基于通风模型的“建筑本体节能”设计研究
——以上海崇明陈家镇生态办公楼为例

刘智伟 丁建华 / LIU Zhiwei, DING Jianhua

基于通风模型的“建筑本体节能”设计研究
——以上海崇明陈家镇生态办公楼为例

刘智伟 丁建华 / LIU Zhiwei, DING Jianhua

本文以上海崇明陈家镇生态办公楼绿色创作实践为例，阐述基于通风模型绿色建筑创作的基本思路和若干方法，表达了“建筑本体节能”是绿色建筑原创设计的优先思路。

通风模型 建筑本体节能 优先思路

上海崇明陈家镇生态办公楼（以下简称“陈家镇生态办公楼”）是呼应崇明生态岛的建设定位，满足陈家镇国际实验生态社区的规划要求，大面积应用绿色技术的示范项目（图1）。项目基于从设计本源出发的理念，研究建筑的总体布局、平面、剖面以及构件细节节能的设计原理与方法，强调通过绿色设计使建筑最大限度地摆脱对机电设备设施的依赖。该项目已获得三星级绿色建筑运行评价标识认证，其成功的绿色原创设计、适宜的绿色技术使用、良好的绿色运营模式为我国绿色建筑的发展积累了宝贵的经验。

图1 陈家镇生态办公楼

1 绿色建筑本源

绿色建筑的节能方式分为主动式和被动式。主动式节能技术是指通过机械电气设备干预手段实现建筑能耗的降低。而被动式节能技术具体指通过合理布置建筑朝向，设置遮阳，采用建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑开口设计等方式，实现建筑保温隔热、空气调节等所需能耗的降低。基于绿色建筑评价特点，目前关于“被动式建筑节能”的阐述偏技术化，关于“合理布局、遮阳设置”等技术内容的条款，首先强调的是有无，进而通过可量化的数值进行评价。以《绿色建筑评价标准》（GB/T50378－2014）中的评价条款为例，绿色公共建筑需要满足节地、节能、节水、节材、室内环境、施工管理和运营管理等方面的一系列量化指标。

“建筑本体节能”是基于绿色建筑设计的思路和方法，对“被动式节能”本源的探索，强调在建筑设计中，通过建筑总体布局、平面、剖面及构件细节来实现合理布局、遮阳、通风、采光、保温隔热等目标，即通过设计、材料、构造等方式使建筑达到“冬暖夏凉”的效果。在执行层面，本研究将“建筑本体节能”相关要素归类为绿色显性要素和绿色隐性要素。

绿色显性要素：建筑通过具体的形象特征，给观者强烈的视觉提示——这是绿色节能建筑，本文将这些可视化效果明显的特征归纳为绿色建筑的显性要素，如建筑造型、遮阳构件、通风塔、架空、大屋檐、立体绿化等（图2），并主要以自然通风为例展开研究。在设计中根据地域特色，采用显性要素中的一个或者几个作为绿色建筑形体或构件的原型，进而推导绿色建筑设计的全过程，由建筑师主导其过程与结果。

图2 显性要素组合

绿色隐性要素：其存在只能通过参数表格被人感知，也可称为指标要素，如保温系数、热阻、窗墙比、新风量、非传统水源利用率、可再生能源利用率等（图3）。节能效果主要由产品性能和智能化控制技术主导。

图3 隐性要素组合

2 陈家镇生态办公楼实例分析

陈家镇生态办公楼南临东滩大道，自然风环境优越。建筑主体结构为地上3层，地下1层，主要功能为办公及绿色技术展示，占地面积8502.6m2，总建筑面积5117m2。一层架空，设置了对外展示厅、接待室等公共空间，二层为开敞办公室，三层为设置可开启墙面的独立办公室及展示个性化新风系统的贵宾室，建筑顶部是设置了通风塔、光伏发电系统、光导照明系统和雨水收集系统的设备区。

2.1 通风原型要素提取

陈家镇生态办公楼位于北半球亚热带，为典型海洋性气候，温和湿润，年平均气温15.2℃，空气相对湿度常年保持在80%，空气中的负氧离子含量为1000～2000个/m3，自然风环境资源优越，能在春秋两季实现自然通风下舒适的室内环境（图4、5）。

