基于LCA能耗理論的居住建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

梁 銘

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，在我國城市化進程發(fā)展迅速，建筑工程數(shù)量呈現(xiàn)出快速增長趨勢，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2020年我國建筑總面積已經(jīng)達到700億m2。建筑工程具有高耗能的特征，比如工程建設(shè)所需建材生產(chǎn)過程中會消耗大量能源；為確保室內(nèi)環(huán)境的舒適性，冬季供暖、夏季降溫，會消耗大量電能。由此，在確保居住舒適性的前提下，節(jié)能對于我國龐大的建筑市場，意義非凡，所以最大限度地降低能耗是建筑設(shè)計領(lǐng)域廣泛關(guān)注的重點。LCA 能耗理論的引入，使人們看到了建筑領(lǐng)域有效實現(xiàn)節(jié)能降耗的新途徑。在案例工程中，基于LCA能耗理論，利用能耗指標的高低指導(dǎo)居住建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，取得了較為顯著的效果。本文對此進行總結(jié)，以資參考[1]。

1 LCA能耗理論概述

LCA是對目標產(chǎn)品完成生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響進行匯編及評價的活動。LCA能耗理論誕生于20世紀60年代末期，以英美為代表的西方發(fā)達國家對其進行了較為深入的研究，建立了較為完善的評估系統(tǒng)。而我國對于LCA能耗理論的研究起步相對較晚，多數(shù)成果是基于外國數(shù)據(jù)形成，與我國實際國情不符。近年來我國LCA數(shù)據(jù)不斷完善，已具備很好的指導(dǎo)價值[2]。

LCA所涉及的產(chǎn)品主要涵蓋制造業(yè)以及服務(wù)業(yè)所提供的產(chǎn)品，LCA研究的內(nèi)容為產(chǎn)品自獲取原料到被淘汰的整個流程。LCA設(shè)計最重要的特點是它的集成性，要求各部門工作人員分工協(xié)作，所以注定他們的工作地點是分散的，尤其在計算機技術(shù)已經(jīng)充分利用到傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計中來的時候，每個工作人員都擁有自己的工作站或終端。所以，分布式環(huán)境是全生命周期設(shè)計的重要特點。其后續(xù)發(fā)展中被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，受其實際特點影響，其在降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計能耗方面發(fā)揮重要作用。本文在研究中將采用我國《環(huán)境管理LCA評價原則及框架》中提出的評估標準，其內(nèi)容主要分為目的及范圍確認、LCA清單評價、LCA影響評價以及LCA解釋四個部分，建筑LCA總能耗計算公式如下：

其中，Etol表示建筑LCA總能耗，其余部分依次代表建材生產(chǎn)、建造施工、居住使用、建筑拆除以及廢棄處置的能耗。

2 工程案例概述

為詳細說明基于LCA能耗計算方法的居住建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式，本文選取實際案例進行具體說明。案例工程為我國北方某農(nóng)村地區(qū)某民房改造工程。該建筑地基尺寸為12m×12m，建筑總占地面積為116m2，總建筑面積為213.53m2。案例建筑院落為矩形，在空間組合上，輔助空間圍繞主要空間布置，有利于建筑的節(jié)能保溫。廁所設(shè)在室外，一般安置在院落的西南角位置，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，很多農(nóng)村家庭將衛(wèi)生間設(shè)置在室內(nèi)，復(fù)式住宅同樣在室內(nèi)的北向設(shè)置了衛(wèi)生間，方便冬季使用。近年來，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度較快，民眾生活水平也隨之提升，由此，提升居住環(huán)境質(zhì)量的呼聲也隨之提高。再加上當前國家所提出的環(huán)境友好型及資源節(jié)約型社會理念深入人心，因此，居民在關(guān)注居住空間環(huán)境舒適性的同時，對建筑能耗也提出要求。設(shè)計人員在綜合該地區(qū)實際情況以及居民要求的基礎(chǔ)上，決定采用LCA能耗計算方法開展本次優(yōu)化設(shè)計工作。

