試析如何在結構設計中滿足節能要求

摘要：本文分析了現階段我國結構設計中的節能現狀，并探討了在結構設計中滿足節能要求的措施。

關鍵詞：結構設計；節能要求；分析

節能是合理使用能源、有效利用能源，并在保證建筑物安全、可靠、舒適的基礎上降低能源損耗，使能耗降至最小，從而達到節省能源、降低成本的目標[1]。目前，我國建筑能耗已接近全社會總能耗30%。隨著全球氣候變暖和化石燃料資源日漸枯竭，我國能源形勢并不樂觀。然而我國建筑節能效果非常不理想，與發達國家相比差距很大。建筑外墻的傳熱系數為發達國家的3～5倍，屋面傳熱系數為發達國家的3～6倍，外窗傳熱系數為發達國家的2～3倍[2]。這一方面說明我國建筑節能潛力巨大，另一方面也反映了我國建筑節能形勢非常嚴峻。因此，本文針對結構設計中如何滿足節能要求進行了探討，供關心建筑節能的讀者們參考和借鑒。

1 我國現階段結構設計中節能現狀分析

如前所述，我國建筑節能應用效果不佳，其主要原因分析如下：

1.1 節能觀念不正確

在進行建筑結構設計時，許多設計人員并未樹立起正確的節能觀念，表現在整體把握不足，過分重視房屋實用面積、結構安全和造型美觀，卻忽視了建筑與環境協調、結構性能以及建筑品質，節能設計力度明顯不足。例如為了表現建筑的獨特性，往往以犧牲建筑節能效果為代價；為了在設計中突出節能技術的應用，片面地推崇高科技手段，而對于自然通風、建筑遮陽這樣簡單的節能措施卻視而不見。

1.2 節能技術不過關

由于對節能技術內涵理解不深，在節能技術應用方面不科學、不合理。例如只會套用標準圖集，而不能結合房屋實際情況進行設計。再如進行節能設計時，材料選用不當，保溫材料與被保溫材料結合沒有考慮長期節能效果，采用了不耐腐蝕、容易滲漏與結垢的普通金屬管道，這樣工程竣工后沒有多久就會出現節能效果明顯下降的現象。

1.3 節能驗收不規范

建筑節能設計是不是達到了標準要求，最終要靠科學嚴謹的測試、驗收手段來證明。目前，這方面存在著問題，例如代表性不足，現場選點少，傳熱系數測試結果不能全面反映實際節能效果等[3]。因此，那些宣稱節能達標的項目其實際節能效果是打了折扣的，顯然這會給設計人員正確評估節能效果帶來一些誤導。

2 在結構設計中滿足節能要求的措施

2.1 結構設計與環境協調

結構設計與環境協調，是指在進行建筑整體結構設計時要充分考慮建筑周邊環境與氣候條件，針對不同的地域特點，恰當選用建筑體型、朝向以及建筑之間的組合。當建筑物選址完成以后，可以通過營造人工湖、構思園林綠化，改善建筑周邊的小氣候環境。結構設計的目標應當是在綜合考慮城市歷史、文化傳承、規劃設計、工程造價、節能環保等基礎上，作出最適宜的結構設計方案。

2.2 結構設計與體形系數

一般來說，體形系數越大，建筑空間所分配的散熱面積也越大，能耗越高，所以立足于節能，建筑體形系數應嚴格控制。影響體形系數的因素包括建筑物高寬比、平面與豎向規則性。建筑高寬比取值要適當，因為隨著高寬比增加，結構側向剛度和整體結構穩定性受到較大影響。為了保證承載能力需要，構件截面尺寸、配筋都要增加，相應地建筑整體造價也隨之增加。因此，建筑物高寬比不應太大，例如地震烈度8度設防建筑，框架結構的高寬比不應超過3：1，框剪結構高寬比不應超過4：1，剪力墻結構高寬比不應超過5：2。

建筑物平面與豎向規則性方面既影響體形系數，也影響結構穩定性。根據體形系數定義，體積相同時外部形狀越簡單、規則，體形系數就越小。結構設計中也希望結構規則以利計算。所以，基于共同的要求應盡量保持平面簡潔、豎向規則以及一定的對稱性。為避免建筑體形剛度中心與主梁中心偏離太多以致發生扭轉，應使結構的剛度中心與質量中心重合，如圖1所示。立面布置應減少外挑和過大的內收，這樣可以減少對結構穩定性的影響。如果建筑物平面布置過于狹長，并且平面上有較長外伸時，外伸部分表現為高振型振動，凹角部分很容易破壞，如圖2所示。豎向規則性影響節能的地方在于，非常不規則的豎向配置，如過大的外挑和內收，將導致墻柱截面加大，造價升高，而節能指標不一定滿足的了，而簡單、規則、均勻的布置較易滿足節能和結構設計要求。同時，也要考慮高層建筑風荷載的影響。由風荷載公式 可知，風荷載體形系數 對風載荷 有影響，如圓形 ，高寬比不大于4的矩形、方形、十字形 ，復雜一些的Y形、V形、雙十字形等 。可見，形狀復雜的造型風載荷較大，建筑配筋和用料多，對節能也不利。

