预制装配超低能耗木结构建筑设计实践以江苏省绿色建筑为例

　　摘要以江苏省绿色建筑博览园“木营造馆”为例，在建筑设计的各阶段以“被动式设计”为策略首选，因地制宜确定适用性绿色技术，并应用相关模拟软件对建筑节能设计各关键环节进行性能化模拟，从回应地域气候的绿色建筑设计、外围护结构节能设计、预制装配木结构技术三方面出发，探讨如何将绿色节能技术与现代木结构技术进行整合。应用相关软件对建筑室外风场、建筑朝向、室内空间环境、木结构外围护结构进行模拟分析，并从经济性角度优化了外墙和屋面保温材料的厚度。结果表明，合理的建筑朝向和功能空间组织、高性能木结构外围护结构、种植屋面、可调节外遮阳以及光伏一体化设计，可以有效降低建筑能耗，达到超低能耗建筑的节能目标。本项目的设计实践可为我国夏热冬冷地区类似项目提供借鉴与参考。

　　关键词预制装配;超低能耗;木结构建筑;绿色建筑

　　1.研究背景

　　随着城镇化进程的快速推进，建筑能耗总量占全社会能耗的比例逐年上升，国家大力发展装配式、被动式低能耗建筑，是节能减排的一项重要举措[1]。各种胶合木技术和表面处理技术使木材的力学、防火、防潮等性能大幅提高，且木材本身隔热性能好，同时装配式木结构集成技术和建筑工业化建造方式具有独特的节能优势，更易实现超低能耗甚至零能耗建筑[2-4]。如何继承传统，整合被动式节能技术和预制装配木结构技术，创造一个均衡的、适宜的低能耗舒适环境，成为绿色建筑的一个重要发展方向。

　　绿色建筑论文范例： 绿色建筑艺术设计的改进措施分析

　　近年来，以节能性能为导向的装配式木结构建筑设计的理论和工程实践逐渐增多，装配式木结构建筑同样应当积极回应场地的气候环境与地理特质，实现性能与形式的双重提升[5]。在上述思考背景下，江苏省绿色建筑博览园“木营造馆”示范项目实践，尝试探索适宜的、整合的被动式超低能耗木结构建筑绿色设计策略和方法，为预制装配超低能耗木结构建筑技术的应用与推广做基础性的研究与探索。

　　2.项目概况

　　2.1设计目标

　　“木营造馆”示范项目位于常州市武进区江苏省绿色建筑博览园内，是国内首个绿色建筑主题公园，因地制宜布置了14栋不同技术类型的绿色建筑，集中展现了多样化的绿色建筑技术[6]。

　　项目定位：1)作为博览园体量最大的建筑，承载博览园主展馆功能，为园区提供公共信息展示、会议、管理办公服务功能，是园区对外展示的重要窗口;2)针对常州夏热冬冷的气候特点，在保证良好物理环境的前提下最大程度减少建筑能耗，达到超低能耗建筑节能目标。关注建筑节能和环境友好，充分展示适应地域气候的绿色节能技术，引领园区绿色建筑新理念;3)契合绿色低碳的建设目标，以现代木营造理念诠释装配式木结构技术体系的适用性和多样性，突显木构造建筑的独特结构空间形式和高效的工业化建造技术。

　　2.2气候环境特点及适宜绿色技术分析

　　常州地处北亚热带季风性湿润气候区，四季气候特点分明，夏季炎热，冬季寒冷，春秋季温和。雨量充沛且较为稳定，年均降雨量为1117mm，四季风速保持在3.0m/s左右[7]。太阳能资源较丰富，属于我国太阳能资源第Ш类分区，太阳直射辐射较多。项目选址位于园区西北侧，园区东南侧有一自然河道，已拓展成生态湿地公园，可以利用河道水作为非传统水源。

