从绿色低碳角度分析夏热冬暖地区教育建筑设计中的时间要素.pdf

032摘要：从绿色低碳的角度，评估校园教学和活动中的每一个时间切片，考察其满足安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境保护这些绿色设计要求时，在方案创作中所需注意的内容。为设计夏热冬暖地区绿色低碳的教育建筑提供系统性的解决方法。Abstract：The thesis evaluates each time period in campus teaching and activities from the perspective of green and low-carbon.It also investigates the details that should be paid attention to in the scheme creation in order to meet the green design requirements of safety and durability,health and comfort,convenience of life,resource economy and environmental protection thus provides a systematic solution for designing green and low-carbon educational buildings in hot summer and warm winter areas.关键词：时间；人；风；光；声；热；湿Keywords：time；people；wind；light；sound；heat；humidity文谭光斌厦门合立道工程设计集团股份有限公司DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.08.011引言有些教育建筑设计，功能流线合理，立面造型美观，造价适中可控，空间感也不错，但校方在使用中却并不满意。究其原因，是建筑师在创作中忽视了时间这一要素。确切地说，方案创作未从绿色低碳的角度，对时间要素进行系统性的考察，导致建筑设计只是在大部分时间满足校园教学和活动的要求，而在上学、放学、课间、考试、集会、周末、雨季、高温天气、台风天气等特殊时间段，设计往往顾此失彼，缺乏有效的方案控制，进而导致校园教学和活动在某些时间段缺乏舒适性、便利性，甚至容易发生安全问题。时间要素往往是一个创作方案能做到绿色低碳设计的关键。本文结合夏热冬暖地区的教育建筑理论和实践，从绿色低碳角度，分析该地区教育建筑设计中的时间要素对方案创作的影响。1 从绿色低碳角度，时间要素对夏热冬暖地区教育建筑创作的影响分析教育建筑中的时间要素，通常包括：随着时间的推移，使用场所中的人的改变；以及随着时间的推移，同一个场所的自然环境的改变。若系统性地考察校园教学和活动的所有时间段，可以发现，随着时间的推移，建筑和场所中的人发生改变，例如上学、放学、课间、考试、集会、周末，都是场所中的人的集散、停留、经过改变了对场所的要求。另一方面，随着时间的推移，场所的环境发生改变，例如季节变化、昼夜更替产生场所的风、光、声、热、湿五类环境变化，改变了对场所的要求。不论场所中的人和环境如何变化，校园内各教学和活动区在各个时间段均能满足“安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居”1，是绿色低碳校园设计的理念之一。因此考察方案创作中，随着时间推移，人和环境Analysis of Time Elements in Education Building Design in Hot Summer and Warm Winter Regions from a Green and Low Carbon Perspective从绿色低碳角度分析夏热冬暖地区教育建筑设计中的时间要素的变化是否均满足校园绿色低碳设计的要求，寻找其中的注意事项，可以为校园的绿色低碳设计提供系统性的支持。1.1 场所中人随着时间发生改变的影响分析随着时间推移，教育建筑中人会发生改变。例如，校园大门通常在上午 8 时、中午 12 时和傍晚17时左右使用频率最高。从绿色低碳角度，在建筑设计中，需有意地考虑该时间段人员在该区域的停留所需的遮蔽措施（如中午时段）、集散所需的安全空间、高龄家长等候所需的座位预留、高峰时段校园入口的人车分流，也需考虑偶发时间段，传达室区域学生、家长、教师、快递的零星进出的管理和空间预留，以达到便捷、安全和舒适的绿色设计要求。在周末和寒暑假，学校操场和教室通常是空置的，若能考虑在周末和寒暑假操场向公众开放使用，教室开放给相关兴趣班使用，则较高地提高了场所的利用率。