3 基于LCA能耗理論的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案

3.1 建筑圍欄結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1.1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)架設(shè)計

案例工程中，為滿足節(jié)約能耗設(shè)計要求，設(shè)計人員決定采用冷彎薄壁輕型鋼房屋形式，其內(nèi)外墻體以及屋面均采用輕型鋼材，此類建材的優(yōu)勢在于厚度較薄，可以解決施工過程中鋼材需求。該結(jié)構(gòu)體系承重部分主要涵蓋承重墻、樓板以及屋面，設(shè)計依照400～600mm間距對龍骨進行布置。該體系中豎向荷載會通過樓面梁傳導(dǎo)至承重墻體部分，最終傳至基礎(chǔ)部分。技術(shù)人員決定采用鋼梁支撐+圍護骨架方案。

依照我國相關(guān)規(guī)章制度要求，C型鋼可劃分為Q235以及Q345兩種形式，工程實際開展過程中需要依照建筑體量等具體因素選擇相應(yīng)的鋼材型號。考慮到案例工程為一層獨棟，因此，設(shè)計人員在充分遵循LCA能耗理論基礎(chǔ)上決定建筑主要承重結(jié)構(gòu)采用強度相對較小的Q235鋼作為原材料，其具體構(gòu)件尺寸如表1所示。

表1 輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸 mm

3.1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)建構(gòu)

設(shè)計人員在對案例工程圍護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計過程中，依據(jù)實際情況選定聚苯板、草板+聚苯板、草木灰三種方案，在利用LCA評價法對上述方案進行權(quán)衡后，決定采用聚苯板作為屋面保溫材料。在墻體保溫材料設(shè)計中，則參照同地區(qū)其他建筑工程經(jīng)驗，選擇紙面草板作為建筑保溫材料。

屋頂構(gòu)造層次為屋面瓦、防水層、140mm保溫層EPS板以及木板，經(jīng)過計算可知，其傳熱系數(shù)為0.38W/（m2·K）。墻體構(gòu)造設(shè)計采用58mm紙面草板、厚巖棉、58mm紙面草板以及厚水泥砂漿構(gòu)成，經(jīng)計算可知，其傳熱系數(shù)為0.313W/（m2·K）。

建筑門窗設(shè)計方面，需要滿足嚴寒C區(qū)以及鋼結(jié)構(gòu)形式要求，該地區(qū)以往采用單框三玻塑鋼窗，但是其導(dǎo)熱系數(shù)不符合我國標準要求，設(shè)計人員在實際工作中未找到其他符合要求的窗戶形式，因此，門窗部分分別采用單框三玻窗以及單層金屬保溫門[4]。

3.2 建筑模型建構(gòu)

3.2.1 體形系數(shù)確認

依據(jù)建筑體形系數(shù)以及傳熱關(guān)系，設(shè)計人員依據(jù)實際需求對建筑體形系數(shù)進行調(diào)整，具體反映在建筑空間組合方面。考慮到村民生活實際需求以及建筑空間組合中存在的問題，技術(shù)人員對空間排布進行優(yōu)化設(shè)計。

建筑輔助空間主要為廚房、儲藏室以及衛(wèi)生間等方面。考慮到當前農(nóng)村生活水平與城市標準逐漸拉近，由此，設(shè)計人員在實際工作過程中依照城市廚房設(shè)計標準對其空間尺寸進行設(shè)計，具體設(shè)計中，設(shè)計人員采用最優(yōu)設(shè)計矩形[3]。

