教育部新兴领域“十四五”高等教育教材体系建设｜碳中和城市与绿色智慧建筑系列教材｜《绿色建筑BIM建造与构造设计》绿色建筑外围护系统建造与构造设计｜实践重点案例
教学案例
课程简介
课程名称：基于性能定量分析的建筑围护系统优化设计与研究
课程类型：东南大学建筑学院2018—2019学年本科生五年级交叉学科建筑设计课程
指导教师：
张宏（研究方向：定量化建筑设计理论与方法）
傅秀章（研究方向：声、光、热性能设计技术方法）
李永辉（研究方向：热工与节能技术）
王伟（研究方向：建筑能源技术）
张弦（研究方向：建造与构造设计）
课程助教: 罗申、刘沛、张睿哲、沙楚翘
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课程背景
本课程以2018年中国国际太阳能十项全能竞赛的"C-HOUSE"（以下简称C-HOUSE原型）为案例。该项目由中国东南大学与德国布伦瑞克工业大学（Team TUBSEU）联合设计，展示了轻钢结构主动式绿色产能房屋的卓越性能，并已循环利用建造了两次，共三次建造，目前处在第三次生命周期运营阶段（现位于东南大学四牌楼校区内）。课程内容围绕C-House原型的围护系统性能优化和建筑原型的多功能空间模块性能化组合应用展开，关注原型的整体预制装配式保温承重复合墙体构件设计和节能过渡空间设计；关注原型在高层住宅中的应用拓展，同时聚焦外围护光伏构件的设计。学生在此期间学会了如何对C-House的围护系统进行构造设计优化、如何进行多功能空间模块组合性能化应用、如何对不同运行模式进行仿真模拟，从而理解外围护系统的性能优化设计在实现绿色建筑目标中的关键作用。
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课程结构与教学组织
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优秀作业
独栋别墅组
胡心怡，吴婷如，艾荔，蔡宜可，胡左凡
该组对C-HOUSE原型的墙体设计进行初步调研，并运用DesignBuilder模拟软件对腔体的冷凝结露点进行了计算和分析。基于《2015年被动式超低能耗建筑导则》的热工参数要求，提出了三种新型建筑外围护墙体构造设计方案，并最终选择多层复合结构，加强对发泡聚苯乙烯（Expandable Polystyrene, EPS）保温层的防护，以避免墙体的结露现象。小组针对围护构件性能提升的建议包括：①运用多层腔体和轻质保温材料的复合围护构件以提升保温隔热效果；②在围护构件外侧使用高蒸汽渗透系数（透气性好）的材料避免围护构件结露现象。
此外，通过建筑能耗模拟分析，该方案发现增设过渡空间有助于降低建筑供暖负荷。设计过程中测试了五种过渡空间方案，并最终针对建筑过渡空间的设计提出两条建议：①建议在建筑的西南侧增设封闭的独立式过渡空间，以降低冬季主导风向（南），以及夏季西晒所带来的热负荷；②在北侧、南侧和西侧建议增设装有可转动调节角度太阳能板的外廊，一方面可供夏季遮阳，另一方面在冬季可作为封闭阳光房减少室内热量损失。
大户型独栋别墅鸟瞰图
小户型独栋别墅鸟瞰图
C-House外围护墙体冷凝仿真模拟
C-House外围护墙体构造优化方案
建筑过渡空间示意图（整体展示）
建筑过渡空间功能分析图(分开展示)
设计方案能耗对比（红色为优化选择方案）
大户型设计方案技术图纸
小户型设计方案技术图纸
教师点评：
