绿色建筑背景下地下空间设计与优化策略研究*

文/中国建筑设计研究院有限公司 李宗明

地下空间作为新型国土资源，是解决城市用地紧张、交通拥挤、环境污染等城市问题的战略性选择。开发利用地下空间已成为世界发展趋势，目前，对其研究和开发经验明显不足，少有对绿色建筑背景下地下空间的研究，导致空间布局不合理、环境品质较差和缺乏生机等问题。故研究地下空间的绿色设计极为重要。

1 研究背景

1.1 国内外研究现状

美国吉迪恩·S·格兰尼和尾岛俊雄在《城市地下空间设计》中提出城市设计应用全面整合的设计理念考虑城市。2016年，邵继中从城市地下空间设计的基本知识和理论方法角度对地下发展历史及形态设计进行阐述。

我国学者对地下空间的研究大多从工程开发角度出发。2004年，朱兴平从设计健康的地下空间角度，对地下空间相关自然采光和通风技术进行归纳；2015年，俞明健等从碳排放计量的角度研究低碳地下空间的技术体系。

1.2 研究意义

根据国内外研究现状可知，目前针对地下空间布局的合理性、改善空间环境等研究严重缺失。地下空间作为新型国土资源，亟需关注其绿色和品质建设，并将系统性和专业化研究提上日程。

2 复合化地下空间绿色设计理念

研究基于绿色集约和节能减排，从地下空间的布局结构、空间形态、空间质量系统间的互动关系入手，分析地下空间绿色设计与优化理念，促进地下空间环境质量的改善、地下空间与外部环境的复合式设计。

2.1 被动优先主动优化

绿色建筑的设计策略分为主动和被动：①主动式设计是通过各种高效集成的技术手段，实现绿色建筑的功能；②被动式设计是适应和利用自然环境，通过控制风、光、热等自然因子的流动获得舒适的地下环境。

被动式设计较主动式设计，不仅能减少环境负荷、降低建造和运营成本，还能提高建筑物的安全性、健康性。故以建筑形式为主的建筑本体实现气候适应设计，是实现绿色建筑设计的重要途径。

2.2 地域设计

地域设计即本土设计，是基于项目所在地的自然条件及当地文化，从人体舒适度出发，根据所处环境的气候特性，在场地布局、建筑设计、选材与技术协同等方面提出适应性应对策略。

我国传统民居地坑院是地下空间开发的较早案例，其民居主要分布在黄土高原，属于气候适应的民居形式，具有冬暖夏凉的特点。但因采光和通风不足问题，此民居形式正逐渐消失。在地下空间设计开发过程中，需结合地域特点，关注地下空间的绿色建设、品质建设，探索地下空间绿色设计方法。

3 设计策略

GB/T 50378-2019《绿色建筑评价标准》提出：“绿色建筑应结合地形地貌进行场地设计与建筑布局，且建筑布局应与场地的气候条件和地理环境相适应，并应对场地的风环境、光环境、热环境、声环境等加以组织和利用。”

针对地下空间特点，将地下空间设计与优化策略分为光环境、风环境、能源及植物系统4个子策略，分别包含不同的设计方法和技术手段。设计需从系统集成角度考虑，基于外部环境，结合复合化设计理念选用适用的设计语言，以达到绿色设计的目标。

3.1 光环境策略

照明设计应首先考虑可采用天然光源的设备，在不具备天然光源的条件下，可选择人工光源。采用人工光源设备时，应根据建筑不同使用功能和照明需求，在进行经济性对比分析的前提下，选择高效节能照明设备和附件、合理的照明和控制方式降低照明电能消耗。

3.1.1 注重自然采光

自然采光主要指利用昼光进行采光的形式，昼光包含直射日光和天空漫射光两部分。尽可能利用自然采光，不论从使用者心理层面还是节能减排的角度，绿色策略都是绿色建筑的重要组成部分。

1）采光窗

适用于浅层的地下空间，分为采光天窗和地下室高侧窗两类。优点是局部采光效率较高、光线柔和，可满足相关空间白天的采光需求，较多与可开启通风窗结合布置。中国建筑设计研究院科研创新楼采用采光天窗的做法，在地下餐厅层，结合走廊采用横向的采光窗满足白天采光需求（见图1）。

图1 中国建筑设计研究院科研创新楼地下餐厅走廊

2）采光中庭

适用于进深较大的建筑，如大型公共建筑内的商业综合体、大型博物馆等。采光中庭作为重要被动设计手段，采光效率高，可提升大进深地下空间的环境品质和使用者的舒适度。

除大型文化建筑外，地下采光中庭做法常出现在现代商业综合体中。以北京侨福芳草地为例，主体商业部分为地上3层和地下2层，通过在建筑中部设置1个通高的采光中庭，光线从屋面直达地下层，解决了地下商业部分的采光问题。

