清华大学设计楼.docx

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清华大学设计楼

项目名称：

清华大学设计楼

该工程为中国办公建筑绿色化研究－攻读博士学位论文的实践部分。

在该次研究中，作者基于对全球环境恶化引出的绿色建筑运动与办公建筑自身发展的趋势分析，首次对中国未来办公建筑的发展明确和系统地提出了“绿色化”并且对该概念进行了逻辑的诠释，更研究了适合中国国情的办公建筑设计策略。

这个研究成果最终以该设计中心楼作为其实践探索来体现。

所以该设计中心楼不仅仅带有了适合的设计技术和策略，更富有深刻内涵的理论含量。

设计者认为办公建筑“绿色化”实质上追求工作者健康与自然环境健康的统一体。

要达到这一目的，设计者认为不能单调的强调高技术的应用或所谓的低技术途径都将是不行的，而需要多种适宜手段与设计策略的成果结合。

建筑工程介绍：

清华大学设计楼位于中国北京清华大学主楼前区中心绿地（“绿十字”区）东侧，建筑面积约6800平方米。

主要用作于清华大学建筑设计研究院进行生产、教学、科研等用房。

因为获香港爱国人士伍舜德先生和伍威权先生捐助港币600万元，故称伍威权楼。

由于该在项目中清华大学建筑设计研究院得到了足够的研究和开发建设资金，同时也自己充当了业主、设计者以及使用者的三从角色，所以在中国建筑界来看该项工程作为实践研究项目有着起其他工程无法比拟的先天优势。

也正因为业主的最高决策层正对绿色化运动的高度重视和研究的开展导致了该项工程成为了办公建筑绿色化的探索项目。

为此，清华大学建筑设计研究院专门成立了设计小组（其中包括了建筑、暖通、经济预算、给排水等）并且得到了清华大学热能工程系暖通专业研究小组的积极配合。

设计楼从1997年开始进行策划，经过多轮方案演变而得的。

其目标除了探索绿色（生态）建筑的试验，追求节能外，还为工作人员创造一个高效、健康的室内工作环境。

建筑包含有大小不等的设计工作室、办公室、展览室、多功能厅外，还有一个视听设备齐全、独具风格的学术报告厅。

建筑主入口立面朝西，长轴沿东西向布置，南侧为三层高的室内中庭，光线充足并有较大面积的天然植物及草坪等。

针对绿色化目标，设计小组在建筑设计和设备采用了多层次的设计策略，在遮阳、防晒、隔热、通风、节电、节水、利用太阳能、楼宇自动化、绿化引入室内采取大量具体措施。

按照设计者的意图可归纳成缓冲层策略，利用自然能源策略，健康无害策略和整体设计策略。

总体设计介绍：

设计楼建筑平面基本呈长方形，设计紧凑、完整减少了冬季建筑的热损失。

长轴为东西方向，楼、电梯间与门庭、会议室等非主要工作室，布置在建筑的东西两侧，缓解了东西日照对主要工作区域的影响。

工作空间划分为大开间开敞式设计工作室区域与小开间办公室，其可以根据不同功能需要加以安排，使工作室的布置具有一定的灵活性。

建筑南向是一个3层高的绿化中庭，不但能为员工提供一个生机勃勃的良好景观与休息活动空间，而且可以有效地缓解外部环境对办公空间的影响。

1.缓冲层策略

热缓冲中庭（边庭）

　　在设计中比较明显的算是在南向的一个体积较大的绿化中庭。

虽然那只是一个位于建筑南部的边庭，但是其物理功能内涵较之传统的位于建筑内心的中庭要丰富。

其基本概念如图所示：

在冬季，该中庭是一个全封闭的大暖房。

在“温室作用”下，成为大开间办公环境的热缓冲层，有效地改善了办公室热环境并节省供暖的能耗。

在过渡季节，它是一个开敞空间，室内和室外保持良好的空气流通，有效的改善了工作室的小气候。

在夏天，中庭南窗的百页遮阳板系统能有效的遮蔽直射阳光，使中庭成为了一个巨大的凉棚。

中庭南侧为全玻璃外墙，上部开设了天窗，从而利用中庭顶部的反射装饰板，保证开敞办公室的天然光利用。

设计小组还认为中间的“光廊”采用了一部分天空光线，帮助提高设计室的天光照度。

热缓冲中庭（边庭）图

防晒墙与架空屋顶

　　该建筑的主入口为西向，因此如何有效地防止西晒成为热缓冲策略的重要组成部分。

在最早的方案中，设计小组曾经考虑采用加拿大伟视（VisionWall）公司的三层夹膜low-e玻璃产品用作建筑全部外窗和幕墙，由于其具有良好的热性能（其热阻为普通双层真空玻璃的8倍，同时透明度也极高）。

