时间：2021-03-25 10:31:15 所属分类：建筑科学 浏览量:
轻型木结构建筑具有天然的绿色节能优势，在世界各地得到了广泛推广和应用。国内关于轻型木结构建筑的相关研究主要集中在建筑特性、技术发展和节点构造等方面。譬如黄浩文、麦文熙基于轻型木结构建造的3所柬埔寨乡村学校的空间设计与建造组织，详细剖析了传统
轻型木结构建筑具有天然的绿色节能优势，在世界各地得到了广泛推广和应用。国内关于轻型木结构建筑的相关研究主要集中在建筑特性、技术发展和节点构造等方面。譬如黄浩文、麦文熙基于轻型木结构建造的3所柬埔寨乡村学校的空间设计与建造组织，详细剖析了传统手工艺与木结构体系在结构布局、构件和节点等方面精细化设计的联合[1]。贺杰以节点为切入点，探究了轻型木结构建筑节点构造与表现之间的关系，并对其美学表现加以分析[2]。实际上，在倡导生态可持续发展的背景下，轻型木结构建筑的气候适应性也值得关注。当前国内关于建筑气候适应性的研究已较为成熟，很多成果可参考借鉴。如韩冬青、顾震弘和吴国栋基于建筑、气候和能耗的辨证关系，提出绿色公共建筑气候适应性设计的4个层级及相应策略和方法[3]。赵秀玲、刘少瑜和王轩轩以新加坡国立大学零能耗教学楼设计为例，基于被动式设计，从建筑的气候适应性、舒适度等方面出发，对健康环境的营造进行深入解析[4]。
本文以江苏金坛地区一款集成木屋研发设计为例，基于气候适应性指导原则和标准化研发过程中模拟计算干预方案设计的积极尝试，检验轻型木结构建筑在形式、空间和技术等方面同步实现气候适应性的系统过程，反映一种研究、设计和发展的协同观念[5]。
一、概念界定
1.轻型木结构建筑在我国最新版《木结构设计规范》(GB50005-2017)中，木结构建筑划分为轻型木结构、胶合木结构和方木原木结构三种体系。其中，轻型木结构是指由木构架墙、木楼盖和木屋盖系统构成的整体结构体系，具有较好的结构强度和刚度，又被称为“平台式骨架结构”，适用于低层民用建筑，其优点主要包括保温隔热、耐久度高、隔音性好、抗震性强、节能环保和布局灵活等方面。
2.气候适应性在建筑领域，气候适应性主要是指建筑充分考虑地域性气候特征，趋利避害，因势利导，减少能源消耗而达到空间环境舒适的能力。利用气候和环境条件是建筑被动式设计的基础，气候适应性是其被动式设计的关键[6]。
3.协同设计本次协同设计主要借助建筑热环境模拟软件DeST、计算流体力学软件 PHOENICS和一个基于参考文献自行开发的地道通风计算程序，围绕建筑热环境模拟与形式创新、室外风环境模拟与空间集成，以及地道通风模拟与技术介入三个层面展开。其中，形式创新对应采光与遮阳策略，空间集成对应通风与防风措施，技术介入对应地道通风。
二、建筑热环境模拟与形式创新
集成木屋初始设定为个体或一家人的休闲度假空间，包括客厅、厨房操作台、卫生间、储藏柜、卧室和景观阳台等功能框架，面积为 46m2(图1)。其外观确定为一种连续扭转形态，既易融入环境，又不失独特性(图2)。
1.建筑热环境模拟的模型建构与参数设置建筑热环境的模型建构以合理简化方案为参照，只计入对传热、蓄热有影响的主要维护结构和材料。建筑围护结构的热工参数根据木屋围护结构的实际做法，结合参考《DGTJ08-2059-2009 轻型木结构建筑技术规程》的相关要求，具体设定见表1。由于DeST数据库中缺少金坛地区气象参数，所以只能选择周边南京市的气象数据进行设置。
2.建筑热环境模拟的结果分析 1)太阳辐射得热木屋南侧立面设计了大面积玻璃幕墙，因此由其导致的太阳辐射得热需要重点分析。根据图3、图4所示的全年动态模拟计算可知，木屋南向太阳辐射得热量不仅明显高于北向，而且呈现冬季高、夏季低的趋势，这主要由于冬季太阳高度角较低，直射进入室内的太阳辐射更多的缘故。如果在南向采取适度的挑檐方式，既可保证冬季太阳辐射进入室内提升温度，又可避免夏季太阳辐射直接进入室内造成过热。 2)全年空调负荷根据图5、图6所示的全年空调与采暖负荷模拟结果可知，该木屋夏季空调负荷较大而冬季采暖负荷相对较小，适度外遮阳对于减少夏季空调负荷较为有效。而考虑到该木屋采暖负荷较小，使用室内空调的制热功能即可满足。
