摘要以江蘇省綠色建筑博覽園“木營造館”為例，在建筑設計的各階段以“被動式設計”為策略首選，因地制宜確定適用性綠色技術，并應用相關模擬軟件對建筑節能設計各關鍵環節進行性能化模擬，從回應地域氣候的綠色建筑設計、外圍護結構節能設計、預制裝配木結構技術三方面出發，探討如何將綠色節能技術與現代木結構技術進行整合。應用相關軟件對建筑室外風場、建筑朝向、室內空間環境、木結構外圍護結構進行模擬分析，并從經濟性角度優化了外墻和屋面保溫材料的厚度。結果表明，合理的建筑朝向和功能空間組織、高性能木結構外圍護結構、種植屋面、可調節外遮陽以及光伏一體化設計，可以有效降低建筑能耗，達到超低能耗建筑的節能目標。本項目的設計實踐可為我國夏熱冬冷地區類似項目提供借鑒與參考。

　　關鍵詞預制裝配;超低能耗;木結構建筑;綠色建筑

　　1.研究背景

　　隨著城鎮化進程的快速推進，建筑能耗總量占全社會能耗的比例逐年上升，國家大力發展裝配式、被動式低能耗建筑，是節能減排的一項重要舉措[1]。各種膠合木技術和表面處理技術使木材的力學、防火、防潮等性能大幅提高，且木材本身隔熱性能好，同時裝配式木結構集成技術和建筑工業化建造方式具有獨特的節能優勢，更易實現超低能耗甚至零能耗建筑[2-4]。如何繼承傳統，整合被動式節能技術和預制裝配木結構技術，創造一個均衡的、適宜的低能耗舒適環境，成為綠色建筑的一個重要發展方向。

　　綠色建筑論文范例： 綠色建筑藝術設計的改進措施分析

　　近年來，以節能性能為導向的裝配式木結構建筑設計的理論和工程實踐逐漸增多，裝配式木結構建筑同樣應當積極回應場地的氣候環境與地理特質，實現性能與形式的雙重提升[5]。在上述思考背景下，江蘇省綠色建筑博覽園“木營造館”示范項目實踐，嘗試探索適宜的、整合的被動式超低能耗木結構建筑綠色設計策略和方法，為預制裝配超低能耗木結構建筑技術的應用與推廣做基礎性的研究與探索。

　　2.項目概況

　　2.1設計目標

　　“木營造館”示范項目位于常州市武進區江蘇省綠色建筑博覽園內，是國內首個綠色建筑主題公園，因地制宜布置了14棟不同技術類型的綠色建筑，集中展現了多樣化的綠色建筑技術[6]。

　　項目定位：1)作為博覽園體量最大的建筑，承載博覽園主展館功能，為園區提供公共信息展示、會議、管理辦公服務功能，是園區對外展示的重要窗口;2)針對常州夏熱冬冷的氣候特點，在保證良好物理環境的前提下最大程度減少建筑能耗，達到超低能耗建筑節能目標。關注建筑節能和環境友好，充分展示適應地域氣候的綠色節能技術，引領園區綠色建筑新理念;3)契合綠色低碳的建設目標，以現代木營造理念詮釋裝配式木結構技術體系的適用性和多樣性，突顯木構造建筑的獨特結構空間形式和高效的工業化建造技術。

　　2.2氣候環境特點及適宜綠色技術分析

　　常州地處北亞熱帶季風性濕潤氣候區，四季氣候特點分明，夏季炎熱，冬季寒冷，春秋季溫和。雨量充沛且較為穩定，年均降雨量為1117mm，四季風速保持在3.0m/s左右[7]。太陽能資源較豐富，屬于我國太陽能資源第Ш類分區，太陽直射輻射較多。項目選址位于園區西北側，園區東南側有一自然河道，已拓展成生態濕地公園，可以利用河道水作為非傳統水源。