但最终根据经济性的比较（其价格是一般国产双层玻璃的近10倍），以及维护方面的考虑（配件与玻璃均需要进口，不易更换、维护），最终放弃了这一想法，确定采用缓冲层的概念，即在西向设计一面大尺度的防晒墙，这面由混凝土制成的防晒墙完全与建筑脱开，在夏季与过渡季节，可以完全遮挡西晒的直射阳光。

同时防晒墙与建筑主体之间的空隙（4.5m宽）还有利于室内空气的流通（拔风作用）并可保证主体建筑室内的均匀天光照明。

在冬季，防晒墙能有效的遮挡西北风，在阳光照度大的天气甚至还能积蓄热量而成为一个蓄热体，在建筑西侧形成一个热保护层，从而有效缓解外部气温对建筑内部的影响。

除此之外，从建筑造型角度看，防晒墙的设计手法和细部处理给人们以一种新颖的感觉，极富有个性的。

该建筑缓冲层概念的另一个重要体现是架空“天棚”的设计，其在夏季其对于屋顶的热缓冲作用也是十分明显的。

除了通过架设太阳能板，可以充分利用太阳的辐射能量并遮蔽直射阳光外，通过架空层的空气流动，也能迅速带走热量，降低屋顶表面的温度。

同时屋顶的棚架结构为办公楼今后的发展也预留了一定的余地。

遮阳板系统

　　设计小组认为适当的遮阳设计对减少太阳辐射进入建筑内部是十分必要和有效的，所以该建筑很注重遮阳板系统的设计。

目前许多比较先进的办公建筑中使用了可自动调节的遮阳装置，可以根据天气的变化、季节的不同，调整对太阳能量的获得。

但考虑到这类设备往往难于维护，并且造价十分昂贵。

所以设计小组在设计中采用了非机械的固定遮阳板设计。

通过对北京地区的气象资料研究后对遮阳板进行了计算并对计算结果折衷，选用外遮阳方式并确定南窗遮阳板长度为0.9米，每排间距为2米，材料采用反射性较好得铝合金。

维护系统体系的缓冲：

维护结构是缓冲设计概念中一个很重要的环节。

根据中国现有的建造技术，外墙材料选用了300厚的陶砾空心砖，屋顶为100厚钢筋混凝土板加50厚的聚胺酯发泡材料，其具有良好的保温隔热性能。

在窗户选材上，设计小组选用了性能较好的双层玻璃，其中南侧玻璃幕墙选用的是6C+12A+6C的中空玻璃（其中C表示通明玻璃，A为空气层），传热系数为冬季2.61,夏季2.53。

