既有建筑绿色化的改造策略与工程实践
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导读：既有建筑量大面广，其中绿色建筑占比很小，因此，对既有建筑进行绿色化改造前景广阔。而在绿色建筑基本理念和既有建筑约束条件基础上，在现有关键技术研发和工程实践基础上，结合国内外既有建筑改造已有典型工程案例，将有助于实践“因地制宜、成本低廉、追求实效、提升品质”的既有建筑绿色化改造原则，有助于完善既有建筑绿色化改造技术策略，并可以为今后量大面广的既有建筑改造提供积极的借鉴。
一、概况
我国是人均资源严重不足的发展中国家，巨大的资源、能源需求已成为制约我国经济发展的一个重要因素。传统建筑业在施工、使用与拆除过程中消耗大量的资源与能源，并对环境造成严重影响。我国正努力实现从传统消耗型经济发展模式向生态型经济发展模式的转变，实施既有建筑绿色化改造将是可持续发展的必由之路。“十二五”是我国城市发展和城镇化战略转型的关键时期，对既有建筑实行绿色化改造将是提升城市功能、节约利用城市空间、建设小康社会、改善百姓民生、节能减排等各项任务的一个重要抓手。
绿色建筑是世界建筑发展的潮流和趋势，开展绿色建筑相关研究是我国中长期科技发展的战略部署。我国《“十二五”节能减排综合性工作方案》（国发〔2011〕26号）提出将实施节能减排重点工程。我国既有建筑已超过460亿平方米，其中约0.2亿平方米是绿色建筑，仅占现有建筑面积的约0.04%（2010年数据）；此外，每年新增约20亿平方米新建建筑中，绿色建筑的数量和面积也极其有限。在我国发展绿色建筑、推行既有建筑绿色化改造正面临难得的历史机遇。
基于此，应进行既有建筑绿色化改造关键技术研发和工程示范推广，显著降低既有建筑的能耗水平、提升其居住舒适度和安全性能。
二、绿色建筑及其评价体系
绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。[1]
世界上绿色建筑的评价体系有多种，代表性的有美国LEED、英国BREEAM、日本CASBEE、澳大利亚ABGRS、德国DGNB等。我国于2006年编制了国家标准《绿色建筑评价标准》（GB50378-2006），绿色建筑评价体系主要包括节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量、运营管理（住宅建筑）及全生命周期综合性能（公共建筑）等六方面指标，各项指标分为控制项、一般项和优选项三类。控制项为绿色建筑的必备条款，按满足一般项和优选项的程度，绿色建筑划分为三个等级：三星、二星和一星。由于近几年绿色建筑在我国发展迅速，并根据绿色建筑发展新形势和最新科研成果对《绿色建筑评价标准》进行修订，增加绿色施工章节，鼓励提升与创新。
现阶段，没有具体针对既有建筑绿色化改造的相关标准，一般多套用新建绿色建筑的评价标准，不能很好地考虑既有建筑特点。基于此，正准备编制国家标准《既有建筑改造绿色评价标准》。通过相关技术标准的制定和推广实施，将有效提升我国既有建筑绿色化改造的实施水平和技术含量。
三、既有建筑及其改造现状
2012年的《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》[2]明确了推动绿色建筑发展的主要目标与基本原则，并将通过建立财政激励机制、健全标准规范及评价标识体系、推进相关科技进步和产业发展等多种手段，推进绿色建筑发展。2013年的《绿色建筑行动方案》[3]是建设美丽中国的重要保障，具体目标包括：城镇新建建筑严格落实强制性节能标准，“十二五”期间完成新建绿色建筑10亿平方米；到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。