　　對場地自然資源及環境的現狀分析，根據冬冷夏熱地區的節能措施，制定該地區最有效的綠色設計策略為：以增強外圍護結構的保溫隔熱性能+自然通風+主動式“太陽能”為主。針對夏熱冬冷地區建筑節能設計特點，結合設計經驗，初步確定以下適宜綠色技術：1)自然通風采光;2)高性能圍護結構;3)太陽能光伏發電;4)豐富的外遮陽體系，屋頂綠化;5)雨水回滲利用;6)地源熱泵或深井水源熱泵。

　　3.回應地域氣候的綠色建筑設計

　　3.1總平面布局設計

　　博覽園中示范建筑的規劃布局應充分結合基地所在的氣候環境和自然環境，風速及室外風場分布對建筑室內環境具有重要影響。以夏季為例，常州地區夏季主導風向為南偏東22.5°，平均風速為2.3m/s，運用Phoenics軟件對建筑群室外風場進行模擬。

　　1)當建筑南偏東時，風影區集中在建筑南側主干路附近，北側出入口平均風速集中在1m/s左右。隨著偏東的角度變小，北側出入口平均風速逐漸變低，當偏轉角度為0°時，平均風速降低至0.65m/s，成為風影區。東側出入口平均風速隨著偏轉角度的增大而降低，當偏轉角度為30°時，成為風影區。

　　2)當建筑南偏西時，風影區主要集中在建筑西北側，且偏轉角度越大，風影區面積越大;建筑南偏西10°時，東側出入口平均風速在1~2m/s，北側出入口平均風速在1.2m/s左右，人體感覺較為舒適。隨著偏西角度增大，北側出入口風速逐漸降低到0.6m/s以下，轉變為風影區。受太陽輻射與自然風向的影響，建筑朝向和室外風環境對建筑能耗存在一定影響。利用DesignBuilder軟件對不同朝向的建筑進行能耗模擬，以正南朝向建筑年單位面積能耗為基準。

　　南偏東10°~南偏西15°時，能耗相對較低，能耗相差在1500kJ/(m2•a)以內;南偏西5°時，能耗最低，比基準建筑低216kJ/(m2•a);南偏西10°時，比基準建筑僅高216kJ/(m2•a)。結合風環境和能耗模擬結果，示范建筑朝向選擇為南偏西10°。

　　3.2建筑空間設計

　　基于節能目標的建筑空間與形體操作過程成為建筑形式推演的邏輯，產生了相應的空間形式。夏熱冬冷地區需重點考慮建筑的體形系數，形體被設計成一個緊湊的長方體盒子，利于過渡季節室內通風散熱和降低冬季室內取暖能耗。空間的劃分與組織是建筑設計的基本問題之一，獨特的形體區別于形式主義的建筑語言，而是源于功能空間的組織和對場地氣候環境的應對。根據建筑的使用功能要求，空間劃分為南北兩個體塊，南側設置為辦公空間，北側為展示空間，包含沙盤展廳、活動區、會客室等。所有辦公空間實現了朝南的預設，并為北側的展示空間形成自遮陽。通過植入8m×11m的中心庭院，平面功能布局圍繞中心庭院展開，以此來組織通風和采光，增強室內外空氣的對流。衛生間和樓梯間布置在庭院西側，有效防止西曬。

　　努力將建筑形體節能、空間布局和使用功能進行綜合考慮，以被動式節能設計作為一個基本要素融入到功能空間的組織之中。建筑南側單坡和北側雙坡屋頂的變形處理，既是與江南傳統民居建筑的對話，又是氣候適應性設計與空間功能較好的結合。將南側辦公單元的屋頂向上起翹，并安裝光伏電池板。北側展廳的空間調節使北側屋檐下墜，增加了屋頂綠化種植面積，形成室內局部挑高空間。屋頂的形式變化減少了北側玻璃面的面積，利于建筑的自然通風和減少冬季的熱損失。

　　3.3自然采光通風設計

　　合理的建筑功能布置和空間設計能有效促進自然通風和采光，根據功能空間需要和自然采光通風的最佳狀態，對體型、空間、立面等要素進行優化調整，如何優化展示空間的室內舒適性是設計重點。展廳“屋頂形變”創造出局部二層展示空間，增大了建筑東南向迎風面，當室內需要通風時可以手動開啟二層外窗和調節遮陽百葉角度，改善了室內空間的采光和通風。

