崔艷秋郎冰孫寧晗李思萌朱霖

(1.山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東濟南250101；2.中鐵華鐵工程設(shè)計集團有限公司，北京100071；3.濟南市中山公園服務(wù)中心，山東濟南250000)

0 引言

我國已經(jīng)步入了聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)下的老齡社會，人們逐漸開始關(guān)注在何種建筑中，以何種方式安度晚年，養(yǎng)老服務(wù)機構(gòu)的大量建設(shè)與緊張的建筑資源之間的矛盾日益突出，提高居住品質(zhì)、降低建筑能耗成為養(yǎng)老建筑可持續(xù)發(fā)展的必然需求[1-5]。過去，部分專家學(xué)者對如何將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于方案設(shè)計中進行了研究。張弘等[6]以SDC2018國際太陽能設(shè)計競賽方案“The WHAO House”為例，詳細介紹了被動式建筑技術(shù)與建筑的結(jié)合方法；宋曄皓等[7]以岳陽三中風(fēng)雨操場為例，探討了在應(yīng)對環(huán)境條件的前提下，建筑功能與建筑技術(shù)的整合方法；宋曄皓等[8]以龍湖超低能耗建筑主題館為例，通過對本土材料及場地環(huán)境等因素的研究，探討了建筑的可持續(xù)設(shè)計方法；陳凱等[9]通過將綠色生態(tài)理念融入住宅建筑，設(shè)計出了綠色可持續(xù)的住宅方案；崔艷秋等[10]通過對方案當(dāng)?shù)氐臍夂蛩?、建筑風(fēng)貌和傳統(tǒng)技術(shù)進行分析提取，設(shè)計了符合當(dāng)?shù)氐赜蛱攸c的住宅建筑方案；王崇杰等[11]通過分析太陽能十項全能競賽中的獲獎方案，總結(jié)出了被動式太陽能、主動式太陽能等方面的設(shè)計策略；謝空等[12]通過對一體化設(shè)計理論進行探討，提出對太陽能與建筑一體化設(shè)計的一些思路與看法；楊向群等[13]通過方案設(shè)計，闡述了方案中體現(xiàn)出的生物氣候?qū)W設(shè)計策略，太陽能光電、光熱系統(tǒng)和太陽能建筑一體化設(shè)計方法；仲繼壽[14]對中國太陽能建筑設(shè)計競賽中的獲獎方案進行研讀，總結(jié)出各方案所應(yīng)用的綠色建筑設(shè)計理念。目前，將綠色建筑技術(shù)與養(yǎng)老建筑結(jié)合起來的研究較少，文章結(jié)合某生態(tài)頤養(yǎng)服務(wù)中心項目設(shè)計，在提高養(yǎng)老建筑品質(zhì)的同時，重視生態(tài)平衡，降低建筑能耗。方案設(shè)計中積極整合適宜的可再生能源技術(shù)，探索綠色節(jié)能設(shè)計理念在傳統(tǒng)養(yǎng)老建筑中的應(yīng)用策略，從而為建筑帶來永續(xù)的能源，讓建筑為老人創(chuàng)造適宜、安全、健康、舒適、綠色的新生活。

1 項目概況與分析

1.1 概況

該生態(tài)頤養(yǎng)服務(wù)中心位于福建省德化縣泉州市瓷都印象生態(tài)園內(nèi)，園區(qū)由養(yǎng)老公寓、養(yǎng)老居住小區(qū)、休閑公園、溫泉公園、植物園、度假村等共同組成。頤養(yǎng)服務(wù)中心用地面積為3 400 m2，處于園區(qū)西部，主要入口處，交通便利，整體地勢由南向北逐漸升高。

1.2 前期分析

對于老年人來說，隨著年齡的增長，身體機能逐漸衰退，具有免疫力降低、新陳代謝能力降低的特點，因此老年人對日照及室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求較高。充足的日照可以提高老年人的身體機能，提升老年人心理的愉悅感。該設(shè)計前期對氣候、地形、人文等條件進行分析，以滿足老年人的生理、心理健康需求為設(shè)計目標(biāo)與重點，運用多種設(shè)計方法與手段來確保其室內(nèi)居住環(huán)境的舒適。