在既有建筑节能改造方面，“十二五”期间完成北方采暖地区既有居住建筑供热计量和节能改造4亿平方米以上，夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造5000万平方米，公共建筑和公共机构办公建筑节能改造1.2亿平方米，实施农村危房改造节能示范40万套；到2020年末，基本完成北方采暖地区有改造价值的城镇居住建筑节能改造。推进可再生能源建筑规模化应用；到2015年末，新增可再生能源建筑应用面积25亿平方米，示范地区建筑可再生能源消费量占建筑能耗总量的比例达到10%以上。《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》和《绿色建筑行动方案》均明确了既有建筑绿色化改造是绿色建筑的重要组成部分，应在具体实施中予以高度关注。
当前绝大多数既有建筑未按绿色建筑标准进行设计和建造，普遍存在资源消耗水平偏高、环境负面影响偏大、工作生活环境仍需改善、使用功能有待提升等问题，其绿色化改造任务艰巨，技术需求旺盛。目前我国实施既有建筑绿色化改造面临的主要问题包括：1.绿色建筑技术体系、绿色建造与改造工艺和技术、绿色建筑评价标准体系尚未形成，既有居住建筑改造缺乏绿色化技术指导；2.发达国家绿色建筑技术和评价体系严重不适合我国资源能源供应特点和建筑功能需求，简单套用会带来严重隐患；3.既有建筑普遍存在居住功能不完善、居住舒适度不高、结构安全储备不足、能耗大、资源利用率低等问题，急需通过绿色化改造改变现状；4.既有建筑由于建造历史原因，存在诸多约束条件，如建筑位置、功能分区、结构体系、配套设施等，对其绿色化改造需因地制宜；5.既有建筑的典型气候适应性较差，缺乏不同气候地区既有建筑绿色化改造技术体系，以及相关的关键技术支撑。
现阶段，我国既有建筑改造多侧重于单项技术（如结构加固、节能改造、平改坡、成套改造、给排水系统改造等）的实施，技术标准体系也呈明显的专业化划分倾向，缺少系统化的既有建筑绿色化改造解决方案，常导致实施效果不理想，且易造成由于各专业彼此割裂分期实施引起的技术经济性不佳。应根据我国城镇化与城市发展进程中大规模既有建筑绿色化改造的迫切需求，以城市既有建筑为研究对象，针对其在建筑形式与功能、结构安全性、居住舒适度、新能源利用与节能减排等方面存在的问题，进行绿色化改造关键技术研发，建立符合我国国情的既有建筑绿色化改造集成技术体系和系统化解决方案，并编写相关的综合性技术标准，更好地指导既有建筑的绿色化改造工程实践。
四、绿色改造及其技术策略
在长期既有建筑单项研究基础上，上海市建筑科学研究院从2004年开始进行了历史风貌建筑保护和适应性利用、[4]世博园区既有建筑可持续改造利用成套技术与示范、[5]华东地区既有建筑综合改造技术集成示范工程[6]等系列技术攻关，初步形成了既有建筑绿色化改造的技术体系，并确定了“因地制宜、成本低廉、追求实效、提升品质”的绿色化改造原则。既有建筑绿色化改造的策略具体包括：
（一）既有建筑绿色化改造与设计
对城市既有建筑的使用寿命、使用功能和居住舒适度等现状展开调查与分类研究，分析城市既有建筑的主要特征和类型，结合已有既有建筑改造利用案例进行现状和再生设计的功能剖析，并以绿色化为原则对既有建筑再生改造利用进行研究。通过城市既有建筑绿色化改造的经验总结，对绿色再生在概念、意义和内涵等方面加以廓清，论证改造利用的基本原则、应用方法和实用技术；在中国特定的城市与地域背景下，分析地域技术的哲学涵义，尊重历史与文化的时间脉络，构筑既有建筑及地段保护性改造利用的理论架构，形成了具有针对性的改造设计方法并提出了情感增值的关键技术。
