳试行全装修，绿色建筑二星级就可以有条件达到。全国还没有任何一个城市这样做，万科地产已宣布其开发的所有住宅都做成全装修。第二步就是在全装修的基础上，推行建筑的构件化和配件化。用现代技术精密制造的建筑构件来组装建筑，建筑的施工速度会大大加快，也能节约大量的材料和能源。据估计，采取配件化的企业与采取传统生产方式的企业相比，前者节约20%能耗，节约水耗63%，节约木材87%，每平米产生的垃圾量减少90%，没有垃圾，工地变得非常整洁，噪声影响也大大降低。^④

注：④ “生态城改造分级关键技术”，中国城市科学院研究会主编：《中国低碳生态城市发展报告2010》，北京·中国建筑工业出版社，2010年版，P166。

⑦ 本土的低碳建筑规范需要出台指导：现在世界上已经有很多绿色建筑的评估系统和标准，英国有BREEAM体系，它是同时为建筑师和开发商提供相关技术咨询的，适用范围十分广泛，学术价值比较高; 美国有LEED绿色建筑评估体系，它是需求为导向、以市场为驱动的绿色建筑评估系统，是目前中国市场最流行的; 中国也有以美国LEED系统为蓝本发展来的三星级绿色建筑评价标准，当然、全世界的这些体系还有很多，它们各有自己的优势和特点。如今低碳建筑的出现，“二氧化碳”可以关系到的社会各个层面，我国需要一个本土的低碳建筑规范去指导建筑设计，真正的做到建筑全方位的可持续。

8、建筑设计行业数字化技术普及化：低碳建筑包含的结构、管线是相当复杂的，数字化设计在许多方面可以很好的应对低碳建筑中容易出现的问题，目前，设计单位中许多年长有丰富工程经验的建筑师对新出现的设数字化设计了解到并不多，而年轻人对软件熟悉却缺少工程经验，数字化技术普及化，老中青三代才能更好的沟通，在设计领域把低碳建筑做的更成熟。

(2) 对于社会

① 继续推进财政补贴：市场需求广阔，中国政府《可再生能源中长期发展规划》设定，到2020年可再生能源占能源总量比重达到15%，对风电、太阳能发电和生物质发电等可再生能源并网发电进行财政补贴; 同时，中国人口众多能源需求巨大，必将催生对替代传统化石能源的可再生能源的极大需求，从而降低可再生能源的利用成本促使其普遍应用，比如中国太阳能热水器产业其生产和应用均已居世界前列。

② 充分利用投资：开发利用可再生能源需要投入巨资进行技术研发和基础设施建设，而目前国内该领域的资金充沛，CDM机制为新能源开发利用项目融通大量资金，中国政府也建立了可再生能源发展专项资金，目前新能源及可再生能源领域的民间投资较为活跃。

③ 采用符合国情的税收政策：这里可以参照哥本哈根市政府的做法，他们发布《Copenhagen Climate Plan》，提倡发展节能建筑，城市有严格的建筑标准，进行推广节能建筑。对房屋保温层和门窗密封程度都有严格规定，墙壁厚达三层，中间层是特殊保温材料，夏天隔热，冬天防寒。窗户也有严格的要求，外边的冷(热)，空气不会轻易进来。家家户户都使用节能灯，晚间通往郊外的路没有一盏路灯。哥本哈根还积极发展垃圾处理税收机制。为了鼓励垃圾回收，政府向每个家庭每年征收1400克朗的税收，如果是企业垃圾，企业需要向政府缴纳每吨330克朗，向电厂缴纳1400克朗。垃圾填埋要缴纳最高的赋税，焚烧次之，而循环利用则是完全免费的，市区都拥有垃圾回收场，垃圾每天处理从不堆积。