1.2.1 氣候分析

泉州市屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫高達18.2℃，年均無霜期約為260 d。年均降水量約為1 800 mm。夏季主導(dǎo)風(fēng)向(盛行西南季風(fēng))為西南，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東北(盛行東北季風(fēng))。受季風(fēng)影響，全年氣溫差異不大，濕度較大。因此，該地區(qū)建筑設(shè)計應(yīng)注重夏季防熱及通風(fēng)除濕。此外，當(dāng)?shù)靥栞椛漭^強，年日照平均時數(shù)達2 780.6 h，為養(yǎng)老建筑中實現(xiàn)太陽能與建筑一體化設(shè)計提供了豐富的資源。

1.2.2 地形與人文分析

泉州市德化縣全縣地勢較高，建筑紅線內(nèi)地勢平坦、交通便利。德化縣素有“世界陶瓷之都的美譽”，人口以漢族為主，畬族為主要的少數(shù)民族，著名的傳統(tǒng)民居形式為客家土樓。頤養(yǎng)服務(wù)中心設(shè)計應(yīng)在順應(yīng)地勢、符合地域氣候特征的前提下，注重傳統(tǒng)文化特征的表達。

1.2.3 社會經(jīng)濟因素分析

目前我國老年人口已經(jīng)超過1.8億，預(yù)計到2020年將達到2.48億人，老齡化水平將達到18%，已經(jīng)步入了老齡化社會。另外，由于當(dāng)今年輕人的工作壓力較大，普遍無暇照顧父母長輩，使得老人家庭“空巢”現(xiàn)象日趨明顯。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，老年人普遍有足夠的經(jīng)濟實力進入養(yǎng)老院進行養(yǎng)老。在此社會背景下，為老年人設(shè)計生態(tài)頤養(yǎng)服務(wù)中心符合當(dāng)下的社會經(jīng)濟發(fā)展情況。

2 基于氣候適應(yīng)性的形體空間設(shè)計策略

2.1 場地“規(guī)劃”

頤養(yǎng)服務(wù)中心作為養(yǎng)老建筑，其設(shè)計旨在為老年人提供健康舒適的居住場所。建筑的空間策略目標(biāo)是營造舒適便捷的室內(nèi)外環(huán)境同時保證私密性的交往空間。該建筑所處基地?zé)o遮擋，利于實現(xiàn)建筑的自然采光與通風(fēng)，但同時要考慮老人自立性、安全性的心理需求，建筑布局采用集中式布置，這樣的布局形式既滿足相對獨立的需求同時順應(yīng)場地條件。項目主體朝向為南北方向，保證建筑采光與通風(fēng)的同時，盡量簡化體型，減小體形系數(shù)，為建筑節(jié)能提供有利條件?？紤]到該地區(qū)的冬季風(fēng)主導(dǎo)方向是東北方向，因此在主要功能的房屋朝向選擇上應(yīng)盡量避免東北朝向。對該地區(qū)各方位在全年最熱月、最冷月和全年平均的太陽輻射量的分析，確定建筑的最優(yōu)朝向為南偏東21°，避開了冬季主導(dǎo)風(fēng)向的同時，符合相關(guān)規(guī)范中養(yǎng)老建筑物朝向設(shè)計接近南北向的規(guī)定。

2.2 虛實“過渡”