　　植入的中心庭院與走廊門窗、房間門窗、立面開口對應，在夏季及過渡季節東南風較多的情況下實現了良好的“穿堂風”效應。庭院是自然通風和采光系統的核心，提供了除外墻開窗以外的另一新風來源。在整個設計過程中，結合綠建斯維爾軟件多次進行風光環境模擬優化，辦公和展示空間取得良好的采光效果，70%以上面積采光系數滿足要求。展廳室內自然通風情況良好，氣流平均速度在0.5~1.2m/s之間，展廳室內大部分區域空氣齡均低于200s。

　　3.4屋頂綠化與水資源利用

　　屋頂綠化作為建筑的第五立面，坡屋頂的變化增加了空間的層次，無論冬季或者夏季，綠化植被下的屋面溫度波動均較小，緩解了屋面的冷熱沖擊，營造出一個以植物為主的擬自然生態系統[8]。綠化物種選用適宜當地氣候和土壤條件的鄉土植物，屋面綠化占主體屋面實體面積62%，采用約300mm厚的輕質種植土，鋪設佛甲草草坪，有效降低夏季屋頂溫度1015℃，調節室內溫度59℃，儲蓄12%的雨水、吸收35%的空氣粉塵。

　　建筑西側墻面采用模塊化綠植方式，單元綠植模塊掛在預制構架上并配置自動灌溉系統，降低夏季西曬對墻體表面和室內溫度的影響。草坡屋面設分倉梁，疏水板垂直于分倉梁布置，分倉梁上設過水孔，多余的雨水經匯集、沉淀與凈化處理，有效減少屋面徑流總量和徑流污染負荷。屋面雨水收集后，通過雨水立管排入建筑周邊填有卵石和陶粒的排水明溝中，再導向建筑中央的雨水花園中，下滲補充土壤水分，不外排到雨水管網，實現雨水的回收和再利用。

　　3.5可再生能源利用

　　常州市光照資源豐富，近5年的平均月累計日照小時數為156h，日照百分比為42.5%，太陽輻射強度為4585.99MJ/(m2·a),對于建設光伏發電系統具有很大的應用價值。博覽園采用可再生能源微網控制技術，將各棟建筑的太陽能光伏發電系統和風力發電系統所發綠色電力與園區電網結合，根據各用電單元實時負荷要求，統一調配。

　　示范建筑南側坡屋面上覆蓋太陽能光伏板一體化設計，光伏發電系統采用270W的單晶硅光伏組件，安裝面積為320m2，系統總裝機容量為54kWp。建筑投入使用后，2016年8月至2017年7月，光伏發電量為60236kW·h，其中8月份發電量為全年最高，達到8819kW·h，光伏系統全年發電量約占建筑全年總用電量的23.6%。室內主要采暖設施為地源熱泵系統，通過地源熱泵與城市熱網相結合方式為建筑提供制冷和采暖。冬季采用地板輻射供暖系統以及新風系統，比傳統空調系統節能高40%左右。

　　4.木結構建筑外圍護結構節能設計

　　4.1外圍護結構構造設計

　　影響建筑冷熱負荷的因素主要包括：建筑朝向、體型系數、窗墻比、外圍護結構構造措施和保溫隔熱性能等建筑節能設計參數。利用DesignBuilder軟件進行能耗模擬計算，對外墻、外窗、屋面的保溫隔熱性能作重點研究。

　　木頭是天然的保溫材料，熱橋效應遠低于鋼結構和混凝土結構，示范項目采用預制板式木結構墻板。外墻均采用140mm木龍骨中內填120mm玻璃棉保溫板;屋面采用90mm木龍骨內填70mm擠塑聚苯保溫板(XPS)，保溫層位于氣密層外側。夏熱冬冷地區利用建筑外遮陽是降低建筑能耗的最有效手段，通過不同遮陽條件下的全年能耗模擬。

　　不同形式的遮陽均能有效降低建筑能耗，可調節外遮陽效果最佳，建筑能耗為82.17kWh/(m2·a)，與滿足《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015要求的乙類公共基準建筑相比，節能50.81%，達到超低能耗建筑節能標準。種植屋面不僅美觀且具有優良的隔熱保溫性能，模擬顯示展廳屋頂增加種植綠化后，建筑能耗下降至82.17kW·h/(m2·a)，節能率提高2%。