既有建筑空间改造是既有建筑生命完善和再生的过程，体现了新陈代谢的生长思想，符合绿色化改造的建筑观。通过对既有建筑与外部空间环境协调关系的研究，提出既有建筑空间环境再生设计的原则：以人为本；绿色高效；从整体出发确定用地功能和环境改造规划；尊重历史并合理利用场所资源；新旧环境和谐共鸣。通过对既有建筑与环境关系的反思，站在战略发展的高度明确了生态化与低碳化的发展思想，提出了综合评估社会及环境效益的发展原则，从“生态纪”发展的角度提出了资源循环的节能技术以及提倡利用传统方法的低碳关键技术。通过对既有建筑绿色化改造全过程的分析，建立了系统发展的可持续原则，提炼了营造与运营相整合的集成方法，提出了设计、施工、评估、管理四位一体的关键技术。
（二）既有建筑结构的评估与加固
分析了现有结构可靠性评估方法的研究现状和存在问题，探讨了既有建筑的目标使用期确定方法和可靠性目标，研究了基于目标使用期的既有建筑结构可靠性评估和抗震鉴定的关键技术问题，包括不同目标使用期下荷载与作用调整模式、抗力衰减模型以及结构体系可靠度变化等，建立了以目标使用期系数和结构耐久年限系数作为主要调整系数的既有建筑结构承载能力极限状态表达式，并通过算例验证了基于目标使用期结构评估鉴定技术的有效性。提出了基于目标使用期的既有建筑评估鉴定技术，研发了考虑主次结构协同工作和损伤累积影响的既有建筑结构精细化分析评估技术，有效提高既有建筑评估鉴定的科学性，减少结构加固改造投入。
在对现有结构加固方法进行总结与分析基础上，总结了基于性能的结构加固基本方法与分析技术，提出了基于性能的抗震加固技术实施流程。通过采用基于性能的结构加固方法，可根据不同现状确定既有建筑安全水准和抗震设防能力，满足不同的需求，同时解决传统加固中难以克服的技术障碍。对既有建筑结构消能减震加固中耗能元件的使用进行归纳总结，通过算例进行既有建筑增设耗能元件的弹塑性时程分析，提出了既有建筑基于性能抗震加固中耗能元件的选型原则和设计方法，并通过工程应用进行检验，抗震加固效果良好。
（三）既有建筑节能的测评与改造
通过对节能建筑设计软件的原理分析、比对验证，通过对各种节能设计软件在既有建筑节能改造设计方面的适用性进行研究，同时通过对大量实际案例的模拟分析，得出适合既有建筑节能改造的设计方法。此外，通过对大量既有建筑调研数据的分析，得到不同类型既有建筑的运营方式，这又为软件分析提供了合理的边界条件，为既有建筑节能改造提供了适合的设计工具和方法。
对建筑节能各类技术体系进行研究，可以得到各种技术体系的适用性和评价指标，有助于为建筑节能改造提供适宜的技术体系。根据既有建筑现状，可以有针对性地研究围护结构、采暖空调系统、照明系统、动力系统等节能改造方法。围护结构改造主要针对既有建筑外墙、屋顶、门窗等护结构的保温隔热性能改善进行的技术研究。采暖空调系统改造主要从冷热源节能改造、输配系统节能改造等方面进行的技术分析。照明系统主要从照明设备改造、合理的照明控制和管理等方面进行研究，动力系统主要针对既有建筑电梯改造、给排水优化改造等方面进行技术提升。
在实施中，通过对常见既有建筑节能改造工程质量通病进行调研和研究分析，提出了既有建筑节能改造施工质量测评技术和验收方法。通过对围护结构节能改造主要质量与安全问题进行剖析，提出了提高围护体系节能改造质量的相应对策及措施，建立了围护结构节能改造的安全体系；同时结合现场调查、抽样送检、现场检测和综合评估等方法，研发了一套空调系统节能改造质量验收技术体系。
为了解既有建筑节能改造后的效果，搭建了专用测试平台，研发了一套针对城市既有建筑特点的节能改造效果定量综合测评技术体系，包括围护结构、空调系统、照明系统、其它设备系统、可再生能源、运行管理等。同时，针对既有建筑节能改造案例，进行了现场测评和节能改造效果分析，验证了研究成果的可行性和适用性，形成一套较为完整的全寿命周期“节能改造设计施工验收后评估”的建筑节能现场测评和综合改造技术体系，研究成果已在既有建筑节能改造中得到大规模推广应用。
（四）既有建筑生态的评价与改造
