舊城院落改造中的綠色建筑適用技術(shù)模擬

趙 輝 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 前言

隨著我國(guó)城市建設(shè)和土地市場(chǎng)的高速發(fā)展，老舊城區(qū)與現(xiàn)代城市發(fā)展的矛盾愈發(fā)突顯，舊城改造更新迫在眉睫，逐漸被政府社會(huì)關(guān)注重視。尤其近年，我國(guó)掀起了一波舊城改造的熱潮。除升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施和房屋質(zhì)量外，人們對(duì)城市歷史文化的傳承和綠色節(jié)能方面的需求也開(kāi)始提升。歷史文化風(fēng)貌的保護(hù)延續(xù)和綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用將逐漸成為未來(lái)城市更新的核心要義。

文章以北京天壇周邊局部老城區(qū)院落為研究對(duì)象，借鑒國(guó)內(nèi)外舊城改造更新理論，采取適用的舊城改造更新策略，通過(guò)改造前后的模擬數(shù)據(jù)分析，得出具有適用性、經(jīng)濟(jì)性、推廣性的技術(shù)成果。研究旨在探索以北京天壇片區(qū)為典型代表的舊城改造更新的適用性策略與模式。在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，力求建立起一套針對(duì)舊城改造、街區(qū)更新等具有可操作性的改造策略。

2 關(guān)于舊城改造更新

2.1 城市更新理論發(fā)展

《雅典憲章》被認(rèn)為是第一個(gè)國(guó)際公認(rèn)的歷史街區(qū)保護(hù)和更新的指導(dǎo)性規(guī)劃綱領(lǐng)文件。此后1964年在威尼斯召開(kāi)的第二屆歷史古跡建筑師及技師國(guó)際會(huì)議中通過(guò)了《威尼斯憲章》，肯定了歷史文化建筑的重要意義。1987年在華盛頓召開(kāi)的國(guó)際文物建筑與歷史地段工作者協(xié)會(huì)第八次會(huì)議中通過(guò)了《華盛頓憲章》，強(qiáng)調(diào)歷史地區(qū)的保護(hù)應(yīng)該成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展政策的完整組成部分。

二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，1994年的《奈良真實(shí)性文件》強(qiáng)調(diào)“真實(shí)性”是遺產(chǎn)保護(hù)的基本原則，關(guān)注的是價(jià)值在不斷生成的對(duì)象。隨后，1999年的《巴拉憲章》提倡慎微的改造：盡全力保護(hù)并利用歷史文化場(chǎng)所，同時(shí)盡可能不對(duì)其做出任何改造。2011年，聯(lián)合國(guó)教科文組織頒布了《關(guān)于城市歷史景觀（HUL）的建議書(shū)》，提出應(yīng)將城市遺產(chǎn)的保護(hù)納入一般性政策規(guī)劃，政策應(yīng)提供短期和長(zhǎng)期平衡保護(hù)與可持續(xù)性的機(jī)制。其核心在于城市環(huán)境與自然環(huán)境之間、今世后代的需要與歷史遺產(chǎn)之間可持續(xù)的平衡關(guān)系。

21世紀(jì)以來(lái)，2012年的《瓦萊塔原則》[1]是目前關(guān)于歷史城鎮(zhèn)與城區(qū)保護(hù)的最新、最重要的國(guó)際憲章，它在《華盛頓憲章》《內(nèi)羅畢建議》等一系列文件的基礎(chǔ)上，提倡將歷史城鎮(zhèn)作為城市生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)部分實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的整體保護(hù)與和諧發(fā)展。

2.2 舊城改造的城市更新策略

由前述國(guó)內(nèi)外城市更新理論發(fā)展歷程來(lái)看，關(guān)于舊城改造更新同樣經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)期。

（1）開(kāi)始重視歷史文化的重要性；

（2）全部保留，不做任何改造；

（3）在盡可能保留歷史文化脈絡(luò)的基礎(chǔ)上，尋求歷史與城市未來(lái)需求及自然環(huán)境保護(hù)之間的可持續(xù)平衡狀態(tài)。

天壇片區(qū)歷史悠久，建筑和城市空間呈現(xiàn)多樣化的形態(tài)，對(duì)于不同風(fēng)貌類(lèi)型的建筑適宜于采用不同的方法，改造過(guò)程中，需要在尊重地區(qū)文脈與街區(qū)風(fēng)貌的前提條件下進(jìn)行。強(qiáng)調(diào)保留大城市中的小空間，對(duì)其進(jìn)行微更新改造，提供給人們美好的場(chǎng)所環(huán)境。綜上所述，它具有如下特征。

①小尺度、自下而上；

②謹(jǐn)慎更新、循序漸進(jìn)；

③經(jīng)濟(jì)、文化可持續(xù)發(fā)展。

3 關(guān)于綠色建筑技術(shù)

3.1 舊城建筑改造的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)是指以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù)，主要的改造思路是減少對(duì)原有建筑的拆改與設(shè)備能源的投入。在此原則下的技術(shù)措施主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）增大南向窗墻比；