3）地下庭院

地下庭院的应用范围较广泛，适用于文化建筑、居住建筑及商业建筑等类型。其最大特点是在地下创造出地上的空间感受，设计中需结合用地条件灵活布置。上海深坑酒店的做法与丹麦海事博物馆有异曲同工之妙，同样利用原有的地下空间。2019年，北京世界园艺博览会中国馆在建筑中部设计了一口井作为水院，人们在地下空间游走，水从上方泻下，视觉和听觉相结合，体现四水归堂的意向（见图2）。

图2 北京世界园艺博览会中国馆地下庭院

4）导光管系统

导光管系统是采集天然光，经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统。相较其他形式的自然采光，导光管系统采光效率更高，在室内为漫射光，照度更均匀、无眩光，且可根据需要进行光线调节。

3.1.2 采用绿色照明

绿色照明主要针对人工照明，可节约能源资源、保护环境，有利于提高人们工作、学习效率和生活质量，促进身心健康。地下空间的绿色照明策略主要表现在照明调控和动态照明两方面。

1）照明调控

照明调控是采用自动控制技术及智能管理技术对建筑及环境照明的光源或灯具设备的开启、关闭、调节、组合、场景模式等实施控制与管理，以达到对建筑节能、环境艺术和传感联动等目的。

2）动态照明

动态照明指通过控制照明装置的光输出形成场景明暗等变化的照明。动态照明是以人为本的照明理念，对地下空间尤为重要。在缺乏自然采光的区域，它可显著改善照明环境，增强人们的幸福感和表现能力。

3）光的热工效能

在南方有太阳光直射的地下庭院，通常采用开敞设计，并结合高大绿植、遮阳棚等遮阳措施减少顶部太阳光的射入，以降低地下空间的辐射得热，同时减少眩光，提高舒适度。

高纬度地区则不同，太阳高度角较小，气候寒冷，需为地下空间引入充足的阳光，提高辐射得热。故在有太阳光直射影响的地下庭院，多采用封闭玻璃屋顶。若在夏季时有眩光影响，则使用临时遮阳帘等内遮阳措施，但因光线已穿透玻璃进入地下空间，室内辐射得热未减少，可保持良好的舒适度。

3.2 风环境策略

建筑内的风能利用是指在可利用自然通风的条件下，利用热压或风压的作用，通过设置通风烟囱、天井等设施进行自然通风，排出建筑内的余热余湿及污浊空气，补充进新鲜空气，得到舒适的建筑内环境。

3.2.1 注重自然通风

自然通风指通过建筑开窗等手段，利用风压和热压将室内的空气更新。通过空气更新和体感风速直接改善人体的健康和舒适度，同时影响室内的温度湿度。

1）通风井

通风井指贴临建筑地下外界面，在出地面一定高度后可自动或手动开窗的窗井，其本质为利用风的风压组织通风，垂直方向的力产生伯努力效应（Bernoulli’s principle）,促进空气通过风井流入室内。

2）下沉庭院

下沉庭院是指贴临地下空间设计室外的庭院，通过建筑的方位和植物的布置引导自然风流入室内，其本质为将地下空间地上化，增加建筑外界面的口部，并朝向于夏季主导风向，促进自然通风。

3）室内中庭

室内设计贯通的中庭，连接地下空间至屋顶，用热压形成自然通风，改善建筑内部整体的风环境。中庭顶部设置可开启的矩形天窗和太阳能集热板，在寒冷地区的冬季关闭天窗，过渡季开启，使室内冷空气下沉，热空气上升，加强烟囱效应通风，改善室内通风效果。

4）地道风

地道风是指通过地道，利用引入其中的空气与土壤层的热交换，使空气降温后送入室内，其中进风口需有一定高度，防止污染，再结合机械通风技术使空气主动流入地道。

3.2.2 风对地下空间热环境的影响

不良的室外风环境在夏季可能阻碍建筑室内外自然通风的顺畅进行，增加空调负荷；在冬季会增加围护结构的渗透风而提高采暖能耗。夏季及过渡季加强对流，自然通风能有效降低空调能耗；冬季减少通风，减少气流渗透，可降低采暖能耗。

3.2.3 利用风对建筑形态的影响

地下空间通常与地上空间形态一致，因此主导风向对于建筑形态的影响也适用于地下空间的整体形态。

根据主导风向设置建筑的方位形态。主导风向对冬季室内热损耗程度及夏季室内自然通风影响极大，故选择建筑朝向应在考虑日照时注重主导风向。如世园会中国馆的空间形态布局，其面对冬季的主导风向方向为圆弧形的平面形态，且开敞的凹口部位位于主导风向的下风向。