针对既有建筑室内外环境、能源消耗、资源利用、运营管理等现状展开调研与评价技术研究。室内环境主要研究了既有建筑室内空气质量、热环境、光环境、声环境等一系列测评方法。室外环境通过CFD软件模拟的方法进行评价分析，同时研究了环境指标的测评方法。能源利用主要通过现场调研与测评，了解既有建筑能耗现状和可再生能源利用的可行性，并针对性地研究了既有建筑合理利用太阳能、风能和地热能的适宜技术。资源利用主要根据既有建筑特点，研究了雨水、固体废弃物和建筑垃圾利用的可行性。运营管理主要通过测评得到各系统的运营参数。
通过理论研究、技术分析、模拟计算、流程设计等方法进行了既有建筑室内外环境改善技术的研究。室外环境改善技术主要研究室外风环境改善技术、室外绿化技术措施、室外喷泉降温技术。室内环境改善技术主要研究自然通风技术、主动采光技术、声环境优化技术、空气质量改善技术。其中自然通风技术主要针对高大空间建筑物的改造作了技术分析；主动采光技术主要针对既有厂房改造研究了现有技术的适宜性；声环境优化技术主要提出了改造流程，并对各种声环境改造技术进行了适用性范围分析；空气质量改善技术主要根据室内空气质量要求研究了改善空气质量的有效方法。
根据既有建筑现状，有针对性地研究了空调系统的改造方法和一些适用性的新型能源高效利用技术，并对可再生能源技术用于既有建筑改造进行了技术适用性的分析研究。适用性新型能源高效利用技术研究主要研究了基于溶液除湿的热湿独立处理空调系统、调湿材料、地板采暖、个性化送风、辐射吊顶式空调、相变材料等各种关键技术。可再生能源利用技术主要对太阳能应用技术、风能利用技术、地（水）源热泵空调技术在既有建筑改造中的适用性进行了分析。
在既有建筑智能化运营管理技术研究中，针对既有建筑改造后的功能需求研发了智能照明控制系统，实现了照明的高层次智能管理；研究了遮阳系统在各种遮阳模式下的控制；同时对照明系统与遮阳系统的协调控制技术进行了研究。针对既有建筑改造后需求，通过采用信息工程技术代替传统的控制过程，对改造建筑中的各种系统进行监控管理，对其能效全面进行优化，研发了能耗监测和能源管理平台的技术体系。
针对既有建筑绿色化改造利用案例进行了主动采光改造、自然通风改造、室内声环境改造的模拟分析，验证了改造技术的可行性和适用性。从城市既有建筑改造利用现状出发，进行了既有建筑绿色化现状调查与评价、室内外环境改善、可再生能源利用、改造后智能化运营管理等技术研究，形成了既有建筑生态改造关键技术。
（五）既有建筑改造的策划与施工
研究分析了各环境影响因素在改造施工过程中给周边环境和人员带来的影响和危害，根据既有建筑改造施工特点，从拆除、加固改造和装饰安装三个阶段分析主要的影响因素，对目前施工水平下的使施工过程环境效应改善、资源能源节约的主要技术手段进行研究。对绿色施工管理组织体系的策划方法进行研究，主要内容包括施工组织设计及其中的绿色施工专项方案设计。在对既有建筑物改造绿色施工技术研究基础上，分析既有建筑绿色施工技术评价指标体系、评价方法及评价标准。
针对绿色施工中的噪声污染控制、粉尘污染控制、光污染控制、水污染控制、固体废弃物处理及利用、施工用材料节约、能源节约等提出了具体的技术方法和措施，使施工过程能有效地减小对环境的不利影响，节约资源和能源。提出了绿色施工管理体系，包括绿色施工管理的组织策划原则和方法、绿色施工方案策划、现场专项管理手段等。提出了既有建筑改造绿色施工评价的原则，建立了开放的评价指标体系、评价指标量化方法及模型。
（六）既有建筑绿色化分析与评价
针对既有建筑改造技术特点，探索从全寿命周期（LCA）角度研究各项改造技术的技术经济分析方法和多项关键技术应用效益的比选方法。在分析既有建筑全寿命周期基础上，结合既有建筑特点，以费用—效益理论为基础并综合采用条件价值评估法（CVM）、人力资本法、比较博弈法及社会支付意愿法等，从社会效益、经济效益和环境效益研究适合既有建筑绿色化改造利用综合效益的评估指标体系及评估方法。从可持续利用角度出发，建立既有建筑绿色化改造利用的性能评价指标体系及评价方法。