　　对场地自然资源及环境的现状分析，根据冬冷夏热地区的节能措施，制定该地区最有效的绿色设计策略为：以增强外围护结构的保温隔热性能+自然通风+主动式“太阳能”为主。针对夏热冬冷地区建筑节能设计特点，结合设计经验，初步确定以下适宜绿色技术：1)自然通风采光;2)高性能围护结构;3)太阳能光伏发电;4)丰富的外遮阳体系，屋顶绿化;5)雨水回渗利用;6)地源热泵或深井水源热泵。

　　3.回应地域气候的绿色建筑设计

　　3.1总平面布局设计

　　博览园中示范建筑的规划布局应充分结合基地所在的气候环境和自然环境，风速及室外风场分布对建筑室内环境具有重要影响。以夏季为例，常州地区夏季主导风向为南偏东22.5°，平均风速为2.3m/s，运用Phoenics软件对建筑群室外风场进行模拟。

　　1)当建筑南偏东时，风影区集中在建筑南侧主干路附近，北侧出入口平均风速集中在1m/s左右。随着偏东的角度变小，北侧出入口平均风速逐渐变低，当偏转角度为0°时，平均风速降低至0.65m/s，成为风影区。东侧出入口平均风速随着偏转角度的增大而降低，当偏转角度为30°时，成为风影区。

　　2)当建筑南偏西时，风影区主要集中在建筑西北侧，且偏转角度越大，风影区面积越大;建筑南偏西10°时，东侧出入口平均风速在1~2m/s，北侧出入口平均风速在1.2m/s左右，人体感觉较为舒适。随着偏西角度增大，北侧出入口风速逐渐降低到0.6m/s以下，转变为风影区。受太阳辐射与自然风向的影响，建筑朝向和室外风环境对建筑能耗存在一定影响。利用DesignBuilder软件对不同朝向的建筑进行能耗模拟，以正南朝向建筑年单位面积能耗为基准。

　　南偏东10°~南偏西15°时，能耗相对较低，能耗相差在1500kJ/(m2•a)以内;南偏西5°时，能耗最低，比基准建筑低216kJ/(m2•a);南偏西10°时，比基准建筑仅高216kJ/(m2•a)。结合风环境和能耗模拟结果，示范建筑朝向选择为南偏西10°。

　　3.2建筑空间设计

　　基于节能目标的建筑空间与形体操作过程成为建筑形式推演的逻辑，产生了相应的空间形式。夏热冬冷地区需重点考虑建筑的体形系数，形体被设计成一个紧凑的长方体盒子，利于过渡季节室内通风散热和降低冬季室内取暖能耗。空间的划分与组织是建筑设计的基本问题之一，独特的形体区别于形式主义的建筑语言，而是源于功能空间的组织和对场地气候环境的应对。根据建筑的使用功能要求，空间划分为南北两个体块，南侧设置为办公空间，北侧为展示空间，包含沙盘展厅、活动区、会客室等。所有办公空间实现了朝南的预设，并为北侧的展示空间形成自遮阳。通过植入8m×11m的中心庭院，平面功能布局围绕中心庭院展开，以此来组织通风和采光，增强室内外空气的对流。卫生间和楼梯间布置在庭院西侧，有效防止西晒。

　　努力将建筑形体节能、空间布局和使用功能进行综合考虑，以被动式节能设计作为一个基本要素融入到功能空间的组织之中。建筑南侧单坡和北侧双坡屋顶的变形处理，既是与江南传统民居建筑的对话，又是气候适应性设计与空间功能较好的结合。将南侧办公单元的屋顶向上起翘，并安装光伏电池板。北侧展厅的空间调节使北侧屋檐下坠，增加了屋顶绿化种植面积，形成室内局部挑高空间。屋顶的形式变化减少了北侧玻璃面的面积，利于建筑的自然通风和减少冬季的热损失。

　　3.3自然采光通风设计

　　合理的建筑功能布置和空间设计能有效促进自然通风和采光，根据功能空间需要和自然采光通风的最佳状态，对体型、空间、立面等要素进行优化调整，如何优化展示空间的室内舒适性是设计重点。展厅“屋顶形变”创造出局部二层展示空间，增大了建筑东南向迎风面，当室内需要通风时可以手动开启二层外窗和调节遮阳百叶角度，改善了室内空间的采光和通风。

