柱體球頂結構高層建筑結構材料節能研究★

李雪妍，徐雪桐，徐 欣，楊如軒，趙晨陽，何永明

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國建筑數量的不斷增加，建筑材料的使用數量也呈逐年增長的趨勢，我國建筑行業的能源消耗量已不容忽視。此外，在建筑投入使用后，樓內的供電、供暖、通風等也產生了巨大的能源消耗，因此，對建筑節能的研究尤為必要。本文從建筑結構、材料使用、通風設計3個主要方面來對建筑節能進行研究。

1 建筑結構設計

1.1 樓體結構設計

同樣體積的高層建筑，圓柱體的樓體表面積最小，散熱面積也最小，能夠起到很好的保溫作用。同時，要達到同樣的結構強度，圓柱體的樓體使用的材料最少。此外，柱形樓體抗震性能較傳統建筑更強。因此，選擇柱形樓體結構更加有利于節能。本文研究的柱形塔樓建筑設計層數為12層，樓體的主要結構體系為框架-核心筒結構，建筑外部的框架由均勻分布的8根巨柱組成，核心筒位于樓體中間，由從底層直通到樓體頂層的剪力墻構成，它承擔了主要的抗側結構力，減輕外部框架的承重壓力。此外，為了保證樓體的穩定，將6樓以及頂樓設置為加強層，加強層設有由斜腹桿桁架構成的伸臂桁架結構，外框巨柱與中間部分的核心筒就由此結構連接。這種結構滿足了樓體在強度和剛度上的需求。樓體的平面圖、簡化側剖圖分別如圖1,圖2所示。

1.2 樓頂結構設計

樓頂采用新式半球體結構，相比于普通的矩形屋頂，在達到同樣強度要求的情況下，球形屋頂的材料使用更少。其次，在同樣的體積下，球形的表面積最小，不論加熱或制冷，均能更有效地節約能源。

上述的球形屋頂主要由鋼架桿件交互連接而成，它們將球形屋頂劃分為若干個三角形平面，此種三角組合體堅固性特別出色，因此抗風能力要遠超現行的矩形建筑。其結構如圖3所示。

太陽能作為清潔能源，近年來也被廣泛使用，如果能將太陽能運用于建筑，為建筑內部提供電能，可以有效減少樓內的能源壓力，達到節約能源的目的。因此基于球形鋼架結構的基礎上，在其間鑲嵌建筑用太陽能光伏玻璃，它由建筑玻璃、太陽電池、中間層、匯流條、絕緣膠帶、引出端等材料組成，具有發電功能[1]。由此可見，建筑光伏玻璃的使用在滿足建筑所需強度的基礎上，可以充分利用太陽能作為能源為樓內供電。不僅如此，區別于以往矩形樓頂的單一照射面，半球形樓頂擁有更大的照射面積，在屋頂鋪設光伏玻璃不僅可以增加建筑內部的自然采光，還可以更加高效地利用太陽能，為建筑使用提供能源，符合節能減排的要求。

2 節能材料的使用

2.1 墻體保溫材料

我國北方冬季嚴寒，房屋的保溫措施必不可少。目前建筑外墻的保溫形式主要有外保溫、內保溫、夾心保溫3種[2]。

夾心保溫是將保溫材料鋪設于墻體的內部，內保溫則是將保溫材料鋪置于建筑外墻內表面，這兩種保溫形式均會使得保溫材料的覆蓋率較低。由于建筑外墻多為鋼筋混凝土結構，其導熱能力較強，建筑外墻鋪設有保溫板的部分和未被保溫板覆蓋的部分導熱系數相差極大，由此會造成“熱橋效應”，使得屋內的熱量從未覆蓋保溫板的位置流失。且建筑外墻與外界環境直接接觸，容易受到外界影響而造成損傷，對外墻的維修又需耗費建筑材料，這與節能理念相違背。

外墻外保溫是將保溫材料置于墻體外側。利用外墻外保溫可以在一定程度上減少墻體外部的損傷。同時，由于保溫材料鋪設于建筑的最外側，對墻體的覆蓋率較高，因此利用外保溫不僅可以增大保溫面積，還可以有效地避免“熱橋”效應，減少室內熱量的損失，故選擇使用外墻外保溫。保溫材料選擇使用泡沫玻璃一體化板，這是一種新型的保溫、隔燃、吸聲材料。主要是由碎玻璃、發泡劑、改性添加劑和發泡促進劑等經過細粉碎和均勻混合后，再經過高溫熔化、發泡、退火而制成的無機非金屬玻璃材料[3-4]。泡沫玻璃裝飾一體化板是涂料與保溫材料的一體化設計，省去傳統建筑外墻裝飾所耗費的材料，有利于建筑材料的節約。此外，泡沫玻璃材料在廢棄后可以經粉碎再次利用，且回收率較高，符合節能理念。