同时就需要在校园的规划设计阶段考虑对外开放阶段的出入口、主要活动范围控制及相关安全措施。类似时间因素影响还有：在教学时间，学校宿舍、食堂通常是空置的，若有对宿舍、食堂空调系统、照明系统一键开关的控制措施或智能化管控措施，将极大地降低校园生活区的管控成本，并且达到节能减排的效果。教育建筑的设计和创作中，若能关注场所中的人随着时间变化的要素，不仅能解决教育建筑在典型时间段可能产生的典型问题，还能使校园更加便捷、舒适、环保、宜居，为绿色低碳的校园环境在前期创作中打下基础。1.2场所中环境随着时间发生改变的影响分析1.2.1 场所中的风环境随着时间发生改变影响分析在夏季，主导风向对教室、宿舍自然通风的正效应能有效减少运营期间建筑的能耗和碳排放。在夏热冬暖地区，加强自然通风是夏季节能减排的主要措施。因此应在规划设计中，需关注夏季各教育建筑迎背风面的平均风压压差，一般可使夏季各教育建筑尽量多外窗的风压差大于 0.5Pa，以利于自然通风。可在规划设计阶段利用绿建设计软件的风环境模拟模块实现对该内容的把控和调整。为优化夏季风环境，尽量把主要教学用房开口位置安排在夏季迎风面。也可以利用场地高程，依托地下设计，设置立体步行系统、多首层设计的自然通风策略。在冬季，主导风向对教学建筑的负效应可能会让主校门家长等候区、校园内师生活动区因迎面的寒风而难以驻足。在方案创作中，可在红线内划出相关影响敏感范围，并控制该区域冬季距地1.5m处风速小于2m/s（舒适状态），最高控制不大于 5m/s，并控制相关建筑迎背风面风压差不大于 5Pa。在烹饪时段，厨房区与教学区过近，其产生的油烟气味可能对教学过程产生影响。方案创作中应尽量将厨房与教学楼分开布置，并将厨房布置在项目所在地区全年主导风向的下风向2。在厦门市属火炬高新实验学校的规划设计中，建筑师通过对场地的考察，得知该项目所在地冬季风速较大。前期设计通过软件模拟分析，重点考察了冬季主导风向影响下，校园各人员活动区域的风速和风环境舒适度，并结合局部建筑造型和景观植栽调整，消除了风环境模拟中发现的食堂主入口附近漩涡风的不利因素。在规划设计阶段有效控制了冬季校园风环境的舒适度（图 1、表 1）。在厦门市外国语附属小学的方案创作中，建筑师对两个相对成熟的设计方案分别进行夏033233|2023|08建筑学季、过渡季和冬季的风环境模拟分析，综合评估选取风环境更优的方案一作为下一步深化的基础方案（图 2、表 2、图 3、表 3）。1.2.2 场所中的声环境随着时间发生改变影响分析上下班高峰期，交通噪声影响教学和考试。例如教学区离次干道、干道、BRT、地铁过近，高峰期的各种频率的交通噪声通过空气或通过振动影响教学区。在教学建筑的规划设计中，改善教学场所的声环境应以场地隔音优先于建筑隔音为原则。单纯考虑建筑隔音对室内声环境的改善可能会带来其他方面的不舒适性或损失。例如在过渡季节，夏热冬暖地区的教学场所往往倡导自然通风，但若室外环境噪声较大，教学期间势必须要关闭所有门窗，关闭门窗后室内缺少通风换气，师生只能忍受不舒适的闷热状态，或开启空调加大建筑能耗和碳排放。场地隔音优先原则是指运用场地隔音的方式将噪音在源头周围隔绝。比如交通噪音，首先将噪声敏感的建筑远离噪声源。若难以远离，可在道路一侧设置隔音围墙、隔音林，10m 左右宽的乔木林可实现噪声 5dB 的降低，或布置噪声低敏感功能房间以隔绝交通噪声，或利用建筑裙房或底层凸出设计遮挡沿路交通噪声。为避免交通噪声干扰，面向交通干道的建筑面宽应尽量窄。若为设备噪音，应同样优先采用源头隔绝的方式3。在马銮湾新城鼎美高中项目的设计中，由于用地限制，沿街需布置建筑物，建筑师有意图 1厦门市属火炬高新实验学校冬季工况 1.5m 平面高度风速原始云图表 1厦门市属火炬高新实验学校冬季风环境图 3厦门市外国语附属小学概念方案二图 4厦门马銮湾新城鼎美高中沿街布置低噪声敏感用房表 3厦门市外国语附属小学概念方案二模拟情况表 2厦门市外国语附属小学概念方案一模拟情况图 2厦门市外国语附属小学概念方案一034地将建筑物山墙面及低噪声敏感的非教学用房布置在临街用地，用以隔绝道路车辆的噪声，将场地中部远离道路的区域留给需要安静的教学区（图 4）。在中国传统建筑美学的营造中，就有根据时间中声环境的变化营造建筑空间的案例。例如苏州园林拙政园中的听雨轩：庭院内西北一泓池水，植有睡莲，池边芭蕉翠竹，轩南长窗外也植芭蕉数丛，无论春夏秋冬，雨点落在不同的植物上，加上听雨人的心态各异，就能听到各具情趣的雨声。这就是通过下雨这一时间声环境的变化，营造特定的建筑空间的典型案例。1.2.3 场所中的光环境随着时间发生改变影响分析新建的教学建筑常设有较大的采光窗，室内光环境一般均能满足多数晴天时间天然采光小时数的要求，但若更精细化地对室内采光品质提出要求，可以发现，不适宜的采光时间也会给教学场所带来不利影响。