　　植入的中心庭院与走廊门窗、房间门窗、立面开口对应，在夏季及过渡季节东南风较多的情况下实现了良好的“穿堂风”效应。庭院是自然通风和采光系统的核心，提供了除外墙开窗以外的另一新风来源。在整个设计过程中，结合绿建斯维尔软件多次进行风光环境模拟优化，办公和展示空间取得良好的采光效果，70%以上面积采光系数满足要求。展厅室内自然通风情况良好，气流平均速度在0.5~1.2m/s之间，展厅室内大部分区域空气龄均低于200s。

　　3.4屋顶绿化与水资源利用

　　屋顶绿化作为建筑的第五立面，坡屋顶的变化增加了空间的层次，无论冬季或者夏季，绿化植被下的屋面温度波动均较小，缓解了屋面的冷热冲击，营造出一个以植物为主的拟自然生态系统[8]。绿化物种选用适宜当地气候和土壤条件的乡土植物，屋面绿化占主体屋面实体面积62%，采用约300mm厚的轻质种植土，铺设佛甲草草坪，有效降低夏季屋顶温度1015℃，调节室内温度59℃，储蓄12%的雨水、吸收35%的空气粉尘。

　　建筑西侧墙面采用模块化绿植方式，单元绿植模块挂在预制构架上并配置自动灌溉系统，降低夏季西晒对墙体表面和室内温度的影响。草坡屋面设分仓梁，疏水板垂直于分仓梁布置，分仓梁上设过水孔，多余的雨水经汇集、沉淀与净化处理，有效减少屋面径流总量和径流污染负荷。屋面雨水收集后，通过雨水立管排入建筑周边填有卵石和陶粒的排水明沟中，再导向建筑中央的雨水花园中，下渗补充土壤水分，不外排到雨水管网，实现雨水的回收和再利用。

　　3.5可再生能源利用

　　常州市光照资源丰富，近5年的平均月累计日照小时数为156h，日照百分比为42.5%，太阳辐射强度为4585.99MJ/(m2·a),对于建设光伏发电系统具有很大的应用价值。博览园采用可再生能源微网控制技术，将各栋建筑的太阳能光伏发电系统和风力发电系统所发绿色电力与园区电网结合，根据各用电单元实时负荷要求，统一调配。

　　示范建筑南侧坡屋面上覆盖太阳能光伏板一体化设计，光伏发电系统采用270W的单晶硅光伏组件，安装面积为320m2，系统总装机容量为54kWp。建筑投入使用后，2016年8月至2017年7月，光伏发电量为60236kW·h，其中8月份发电量为全年最高，达到8819kW·h，光伏系统全年发电量约占建筑全年总用电量的23.6%。室内主要采暖设施为地源热泵系统，通过地源热泵与城市热网相结合方式为建筑提供制冷和采暖。冬季采用地板辐射供暖系统以及新风系统，比传统空调系统节能高40%左右。

　　4.木结构建筑外围护结构节能设计

　　4.1外围护结构构造设计

　　影响建筑冷热负荷的因素主要包括：建筑朝向、体型系数、窗墙比、外围护结构构造措施和保温隔热性能等建筑节能设计参数。利用DesignBuilder软件进行能耗模拟计算，对外墙、外窗、屋面的保温隔热性能作重点研究。

　　木头是天然的保温材料，热桥效应远低于钢结构和混凝土结构，示范项目采用预制板式木结构墙板。外墙均采用140mm木龙骨中内填120mm玻璃棉保温板;屋面采用90mm木龙骨内填70mm挤塑聚苯保温板(XPS)，保温层位于气密层外侧。夏热冬冷地区利用建筑外遮阳是降低建筑能耗的最有效手段，通过不同遮阳条件下的全年能耗模拟。

