基于全寿命周期的绿色建筑设计研究

池小兰

(福建林业职业技术学院, 福建 南平 353000)

引言

传统的建筑设计模式已经适应不了现代的发展,当代建筑更多的需要从长远的角度去看待设计问题,本着以人为本、节约资源、可持续发展的目标,改变当前的设计方法,强调绿色设计迫在眉睫。因此,本文研究全寿命周期的绿色建筑设计具有十分重要的意义。

1 基于全寿命周期的绿色建筑设计原则

为了保证建筑工程的可持续发展,实现人、机、环境和谐统一的目的,基于全寿命周期评估的绿色建筑设计应该遵循以下几个原则:

1.1 能耗统筹规划利用原则

1)据统计,在建筑物服役过程中日常使用耗能占总耗能80%,建材耗能占15.9%,其他耗能占4.1%[1]。所以从建筑使用阶段以及建筑原材料角度入手,就能效果十分明显地降低建筑能耗,从而达到了节能环保的目的;

2)建筑材料的选择要科学合理,避免采用含能较高的材料,也要避免运输过程中的能量消耗。

1.2 环境资源科学化利用原则

建筑物服役中为了保护周围生态环境,应注重废旧材料、可再生材料以及清洁能源的利用,对生态环境的可持续发展有重要意义。

1.3 环境负荷最小原则

绿色建筑设计的核心概念是最大限度地减少对周围环境的破坏[2],应重视建筑材料的设计使用、施工方法,并及时处理施工过程产生的废料;需采用适宜的施工方法,降低施工耗能,达到绿色建筑设计的目的。例如位于美国田纳西州的橡树岭国家试验中心如图1所示,它的地基处理方式采用具有不锈钢螺旋叶片的锚桩固定在地基当中,锚桩采用特殊工艺处理,可以使其再利用,避免混凝土灌注的污染。

图1 橡树岭国家试验中心

使用预制构件减少建筑垃圾,在日本、澳大利亚等发达国家,越来越多的建筑工程采用建筑预制构件进行施工如图2所示。

图2 模块化施工建筑物

1.4 长效使用原则

1)采用寿命较长的建筑材料,一方面出于建筑质量的考虑,另一方面可以避免材料更换,实现了建筑材料的可持续利用;

2)采用灵活的设计方法,并非建筑越坚固寿命越长,建筑越利于改造其寿命才越长,因为适当的翻修维护才能保证建筑的耐久性[3]。

1.5 经济适用性原则

建筑设计的经济适用性原则是必不可少的统筹部分,绿色建筑设计的经济适用性原则,同样占有十分重要地位,但绿色建筑设计是站在全寿命周期的角度去考虑总体效益的。例如沈阳国贸中心进行建筑设计时如图3所示,为了强调经济适用性原则,对建筑整体进行了优化设计,提出了一种低辐射玻璃方案,将建筑外墙改制成玻璃窗导致增加了七百万的建筑投资,虽然初期投资大幅度增加,但是后期在使用过程中,尤其是夏天,低辐射玻璃防止建筑主体升温,制冷机可以少工作近3 000 kw的工作量,每年节约近四百万元的能源消耗费用。所以说,虽然前期投资较高,但是后期使用过程中各种收益能补偿花费,具有长久的经济效益。

图3 沈阳国贸大厦

2 基于全寿命周期评价的绿色建筑设计程序

2.1 全寿命周期绿色建筑设计现状

1)基于全寿命周期的绿色建筑设计需把环境概念和设计概念相互统一;建筑设计师、结构师、暖通工程师对于将建筑设计理念贯穿于保护环境的思想还没有达成共识,无法在设计的过程中去贯穿绿色设计的思想[4]。例如很多建筑设计都是在房屋的主体各方面设计完成之后,再去考虑材料的能耗、对环境造成的破坏、对生态系统造成的损失等;

2)科研型的绿色建筑设计目前在市场推广、技术推广、制定规范等方面还不系统,还不能完成复杂的批量设计任务,所以就需要加大改革的力度。

2.2 设计目标的确定

2.2.1制定目标任务

当甲方交付给设计院一个设计任务时,设计方要有一个明确的设计目标,为了更好地实现环境保护和提高经济效益,要制定一定的纲领准则:

1)保证建筑设计成品的各种污染排放符合国家相关标准;

2)减少建筑设计成品中的各类能源消耗;

3)保证各污染物的正确处理;

4)保证使用者的人身健康安全;

5)保证投资者的经济利益以及附加产品效益。

2.2.2确定绿色设计标准

在制定标准时,要以上面提到的纲领作为依据。标准的制定牵涉到以下几个方面:再生能源的利用、能源基础设施的建造与改善和资源节约标准等。

2.2.3确定项目标准设计顺序

在对项目进行绿色设计时,因为项目各子系统权重不同,要根据优先次序对项目的各项标准进行设计排序。例如甲方单位投资方、施工方、设计方可能会把能源利用等节能减排因素作为进行优先设计的方面,优先次序的确定为设计人员的设计工作明确了设计方向以及设计权重。在进行设计权重排序时,对一些规范条文的理解并不能拘泥于一点,要准确把握标准所要表达的意思,但同时要灵活地贯彻标准。

2.2.4项目预算

对于一个基于全寿命周期的绿色建筑设计项目来说,项目预算包括项目投资费用、项目管理费用和项目设计费用等。

2.3 绿色建筑方案设计

1)对绿色建筑进行系统分析:在设计开始阶段,首先要明白设计的目的,根据所要达到的设计目标对建筑进行全方位的分析，包括建筑选址、能耗表现和朝向等各方面;