针对关键改造技术提高初始投资成本、降低运营成本的特点，提出从全寿命周期视角来分析单项关键改造技术的经济性能，并针对多项关键改造技术功能异质化的特点，研究通过价值工程法来实现多项技术比选。通过既有建筑改造利用全寿命周期各项环境影响分析，研究以直接成本法及替代市场法量化外环境影响，以条件价值法量化内环境影响，并通过调研获取支付意愿。以采用普通技术方案为基准，提出采用增额费用—效益模型进行单方案评价和多方案比选。在绿色化改造利用原则指引下，从安全性能、耐久性能、环境性能、舒适性能、文脉传承价值和经济性能等六方面构建模糊综合评价模型，有效体现既有建筑绿色化改造利用的技术经济优势。
五、绿色化改造与工程实践
在既有建筑绿色化改造关键技术研发和技术集成基础上，进行了多项工程的示范应用，下面列举几项典型工程应用的案例，以为今后量大面广的既有建筑改造提供实践借鉴。
（一）上海能效中心绿色化改造工程
上海能效中心绿色化改造采用的关键技术包括：①既有建筑绿色化改造设计；②基于性能结构加固技术；③3R修缮材料利用技术；④生态改造技术，包括：屋顶隔热技术、节能门窗技术，高效通风、空调系统节能技术，可再生能源利用技术、绿色照明和能源管理技术等；⑤绿色施工技术；⑥改造后评估技术等。
上海能效中心采用屋顶绿化进行屋顶隔热，可有效改善微气候和微环境；同时设有雨水回收系统，与园区雨水回收系统并网，储存于地下雨水池，供顶棚清洗、道路清洗和绿化灌溉使用，可节约大量市政清洁水源。上海能效中心底层展厅周边围护采用“双银Low-E”惰性气体单中空玻璃系统配以先进的断热铝合金框架，综合传热系数低于1.8W/（K）；南向外窗采用增加一层普通窗的办法，既增加了保温隔热性能，又增加了隔音效果。上海能效中心合理采用自然通风设计，利用百叶窗以及中庭两侧的通道，最大限度引入室外新风，提高室内空气品质，消除室内热负荷；中庭部分采用侧送风方式，运用数值模拟技术确定合理的送风高度，使更多空调能量送到人员活动区，提高能量利用的效率，实现了节能目的。
上海能效中心中庭部分采用热回收热泵型新风机组，不仅回收了排风中的显热和潜热冷量来降低新风中的温湿度，减小空调负荷，还利用了夏季排风温度低、冬季温度高的特点，提高热泵的效率。上海能效中心采用垂直轴风力发电机，具有1.2米/秒微风启动发电能力；同时采用光伏并网发电系统，通过选用高性能的单晶硅和非晶硅组件，采用科学合理的布置方式，使光伏系统的发电效率最大化。上海能效中心采用智能化外遮阳控制系统，最大程度利用日光能源、减少空调与照明能耗；采用智能控制节能光源照明系统，营造舒适的视觉感受。
改造后监测结果表明，上海能效中心光伏电池全年发电量为3.0万kWh，每年可减少二氧化碳排放26.446吨；采用绿色光源和自动调光控制系统全年节电约2.6万kWh；采用冷凝热回收热泵型新风机组全年节能量约为3万kWh；使用冷凝热回收热泵全年节能量约为7万kWh。
上海能效中心绿色化改造项目实施效果和改造后中庭见图1～2所示。
（二）世博园区宝钢大舞台绿色化改造
宝钢大舞台原为钢铁厂车间，由设计建造于2000年的单层钢结构排架结构厂房和设计建造于1987年的单层钢筋混凝土排架结构组成。根据世博总体规划，拟改造为开敞景观式观演场所。
宝钢大舞台改造目标包括：①通过引入附近公园的绿色环境，改造和节约土地使用，改善屋顶覆盖下的空间使用质量；②通过厂房自身废弃材料再利用，突出工业文明特征，合理节省建材投资；③通过设置有层次的遮阳设施并引导建筑内部空气流动，尽可能减少空调使用的能耗，提高炎热天气下的体感舒适度；④通过建筑外表的立体植被绿化，充分利用多雨季节的自然降水，平衡水份蒸发，实现小环境降温。