　　不同形式的遮阳均能有效降低建筑能耗，可调节外遮阳效果最佳，建筑能耗为82.17kWh/(m2·a)，与满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015要求的乙类公共基准建筑相比，节能50.81%，达到超低能耗建筑节能标准。种植屋面不仅美观且具有优良的隔热保温性能，模拟显示展厅屋顶增加种植绿化后，建筑能耗下降至82.17kW·h/(m2·a)，节能率提高2%。

　　示范建筑实际运行数据显示，2016年8月~2017年7月总耗电量254789kW·h，其中空调系统耗电量约为71410kW·h，折合单位面积耗电量27.45kW·h/(m2·a)，占总建筑能耗的27%左右。根据制冷制热效率换算，示范建筑的暖通能耗在84~90kW·h/(m2·a)，略大于能耗模拟结果82.17kW·h/(m2·a)，本项目达到超低能耗建筑的设计目标。造成运行能耗大于模拟能耗的原因是空调系统运行过程中存在开窗现象，造成建筑气密性降低，新风负荷增加。

　　4.2保温层厚度节能优化

　　示范项目虽已达到超低能耗建筑标准，但从经济性角度考虑，可以进一步研究保温材料厚度对建筑能耗的影响，优化保温层厚度。在外围护结构中，外墙占据着最多的面积，对整个建筑的节能起着重要的作用。首先对外墙采用不同厚度保温层的采暖制冷总负荷进行量化统计分析，以更加准确地研究两者之间的关系。

　　外墙玻璃棉保温层厚度由10mm增加至60mm时，建筑能耗显著降低，由60mm增加至140mm时，建筑能耗降低不显著，保温层为60mm时，建筑能耗为83.11kW·h/(m2·a)，建筑节能率为52.23%。

　　屋面是围护结构热量损失仅次于外墙、门窗的损失的部位，占围护结构热量损失的9%左右。外墙玻璃棉保温层厚度取60mm，对屋面采用不同厚度保温层的建筑采暖制冷总负荷进行量化统计分析。屋面挤塑聚苯板(XPS)厚度由10mm增加至50mm时，建筑能耗降低显著，由50mm增加至70mm时，建筑能耗降低不显著。当厚度为50mm时，建筑能耗为84.43kW·h/(m2·a)，建筑节能率为51.4%。

　　经过优化后，外墙采用60mm玻璃棉保温板，传热系数为0.37W/(m2·K);屋面采用50mm挤塑聚苯板(XPS)保温板，传热系数为0.21W/(m2·K)，满足超低能耗建筑节能标准。出于构件受力性能的考虑，保温材料一般填满于木龙骨框架内，上述保温层厚度优化仅考虑围护结构热传递，忽略了湿传递对木质围护结构的热工性能影响。因此，木质建筑保温层的经济厚度需结合力学性能、热湿耦合和施工技术等因素开展更深层的理论研究。

　　5预制装配木结构技术

　　5.1现代木结构体系设计

　　示范建筑中采用了胶合木框架—剪力墙、桁架以及树形木结构等多种新型高效的木结构体系，实现力与美的结合。主展馆三层办公楼部分采用胶合木框架—剪力墙结构体系，相对于轻型木剪力墙结构体系，具有更高的强度和刚度，使得木框架与木剪力墙能形成一个整体，实现刚度、强度、延性的有效融合。展厅屋面为大跨度胶合木结构，跨度为19.8m，采用了直线梁的形式，梁端部采用双柱拼接。由于采用了种植屋面，屋面恒载为3.0kN/m2，考虑梁承载能力及变形，优化后主梁的截面为170mm×800mm，主次梁相互垂直，形成正交分级的主次梁结构体系。

　　为增强整体结构的稳定性，柱子之间穿插钢索进行加固，柱外侧用斜撑支托悬挑较大的纵梁。建筑东侧入口处采用四棵树形木结构，自一楼伸至二楼平台，并向四个方向对称发散，形状如天然树枝自由生长至屋面，营造二层平台开阔的入口空间。树形木结构拥有优美的仿生结构形态，实现多点支承代替传统柱的单点支承，体现了力流从上到下、从分散到集中的汇聚过程，充分展现了现代木结构的力学美[9]。

