高層建筑節能設計

尹小濤

（廣州市科城建筑設計有限公司，廣東 廣州 510663）

高層建筑形式在古代就已有了，早在公元前五百多年的古巴比倫曾經建造了現在號稱世界七大奇跡之一的“空中花園”，根據記載，其形式非常之華麗壯觀，放置在任何空間之中都可以說是一道絕美的風景。近代隨著科學技術的發展，尤其是鋼鐵、電梯的出現以及后來鋼筋混凝土的應用，為高層建筑發展創造了前所未有的機遇，高層建筑也成為城市空間中一道獨特的風景，其中以美國的高層建筑發展最為活躍，如1885年的芝加哥家庭保險大樓被公認為第一幢摩天建筑，而紐約的曼哈頓區更是高樓云集；近年來我國的高層建筑也發展迅速，如上海的金茂大廈88層，高420.5米。隨著結構理論和技術的發展，高層建筑結構形式趨于多樣化，高層建筑的表現形式也多種多樣，但隨之所帶來的弊端也越來越多的表現出來，在成為城市風景的同時如何恰當的融入城市空間成為高層建筑設計的一個重要任務，也是使高層建筑設計趨于完善所追求的一種理念。

我國的高層建筑有近七十年的歷史，然而城市中任何建筑都是城市設計、規劃的一部分，城市設計是一項十分復雜的工作，我國在這方面的經驗不多，而且管理機制尚不健全，往往受一些因素的影響，工作不甚周密和協調，甚至失去控制，有許多的問題等待我們去解決，有待于探索和改進，所以說，今天的高層建筑設計仍處在一個不太成熟的階段。

高層建筑體形龐大，如，容積率過高，相鄰建筑互相遮擋、不通透，形成大面積陰影區，城市人居環境質量下降，市中心人口膨脹、交通擁擠。除此之外，近些年在某些城市建高層建筑已成風氣，設計者往往貪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略生態環境的保護、建筑設計節能意識淡薄，造成高能耗、低效益，影響常年使用，浪費巨大。

本文探討高層建筑節能與氣候、地理條件的關系。建筑位置、朝向是接受太陽輻射熱能的關系及高層圍護結構墻體的保溫、隔熱存在的問題及今后發展方向。

1 優化建筑位置及朝向設計

高層建筑的定位首先應考慮對城市環境的影響容積率過高很難滿足日照要求，陽光有著巨大輻射能量，在寒冷地區人們十分珍惜陽光帶來的溫暖。據有關資料分析，地球每年接收的能量有60 億億千瓦，這么大能量棄之可惜，從某種意義上講地球本身就是巨大的太陽能接收器，陽光不僅對人的身體健康有著很大影響，對建筑的節能也有著十分重要意義。寒冷地區城市規劃應注重應用日照原理，合理的確定建筑位置與朝向，使每幢建筑能接收更多的太陽輻射熱能，因此，建筑的方位與節能有著直接關系。如，在北緯40 度～45 度地區，冬天建筑的朝向所得到的輻射能量幾乎比夏天多兩倍，而在夏天東、西向所得到的能量比南向多2.5倍，不同朝向，不同季節，建筑物所得到的太陽輻射熱能量不同，熱損失也不同，尤其是在冬至前后，由于太陽高度角低，房間所接收的太陽光線的面積比夏天多得多。在確定建筑的方位時首先應考慮環境情況，按其太陽高度角做出日影響圖，以確定冬季每天的日照時間，建筑南向開窗面積盡可能大些，在滿足采光條件下，北向、東向窗盡可能小些，從而獲得更多的太陽光線，減少熱損失，保持室內舒適的溫度環境。

2 優化圍護結構墻體設計

2.1 外墻是圍護結構的主體部分，高層建筑的圍護結構不同于磚石結構房屋，前者是鋼筋混凝土框架或剪力墻結構承重，因此，圍護結構屬于填充材料，為了減輕荷載，達到保溫、隔熱要求，采用輕質高效保溫材料，目前在寒冷地區常用的墻體做法有：頁巖陶粒混凝土空心砌塊；粘土空心磚與實心磚復合墻體；粘土實心磚或空心磚巖棉夾心復合墻體等。但存在問題較多，節能的效果仍達不到標準的要求。 圍護結構的材料布置分外側和內側，在寒冷地區的同一氣候條件下，由于材料層次布置不同所取得的保溫效果也不盡相同，為防止墻體內產生冷凝水，保溫層設在外側更為妥些。

2.2 高層建筑的圍護墻體不宜采用外側保溫的聚苯乙烯泡沫板（舒樂板、PG 板），巖棉板等輕質保溫材料。一幢建筑的壽命少則幾十年，多則上百年，材料的應用與建筑整體的壽命應同步。對于輕質的外保溫復合墻體，筆者認為存在以下不足之處：抗震能力差，易松散，與結構構件結合不好，整體性能差；不能承受外部裝修貼、掛荷載，如：貼石材，安裝裝飾構件等；不能承受有振動的鑿、刨的裝修，如：剁斧石面層、予留洞、槽易出現冷橋；墻表面易出現裂紋。除此之外，復合墻體由于框架梁拉、剪力墻的嵌入，墻體內容易造成冷橋，是保溫、隔熱的薄弱環節。據測定，高層建筑所出現的冷橋約占整個熱損失的5%～13%，因此應引起設計者重視，采取有效構造措施盡可能避免產生冷橋。

2.3 國外普遍推廣采用混凝土空心砌塊用于高層建筑圍護結構保溫，歐、美各國取得不少先進經驗。如：美國研制的TB 型保溫隔熱復合砌塊；波蘭的咬合式保溫砌塊，兩塊組合成320 厚墻體，在空心砌塊內填入高效保溫材料，墻體傳熱系數K=01209～1100W/m2k；芬蘭研制的一種空心砌塊，空隙之間填入聚胺脂保溫材料，300 厚，傳熱系數K=0.25～0.28W/m2k.某些歐美國家50%左右的建筑已應用多種形式的混凝土空心砌塊。由于混凝土空心砌塊保溫效果好，又具有一定強度，避免了輕質復合材料墻體的一些弊端。

3 影響建筑節能的其他因素

3.1 高層建筑外圍護墻體耗能量較大，占整個建筑耗能的25%左右。建筑的形體變化是建筑外露面積的主要因素之一，體形系數越大耗能越多，國外的一些高層建筑造成圓塔形，比如美國洛杉磯的好運飯店、法國戴高樂機場候機樓、紐約第三大街53 號辦公樓都是圓型或橢圓形，我們知道，相同的面積，圓的周長最短，這樣使建筑外露面積較小。因此，基于能量損耗的考慮，高層建筑的形體變化不宜過多、復雜。

3.2 高層建筑的“風環境”是影響建筑耗能因素之一。

在冬季，風力對建筑的熱損失很大，增大冷空氣的滲透量，使室內熱損失加大。由于建筑某些部位處理不當，墻體內部易產生冷凝水。因此，建筑保溫材料的選用，建筑構造的合理性應建立在科學、可靠的基礎上。