3.3 能源策略

地下空间相较地上建筑与外界接触面较小，对室外温度变化不敏感，具有热惰性优势。设计中发扬地下空间热惰性优点，从开源和节流两个层面进行能源系统设计。

首先减少依赖能源，在此基础上使用可再生能源，减少温室气体的排放。其次，需选用高性能设备，提高能源利用效率，注重建筑设备的系统节能。

3.3.1 太阳能

太阳能是将太阳的热辐射能转换成热能或电能进行利用的可再生能源，可分为太阳能光热利用和光伏利用两种形式，利用太阳能替代化石能源，可节约化石能源，减少环境污染。

3.3.2 地热能

地热能是指蕴藏在浅层地表层的土壤、岩石、水源中的可再生能源，建筑领域中主要的利用方式是地源热泵。浅层地热能的广泛利用可极大降低对常规能源，尤其是化石能源的依赖性，缓解我国常规能源严重不足的矛盾，减少污染物排放。

3.3.3 水资源的回收与利用

1）雨水收集利用

雨水收集利用是将发展区内的雨水径流量控制在开发前的水平，即拦截、利用硬化面上的雨水径流增量，包括雨水入渗、收集回用和调蓄排放等。通过雨水收集利用，可减小外排雨水峰流量和总量，替代部分传统水源，补充土壤含水量。

2）中水利用

中水是各种排水经处理后达到规定的水质标准，可在生活、市政、环境等范围内利用的非饮用水。中水利用可实现污、废水资源化，节约用水，治理污染，保护环境。

3.3.4 高性能设备利用

1）高性能冷热源设备

冷热源设备是向建筑物内提供热量或冷量的设备，合理配置能源系统，采用高性能的冷热源设备利于节约能源，提高能源利用率，减少碳排放。

2）高性能节水设备与器具

节水设备与器具设计先进合理，性能优良，较长时间内可免维修，可减少水量消耗，减小维修次数，达到节约水资源、保护环境和减少碳排放的目的。

3.4 植物系统策略

地下建筑位于地表下，从与自然环境的互动层面，地下空间的内部环境与地面建筑差异较大，以人工环境为主；从认知心理学角度，人与环境的交互过程追求动态平衡。在其过程中，植物系统对人的身心健康起着难以替代的作用。

3.4.1 融绿

1）场地绿化

合理选择绿地位置，优化布局方式，实现场地内绿化分散布局，全面覆盖，以改善场地内舒适度及生态质量。如在北京城市副中心行政办公区A2工程下沉庭院中，设计了多个地下庭院，结合乔灌木的种植改善场地微环境，使人们在高强度的工作之余，有更多接近大自然的机会。

2）屋顶绿化

屋顶绿化可降低“城市热岛”效应，有助于增强地下空间保温隔热的性能，在保证室内舒适度情况下，有效降低非过渡季的能耗。

3）垂直绿化

与屋顶绿化类似，垂直绿化作为立体绿化的组成部分，能有效缓解城市土地资源紧缺和绿化不足的矛盾，是节约土地的有效手段。地下空间的垂直绿化主要用于室外地下庭院和室内墙面。

3.4.2 利用植物的风环境组织能力

绿色植物对地下空间风环境的影响主要体现在两个方面：防风和导风。根据建筑所处地区的气候特点和风向类型，合理配置植物，结合内部的开窗组织，在不同季节为地下空间提供良好的风环境。

如在寒冷地区，在冬季主导风向的上风向布置林带，可将冬季风速大而干旱的寒风变为风速小而湿润的暖风，有效降低寒风的危害；夏季通过灌木墙等植物的配置，可在风速较小的情况下将室外的自然风导入室内，实现通风、降温与除湿功能。

3.4.3 利用植物的隔声能力

地下空间对声学要求较高，植物的减噪效应可起到明显作用。一般情况下，植物林带对噪声的减弱值为0.2～0.5dB/m。在实际工程中，可选用常绿乔木，搭配灌木，形成自上而下的隔声屏障，相较传统的无机材料隔声屏，植物墙功能与景观效益均佳。

4 结语

研究以地下空间为主体，依托绿色建筑相关理论及实践，提炼适应我国本土的地下空间绿色设计手法，归纳为光环境、风环境、能耗和植物系统4个策略。

地下空间的开发是未来的发展方向，针对其绿色设计与优化的策略动态变化，相关手段技术应随着时代进步不断更新完善。该策略的研究将为地下空间的绿色设计和建造提供理论支持，有助于改善地下空间的品质和布局的合理性，提高场所的人性化，达到节能减排作用，并有效促进行业对绿色地下空间的关注和绿色地下空间产业的发展。