2)绿色建筑设计辅助工具:目前计算机科学发展迅猛,各种复杂的运算通过计算机都能得到又好又快的解答,比如说建筑采暖、建筑采光和热力计算等通过计算机的相关软件都可以模拟出来,对于这些模拟软件研究比较深入的以加州大学系统为代表。

2.4 全寿命周期评价

设计工作是一个整体性工作,是一个综合的、全方位、多角度的过程。为了评价设计工作的优劣,要引入各种方法,其中全寿命周期评价是一个最为常用且最为有效的方法。

2.4.1目标及范围界定

为了保证建筑设计中的变量不太复杂,选取了如下几个变量墙体类型、墙面组成、屋顶构件、屋顶组成和长宽比等。综合考虑了各种因素的影响,具体设计到经济因素以及环境因素,建筑寿命周期的评价可用下面的方程表达。

F(x)=w1*LCE(x)+w2*LCC (x)

其中,w1:环境影响的权重

w2:费用影响的权重

LCE:寿命周期内对环境的影响

LCC:寿命服役期限内总评价的权重

2.4.2清单分析

基于全寿命周期的绿色建筑设计中各变量的参数如表1所示,所举例的建筑采用13 mm的双层中空玻璃结构,对于建筑成品中,墙体的选择有如下两种:钢板墙和空心板墙。对于钢板墙,它由六种结构组成,具体包括空气隔层、空气层、防水层、面层、装饰层和保温层。具体到空气隔层又包含以下两种厚度的玻璃棉,一种是中等厚度的大约156.22 mm,另一种是比较厚的228.6 mm。屋顶构造和空心墙构造相同。

表1 各变量类型及其取值

2.4.3影响分析

我们应用了加州戴维斯能源利用评价分析工具,并且在这个基于全寿命周期的绿色建筑设计案例分析中,采取能量当量换算参数,即在分析当中我们把放射能和电能做一个换算,根据当时的电价计价结果,可算出用电费用的单价为＄0.0321/kwh,将单位电价带入相关运算,可以得出不同方案在全寿命周期下的用电费用,分别为＄221331、＄234233、＄221078、＄220871,如表2所示的能源耗用评价分析。

表2 能源耗用评价分析结论数据表

2.4.4方案分析

综上所述,对于分析案例建筑实体能耗应注意以下几点:在所有的建筑方案中,对于墙体结构来说,保温层都要达到最厚的标准;对于空心板墙,墙体的厚度不如屋顶的厚度重要,这是由于建筑实体的方位和朝向不同所引起的;对于本次所调查的建筑实体,以费用作为评价标准时,最佳的宽长比为0.83,此时在全寿命周期内所耗费的费用最少;从上述结果当中,可以看到不同的评价标准所得到的最佳宽长比是不同的,所以在具体设计时一定要掌握好哪个是评价标准,以免对后续设计工作造成不利影响;为了保证建筑成品能够做到绿色环保、可持续利用,我们要综合各方面的指标参数,最终达到一个各方统一的评价方案。

3 面向全寿命周期绿色建筑设计的支撑手段

长久以来我国的建筑设计给建筑师的发挥空间并不大,一些科学的设计成果会被业主所否定,为了保证科学合理、节能高效的建筑设计得到落实,借鉴国外成熟的绿色建筑发展管理体系对我国来说很有必要。

3.1 完善设计团队组织方式

当前我国建筑设计方式较为传统,各个部分分工明确,同时也造成了部门间的沟通不畅,这种设计方法对于各部门来说效果明显,能够在较短的时间内各自完成设计任务,但同时各部门之间的统一性较差,整体优化能力不足,不利于绿色建筑体系的发展。欧美国家对整体设计模式比较重视,从上世纪九十年代开始,英国就着手开展了基于环境保护的绿色建筑设计计划,在研究过程中发现,设计组织的优化对于保护环境要比单纯使用新材料、新设备重要很多。

3.2 建立绿色建筑评估体系

应用全寿命周期理论去评价建筑物设计是否绿色环保,可以带动绿色建筑市场的发展,从建材到施工,从生产到监管,各个层次、各个方面都会因为评价方式的不同而产生变化。以下为常见的国内外评价绿色建筑设计的标准:

1)美国建筑环境测评系统。美国建筑环境测评系统是美国土木工程师协会发起的,它是以市场为导向,以现有的成熟环境测评系统为基础的建筑环境测评系统。它具有强大的自评模式,绝不采用不具有公众效力的研究工具;

2)英国建筑环境测评系统。英国建筑环境测评系统(BREEAM)是世界上第一个建筑环境测评软件[5],因为是第一个提出建筑环境交互机制,所以具有广泛的市场影响力;

3)绿色标签是欧美国家运用经济发展规律调节环境评估的一个手段,当建筑设施达到一定的绿色节能标准时,绿色标签可以给开发商和业主一定的实惠。

3.3 利用政策和经济手段的激励作用

建筑工程行业经过市场经济改革之后,人们争取得越来越多的是经济效益最大化,这种价值观是不正确的,必须对当前情形下的建筑工程行业进行改革,要利用国家的政策去调控行业规范,使建筑行业注重建筑与环境的和谐统一,做到真正的可持续发展。

4 结论

建筑的传统经济发展模式已经陷入瓶颈,不能再靠对资源的过度浪费来发展经济,要依靠新的技术创新,从设计源头上去保证建筑设计的合理性、经济性。绿色建筑是一个建筑生态体系,需要各方的一致努力,无论建筑设备厂商,还是建材供应商、承建商、投资方,都要为绿色建筑推广助力,绿色建筑市场才会有活力,才能保证绿色建筑的未来。