高层办公建筑环境适应性设计策略

高层办公建筑环境适应性设计策略

戚嘉辉

广东南海国际建筑设计有限公司广东佛山528000

摘要：高层办公建筑是城市内部空间结构的重要组成部分，对城市基本职能的发挥具有重要的作用，但高层办公建筑设计却一直忽视其对生态环境造成的负面影响。为此，本文将探讨高层办公建筑环境适应性设计策略，通过结合具体项目，介绍了环境资源及策略，提出了环境适应性的设计策略，并对其设计策略对绿色建筑的分值贡献进行评估，可为高层办公建筑生态设计提供参考作用。

关键词：办公建筑；适应性；设计；策略；优化

随着经济、社会的快速发展，高层办公建筑作为商业文化交流的重要场所，在当前城市建设发展中缓解用地紧张的同时也促进了区域经济发展。进入新世纪以来，高层办公建筑在建筑高度上不断刷新，功能也日趋复杂多样，对高层办公建筑提出了越来越高的要求。建筑对地区环境的关注逐渐成为设计的关键环节，基于此，下文将对高层办公建筑环境适应性设计策略作一个浅入的探讨，并通过结合具体项目加以论证。

1环境资源及策略分析

某项目所在地，主要特点是太阳辐射弱、日照时间短、降水丰沛、地形以山地为主、常年处于轻风和微风区等，根据其特点，气候适应性设计主要采用自然通风降温、围护结构隔热保温、自然采光、遮阳等方式。除了自然资源外，绿色建筑设计还应综合考虑场地资源、交通资源、地热资源、景观资源及水资源的利用，其利用策略如表1所示。

表1资源类型及资源利用策略

2项目介绍

某项目地上建筑面积2.84万m2，地下建筑面积1.82万m2，建筑容积率4.0，建筑密度43.87%，绿地率20.2%。建筑主要功能为办公及其配套设施，采用塔楼＋裙房的形式，地上21层，地下5层，结构形式为框架核心筒，设计使用年限为50a。

3环境适应性设计策略

3.1场地资源利用

3.1.1场地地形利用

该项目地形为西南侧高，东北侧低，场地内最大高差约为4m，整体高差较小。建筑竖向设计以结合地形、避免高切坡为设计原则。场地竖向设计结合自然地形、减少土石方工程量来确定室内外标高，使土方量挖填平衡，减少对环境的破坏。

3.1.2场地交通资源

场地竖向标高与城市道路标高协调一致，充分利用市政道路，场地沿东南侧城市道路设置主入口。建筑的出入口靠近公交站点侧设计，建筑出入口500m范围内设有公交车站，场地与公共交通设施通过道路实现便捷的连通，便于办公人员绿色出行。

3.1.3场地景观资源

目前场地内无需要保留的名木古树、无可利用的植被和水体。开发建设过程中通过临时覆盖、有组织施工等方式，尽量减少对原有植被、表层土壤的破坏，预防水土流失。景观设计以绿色植物为主，采取点、线、面相结合的绿化系统。该场地设置集中绿地区，便于员工的休憩交流，实现场地景观的最大化修复。

3.1.4场地风环境利用

总平面设计考虑避开冬季主导风向，但需有利于夏季自然通风。建筑的朝向为南偏东16.5°，是地区公共建筑的主要朝向（选择或接近南偏东30°至南偏西30°的范围内）。利用CFD软件对场地通风环境进行定量分析及评价，优化建筑总图布局，使场地的风环境状况满足行人的舒适要求，采用底层架空措施，引导室外风进入室内，有利于在过渡季节通过外窗进行自然通风。

3.2功能布局优化

3.2.1通风设计

利用场地自然条件，合理规划建筑的功能分布、建筑体形、朝向，将厨房、餐厅、会议室、展厅等功能房间布置在裙房中，塔楼以办公为主，塔楼办公开窗位置需根据建筑室外风环境模拟结果及风压大小确定，尽量在办公室内形成穿堂风。经过CFD软件对平面功能（特别是设备房位置）的优化，98%以上区域的换气次数达到2h-1（见图1）。南北向开窗使主要功能房间内形成对流通风。

图1平面自然通风分析

3.2.2自然采光设计

GB50033—2013《建筑采光设计标准》中规定的Ｖ类光气候区，建筑的办公室、会议室的室内采光系数应达到3.6%。内墙和顶棚表面使用白色乳胶漆，外窗和幕墙可见光透射比为0.62，建筑外窗面积与房间地板面积的比例均大于20%，室内自然采光效果如图2所示。经计算，满足GB50033—2013《建筑采光设计标准》要求的采光系数的主要功能房间面积比例达到89.44%。

图2平面自然采光分析

3.2.3地下车库自然采光设计

该项目地下1层主要功能为车库，面积为4419.43m2，周边无明显建筑遮挡。建筑西北面和东南面共布置35个采光板，采光板大样及采光窗位置如图3，4所示。采光板1的采光洞口尺寸为800mm×800mm，共19个；采光板2的采光洞口尺寸为700mm×500mm，共16个。在车库进口处，为改善自然采光，在坡道侧墙上开有2.4m×1m和2.4m×1.6m的采光窗。经计算，平均采光系数达到0.5%的地下空间面积占首层地下室面积比例达到20%以上。