結(jié)合所處地形和建筑類型，結(jié)合太陽能可再生能源技術(shù)的應(yīng)用，進一步嘗試頤養(yǎng)服務(wù)中心空間形制的衍化。建筑的“實”與環(huán)境的“虛”，2種屬性恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換是空間設(shè)計的重點。養(yǎng)老建筑的實體、空間及環(huán)境各構(gòu)成要素互為依存，作為協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體，圍合的院落是聯(lián)系實體與外部空間良好的“過渡”媒介。方案中建筑單體的設(shè)計，融合福建本土典型的建筑類型土樓及院落空間設(shè)計，邊界通過連廊與退臺的方式實現(xiàn)建筑形體與自然環(huán)境的過渡，形成‘□’形基礎(chǔ)體塊，如圖1(a)所示。該體塊能夠最大限度的滿足養(yǎng)老建筑對不同功能單元的需求，圍合成的相互穿插、尺度宜人、層次豐富的庭院空間，能夠有效增加建筑的自然采光，改善場地內(nèi)自然通風(fēng)效果，保證空氣清新，有助于營造舒適的室內(nèi)外環(huán)境，同時也利于形成良好的交往空間。

2.3 形體“提升”

針對頤養(yǎng)服務(wù)中心基地條件和夏季炎熱、潮濕的氣候特征，在建筑體型及空間設(shè)計中應(yīng)重視室內(nèi)外通風(fēng)環(huán)境的營造，減少人們對空調(diào)等人工設(shè)備的依賴，并降低建筑能源消耗。因此通過對不同空間體型的模擬分析，進一步優(yōu)化設(shè)計方案，達到提升養(yǎng)老建筑環(huán)境品質(zhì)和室內(nèi)舒適度的目的。

基于場地現(xiàn)狀，對方案的基礎(chǔ)體塊進行適當(dāng)?shù)睦?，如圖1(b)所示。借助計算機軟件(Ecotect analysis)對其進行通風(fēng)環(huán)境模擬，分析結(jié)果如圖2(a)所示，分別讀取迎風(fēng)面、背風(fēng)面、庭院內(nèi)的A、B、C、D 4個區(qū)域的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)庭院內(nèi)自然通風(fēng)效果較差，場地外風(fēng)影區(qū)大；在順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)的前提下，對體塊進行剖斷與移動，如圖1(c)和(d)所示，其模擬結(jié)果如圖2(b)所示，此時C、D區(qū)域平均風(fēng)速達到1.0 m/s，通風(fēng)效果得到了明顯改善；但考慮進一步提升庭院內(nèi)通風(fēng)效果，再對體塊進行適當(dāng)?shù)钠是信c退臺處理，如圖1(f)所示，此時模擬結(jié)果如圖2(c)所示，讀取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，庭院內(nèi)C、D區(qū)域風(fēng)速均勻，平均風(fēng)速可達1.2 m/s，因此滿足相關(guān)規(guī)范對自然通風(fēng)的舒適要求。同時該設(shè)計方案，由于體塊的北部及南部表面的風(fēng)壓差較大，因此也為該地區(qū)在春、秋兩個過渡季的非空調(diào)時段的風(fēng)環(huán)境營造，提供了非常有利的條件。

另外，基于該地區(qū)太陽輻射較強，為有效利用太陽能資源，在體塊不變的基礎(chǔ)上，將建筑屋頂設(shè)計成雙層坡屋頂形式，并結(jié)合房間功能要求，合理設(shè)計屋頂坡度方向，從而實現(xiàn)太陽能與建筑屋頂一體化設(shè)計策略，降低建筑能耗，如圖1(g)和(h)所示。

圖1 模型演化過程圖

圖2 風(fēng)環(huán)境模擬分析圖

3 基于本土適應(yīng)性的被動式技術(shù)策略

濕熱是泉州地區(qū)典型氣候特點，遮陽、隔熱、通風(fēng)和太陽能利用等一系列的被動式技術(shù)是適應(yīng)其氣候特征主要節(jié)能手段。該項目設(shè)計中，借鑒并重新詮釋了閩北建筑庭院、圍屋和冷巷等空間元素，結(jié)合不同類型的圍合式的半開敞空間，組成空間序列，探索該地區(qū)具有本土適應(yīng)性的被動式技術(shù)應(yīng)用策略。

