北京国樾天晟
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北方地区被动式住宅立面设计实践研究——以北京首开·国樾天晟住宅项目为例
文/中国建筑设计研究院有限公司 周佳悦 崔轶群
0 引言
被动式技术作为成熟、能耗低、投资少和舒适性高的住宅设计技术，已成为解决我国北方寒冷地区住宅能耗偏高的有效设计方法。2016年北京市发布的《北京市推动超低能耗建筑发展行动计划（2016—2018年）》中提出，在2016—2018年建设不少于30万m2的超低能耗示范性建筑，并且DB11/T 1665—2019《超低能耗居住建筑设计标准》也已于2020年4月开始实施。因此，探讨北方住宅的被动式设计策略对降低建筑能耗具有重要的理论和现实意义。
1 项目概况
首开·国樾天晟项目是北京市密云区首个超低能耗住宅小区，也是北京市超低能耗示范项目，由10栋商品住宅和1栋配套公共建筑组成。商品住宅主要分为5～6层洋房和4层叠拼住宅，总建筑面积6.7万m2，建筑朝向为北偏东25.92°，各住宅体形系数均不超过0.29。整个项目全面按照北京市超低能耗示范项目认证、德国PHI被动房项目认证双重标准执行，2019年设计施工，2022年交付使用。同时该项目获得德国PHI标准、美国LEED金级、中国绿建三星，中国超低能耗建筑等多重体系认证。本项目超低能耗建筑区域总面积35677.52m2，每年共减少逾400t二氧化碳排放。经模拟计算，该项目建筑能耗水平相当于我国建筑相对节能率94%，显著优于DB11/891—2020《居住建筑节能设计标准》要求。
规划总平面
总体效果
项目在设计阶段根据《北京市超低能耗建筑示范工程项目及奖励资金管理暂行办法》中针对建筑层数4～8层商品型住房指标要求，设定室内环境参数、气密性指标及各项技术性能指标，并进行能耗计算。相较通过节能技术指标呈现被动式设计效果，该项目更强调从建筑方案设计角度，充分考虑被动式建筑立面设计控制点，形成项目实践应用总结，通过被动式节能技术和精细化节点施工，使其在确保消耗较低能源、保证室内舒适度的同时，使住宅外立面呈多元、精致、丰富的形象，提升建筑整体品质。
2 立面重点部位设计策略
朝向与体形控制
被动式住宅建筑需在满足平面套型面宽及进深要求的前提下，尽量维持平面形状完整性，减小建筑周长。本项目规划采用两单元和三单元的住宅拼接形式，减少楼栋平面和高度种类，避免高低单元搭配，局部根据日照参数计算需求设置屋顶露台，提升日照采光均好性，同时丰富沿街立面形象，避免过于单一呆板的山墙面向街道。同时在建筑形态与套型设计时避免过多的形体转折，减少设置飘窗及入户花园等相对复杂的住宅建筑立面造型手段，以满足较小的体形系数指标，从而利于建筑本身的节能和降耗。
墙体设计
墙体是住宅建筑最重要的外围护结构，也是评判被动式设计效果的主要指标。发达国家对于被动式墙体设计较为成熟，并且结合建筑表皮形式和遮阳构件已形成相应的节能体系，如格栅表皮、透明表皮、特朗布墙体、绿化表皮等，但这种基于被动式立面系统模块化的生产安装方式在我国尚未全面普及，目前只能作为设计参考思路。在我国，大多被动式住宅采用复合墙体构造方式，如内保温、夹层保温和外保温等，其中外保温墙体作为具有更成熟实践经验的构造方式，一直广泛应用于我国被动式复合墙体。
根据项目定位，不同于以往国内建设的多以单体存在的被动式建筑，该项目所有建筑采用全幕墙装饰外立面，外部墙体保温材料厚200mm，石材及铝板幕墙的外部做法也需至少达到200mm厚，再加上结构墙体厚度本身，因此项目住宅立面墙体呈现体量较厚重的状态。在进行幕墙深化设计时，必须在PHPP软件中录入完整的准确数据，确定幕墙面积及细部节点，通过不同系统参数的比较进行构件选择。
门窗设计
被动式住宅对外窗性能要求极高，南向采用较大的外窗尺寸以满足GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中对住宅功能房间自然采光的要求。本项目窗的安装方式选择“外挂式”窗，在安装外保温前，使用支座将窗户固定到墙体外侧，使窗与墙体保温层闭合，热桥系数为负值。同时在东、西、南3个朝向设置电动外遮阳百叶并与石材铝板幕墙做好密封和防水处理。此种安装方式可确保建筑外表面平整洁净，同时与幕墙系统整合，呈现精细化实施效果。
沿街立面
阳台设计