回溯到具有地域性特点的传统民居建筑，在没有空调等机电设备的情况下，它们完美地实现了通风、遮阳、采光、防潮等性能，其具体对应的建筑要素可以考证，如通风塔通风、屋檐遮阳、天井采光、架空防潮等。

2.2 原型设定分析

陈家镇生态办公楼以自然通风设计为核心，采用“原型限定—技术论证—原型优化—设计定稿—节能细节创建”5个步骤。本研究基于建筑前期的原型设定、技术分析、设计优化环节，进行建筑模型和形象的推演。

第一阶段为构件要素的推导。（1）导风墙构件的推导——根据项目所在地夏季、过渡季和冬季的主导风向，利用草坡形成两个方向的导风墙 ；（2）通风塔构件的推导——建筑中部设有中庭，利用“烟囱效应”，在屋顶设置通风塔；（3）土建风井构件的推导——为了增加室内各区域空气的自然流通，将自然风输送到建筑的各个楼层，设置土建风井。

第二阶段为空间布局的技术分析。（1）通过导风墙调节风向，将室外自然风从首层架空层引入室内，可提高自然通风效果；（2）通过大空间内土建风井启闭控制，实现室内剖面维度的通风路径设计，可改善室内通风效果；（3）通过通风塔的高度设置及启闭控制增加拔风效果，可增强整体通风效果。

第三阶段为建筑的美学形象塑造。（1）通风构架的建筑化设计；（2）通风路径的空间化设计；（3）其他绿色要素的整合，包括立面遮阳、光伏一体化、东西向双层墙体、立面绿化等。

图4 区位

图5 总平面

经过上述3步基于自然要素和建筑设计逻辑的推导，建筑整体布局表达为：水平方向上，以中间的交通空间连接起东西侧的主功能空间；竖向依次为底部架空导风区、中间主办公功能区，以及顶部通风塔为主的技术设备区组成的可呼吸的有机体（图6、7）。

图6 原型推导

图7 形象推导

根据项目的特定条件和节能指标的要求，建筑师对可能的建筑原型进行设计与分析（表1），设定与建筑相关的总体要素、建筑要素和平面要素。

2.3 剖面和构件设计

在原型确定的前提下，建筑师对通风路径进行针对性设计，将建筑的剖面路径分成3段：进风区域、室内流动区域和屋顶出风区域。通过剖面的竖向通风分析（图8），推演项目的基本设计思路：利用通风构件，借助压差原理和“烟囱效应”，将非最佳朝向的风引入室内，实现春秋两季最佳的自然风可控导入。

基于通风模型推演的另一个重点是通风构件的设计。基于建筑美学，建筑师设计了导风墙、可开启通风井、可开启旋转墙、通风塔等通风构件，以实现建筑自然通风的最大化。其中，导风墙是针对建筑朝向与主导风向不一致的情况，专门设计的土建导风组件，通过与迎风面的直线和弧形墙体相结合，实现风的水平方向角度和涡流原理带来的维度改变（图9～13）。

图8 竖向自然通风分析示意

图9 夏季保温剖面研究

图10 冬季通风剖面研究

2.4 自然通风测试

建筑落成后，业主单位组织上海建筑科学研究院的相关人员对室内通风效果进行了检测。测试点设置在办公区、走廊区和休息区3个开敞空间（图14、15），办公区为室内主要人员常待区域，走廊区和休息区则是处于设计的室内通风路径上。

测试进行了两种条件设定，分别为通风塔独立作用和通风塔配合外门窗联合作用，测试结果如下：（1）通风塔独立作用，自然通风增加幅度达到28.2%；（2）通风塔、窗户、室内风道等建筑自然通风构件系统联合作用，可以大幅增加自然通风，增幅达到66.9%（图16）。

表1 建筑原型设定与推导

2.5 通风隔热空腔平面设计

在建筑平面的组合研究上，根据功能将其分为3个区域：主要功能区、主要交通区和两侧辅助功能区。基于可持续的平面生长原理，横向平面原型采用再生叠加，形成一个有基本原型的有机体。