西侧东侧以及北侧玻璃选用了6C+9A+6C，热传热系数为冬季2.79夏2.70。

南侧中庭天窗为了防止过度日晒，采用了21厚（6C+9A+6C）镀膜发射玻璃，太阳辐射的通过率仅为19.6，因此夏季能有效过渡太阳辐射能量。

2.利用自然能源策略

太阳能的利用

在设计楼的设计过程中，设计小组对太阳能利用的可能性进行了充分的研究与评估。

原来最初考虑的是利用常见的太阳能转化为热能的原理，以太阳能集热板为空调系统提供初级热源，同时太阳能热水系统还可以用于地下室的除湿（再生干燥剂技术）。

但由于建筑上取消了全部的地下室，并且太阳能利用中存在一定的局限性（昂贵、不稳定、季节性强、效率低——缺乏足够的屋顶面积等），所以取消了这个想法。

经过反复论证研究，设计小组决心采用在中国更为超前的方案——太阳能光电板发电技术，目的也是为了向前迈出试验性的一步。

通过与一家日本公司（Kyocera）的接触，已考虑使用一部分太阳能光电板为设计楼的报告厅的照明与电器系统提供电能。

日方提供了两种可选择的主要产品：

一是透明的太阳能板（TransparentSolarCell），这种新技术产品可直接用于南向的窗户；二是普通的太阳能光电板，一般架设在建筑屋顶。

因为两者的价格相差了近3倍所以采用后者。

虽然太阳能光电板系统目前在发达国家已得到了充分的利用，但是它依旧是高层次和先进的利用太阳能的技术而且其造价是十分昂贵的。

就普通的太阳能光电板而言，按照日本厂商的报价，每发电3.6千瓦就需投资约40～50万人民币（包括光电板本身和蓄电输电系统电路造价）。

建筑打算投入100～200万元（人民币），换来的是不到10千瓦的发电量（仅能满足一个学术报告厅的用电量），这在中国来说代价是非常昂贵的。

深井水利用

　设计小组认为大地所蕴含的热量和温度是一个恒定、安全的可替代能源从而是很值得利用的。

而目前在对大地能量的应用中，深井水回灌技术是一种比较成熟的方案。

所以在设计楼的设计过程中，曾确定了利用深井水作为天然冷源（热源）的空调方案。

这一方案的构想是：

在地段周围共打三口深水井。

其中一口井从地下80m处抽取地下水，经过板式换热器间接提供给热泵系统，以常规方式作为终端输出，从另两口井则将水回灌至地下。

这种方案的优点在于能节省相当的能耗；热泵系统已有定型的、容易获得的产品；深井水回灌在国内也已有应用，因此技术上与经济上比较合理可行。

经过经济比较计算，与常规电制冷空调相比，深井水系统可节能15%，而造价基本相当。

然而令人遗憾的是由于深井水的抽水来源是深度为80m左右的地下水，且回灌深度也大致在这个高度，而这一标高正好是目前清华校内饮用水的水层标高，处于防止回灌污染和安全的考虑，最终放弃了这一方案。

3.健康化、无害化策略

自然通风

通过对以前的一些办公建筑的大量使用空调的批判，设计组认为在通风处理上应通过与自然界充分的合作而不是对立，在过渡季节主要依靠自然通风满足工作环境的需求，那么就不但可以节省大量的空调能耗，还能塑造一个较之以往更加健康的工作环境。

针对该建筑，设计的基本思路是利用大开间办公室与北侧办公室之间的吹拔空间顶部空气的加热所长生的烟囱效应，在热压和风压的共同作用下，利用自然通风提供一个健康舒适的内部工作环境，并且达到建筑节能与改善室内空气品质。

在设计过程中，热能系设计小组运用仿真技术（CFD）以及三维动态计算机软件STACH-3对方案进行了仿真研究后，对原有的方案提出了一系列的修改措施。

绿化引入室内

　　绿色办公建筑设计顾名思义，不可能缺少现实中的“绿色”。

设计小组将植被绿化系统引入办公建筑时，不仅仅出于节能的考虑，更是在追求一种努力与自然保持接近的生活。

设计小组认为南侧中庭的绿化平台（种植有天然草皮和树木花草）不但为工作者提供了充满生机的、令人愉快的视觉效果以及一个休憩与交流的场所，同时绿色植物的存在本身亦成为一个健康的自然调节器——绿色中庭的草坪、树木等植被在促进室内空气清洁新鲜，改善空气湿度条件（北京的空气往往比较干燥，尤其是在冬季里），降低室内温度（夏季）等等方面都将起到有效的作用。

为了实现这个想法，结构工程师专门对楼板进行了特殊处理，并在绿化部分的楼板下降了90MM，同时加大其承载力。

材料的无害化

　　在设计楼建筑与装修材料的选择方面，设计小组尽可能选用一些低放射性、低污染的绿色建筑材料并考虑多使用一些可再生建材，例如设计室内部不做天然装饰石材的装饰，不做大量的木装饰等。

另外鉴于对地毯的综合考虑，在该办公楼设计中取消了地毯的铺设，而采用一种橡胶地面的处理，这与普通的水泥或水磨石地面相比，减少了人员行走的噪音，而且造价适中，同时避免了地毯可能造成的危害。

4.整体的节能方案

在设计楼的设计中，除了以上的绿色化设计策略外，设计小组的工作还涉及到其它的许多重要方面：

绿色照明

设计楼照明系统设计希望能够突破以往办公建筑中照度不适（过高或过低）、浪费严重（“长明灯”）以及计算机屏幕眩光等许多问题，通过合理设计与选择照明灯具，达到绿色照明的目标。

其基本的策略如下：

合理照度标准：

按照在VDT（VirtualDisplayTerminal）工作环境中防止昡光的标准，确定了合理的照度标准：

设计室为300－500Lux,走廊为150Lux。

分级设计　提供背景照明与工作照明两种方式：

即满足低标准的背景照度水平（以柔和的反射、漫射光为主）与符合工作面照度要求的工作照明相结合。

分区集控　对背景照明灯具进行分区的开关控制。

在白天，当靠窗区域的自然光照度水平足够时，可以将该区域的背景照明关闭；在假日或夜间加班情况下，分区集控也将有效的避免浪费。

场景设置　提供几种常见的场景照明控制面板，如阴天、晴天、会议、夜间等模式，根据不同的要求与外界情况提供背景照明，从而避免了过度设计与过度使用的浪费。

工作照明个人调节　除了背景照明应具有足够灵活性外，工作照明亦应具有可调性，并由工作者自行控制。

节能灯具　提供高效的灯具，以更少的电能换取更多的光能，而同时又大大减少了热能的产生。