（2）增加“共享氣候核”，設(shè)置陽(yáng)光室或半室外緩沖空間；

（3）采用特朗伯墻或具有超強(qiáng)保溫隔熱性能的墻體材料；

（4）加建屋頂綠化或水蓄熱屋面；

（5）垂直綠化；

（6）活動(dòng)外遮陽(yáng)。

3.2 舊城建筑改造的主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，是指通過(guò)機(jī)械設(shè)備干預(yù)手段為建筑提供采暖空調(diào)通風(fēng)照明等舒適環(huán)境控制的建筑設(shè)備工程技術(shù)，主要的改造思路是優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選用高效的設(shè)備以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)。在此原則下的技術(shù)措施主要有以下幾點(diǎn)。

（1）地源熱泵和水蓄能系統(tǒng)；

（2）高效的空調(diào)控制系統(tǒng)和地板輻射供熱；

（3）可進(jìn)行監(jiān)控的自動(dòng)化控制溫控系統(tǒng)。

4 天壇片區(qū)院落研究

4.1 天壇片區(qū)基本情況

調(diào)研選取的地塊位于北京東城區(qū)天壇街道內(nèi)，東至崇文門(mén)外大街，南至天壇路，西至祈年大街，北至廣渠門(mén)內(nèi)大街，總面積約30.16公頃。地塊南側(cè)為天壇公園；西側(cè)為待開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和金魚(yú)池危改小區(qū)；東側(cè)地塊，也是歷史遺留項(xiàng)目，屬于老舊平房區(qū)。

地塊內(nèi)突出問(wèn)題是如何改善民生，實(shí)現(xiàn)居住環(huán)境改善和歷史記憶的延續(xù)，保留原住民的同時(shí)解決人口密度大、人口老齡化所帶來(lái)的居住及空間矛盾

4.2 選取院落分析

本文以片區(qū)內(nèi)一處保護(hù)較為完整的獨(dú)立院落為例，結(jié)合創(chuàng)新的綠建技術(shù)模擬，進(jìn)行探索性的舊城改造更新嘗試，用大數(shù)據(jù)分析其空間改造潛力、能耗優(yōu)化效果。

典型院落為磚木結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)四合院，現(xiàn)居住有18口人，共經(jīng)歷三次改造加建。現(xiàn)內(nèi)部空間呈現(xiàn)出不同年代加建改造與原始院落同時(shí)共存的混合空間形態(tài)?；A(chǔ)設(shè)施方面，建筑現(xiàn)無(wú)集中供暖，冬季需采用燃?xì)獗趻鞝t或空調(diào)進(jìn)行取暖。隨著政府開(kāi)展的一系列環(huán)境治理的政策，街道內(nèi)綠化良好，生態(tài)逐漸恢復(fù)，街區(qū)內(nèi)有大量鳥(niǎo)類(lèi)棲息于此，院內(nèi)有許多天然鳥(niǎo)巢，戶主不愿破壞，卻也影響了院落的整潔。

原有院落建筑結(jié)構(gòu)為磚木混合結(jié)構(gòu)，加建部分為磚結(jié)構(gòu)。建筑墻體為黏土磚墻，厚度370mm，無(wú)保溫層；建筑的門(mén)窗多為單層玻璃木門(mén)窗，僅個(gè)別門(mén)窗更新為塑鋼窗。建筑屋面為坡屋面，掛黏土瓦片，無(wú)保溫層，無(wú)組織排水。根據(jù)軟件PKPM模擬數(shù)據(jù)分析，經(jīng)提取歸納，現(xiàn)狀院落的各部分構(gòu)造做法如下。

屋面構(gòu)造類(lèi)型（由上到下）：

第1層：瓦片

第2層：水泥砂漿（30.0mm）

外墻構(gòu)造類(lèi)型（由外至內(nèi)）：

第1層：灰砂磚砌體（370.0mm）

第2層：水泥砂漿（10.0mm）

外窗類(lèi)型：

構(gòu)造：金屬型材或木框Kf=5.0W/(m2·K)框面積20%（6mm厚透明玻璃）

熱工性能：傳熱系數(shù)3.20W/(m2·K)，夏季玻璃太陽(yáng)得熱系數(shù)0.75/冬季玻璃太陽(yáng)得熱系數(shù)：0.75，氣密性為6級(jí)，可見(jiàn)光透射比0.81。

由上述信息，通過(guò)模擬計(jì)算，可得到以下判定結(jié)果。

從上述模擬分析結(jié)果來(lái)看，該院落現(xiàn)狀墻體及屋面保溫性能較差，門(mén)窗傳熱系數(shù)過(guò)高，均無(wú)法達(dá)到現(xiàn)行居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[3]或綠建標(biāo)準(zhǔn)[4]的熱工性能，同時(shí)建筑的自然通風(fēng)和采光不足，居住舒適度較低。

5 綠色建筑適用技術(shù)模擬

5.1 改造更新策略及措施

我們根據(jù)上述居民基本情況和建筑真實(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬，可知，該院落改造的首要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能急需提升。