依據(jù)建筑體形系數(shù)計算公式，技術(shù)人員對參考建筑空間尺寸以及建筑體形系數(shù)進行計算，長×寬×高為15m×8m×3.6m，體形系數(shù)計算結(jié)果為0.568，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，長×寬×高為11.4m×9.6m×3.6m，體形系數(shù)計算結(jié)果為0.560。通過對二者進行對比可知，相較于參照建筑，優(yōu)化后建筑體形系數(shù)降低約1.4%，由此，其傳熱系數(shù)降低約3.5%~14%。設(shè)計人員依照居民日常生活實際要求，同時為降低建筑體形系數(shù)，并依據(jù)實際需求對空間尺寸進行多次優(yōu)化調(diào)整，最終建筑進深設(shè)計值為9.6m。具體設(shè)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同尺寸下建筑體形系數(shù)

3.2.2 模型建構(gòu)

設(shè)計人員依照住戶實際需求以及LCA能耗理論，在案例工程設(shè)計中決定采用三開間設(shè)計，格局形式成一明兩暗，中間部分設(shè)定為明間，其功能為客廳、餐廳等。建筑北側(cè)設(shè)計為廚房以及衛(wèi)生間，衛(wèi)生間部分為日本三分離設(shè)計，以提升衛(wèi)生間空間利用率。廚房部分在設(shè)計中充分考慮到儲藏、灶臺等功能空間要求，冬季還可以起到保溫效果。臥房部分依照腰炕形式設(shè)置火炕，灶爐部分設(shè)置在廚房中，該優(yōu)化設(shè)計使得原有混亂的明間空間變得井然有序，住戶可直接進入臥房，無需經(jīng)過廚房。

建筑屋頂設(shè)計中，設(shè)計人員為應(yīng)對雨雪等自然因素對建筑的影響決定采用坡屋頂形式，屋頂高度3.0m，建筑設(shè)計層高為3.6m。南向窗戶設(shè)計采用明間以及暗間窗洞差異設(shè)計，前者尺寸規(guī)格為2400mm×2000mm，后者尺寸規(guī)格則為600mm×2000mm。在門洞尺寸設(shè)計方面，設(shè)計人員依照1800mm×2400mm的尺寸規(guī)格進行布置，同時將北側(cè)窗戶尺寸規(guī)格設(shè)定為600mm×1800mm。

3.2.3 建筑空間面積

整個建筑劃分為主要使用空間以及輔助使用空間，并對其面積進行分別設(shè)計。主要使用空間包括臥房以及客廳兩部分，其面向朝南，前者設(shè)計面積為19.5×2m2，后者設(shè)計面積為22.7m2。輔助使用空間主要包括廚房、衛(wèi)生間、餐廳等，采用朝北設(shè)計，設(shè)計面積為15.2m2、15.2m2以及17.6m2。此外，儲藏間也屬于輔助使用空間，考慮到其占用面積較少，因此直接設(shè)計在廚房之中，以提升建筑空間利用率。

3.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比

將優(yōu)化建筑與參考建筑進行對比，可得出如表3所示建筑施工建材消耗量情況。

表3 建筑工程建材消耗量對比

從表3數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后建筑建設(shè)過程中對黏土磚、水泥等高能耗建材的使用量大幅降低。由于案例工程設(shè)計采用輕鋼結(jié)構(gòu)，受此情況影響，鋼材消耗量有一定程度的上升。再從整體層面對參考建筑以及優(yōu)化建筑建材消耗情況進行分析可知，相較于參考建筑，優(yōu)化方案在建設(shè)階段中能耗量呈現(xiàn)出較為顯著的降低。

4 結(jié)束語

綜上所述，在當前我國嚴峻的環(huán)境形勢影響下，積極優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度地降低其建設(shè)以及使用過程中產(chǎn)生的能耗已經(jīng)成為當前建筑領(lǐng)域發(fā)展主流趨勢。案例工程中，設(shè)計人員在利用LCA理論方法對居住建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后取得較為顯著的效果，工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的能耗大幅降低，同時居住環(huán)境質(zhì)量大幅上升。由此可見基于LCA理論的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可以取得較好的成效，案例工程可以為同類工程提供相應(yīng)參考。