　　示范建筑實際運行數據顯示，2016年8月~2017年7月總耗電量254789kW·h，其中空調系統耗電量約為71410kW·h，折合單位面積耗電量27.45kW·h/(m2·a)，占總建筑能耗的27%左右。根據制冷制熱效率換算，示范建筑的暖通能耗在84~90kW·h/(m2·a)，略大于能耗模擬結果82.17kW·h/(m2·a)，本項目達到超低能耗建筑的設計目標。造成運行能耗大于模擬能耗的原因是空調系統運行過程中存在開窗現象，造成建筑氣密性降低，新風負荷增加。

　　4.2保溫層厚度節能優化

　　示范項目雖已達到超低能耗建筑標準，但從經濟性角度考慮，可以進一步研究保溫材料厚度對建筑能耗的影響，優化保溫層厚度。在外圍護結構中，外墻占據著最多的面積，對整個建筑的節能起著重要的作用。首先對外墻采用不同厚度保溫層的采暖制冷總負荷進行量化統計分析，以更加準確地研究兩者之間的關系。

　　外墻玻璃棉保溫層厚度由10mm增加至60mm時，建筑能耗顯著降低，由60mm增加至140mm時，建筑能耗降低不顯著，保溫層為60mm時，建筑能耗為83.11kW·h/(m2·a)，建筑節能率為52.23%。

　　屋面是圍護結構熱量損失僅次于外墻、門窗的損失的部位，占圍護結構熱量損失的9%左右。外墻玻璃棉保溫層厚度取60mm，對屋面采用不同厚度保溫層的建筑采暖制冷總負荷進行量化統計分析。屋面擠塑聚苯板(XPS)厚度由10mm增加至50mm時，建筑能耗降低顯著，由50mm增加至70mm時，建筑能耗降低不顯著。當厚度為50mm時，建筑能耗為84.43kW·h/(m2·a)，建筑節能率為51.4%。

　　經過優化后，外墻采用60mm玻璃棉保溫板，傳熱系數為0.37W/(m2·K);屋面采用50mm擠塑聚苯板(XPS)保溫板，傳熱系數為0.21W/(m2·K)，滿足超低能耗建筑節能標準。出于構件受力性能的考慮，保溫材料一般填滿于木龍骨框架內，上述保溫層厚度優化僅考慮圍護結構熱傳遞，忽略了濕傳遞對木質圍護結構的熱工性能影響。因此，木質建筑保溫層的經濟厚度需結合力學性能、熱濕耦合和施工技術等因素開展更深層的理論研究。

　　5預制裝配木結構技術

　　5.1現代木結構體系設計

　　示范建筑中采用了膠合木框架—剪力墻、桁架以及樹形木結構等多種新型高效的木結構體系，實現力與美的結合。主展館三層辦公樓部分采用膠合木框架—剪力墻結構體系，相對于輕型木剪力墻結構體系，具有更高的強度和剛度，使得木框架與木剪力墻能形成一個整體，實現剛度、強度、延性的有效融合。展廳屋面為大跨度膠合木結構，跨度為19.8m，采用了直線梁的形式，梁端部采用雙柱拼接。由于采用了種植屋面，屋面恒載為3.0kN/m2，考慮梁承載能力及變形，優化后主梁的截面為170mm×800mm，主次梁相互垂直，形成正交分級的主次梁結構體系。

　　為增強整體結構的穩定性，柱子之間穿插鋼索進行加固，柱外側用斜撐支托懸挑較大的縱梁。建筑東側入口處采用四棵樹形木結構，自一樓伸至二樓平臺，并向四個方向對稱發散，形狀如天然樹枝自由生長至屋面，營造二層平臺開闊的入口空間。樹形木結構擁有優美的仿生結構形態，實現多點支承代替傳統柱的單點支承，體現了力流從上到下、從分散到集中的匯聚過程，充分展現了現代木結構的力學美[9]。