2.2 外窗節能

對于建筑物來講，窗戶對建筑的保溫隔熱也起著十分重要的作用，如果外窗選擇不當，則會導致室內不必要的熱量流失，從而增加整個建筑的總耗能。因此，如果可以使用新型的外窗材料，則可以在很大程度上達到節約能源的效果。

我國的北方冬季嚴寒，常年有較大的風沙，因此在選擇窗框時，采用塑鋼窗，它的原材料主要是聚氯乙烯樹脂，密封性以及隔熱性能較好且不易老化，其內腔含有鋼材，以增加其整體的抗風性能，即使是在較為惡劣的環境下使用，也能保證窗框不會變形。

建筑外窗玻璃選擇使用Low-E玻璃，它是在玻璃表面涂鍍一層或幾層具有低輻射功能膜的玻璃。低輻射膜是一種錫或銀等金屬或其化合物組成的透明導電薄膜,對可見光有良好的透光性,對中遠紅外線有很高的反射性。玻璃的吸熱性低,輻射率就低,玻璃的保溫性能就越好[5]。因此，相較于普通的玻璃，Low-E玻璃具有更好的隔熱性能。當前建筑中最常用的玻璃是真空玻璃，它由兩片玻璃組成，其間隙充有導熱性能差的惰性氣體，使得中空玻璃具有很好的隔熱性能。如上所述的Low-E玻璃就是在真空玻璃的內表面鍍一層低輻射膜，其隔熱性能較一般的中空玻璃更強。

3 樓體通風

3.1 自然通風的設置

隨著社會的發展，對于環保的要求逐漸提高，從環保角度來看，通過自然通風來解決室內空氣有序循環流動是建造高層建筑所必須研究的問題，也是綠色建筑設計中很重要的一個部分。

本建筑的自然通風結構采取庭院式自然通風。庭院式通風是在建筑的中心設計一個從底層直通到建筑頂層的中庭，樓體中心核心筒的設計正好滿足這一特點，在每層的中庭部分的四個面設計大量的回廊和高窗可以很大程度上利用煙囪效應和溫室效應，在這兩個效應下，形成較大溫差,室外空氣通過建筑物下部的開口流入室內,并將室內較輕空氣從上部窗戶排出,空氣自下而上，得到良好的循環效果[6]。建筑自然通風結構如圖4所示。

3.2 新風系統的設計

僅僅依靠自然通風系統不能夠滿足建筑在實際使用過程中的需要，在極端天氣條件下，如臺風、霧霾等天氣需要緊閉門窗，因此在自然通風系統之外，建筑內部還需要設計一種新型的通風系統來達到室內通風的標準。當前，大部分的建筑在每個房間都設置了獨立的通風系統，這種傳統的通風方式通風效率低，會導致能源的浪費。本建筑采用中央通風系統，以提高建筑的通風效率，達到節能的目的。該通風系統由兩套管道組成，一套將樓內空氣排出，一套將外界新鮮空氣送入。

該通風系統在樓內的各個房間都配備傳感器以感知每個房間的溫度、濕度和空氣流速。每個房間都具備單獨的支路通風管道，每一個單獨的支路通風管道與中央總路通風管道相連，總路管道匯集房間內部的空氣，再通過總路管道上的鼓風機實現樓體內部空氣外排這一功能。空氣的外排由與上述管道并排在墻體內部的另一套管道完成。樓外的空氣通過總管道進入樓內，總管道處裝空氣冷卻器和加熱器，以減輕樓內制冷或制熱的負擔。總管道外部還設有空氣凈化器，這對于一些空氣質量不佳，存在空氣污染的城市尤為重要。這樣，兩套管道，一套將污濁空氣排出，一套將清新空氣引入，使質量良好、溫度舒適的空氣從總管道進入各支路管道，再沿著管道進入各個房間，使整個建筑有良好的空氣循環效果，提高了建筑使用的舒適度。

4 結語

本文以節能為宗旨，設計了一種新型的柱體球頂建筑，相比于傳統結構的建筑，該新型建筑可以在達到同樣強度下減少建筑材料的使用。樓體采用了框架-核心筒結構，并設置了加強層以保證樓體的穩定。球形樓頂則是以若干鋼架桿件交互組成，將球形樓頂劃分為若干三角形平面，具有良好的穩定性。在鋼架結構間鑲嵌光伏玻璃，充分利用太陽能為樓體供電。樓體核心筒部分從下至上貫通整個建筑，在每層中庭部分的四個面設計大量的回廊和高窗，即可形成庭院式的自然通風。最后本文還設計了一套由兩組管道組成的中央通風系統，為建筑內部提供高質量的新鮮空氣。