3.基于建筑热环境模拟的形式创新设计该木屋热环境模拟结果检验了基于气候适应性指导原则的方案设计的初始合理性，同时其精确的数据反馈又促使方案设计得到进一步优化和完善。具体体现在三个方面。其一，根据模拟计算的数据确定屋顶外挑檐、西侧墙面和首层平台作为连续围合体的合理宽度，借此定义一处连接室内外兼具休闲功能的过渡空间，并诠释一种由深灰色金属面板镶边所展示的现代语言。而在连续围合体外沿设置横向金属遮阳百叶，既具实用功用，又塑造了一种多变的空间界面。其二，在满足景观需要的前提下尽可能减小开窗尺度，根据使用者的活动点位和建筑外立面的构图关系设定位置，根据节能原则选择竖向长条窗形式，并在其外部包裹出墙面100-300mm宽度的深灰色金属窗套，使其兼具水平和垂直的综合遮阳效果。整体来看，简练的窗套镶嵌在被鱼鳞状层层叠叠的玻纤瓦片所覆盖的墙面上，透露出一种较为纯粹的美感。其三，根据太阳高度角的变化设置单向坡屋面的适宜坡度，使其在夏季下午大部分时间都处于西侧墙面的遮挡范围之内。而由坡度计算所形成的极致连续转折关系，也促成了一种极富动感的外观逻辑(图7)。
三、室外风环境模拟与空间集成
围绕热力学能量协同、能量捕获和能量引导所展开的建筑功能与空间概念，有别于通常建筑类型设计中的功能排布、空间形态与流线组织[7]。该木屋在空间集成设计过程中，除了对使用者的动线和视线做出设想之外，还充分考虑了夏季室内外气流的流通路径，从而保证室内最佳的热环境和空气质量。
1.室外风环境模拟的模型建构与参数设置室外风环境计算模型计算区域范围取东西向32m、南北向45m、高 32m。查阅中国气象数据网中的历年气象数据可知，金坛地区的历年各个月盛行风向与风速如表2所示。计算时采用夏季盛行风向：东东南，平均风速取2.8m/s。
2.室外风环境模拟的结果分析由于该木屋为不对称形式，为了检验坡屋面的最佳朝向，分别计算了东、西两个不同朝向的算例。从结果来看，当坡屋面朝西时，不仅木屋坡屋顶要承受持续的西晒，其东侧墙面也可能会因为承受更大的风压而影响到木屋的整体稳定性;而当坡屋面朝东时，木屋最高处有比较明显的正压，如果在迎风面进行合理的开窗设计，则可以最大程度上结合热压和风压进行通风，保证建筑的通风效果。
3.基于室外风环境模拟的空间集成设计室外风环境模拟的精确数据反馈不仅让木屋室内空间获得了更大的生态效能，也兼顾了木屋生产厂家维持投入与产出平衡的经营诉求。具体表现在两个方面。
其一，根据金坛地区历年盛行风向统计数据，在木屋的东向和东南向设计了主要的通风窗口，并主动暴露东侧墙面南北两端的木构架来减少风阻且兼做装饰，从而保证在夏季主导风向下，室内空间的自然通风效果。另外，根据东西朝向坡屋面的风压对比模拟计算，可以确认朝东坡度合理的单向坡屋面设计能够达到减少太阳热辐射与实现自然通风的双重效果。其二，为了最大程度上获得穿堂风，保证室内空气自由流通，除了底层角落封闭的卫生间，木屋室内其他空间设计的紧凑且开敞。比如，入口客厅与厨房操作空间连为一体，以通风窗口对应范围作为弹性界面。洗手盆位于楼梯下部，既实现了卫生间的干湿分离，又充分发挥了边角空间组织自然通风的实际效用。楼梯下部的其他空间被设计成为储物柜和地道通风出口，不仅增加了收纳空间，也最大限度削弱了出风口对使用者可能造成的不利影响。此外，楼梯踏步被安排在坡屋顶下沿一侧，既合理规避了坡屋顶下沿对二层空间高度的影响，又引导了门厅自然风的立体走向。二层卧室空间与楼梯之间采用低矮书柜进行间隔，在实现空间划分的同时，也没有对东侧窗口的自然通风形成阻碍(图8)。
四、地道通风模拟与技术介入