參照Sofie編著的《環(huán)境設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]內(nèi)相關(guān)綠色建筑構(gòu)造做法，我們最終提出的具體措施是，整體外墻材料繼續(xù)延用天壇片區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的建筑材料，保持其原貌，以保護(hù)整體的歷史風(fēng)貌。與此同時(shí)加入現(xiàn)代、高效的保溫隔熱材料和先進(jìn)的構(gòu)造做法以提升其保溫性能，從而減少供暖等能源消耗。具體做法是保持其黏土磚外墻面，內(nèi)側(cè)做夾芯墻保溫。

屋面部分在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，增加擠塑聚苯板保溫層和新型材料透氣防水膜，并增加“空氣隔熱層”以緩沖屋面的熱傳導(dǎo)，從而提高屋面熱阻、降低屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。該透氣防水膜具有防水功效，同時(shí)不影響透氣性，是一種高效的建筑材料。鑒于大量鳥(niǎo)類(lèi)棲息于街道，我們通過(guò)構(gòu)造轉(zhuǎn)換，在瓦面下為鳥(niǎo)類(lèi)留出了棲息空間，從而達(dá)到人與自然的互通共融。

門(mén)窗方面，通過(guò)拆除現(xiàn)有門(mén)窗，替換為性能更高的門(mén)窗，以提高熱阻和氣密性，大幅提升其熱工性能。現(xiàn)狀建筑上的單層玻璃木門(mén)窗和鋼門(mén)窗將被替換成斷橋鋁隔熱金屬型材、多腔密封雙層玻璃門(mén)窗。

改造后的屋面墻身構(gòu)造如圖1所示。

圖1 改造后的屋面墻身做法示意

表2 外墻平均傳熱系數(shù)判定（簡(jiǎn)化計(jì)算法）

表3 朝向外窗傳熱系數(shù)判定

5.2 模擬數(shù)據(jù)分析

我們采用綠色建筑模擬軟件PKPM進(jìn)行改造后的能耗模擬分析，改造后的各部分構(gòu)造做法如下：

屋面類(lèi)型（由上到下）：

第1層：瓦片

第2層：細(xì)石混凝土（ρ=2100）（30.0mm）

第3層：擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（不帶表皮）（90.0mm）

第4層：飾面層

外墻類(lèi)型（由外至內(nèi)）：

第1層：灰砂磚砌體（370.0mm）

第2層：巖棉板（80.0mm）

第3層：蒸壓加氣混凝土墻（ρ=1100）（80.0mm）

外窗類(lèi)型：

構(gòu)造：80系列鋁合金平開(kāi)窗5mm厚單銀Low-E+12(16)mm厚Ar+5+12(16)Ar+5mm厚單銀Low-E隔熱

熱工性能：傳熱系數(shù)3.20W/(m2·K)，夏季玻璃太陽(yáng)得熱系數(shù)0.75/冬季玻璃太陽(yáng)得熱系數(shù)：0.75，氣密性為6級(jí)，可見(jiàn)光透射比0.81

由上述信息，通過(guò)模擬計(jì)算，可得到表1～表6判定結(jié)果。

表1 屋面平均傳熱系數(shù)計(jì)算表

表4 屋面平均傳熱系數(shù)計(jì)算表

表5 外墻主斷面平均傳熱系數(shù)判定

表6 朝向外窗傳熱系數(shù)判定

5.3 數(shù)據(jù)分析對(duì)比

從上述改造后的模擬結(jié)果與現(xiàn)狀建筑數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，該院落墻體、屋面、門(mén)窗傳熱系數(shù)均得到了很大的提升。年均節(jié)約能耗35.9%。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以天壇老城區(qū)一處真實(shí)院落案例為基礎(chǔ)，探索了舊城改造更新的策略方法和技術(shù)措施。通過(guò)綠色建筑技術(shù)，大幅提升老舊建筑能耗效應(yīng)以及其居住品質(zhì)。其意義可歸納如下。

（1）歷史文化意義：國(guó)內(nèi)外憲章均強(qiáng)調(diào)了歷史保護(hù)與場(chǎng)所精神的重要性。天壇老城區(qū)正是這樣具有重要?dú)v史價(jià)值和意義的場(chǎng)所。因此，在片區(qū)改造時(shí)，不應(yīng)單純地為了提升建筑性能而大拆大改，導(dǎo)致破壞其歷史風(fēng)貌，建議以保護(hù)風(fēng)貌為基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)，最大程度保留其歷史文化價(jià)值。

（2）建筑節(jié)能意義：結(jié)合北方寒冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，原有天壇老城區(qū)院落外圍護(hù)結(jié)構(gòu)品質(zhì)過(guò)低，每年由于保溫性能不佳而需要耗費(fèi)大量供暖能源，以維持基本室溫。因此，提高熱工性能非常必要。

（3）經(jīng)濟(jì)意義：該做法的建筑材料可通過(guò)工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝，用以在片區(qū)乃至市區(qū)內(nèi)推廣，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。規(guī)模化生產(chǎn)和裝配式施工，可以獲得更加低廉的價(jià)格，降低投資成本，減少施工周期及干擾，在保護(hù)傳統(tǒng)風(fēng)貌的同時(shí)，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。