由于我国寒冷地区冬季室外环境较恶劣，多数住宅采用封闭阳台形式，这种封闭阳台与建筑主体结构合并考虑设计，有利于被动式密闭性延伸，形式上也较统一美观，同时应避免阳台出挑过大影响采光。以北京地区为例，平均太阳高度角约为27°，经过遮阳系数计算，权衡冬季得热和夏季遮阳需要，南向阳台进深尽量控制在1.5m以内。同时通过将封闭阳台与建筑主体整合设计，使建筑界面呈整体连续性。
屋顶立面设计
住宅屋顶作为墙体表面的延伸，其保温构造措施需延续墙体构造形式处理，必要时采用更难传热的材料且具有足够厚的保温层，使室内墙体内表面温度即使在供热条件有限的情况下也能保持恒定。
屋顶立面造型可采用局部北向退台形式，由此可减小北向立面面积。同时坡度设计时充分考虑冬季太阳高度及角度，设置合适的挑檐宽度，尽量避开建筑日照遮挡间距限制，提高土地利用率。在项目造价预算允许条件下，可考虑局部屋面覆土绿化实现隔热保温，但需处理好屋面构造防水。
屋顶室内空间也需采取特殊设计处理，多数选取加建阁楼的方式，北方地区住宅通过在屋顶自行加建阳光房，实现被动式太阳能利用，但属于用户自发行为，缺乏统一设计控制，极易对住宅的第五立面外观产生不利影响，而且夏季该空间热环境较差。在本项目设计阶段，更倾向于考虑使用坡屋面结合平板天窗，通过设计整合屋面开窗位置与室内空间一体化处理。屋顶表面结合坡度设置集热器，平均每个单元设置16～24m2 集热器，满足热水温度及用水定额，能够承担全年冬季采暖、夏季空调和生活热水负荷，达到良好的集热效果，从而获得更高的能源转化率和更大范围的铺设面积。
楼梯间设计
由于存在采暖供热条件变化和楼梯间本身上下贯通的空间特性，单元式住宅楼梯间的被动式设计也需充分考虑。目前多层住宅多采用封闭式楼梯间设计，且体量高出屋面部分，其开窗形式可配合建筑防排烟规范要求及满足自然通风循环目的，如在高处开侧窗等，形成“烟囱效应”。本项目叠拼住宅部分设置室外景观楼梯，并与建筑主体连接，为避免墙体交接处保温层导热不均匀，通过在外挑楼梯和结构主体之间设置分隔梁，保证外墙保温板的连续性。
3其他部位与界面交接控制
设计范围界面控制
为保证被动式技术设计及应用效果，在设计过程中需明确被动式设计与非被动式设计范围，并做好界面交接处理。尤其对于本项目，需注重地上结构主体与地下室设计界面及其他不同形式保温材料之间的处理。住宅地下室为非采暖地下室，因此地面保温层设置在首层楼板上方，保温材料采用300mm厚挤塑聚苯板；外墙与屋面保温无法满足连续性，故将外墙300mm厚保温层延伸至地面以下，保温厚度变化会带来立面及空间的变化，均需在方案设计中予以明确。
被动式设计范围及界面
4a洋房
4b叠拼住宅
被动式住宅围护结构保温节点构造
构件连接界面控制
针对主体墙体结构固定连接件与幕墙设计界面，墙体保温层外侧和内侧分别设置防水层和隔汽层，而幕墙金属支撑龙骨需穿透隔汽层与结构主体连接，其穿透部位需加强处理以提高住宅气密性。优化设计过程中在满足幕墙安装及使用条件下，增大龙骨跨度，严格控制支撑点数量，并在支座中间增加隔热橡胶垫块。本项目石材幕墙体系通过增加地梁等方式将单体幕墙的龙骨连接点从原始的1500个优化至300个，从而减少热量传递，实现断热桥效果。
4 结语
系统化立面整合设计的必要性
对于我国北方寒冷地区的被动式住宅，由于在建筑上、下、左、右、前、后6个方向上均使用超厚的保温隔热断热材料进行围护和密封，外观体量通常较厚重，需通过结合外立面细部节点的优化处理，实现住宅实用而美观的特性。无论从技术应用或是节能效果的实现来说，由于季节不同、时间不同，墙体和阳台部分的被动式设计更容易呈现较大的可变性和多样性。针对北方寒冷地区，住宅冬季需接受最大范围的阳光照射，夏季则需满足遮阳和通风的需求。通过不同建筑立面元素的构件组合应用，形成被动式系统整合，提高被动式节能效率。
预设计阶段的必要性
被动式住宅项目需在初步设计方案中融入被动式理念，考虑能耗需求与平衡计算，兼顾整体住区规划环境，提高太阳能利用潜力，同时需维持建筑本身的紧凑性，控制外围护结构保温措施及造价等，从而判断并提高建筑设计方案的可行性，促进建成更符合预期的被动式住宅效果。
建筑师的主导与协调作用
在被动式住宅方案设计过程中，需要建筑师充分理解被动式技术的应用要求和关键节点控制，更需在完成设计理念表达的同时，及时与甲方及项目合作方进行深入交流，以方案为龙头做好协调合作，形成一套切实可行的设计方案和工作流程。
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