地道通风是近些年发展起来的一种新技术，主要借助地道冷却或加热空气，通过机械送风或诱导式通风系统送至地面上的建筑物，从而达到改善室内热环境的目的[8]。地道通风被引入集成木屋的协同设计主要基于两方面考虑：其一，度假用途的集成木屋一般都处于风景秀丽之地，周围具备管道设置的场地条件;其二，江南地区冬夏两季温差较大，地道通风换热效果较为明显。
1.地道通风模拟的方法与边界条件设置本程序通过求解直角坐标的三维非稳态地道模型，模拟地下不同埋管的动态热过程，计算地道风提供的冷量和逐时出口风温。在模拟计算中，采用南京典型年份气象参数，土壤的热物理参数包括，密度： 2000kg/m3，比热容：1.005kJ/(kg·℃)，导热系数：1.16W/(m·℃)，地道设计风速为4m/s，根据实际条件，地道管径取300mm，设计风量为1020m3/h。
2.地道通风模拟的结果分析地道长度主要是基于地道底部预先埋深2.1m的情况下，计算不同长度的送风温度来确定。由计算可知，直径为300mm的管道由于风量较小，10m长度便可以与土壤充分换热。与此同时，结合不同深度土壤温度分布、地道埋深夏季制冷效果和成本投入等实际影响综合确定相关参数。由数值模拟计算可知，2.1m与2.7m的埋深效果已无明显差别，因此，地道通风系统建议采用的设计参数包括，管径：300mm，设计风速：4m/s，设计风量：1020m3/h，风道底部埋深：2.1m，风道长度 ≥10m。
3.地道通风实际效果测试 1)风量测试测量得地道风进口平均风速为1.57m/s，风量为396m3/h;出口平均风速为7.88m/s，风量为504m3/h，在误差允许的范围内，取二者平均值为地道送风系统的实际运行风量，即450m3/h。该测量结果不到模拟设计的一半，经过现场研判，初步认定是实际施工中管路阻力过大所致。所以，在实际施工过程中要尽量减少管道弯曲，减小风道阻力，以保证实际运行时接近设计风量。 2)送风参数测试与结果分析地道通风进出口空气温度如图9所示，地道通风的送风温度明显低于室外的空气温度，在测试期间，地道通风可以提供的平均送风温差为 3.78℃，而且随着室外温度的升高，送风温差也在变大，如图10所示。这充分验证了利用地道通风降低室内空调负荷的可行性。
五、结语
绿色建筑设计新方法的核心内涵在于重构空间与气候的关系，通过基本的形态设计进行气候调节，从而实现建筑空间环境的舒适性和低能耗的双重目标[9]。实验性的集成木屋协同设计虽然由于时间和经费问题，致使初始计划中带有空腔的双层屋顶设计没有实现，但它还是较为系统地探讨了符合现代审美的极简设计模拟计算对经验判断的精确复核，剖析了被动式节能设计对方案创作与建造的全程融入，检验了“设计- 模拟-分析-优化”的协同运作，以及评估了部分功能使用后的实际效用。这为轻型木结构建筑贴合时代发展要求，响应国家发展绿色建筑和实现节能减排的号召所做出的积极尝试。
参考文献
[1] 黄浩文，麦文熙. 轻木结构的乡村学校——香港学生团体在柬埔寨的建筑实践[J]. 建筑学报，2014(12)：96-100.
[2] 贺杰. 集成时代下的木结构建筑节点表现探究[J]. 《2016中国被动式集成建筑产业技术交流大会》特刊，2016：113-122.
[3][9] 韩冬青，顾震弘，吴国栋. 以空间形态为核心的公共建筑气候适应性设计方法研究[J]. 建筑学报，2019(4)：78-84.
[4][6] 赵秀玲，刘少瑜，王轩轩. 基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计[J]. 时代建筑，2019(4)：112-119.
[5] 吴向阳. 杨经文[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：6.
《气候适应性的轻型木结构建筑协同设计》来源：《住区》，作者：徐守珩 牟迪
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