利用辅助设备区对抗东西两侧的室外热量辐射，空气隔离区将阻断辅助设备区与主要功能区之间的直接物理联系。通过空气腔体的启闭，实现该区域与外界的热传递或者蓄热，以建筑手段实现对主要活动区热传导的控制。打开空气腔体上的通风口，可实现空气腔体两端或上下与室外空气的贯通，带走热量，减少夏季西晒对建筑能耗的影响；关闭空气腔体上的通风口，可减少冬季主要活动区热量的对外流失，实现空气间层的蓄热。在不同季节的工况条件下，可以通过启闭空气隔离区，减少能源消耗，营造最佳的室内舒适度（图17）。

3 研究意义

图11 一层平面导风示意

图12 一层导风组件

图13 剖面通风空间设计

本研究从“建筑本体节能设计”这一思路出发，架构绿色建筑的“显性和隐性要素”表象及内在的空间逻辑，建构具象的建筑形象及节能特征。基于通风模型的设计研究是“建筑本体节能设计”若干推导过程中的一条路径，其目标是基于通风功能需求和场地风环境的特性，以建筑空间和构件细节为原型实现绿色建筑。

图14 测试点

图15 测试现场

图16 测试工况

图17 平面/立面空腔模型分析

研究的意义之一是基于通风的绿色建筑原型的架构（图18）。针对风向这一不可变的场地条件，尝试用可调节导风墙系统做出回应。建筑原型清晰地表达了在特定的通风目的下，建筑师通过对建筑底层、中间层和顶层的平面、空间、构件等建筑要素的策划设计，所展示的形象和通风效果。经过运营实证，建筑原型在特定条件下满足设定的节能通风目标。从另外一个维度来看，本研究的意义是使通风构件如门窗一样成为常见的建筑部品，在一定条件下实现产业化，以低技、廉价的方式实现大面积的推广应用。易复制的建筑原型和可产业化的构件对我国城镇化过程中的绿色节能建筑的推广有极大的意义。

“建筑本体节能”是绿色建筑原创设计的优先思路。无论是强调建筑美学的从建筑到技术的正向推导，还是强调技术能效的从技术到建筑的逆向推导，建筑师都需要在抽丝剥茧中寻找可利用的绿色创作原点，如通风、采光、绿化、光伏一体化遮阳等，从建筑学而不是技术的维度创造建筑有机体，使其具备一定的节能效果，尽可能摆脱绿色设计思维对机电设备的依赖，同时最大限度地展现其建筑美学的魅力。

项目信息

建设地点：上海崇明陈家镇东滩大道1688号

建筑类别：办公建筑

设计/竣工时间：2007/2010年

容积率：0.55

总建筑面积：5117m2

建筑总高度/层数：21m/3层

获奖情况：

2008年获二星级绿色建筑设计标识认证；

2009年获上海建筑学会第三届建筑创作奖公共建筑佳作奖；

2011年度上海优秀工程勘察设计三等奖；

2011年获第六届中国建筑学会建筑创作奖；

2012年获三星级绿色建筑运营标识认证；

2013年度全国绿色建筑创新奖一等奖；

2008～2012年度上海崇明县科技进步奖二等奖。

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[2]戎武杰, 刘智伟. 建筑绿色本体设计模式的实践——崇明生态艺术展示馆绿色创作[J]. 建筑技艺, 2014(06).

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RESEARCH OF BUILDING ENERGY SAVING DESIGN BASED ON VENTIL ATION SIMUL ATION MODEL:A CASE STUDY OF THE ECOLOGIC OFFICE BUILDING AT CHENJIA TOWN IN CHONGMING, SHANGHAI

This paper has treated an example according to the practice of Ecological Office Building of Chenjia Town of Chongming District, Shanghai,expound the first thinking and several methods about green building creation which based on the ventilation model, express the priority design idea of green building is the "ontology of architecture energy conservation".

Ventilation Model, Ontology of Architecture Energy Conservation, Priotity Method

刘智伟，高级建筑师，副所长，主任建筑师，国家一级注册建筑师，华建集团华东都市总院

丁建华，通讯作者，副教授，主任工程师，深圳大学本原设计研究中心，深圳大学建筑与城市规划学院

2017-07-09