3.1 低能耗的適應(yīng)性空間布局

平面布局是否合理，直接影響建筑的風(fēng)環(huán)境營造和太陽能應(yīng)用技術(shù)的效率[15]。因此，項目的平面設(shè)計主要考慮熱舒適度需求等級，根據(jù)由高到低的序列，將室內(nèi)功能空間分為居住、生活、辦公與設(shè)備空間。套間、病房等熱舒適度要求高的居住空間布置在建筑南側(cè)；餐廳、健身房等生活用房布置在建筑的東南側(cè)；辦公室、儲物間和工具間等房間布置在建筑北側(cè)，作為溫度阻尼區(qū)。這樣的平面布局不僅滿足養(yǎng)老建筑對熱舒適的需求，同時也可以適于建筑的實用功能要求，如圖3所示。

為保證建筑圍護結(jié)構(gòu)具有較好的保溫與隔熱性能，在建筑南面設(shè)置陽光間，以保證建筑能夠有充足采光與得熱，滿足養(yǎng)老建筑使用特點，而在建筑的東、西、北3側(cè)外墻上，僅開有小面積的外窗，以滿足基本采光及夏季自然通風(fēng)要求。

圖3 一層平面圖

由所建立方案的采光模型可知，適宜比例的外窗及陽光間的應(yīng)用為建筑帶來了充足的日光，各區(qū)域采光系數(shù)在2.5%～21.5%之間，而養(yǎng)老建筑采光標(biāo)準(zhǔn)要求采光系數(shù)的最低值為2%，因此該空間布局下的自然采光效果較為理想，能夠減少建筑在白天因室內(nèi)照明而產(chǎn)生的建筑能耗。

3.2 與自然共生的庭院設(shè)計

借鑒傳統(tǒng)閩西建筑充分利用庭院的設(shè)計手法，方案中的入口門廳、接待大廳、辦公會議區(qū)及交通空間均采用與庭院相結(jié)合的敞廳形式，活動場地位置宜選擇在向陽、避風(fēng)處。利用庭院和露天樓梯等交通空間形成冷巷，通過冷巷冷卻空氣并誘導(dǎo)通風(fēng)，使自然風(fēng)滲透到與冷巷相連的各個公共開敞空間中，并最終從頂部流出。同時庭院內(nèi)植物的蒸騰作用和水分的蒸發(fā)降低了庭院底部的空氣溫度；庭院上部的空氣受太陽直射，具有較高的溫度。通過庭院上下層的空氣溫差，帶動空氣流動，實現(xiàn)庭院內(nèi)部房間的自然通風(fēng)。借助計算機模擬軟件對通風(fēng)體系進行驗證可知，夏季午后靜風(fēng)時段，庭院及廊道區(qū)域的空氣流速基本在0.3～0.8 m/s之間，對于老年人來說較為適宜。

3.3 多構(gòu)造層的樓板與屋頂設(shè)計

基于熱壓通風(fēng)原理，項目中居住、醫(yī)療用房樓板均采用帶有通風(fēng)口的雙層樓板。實現(xiàn)陽光間與樓板間的冷、熱空氣流動。在與公共庭院存在高差的側(cè)墻上設(shè)置可開啟的通風(fēng)百葉，與室內(nèi)房間樓板通風(fēng)口相聯(lián)通，達到夏季通風(fēng)排熱，冬季保溫的效果。

屋頂采用雙層坡屋頂，并在屋頂檐口部位和陽光房的下部設(shè)置出風(fēng)口和可開啟的進風(fēng)口，基于熱壓通風(fēng)原理，可以滿足夏季排出熱空氣及冬季保溫的需求。公共區(qū)域平臺使用的覆土屋面，與雙層屋面相類似，覆土層可以在夏季防止過多熱量進入室內(nèi)，具有隔熱作用；冬季減少屋頂?shù)臒醾鬟f的損失，達到保溫效果。屋頂合理設(shè)計立體綠化，將部分居住在較高層數(shù)的老人引向屋頂平臺，豐富了居住環(huán)境，如圖4所示。