宝钢大舞台绿色化改造利用的实施重点包括：主体结构加固改造、建筑立面和周边环境整治、开敞式空间舒适度改善、围护结构修缮、历史文化价值保护等。在改造过程中遵照“功能提升、结构改善、文化保护、持续利用”的原则，充分尊重历史原真性，将城市“锈带”改造为黄浦江畔的城市“秀带”，促进城市产业结构调整和和谐发展。
宝钢大舞台绿色化改造利用采用的关键技术包括：①功能布局、建筑立面改造、观众流线布置、绿化景观改造和周边环境整治等既有建筑绿色化改造设计；②主体结构抽柱、损伤构件加固和整体结构抗震加固的基于性能结构加固技术；③包括再生混凝土利用和拆除钢构件循环利用的新型修缮方法和材料应用技术；④立体绿化、半开敞式空间送风、立体遮阳等生态改造技术；⑤节能降噪的绿色施工技术；⑥绿色化改造技术经济分析及改造后性能评价技术等。
宝钢大舞台绿色化改造项目实施前后对比见图3～4所示。
（三）青岛筒子楼绿色化改造
青岛筒子楼均为多层砖混结构，多建造于20世纪五六十年代，基本无原始建筑设计资料，使用功能落后、居住舒适度差。为改善民生，决定从2006开始进行青岛筒子楼的绿色化改造利用。本次改造共涉及筒子楼48栋，居民2651户，改造总面积共计111，899平方米，总投资约7200万元。改造主要目标包括：提升住宅楼的使用功能、消除结构和消防隐患、改善居住舒适度、优化周边环境。
青岛筒子楼改造采用的关键技术包括：①功能布局、建筑立面改造和周边环境综合整治等既有建筑绿色化改造设计；②主体结构维修加固、部分新增结构加建、结构整体抗震加固等结构改造技术；③综合节能改造、设备更新等节能生态改造技术；④绿色化改造技术经济分析及改造后效果评价技术等。
青岛筒子楼改造实施过程中，有以下经验值得在推广应用中给予重视。具体包括：完善政策、搁置争议；规范程序、严格实施；合理分担资金、确保财政资金专款专用；充分尊重居民意愿、切实把好事做好；强调房屋结构安全评估和抗震鉴定的重要性；做好风貌保护区筒子楼整治改造的历史文化保护。通过青岛筒子楼改造项目的成功实施，在确保经济性的前提下显著提升了居民的生活品质。
典型青岛筒子楼绿色化改造项目实施前后对比见图5～6所示。
六、结论
本文从既有建筑改造现状出发，在绿色建筑理念基础上提出了“因地制宜、成本低廉、追求实效、提升品质”的既有建筑绿色化改造原则。在现有关键技术研发和工程实践基础上，进一步提出了既有建筑绿色化改造技术策略，并列举了典型工程案例，为今后量大面广的既有建筑改造提供了借鉴。
说明：本文系基金项目《国家“十二五”科技支撑计划课题》（2012BAJ06B02）。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准《绿色建筑评价标准》（GB50378-2006）[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2]财政部、住房和城乡建设部.关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见（财建〔2012〕167号）[R].国务院办公厅，2012-04-27.
[3]国家发展改革委、住房城乡建设部.绿色建筑行动方案（〔2013〕1号）[R].国务院办公厅，2013-01-01.
[4]朱雷，等.上海风貌建筑评估改造保护关键技术研究-上海市建筑科学研究院研究报告（No.200710）[R].上海市建筑科学研究院，2007.12.
[5]朱春明，等.世博园区既有建筑可持续改造利用成套技术研究与示范-上海市建筑科学研究院研究报告（No.200804）[R].上海市建筑科学研究院，2008.6.
[6]李向民，等.华东地区既有建筑综合改造技术集成示范工程-上海市建筑科学研究院研究报告（No.201114）[R].上海市建筑科学研究院，2011.6.