　　5.2装配式梁柱植筋连接技术

　　为提高现场安装效率，构件除采用常见的销钉、螺栓和齿板连接外，还采用装配式木结构梁柱植筋连接方式，这种节点包括木柱、植筋、胶黏剂、装配式连接件、节点紧固件和钢垫板等[10]。木柱与支撑结构间通过植筋、装配式过渡金属连接件和节点紧固件连接。展厅柱脚的节点均采用了装配式植筋连接技术，柱脚预埋件预先在混凝土柱墩浇筑前埋设，木柱吊装时，将带有植筋连接件的木柱与柱脚预埋件进行机械连接，无需进行现场植筋，提升了安装效率。植筋本身的线性形状使其更加适用于大型空间和复杂节点，是现代木结构的理想连接方式之一，使施工更加便捷快速，效率提升50%。

　　5.3基于BIM技术的装配式协同设计

　　对于装配式木结构建筑而言，BIM技术可以有效实现建筑在方案设计、构件生产、建筑施工、运维管理等全生命周期中的控制与管理，提高其设计、生产以及施工的效率[11]。运用Revit建立三维模型，将复杂的建筑结构形态拆分为标准化的墙体、楼盖、梁柱和屋架构件，并进行虚拟建造，对复杂构造和关键节点的模拟可以用于指导实际建造。

　　确认构件之间的关系与连接，对构件及拼装节点进行碰撞检查，无误后导出SAT文件并导入CADWORK。在CADWORK中校核是否有构件缺失或者开槽位置不正确，对构件进行自动检测和分析，减少施工误差，最后输出构件加工图纸并生成相应的数控机床数据加工文件。设计和建造过程从一开始就是分类、选择与合作的过程，将各种建筑构件、设备厂家关联在一起进行协同设计研发和建造，为建筑系统的集成提供了条件。

　　6结论

　　“木营造馆”从项目自身特点出发，因地制宜，积极实现经济有效的被动式节能技术与预制装配木结构技术的适宜结合，回归到对超低能耗建筑本体的理解和阐释，是对绿色低碳建筑设计的一次探索，得出以下结论：

　　(1)遵循以节能目标为导向的建筑性能化设计逻辑，通过对场地自然资源及地区气候的特点分析，制定“被动优先”策略，注重可再生能源利用，因地制宜确定适用性绿色技术，可以实现绿色节能设计与建筑空间品质的整合设计，达到经济有效的超低能耗建筑设计目标。

　　(2)合理的设置建筑朝向和功能空间组织，兼顾自然通风采光和光伏一体化设计，可以有效降低建筑能耗和提高室内环境舒适性：办公和展示空间70%以上面积采光系数满足要求;展厅室内气流平均速度在0.5~1.2m/s之间，大部分区域空气龄均低于200s;建筑屋顶一体化光伏系统全年发电量达到建筑全年总用电量的23.6%。

　　(3)木结构墙体和屋面具有优良的热工性能，集成高性能节能外窗、种植屋面和南侧增设可调节外遮阳，可以达到超低能耗建筑节能目标。经过优化后，外墙玻璃棉保温层厚度取60mm最佳，传热系数为0.37W/(m2·K);屋面XPS保温层厚度取50mm最佳，传热系数为0.21W/(m2·K)。

　　参考文献：

　　[1]游又能，康一亭，马健，邢英瑞.我国被动式超低能耗装配式建筑关键技术的研究与发展[J].建筑科学，2019，35(08)：137-142.

　　[2]杨学兵，欧加加.我国装配式木结构建筑体系发展趋势[J].建设科技，2018，355(5)：6-11.

　　[3]王瑞胜，陈有亮，陈诚.我国现代木结构建筑发展战略研究[J].林产工业，2019，56(09)：1-5.

　　[4]赵西平，艾闪，梁斐赫，郝际平.新型装配式木结构墙板热工性能试验及数值模拟研究[J].工业建筑，2020，50(10)：49-56.

　　作者：胡忆南1，姜雷2