独栋别墅组的同学们展示了他们在围护系统性能优化设计中对于建筑模拟软件熟练运用。通过对建筑外围护墙体的模拟计算，该组同学识别出了现有墙体构造存在冷凝结露的问题。根据这一发现，小组重新设计、优化墙体的构造形式，提出提升建筑外围护保温性能的相关建议。此外，该组同学还通过给C-HOUSE原型增设不同朝向的过渡空间，研究过渡空间在建筑节能中的潜在益处，为建筑围护结构性能优化设计提供了不同的途径。后续设计应考虑更多的建筑围护性能优化指标，并进一步比较优选保温隔热材料和构造形式对建筑总体能效的增益影响，探索外围护保温隔热对建筑环境和能效提升的技术和方法。同时，应更多关注围护构件及其过渡空间保温隔热构造在不同气候条件下的性能和成本效益。
高层住宅组
洪道宁、刘乐、葛珈辰、赵国利
通过调研经济型高层公寓相关案例，方案对C-HOUSE原型的柱网进行调整，以适应高层住宅建筑的平面尺寸。为了积极响应用户对住宅户型的多样化需求，方案设计了丰富多变的户型，以满足不同居住者的生活习惯和偏好。该小组运用了建筑模拟软件对建筑的气候适应性、采光、室内空气质量、温度、能耗等性能指标进行了全面的模拟分析。方案最终提出了三种平面布局方式，并比较得出性能最优的方案进行深化。该组同学对高层住宅建筑的外围护光伏构件进行了设计，特别关注发电面积和美观度的平衡。方案计算了三种户型组合的不同产能情况，在保证室内环境指标达到较高水平的同时，使外围护光伏构件的太阳辐射最大化，提升光伏发电效率。
高层组设计成果平面图
方案模型及构件拆分图
方案气候环境模拟分析
多方案的产能效果统计对比
多方案温度场性能模拟分析
最终方案成果性能模拟分析
教师点评：
高层住宅组的同学对住宅户型进行了类型多样化的处理，研究了居住者的多元化生活需求，并兼顾了对室内环境舒适度的考量。此外，该组对高层建筑的外围护构件在光伏发电面积和美观度之间进行了综合权衡，计算了不同户型组合所具备的光伏产能总量，在追求建筑审美的同时，也分析了建筑的环境效益和能源效率。目前高层住宅组主要集中在建筑形态和空间组合的探索研究上，希望能够在高层建筑外围护结构与构造设计和优化方面继续提升。
课程总结
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教学特色
1. 基于定量分析的建筑性能化设计教学
课程传授学生基于定量分析的建筑性能化设计原理和技术方法，并以此为基础付诸设计实践。这一过程能够确保设计方案具备实用价值，培养学生在绿色和可持续建筑领域的设计与实践能力。
2.高性能建筑外围护保温隔热构造设计教学
课程引导学生关注高性能建筑外围护的保温隔热材料和构造设计。设计方案要求围护构件系统最大限度地减少建筑冷热桥效应和热能损失，并综合考虑环境影响，同时兼顾美观和建筑风格的协调。
3. BIM信息化协同设计教学
课程教会学生将建筑信息化技术融入到建筑设计全流程中，同时强调通过交叉学科协同合作推动设计优化。学生需要熟练掌握各种数据化工具，如建筑信息模型Rhino（BIM）软件和建筑性能模拟软件DesignBuilder、Ladybug（Energyplus）等。
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教学总结
建筑设计着眼于建筑的形式、空间和功能，本次建筑设计教学进一步关注建筑构件及其组合系统的性能，例如围护构件系统构造和过渡空间对能源消耗的具体影响。为了使学生理解建筑围护构件系统组成，提高围护构件系统的性能设计优化的实践技能，本课程以2018中国国际太阳能十项全能竞赛参赛作品C-HOUSE为原型，引导学生运用性能定量分析方法，使用建筑能耗和模拟仿真软件，实现高性能围护构件优化设计和原型建筑的多功能空间节能性能化组合拓展。课程加强了学生对建筑性能定量分析方法的认识，还提高了BIM定量化建筑性能分析用于优化设计实践的能力。
文本：徐浩晨 曲恺辰 黄宝麟
图片：曲恺辰 罗申
排版：杨文生 黄宝麟
审核：张宏 黄宝麟 罗申 张军军
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