图3采光板大样图

图4坡道侧墙开窗图

3.2.4建筑遮阳设计

对于大面积玻璃幕墙的建筑，合理设置遮阳设施不仅可以起到夏季遮阳隔热、降低空调负荷、减少眩光的作用，而且可以保证在全年中阴雨天和云雾天时室内良好的自然采光，减少室内人工照明。该项目结合建筑构造（见图5），设计竖向线条遮阳，综合遮阳系数为0.35。与高反射率的可调节遮阳百叶相结合，形成可调节外遮阳系统。在不影响室内自然采光和视野的前提下，实现节能降耗。

图5垂直外遮阳设计

3.3建筑高性能围护设计

建筑围护结构的节能设计以夏季隔热为主、适当兼顾冬季保温，因此，围护结构热工性能参数设计需要综合夏季、冬季的要求而定。该项目结合节能热工性能指标限值和绿色建筑三星级得分的要求，在现有节能热工性能指标限值的基础上提高20%（外墙采用200mm烧结页岩空心砖＋60mm岩棉板，平均传热系数0.8W/（m2·K）；屋面120mm钢筋混凝土＋75mm难燃型挤塑聚苯板，平均传热系数0.51W/（m2·K）；外窗采用隔热铝合金型材多腔密封6mm中透光Low-E玻璃＋12mm氩气＋6mm透明玻璃，传热系数2.10W/（m2·K），窗遮阳系数0.40），以降低夏季空调负荷并减少机组的安装容量。

3.4建筑可再生能源设计

通过分析场地的地质条件、建筑空调负荷、当地可再生资源情况，采用复合式地源热泵系统作为项目的冷热源。地热系统的土壤热平衡问题是系统设计的关键，该项目采用传统冷却塔、冷水机组加地源热泵复合式系统。即按照设计热负荷选取热泵机组，地埋管换热器长度按照最大热负荷进行计算，冷水机组容量按照设计冷负荷与热泵所能提供的制冷量差额选取，热泵系统和冷水机组系统可以单独运行。供热时地源热泵系统单独运行，供冷时则可以根据建筑冷负荷情况使冷水机组和热泵联合运行或者单独运行。

利用DeST软件对建筑全年负荷进行模拟计算，全年设计热负荷指标为55.6W/m2，冷负荷指标为148.7W/m2。对现场的热响应进行测试，岩土原始温度19.55℃，岩土综合导热系数2.48W/（m·℃），夏季单孔换热量60W/m，冬季单孔换热量43W/m。地下车库采用底层桩基式地埋管系统，设置5组地埋管组，每组包含46～50个地埋孔，地埋孔共计240个。地埋孔的深度为100m，间距为4.5m。地埋管直径为DN32，采用聚乙烯材料。地埋管敷设完成后，原浆回填。

地源热泵空调系统冬季提供建筑所需全部热量，夏季提供建筑所需38%的冷量，剩余部分由冷水机组提供。

3.5建筑中水与雨水利用

既有建筑产生的废水与污水混合排放，造成水资源的浪费。该项目收集场地雨水、室内盥洗水、直饮水浓水及空调冷凝水，经处理用于室内冲厕、道路冲洗、绿化灌溉及洗车等，做到水资源的梯级利用。经计算，非传统水源年利用量约为6168.7m3，非传统水源年利用率约为27.9%。

3.6信息化技术应用

基于该项目众多绿色建筑技术的应用，必然存在专业交叉、管网复杂、工程量统计工作量大及技术应用效果抽象化的特点。在该项目的设计阶段，建筑信息化模型（BIM）主要用于建筑层高分析、管道碰撞检测、工程量自动统计、修改及设计，提高了设计的准确性，并使设计成果可视化，如图6所示；在施工阶段，进场前应完成综合调整、方案预演等前期准备，精确施工、精确计划、提升效益，确保设计和安装的准确性，节约工程造价。

图6地源热泵机房管网模型

4设计策略对绿色建筑分值贡献

笔者对GB/T50378—2014《绿色建筑评价标准》中涉及的环境资源利用的相关条文进行了梳理，并结合案例就环境适应性设计策略对绿色建筑星级的贡献进行评估，绿色建筑涉及到的环境适应性技术策略贡献分值如图7所示，共为绿色建筑三星级认证贡献了28.92分，约占绿色建筑三星级认证要求分值的1/3（绿色三星级认证分数至少达到80分）。按照技术的增量成本与得分情况的比值进行分析（见图8），大部分环境适应性技术为零增量成本技术，投资性价比从可再生能源利用、围护结构热工性能提升、非传统水源利用、场地的生态修复等方面逐渐降低，但技术本身应具有较大的分值贡献，也是高星级常用的技术策略。

图7环境适应技术对绿色建筑的贡献得分

图8环境适应技术投资量成本与分数的比值（单位：万元/分）

5结语

综上所述，高层办公建筑作为城市生态系用的重要组成部分，对其进行环境适应性的设计工作，对于绿色建筑来说具有极为重要的作用。因此，我们需要根据项目的实际情况，采取有效的环境适应性设计策略，做好相关的环境适应性工作，以提高绿色建筑分值贡献，从而实现良好的经济和环境效益。

参考文献：

[1]李晋.基于气候适应性的绿色建筑研究与实践[J].华中建筑.2014（32）.

[2]张华荣.北方地区住宅类绿色建筑节能设计研究[J].建筑工程技术与设计.2015（32）.

[3]杜松，张宇，雷艳.贵州地区绿色建筑地域适应性技术探讨[J].建筑节能.2013