總之，在進行結構設計時對體形系數進行優化，特別是形狀方面，應利用概念設計方法在滿足結構承載力、節能和造價要求方面實現綜合平衡。同樣可以說明，在建筑方案階段介入結構設計是非常必要的，如果等到方案確定以后再進行結構設計很多不合理地方可供優化的范圍就小多了。

2.3 圍護結構的節能設計

建筑圍護結構包括外圍護結構和內圍護結構，前者是指外墻、屋面、外窗、外門等建筑外表層，后者指隔墻、樓板、內門窗等分隔內部空間的建筑內表層。在建筑物總熱損耗中，圍護結構傳熱損耗約占70～80%，透過門窗間隙散失的熱損耗約為20%～30%。減少圍護結構熱損耗的主要途徑是減少建筑外表面積和增強圍護結構的隔熱能力。減少建筑外表面積，可以通過體形系數進行控制；增強圍護結構的隔熱能力就是要加強保溫和提高門窗密封性。

在圍護結構能耗中，外墻所占比例約為1/3左右。提高外墻的隔熱能力，目前主要措施包括外墻內保溫、夾心復合墻體保溫、外墻外保溫、單一材料墻體保溫四種類型。其中外墻內保溫施工比較簡單，造價較低，但會減少房間有效使用面積，而且無法消除熱（冷）橋，內表面可能結露，對外圍護結構壽命也有影響。夾心復合墻體保溫是將保溫材料置于墻體中間，如同三明治那樣，其節能效果優于外墻內保溫，但也存在熱（冷）橋，墻體還會占用有效使用面積，并且抗震性能較差，不適宜設防烈度高的地區。外墻外保溫可基本消除熱（冷）橋，節能效率最高，內表面也不會結露，也不減少使用面積，是目前大力推廣的外墻節能形式。采用單一材料墻體保溫往往也要足夠厚度才能滿足節能要求，這樣一來也會減少使用面積，而且一般也也存在熱（冷）橋問題。因此，工程建設推廣的主要保溫形式是外墻外保溫。

門窗能耗幾乎達到建筑圍護結構總能耗的一半左右，因此門窗節能非常重要。減少門窗能耗的主要措施包括合理設置窗墻面積比、加強窗框保溫、提高門窗密封性能、選用合適的玻璃材質等。開窗面積大固然有利于采光，但也增大了窗戶的熱損耗，但對結構影響卻存在不同情況。例如洞口率大，對磚混結構承重墻剛度削弱較大；但對于框架結構，填充墻對框架側移變形的約束越小，同時結構自重減輕，可以減輕地震效應，框架配筋、用料都有不同程度降低。再如窗洞口寬度影響，對于磚混結構，洞口寬度較大時，洞口之間墻寬減小，可能需要設置壁柱才能滿足承載力需要，如此使結構設計復雜化；對于框架結構，采用通窗形式時，洞口側面框架受到窗下墻牽制而成為短柱，對抗震極為不利，如圖3所示。因此，要同時滿足節能和結構設計要求，應進行優化設計。

屋面隔熱原理與外墻一樣，包括內保溫屋面、夾芯保溫屋面、外保溫屋面和單一保溫屋面。目前，主要采用外保溫屋面。外保溫屋面的形式有倒置式和正置式兩種做法，倒置式節能和防水效果更好，但應選用吸水率低的保溫材料，如擠塑聚苯板，如圖4所示。此外，還有通風隔熱屋面、蓄水隔熱屋面、種植隔熱屋面、反射降溫屋面等形式。

2.4 合理應用節能材料

目前，節能材料的種類比較多，可選擇的范圍較寬。選用節能材料性能是關鍵，既要符合綠色節能要求，沒有污染，材料性能穩定可靠，節能效果出色，也就是節能效率高，同時還要考慮經濟合理。另外，節能材料與其接觸的材料之間相容性也要考慮，兩者之間不應出現化學反應等問題。

3 結語

在建筑結構設計中滿足節能要求，不僅可以提高建筑的舒適性，更重要的是為了實現人類社會可持續發展的目標，因此結構設計人員應重視節能理念的運用，并在實踐中不斷完善節能措施，從而使建筑節能效果真正得到發揮。

參考文獻：

[1] 彭寧，黎丕良. 建筑節能指標對結構設計的影響[J]. 低碳世界，2014，（2）：239-240.

[2] 劉艷琳. 住宅圍護結構設計與建筑節能[J]. 低碳世界，2013，（11）：10-11.

[3] 賈瑞杰. 房屋建筑結構設計中的節能環保問題[J]. 山西建筑，2014，40（4）：199-200.