国内日照模拟软件多是模拟大寒日上午 8点至下午 4 点（或冬至日上午 9 点至下午 3 点）的满窗日照。其实，在日落时分，教学用房若长时间满窗日照会给教室内带来过多的辐射热和炫光，该时间段光线的急剧变化也是学生近视的影响因素之一，师生不得不拉上窗帘来解决该问题。若能在建筑设计过程中，有意地通过周边建筑的遮挡或建筑构件的遮阳减少黄昏时间的教学用房日照时数，则能提供更优质的教学使用空间。1.2.4 场所中的热环境随着时间发生改变影响分析从热环境方面，夏热冬暖地区，极端高温天气的校园热环境值得在设计中加以重视。随着时间的推移，建筑的热环境发生改变。考察中发现，部分校园的屋面、操场等学生活动场地在夏季无遮蔽措施，导致其利用率较低。部分教学区之间采用沥青路面，高温天气时，地面沥青吸收大量空气中的热量，师生往来各教学区之间时，受热辐射影响，体感不适。为改善热舒适度，推荐在建筑及场地周边设置适当的遮阳构筑物、水体，在各教学区之间设置适当的连廊；减少使用沥青路面，场地多采用浅色饰面降低区域热岛；增加校园绿化改善微气候，有助于抵抗极端高温天气对教学的影响。也可采用通过热压的“烟囱效应”设置局部拔风的中庭空间4。厦门市属火炬高新实验学校位于夏热冬暖地区，夏季室外气温较高，建筑师在教室周边营造了大量露台空间作为课间易达的活动区，结合建筑造型在内部设置多处六边形庭院空间，通过建筑遮挡形成阴凉的活动区，并且采用了底层架空的自然通风策略，清风徐来，夏季热风掠过种植区降温，提高了课间活动场所的舒适度（图5）。1.2.5 场所中的湿度环境随着时间发生改变影响分析在湿度环境方面，夏热冬暖地区的梅雨季节和暴雨天气，教学楼外廊地面湿滑，加大了师生滑倒的风险。若在加强外廊排水的同时，使用防滑的外廊地面材料，可提高高湿度气候下教学楼内行走的安全性。若在夏热冬暖且多雨地区各教学楼之间设置风雨连廊，师生课间主要使用的楼梯设置适当的遮风避雨措施，也可降低湿度变化对师生行走安全的影响。在厦门马銮湾新城鼎美高中项目的设计中，建筑师通过在各楼栋间灵活设置连廊、使学生自如穿行于教学楼、实验楼、综合楼及宿舍楼之间、避免日晒雨淋，让其在教学区与生活区之间实现便捷通达，创造出极大方便于使用者生活及学习的校园空间（图 6）。在校园教学和活动中，多数人和环境的不利情况不会时时刻刻发生，具有一定的隐蔽性，因此在方案创作中常被疏忽。但随着时间的推移，人文环境和自然环境发生改变，某处区域或某栋建筑物确有可能会产生极端情况，轻者影响教学质量，降低师生的视觉、听觉、嗅觉、触觉舒适度，加大校园内建筑的能耗与碳排放，重者影响师生的身体健康，可能造成湿滑跌倒、中暑、感冒、视力降低等不良影响。2 从绿色低碳角度，受时间影响的夏热冬暖地区教育建筑系统解决方案从上述内容的分析可以发现，教育建筑的参考文献：1中国建筑科学研究院有限公司.绿色建筑评价标准GB-T50378-2019S.北京:中国工业建筑出版社,2019.2 北 京 市 建 筑 设 计 研 究 院.中 小 学 校 设 计 规 范GB50099-2011S.北京:中国工业建筑出版社,2010.3梁波.建筑节能与建筑噪声控制技术研究J.城市建筑空间,2022,(增刊2):237-238.4张江华,薛红蕾,刘亮.绿色教育建筑设计实践J.建筑科学,2013,(02):101-105.图片来源：文章图片及表格均来自厦门合立道工程设计集团股份有限公司设计中，随着时间的推移，场所中人和环境都在不断发生改变，建筑师要满足任一时刻场所的需求，并且平衡各需求之间的权重，将产生较大的设计工作量。但若能以时间要素为纲，分类归纳场景中人、风、光、声、热、湿度的变化，则可以减少考虑不周的情况，使建筑在更多的时候都能满足绿色低碳的要求。另一方面，教育建筑中场所里的人的类型、数量、年龄、高矮甚至性别比例都是相对固定的。只要时间、地点固定，该场所的风、光、声、热、湿环境可以预测和量化。人工智能比人脑更能胜任在可量化系统中选优的工作。因此，在技术不断进步的未来，在建筑场地、功能布局、外立面以及建筑空间都有初步方案的情况下，具备采用软件模拟的方法，模拟所有特殊时间切片的风、光、声、热、湿度指标。只要硬件支持，其细度可精确到每个功能房间。排除其中所有不满足规范最低性能指标的方案，将其余方案各功能房间的各项指标加权平均获取风、光、声、热、湿的综合最优解，该技术可作为辅助教育建筑绿色低碳创作的工具。结语总结而言，将校园教学和活动的各个场景进行时间切片，从绿色低碳角度考察其中人和环境变化带来的影响和需求，采用体系化的分类分析或采用软件集成综合评优选择，将是一种进一步提高教育建筑设计水平的创作手段。图 5厦门市属火炬高新实验学校采用多种技术手段降低区域热岛图 6厦门马銮湾新城鼎美高中连廊