圖4 覆土屋面透視及構(gòu)造圖

3.4 太陽能與建筑一體化應(yīng)用策略

通過建立太陽輻射量分析模型，對場地及建筑體塊的太陽輻射進行分析，進一步研究建筑與太陽能技術(shù)一體化應(yīng)用策略。將陽光間、太陽能熱水以及光伏發(fā)電等主被動式太陽能技術(shù)進行優(yōu)化整合，合理運用到建筑中，使建筑設(shè)計與太陽能技術(shù)實現(xiàn)有機結(jié)合。

(1)可開敞的被動式陽光間

為營造舒適的室內(nèi)環(huán)境，更好的調(diào)節(jié)不同季節(jié)的室內(nèi)熱、光環(huán)境，在南向居住房間內(nèi)設(shè)置陽光間，可開敞的被動式陽光間在夏季和冬季可起到明顯的節(jié)能效果，如圖5所示。在夏季，陽光間的窗戶及下部的通風(fēng)口開啟，陽光間內(nèi)空氣由于熱壓力差產(chǎn)生流動，實現(xiàn)通風(fēng)換熱；在冬季，陽光間的窗戶和通風(fēng)口關(guān)閉，陽光間內(nèi)空氣由于吸收太陽能而加熱，陽光間即成為南向的保溫外墻；同時陽光間與雙層樓板及屋面相連，其中升高的空氣溫度使地面和屋面蓄熱，起到有效加熱各居住空間的作用。

圖5 陽光間工作原理圖

(2)太陽能構(gòu)件與立面一體化

項目在坡屋頂與南向立面分別設(shè)置集中式太陽能熱水系統(tǒng)和壁掛式太陽能板，利用太陽能為建筑提供生活所需熱水。為保證太陽能輻射吸收效果，根據(jù)建筑屋頂構(gòu)造及不同月份太陽輻射量變化，通過軟件模擬選擇集熱裝置的最佳位置與擺放方位角和傾角值。根據(jù)不同月份太陽能高度角的變化，改變集熱裝置的傾角，使得傾斜面上輻射量最大，得到月最佳傾角值，如圖6所示。項目住宿部分的坡屋頂向陽面上，都設(shè)計有太陽能集熱裝置，屋頂?shù)奶柲馨遄鳛榻ㄖ?，較好地與建筑形式相融合，在建筑整體形象上突出了太陽能建筑融合設(shè)計理念。

圖6 不同月份太陽能構(gòu)件傾角值與日均輻射量圖

此外，建筑的南立面也安裝了與建筑色彩風(fēng)格相適應(yīng)的透明太陽能光電板，既可以高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為用于室內(nèi)照明、設(shè)備供給的電能，同時色彩豐富的太陽能板還可改變傳統(tǒng)養(yǎng)老建筑冰冷呆板的建筑形象，使頤養(yǎng)服務(wù)中心建筑更加溫馨美觀，同時也利于調(diào)解老年人的情緒。該設(shè)計進一步體現(xiàn)了太陽能與建筑一體化以及人文關(guān)懷的設(shè)計理念。

4 結(jié)語

綠色建筑設(shè)計理念其本質(zhì)是根據(jù)不同的氣候、地形特征以及功能需求，因地制宜的提出適宜的節(jié)能設(shè)計策略。通過生態(tài)頤養(yǎng)服務(wù)中心“光·棲院”的設(shè)計，探索了被動式節(jié)能技術(shù)及太陽能利用技術(shù)在綠色養(yǎng)老建筑中的應(yīng)用策略，為建筑設(shè)計與建筑節(jié)能技術(shù)相結(jié)合提供了一定參考與借鑒。建筑師應(yīng)根據(jù)建筑的具體情況、地理位置、氣象特征及資源狀況，探索適合本土特點的綠色建筑設(shè)計理念和方法，從而推動綠色節(jié)能建筑更好、更快地發(fā)展。綠色養(yǎng)老建筑已經(jīng)成為當(dāng)前節(jié)能環(huán)保建筑領(lǐng)域的研究熱點之一，尤其是對逐漸步入老齡化社會的中國而言，用建筑設(shè)計的手法，實現(xiàn)低成本、高效率的建筑節(jié)能，具有非常現(xiàn)實的意義。