　　5.2裝配式梁柱植筋連接技術

　　為提高現場安裝效率，構件除采用常見的銷釘、螺栓和齒板連接外，還采用裝配式木結構梁柱植筋連接方式，這種節點包括木柱、植筋、膠黏劑、裝配式連接件、節點緊固件和鋼墊板等[10]。木柱與支撐結構間通過植筋、裝配式過渡金屬連接件和節點緊固件連接。展廳柱腳的節點均采用了裝配式植筋連接技術，柱腳預埋件預先在混凝土柱墩澆筑前埋設，木柱吊裝時，將帶有植筋連接件的木柱與柱腳預埋件進行機械連接，無需進行現場植筋，提升了安裝效率。植筋本身的線性形狀使其更加適用于大型空間和復雜節點，是現代木結構的理想連接方式之一，使施工更加便捷快速，效率提升50%。

　　5.3基于BIM技術的裝配式協同設計

　　對于裝配式木結構建筑而言，BIM技術可以有效實現建筑在方案設計、構件生產、建筑施工、運維管理等全生命周期中的控制與管理，提高其設計、生產以及施工的效率[11]。運用Revit建立三維模型，將復雜的建筑結構形態拆分為標準化的墻體、樓蓋、梁柱和屋架構件，并進行虛擬建造，對復雜構造和關鍵節點的模擬可以用于指導實際建造。

　　確認構件之間的關系與連接，對構件及拼裝節點進行碰撞檢查，無誤后導出SAT文件并導入CADWORK。在CADWORK中校核是否有構件缺失或者開槽位置不正確，對構件進行自動檢測和分析，減少施工誤差，最后輸出構件加工圖紙并生成相應的數控機床數據加工文件。設計和建造過程從一開始就是分類、選擇與合作的過程，將各種建筑構件、設備廠家關聯在一起進行協同設計研發和建造，為建筑系統的集成提供了條件。

　　6結論

　　“木營造館”從項目自身特點出發，因地制宜，積極實現經濟有效的被動式節能技術與預制裝配木結構技術的適宜結合，回歸到對超低能耗建筑本體的理解和闡釋，是對綠色低碳建筑設計的一次探索，得出以下結論：

　　(1)遵循以節能目標為導向的建筑性能化設計邏輯，通過對場地自然資源及地區氣候的特點分析，制定“被動優先”策略，注重可再生能源利用，因地制宜確定適用性綠色技術，可以實現綠色節能設計與建筑空間品質的整合設計，達到經濟有效的超低能耗建筑設計目標。

　　(2)合理的設置建筑朝向和功能空間組織，兼顧自然通風采光和光伏一體化設計，可以有效降低建筑能耗和提高室內環境舒適性：辦公和展示空間70%以上面積采光系數滿足要求;展廳室內氣流平均速度在0.5~1.2m/s之間，大部分區域空氣齡均低于200s;建筑屋頂一體化光伏系統全年發電量達到建筑全年總用電量的23.6%。

　　(3)木結構墻體和屋面具有優良的熱工性能，集成高性能節能外窗、種植屋面和南側增設可調節外遮陽，可以達到超低能耗建筑節能目標。經過優化后，外墻玻璃棉保溫層厚度取60mm最佳，傳熱系數為0.37W/(m2·K);屋面XPS保溫層厚度取50mm最佳，傳熱系數為0.21W/(m2·K)。

　　參考文獻：

　　[1]游又能，康一亭，馬健，邢英瑞.我國被動式超低能耗裝配式建筑關鍵技術的研究與發展[J].建筑科學，2019，35(08)：137-142.

　　[2]楊學兵，歐加加.我國裝配式木結構建筑體系發展趨勢[J].建設科技，2018，355(5)：6-11.

　　[3]王瑞勝，陳有亮，陳誠.我國現代木結構建筑發展戰略研究[J].林產工業，2019，56(09)：1-5.

　　[4]趙西平，艾閃，梁斐赫，郝際平.新型裝配式木結構墻板熱工性能試驗及數值模擬研究[J].工業建筑，2020，50(10)：49-56.

　　作者：胡憶南1，姜雷2