論鋼結構在綠色建筑設計中的應用與發展

王文輝

(濰坊昌大建設集團有限公司 山東 濰坊 261061)

與其他建筑材料和結構相比,鋼材和鋼結構具有材質性能穩定均勻、硬度高、抗壓強度高、質量輕、防震、可二次回收利用等特點,一方面使建筑工程施工周期大大縮短,加快了施工進度,同時還能確保建筑物的質量,提高了建筑的安全性、牢固性和抗震防災的能力;另一方面,由于其價格低、不廢料、質量輕、還能二次回收利用的特性,完全可以取代其他材料,節省建筑材料消耗和損耗,符合綠色環保建筑設計理念,也成為綠色建筑設計發展重要的助力。鋼結構應用于綠色建筑設計中,有利于我國可持續發展戰略的實現,推動我國產業結構轉型升級,向生態文明型社會發展。

1 綠色建筑設計和鋼結構建筑簡介

1.1 綠色建筑設計理念和特性介紹

將環保生態概念引入建筑設計和施工過程中,使建筑物與周遭生態環境協調一致,和諧共處,在推動建筑行業發展進步的同時,保護生態環境,并為人們提供健康舒適的生活環境,這就是綠色建筑設計理念。綠色建筑設計理念是順應可持續發展戰略和低碳環保生活思想而提出的新型建筑理念,更加符合現代人居住和生活需求。貫徹綠色建筑設計理念的建筑物,除了能滿足人們日漸提高的物質生活需求,還能滿足不斷增長的精神世界需求,使居住者感受到生活的美好,大自然的美麗,實現人與自然和諧相處。綠色建筑設計理念的關鍵核心是節能減排,減少資源使用和浪費,減少建筑物和建筑過程對生態環境的傷害,并且在先進科技的加持下,對房屋的供暖、通風、采光等方面的設計都盡可能通過科學的結構設計和自然環境因素加以實現,例如通過太陽能、自然風和地理氣候的利用,減少空調和電暖的使用,從而節省電力資源的使用與損耗。

1.2 鋼結構建筑概述

鋼結構建筑,顧名思義就是以鋼材作為主要材料的一種建筑結構類型。因鋼材具有強度高、質量輕、抗壓強度高等特性,以此為主要材料的鋼結構建筑也具備承重能力高、建筑完整性強、安全性高等優點。并且相比于其他建筑材料和結構,鋼結構建筑由于鋼材質量輕、性質均勻的特點,在建筑施工過程中更加方便快捷,降低了施工工程量,縮減了工程周期,從而大大節省了資源使用量,也減少了污染物的排放總量。

鋼結構建筑的韌性也極高,對沖擊、震動都有著極強的緩沖作用,因此提高了建筑物的抗震能力,增加了建筑物的可靠性和安全性。鋼結構建筑的連接技術主要有焊接連接、螺栓連接、鉚釘連接,通過這些連接技術能夠使鋼結構之間緊密連接,增加整個建筑的完整性。鋼結構主要構建組成包括鋼材質的框架、排架、屋架、鋼架、網架等,這些構建能夠靈活搭配拼接,使施工過程進一步簡化,因而成為各行各業首選的建筑材料和結構。除此之外,鋼結構能夠融合各種新型技術,例如隔熱保溫、防火隔音等技術,大大節省了在傳統建筑設計為了達成保溫隔音等要求而額外消耗的大量材料資源。并且,鋼結構建筑除了拆除階段,其余階段幾乎不會產生建筑垃圾,排放廢水廢氣,真正做到了節能、減耗、綠色、環保。

2 鋼結構建筑的優點

2.1 鋼制材料的優點

鋼結構的主要組成材料是鋼制材料,通過冷熱加工將鋼材壓制成鋼板,再通過裁切、焊接等程序加工成各類建筑構建。與傳統的建筑材料相比,鋼材本身的特性更加符合現代社會綠色環保的發展要求。首先,鋼材的強度硬度與韌性、可延展性完美相融,這些特性都和諧統一地展現在鋼材上。強度硬度高使鋼結構能夠承受更多建筑構建的負荷,提高了建筑物的安全性能。韌性高、可塑性強使鋼結構能夠消化吸收更多的沖擊力,因此使建筑本身的抗震防災能力大幅度提升。其次,鋼制材料內部的多種性能和組織成分都處在均衡統一的狀態,呈現出極高的穩定性和統一性,這使得外部環境對鋼結構的影響減弱,鋼結構不會因外部濕度、溫度、日照等自然因素而輕易改變性能或發生結構變形,這使建筑物本體更加穩定。

2.2 建筑造價低、施工周期縮短、提高建筑工程化程度

鋼結構建筑材料的生產制造相較于傳統的建筑材料更加綠色環保,例如木材結構需要砍伐大量樹木,對自然環境造成了嚴重破壞,且生產加工流程復雜,無法實現大批量的生產,因此造價成本高,并不經濟實惠。通過先進的科學技術,鋼結構材料已經實現了大批量生產,提高生產效率的同時也降低了生產成本,并且通過機械自動加工,能夠保證鋼結構建材的穩定,標準規范統一,極大地推動了建筑行業的工程化進度。由于鋼結構建筑材料的生產的標準化、統一化,使建筑零部件具備了互通性、可替換性。當建筑過程中,某組織結構的零部件丟失時,能夠快速找到替代品,或者立刻生產加工出新的零部件,避免延誤工時。鋼結構還因其能夠縮短施工周期的優點,獲得了大量建筑企業的認可和青睞,被廣泛應用于房屋建造中。

2.3 鋼結構建筑高度、跨度都相對較高

鋼結構因其自重輕、延伸可塑性強等特性,能夠滿足一些更高度、跨度更大的建筑設計要求,被廣泛應用于超高度和超跨度的建筑結構中。例如,北京奧運會的鳥巢建筑,就是利用了鋼結構這一特性的典型例子。鳥巢建筑的鋼結構是由大量的鋼板焊接而成,實現了這一大跨度的建筑結構造型設計,這是其他傳統建材無法做到的,如木質建材、混凝土建材等就無法實現如此高跨度的建筑要求。鋼結構憑借著自身重量輕、內部材質成分均勻穩定的特性,能夠做到大部分材料無法做到的彎曲、變形,同時發生斷裂的可能性極低,從而搭配更加靈活多變,能夠最大程度地實現建筑設計師的創意想法。

3 鋼結構符合綠色建筑設計理念的體現

3.1 鋼結構建筑強調“概念設計”

概念設計是建筑設計師必須具備的設計理念和方式,若在建筑結構設計中不足夠重視概念設計思想,將影響到后期的施工過程和建筑質量。但現在大部分的建筑設計師都在這一方面上有所欠缺,過分依賴設計程序、設計標準規范守則,缺乏自己的設計思路和創意想法,對建筑設計也缺乏整體全面的獨立思考。而且過分信賴計算機計算的結果,就很難察覺到其中的不合理之處。鋼結構建筑對于“概念設計”要求相對較高,推動著建筑設計師不得不重視結構概念設計,提高自身的概念設計能力。首先鋼結構對結構選擇和布置要求極高,必須從全局的角度來思考結構布局設計,要求設計符合各項標準規范,充分考慮到工程具體特點。其次,要加強對材料數額的管控,提高鋼材的使用率,減少材料損失,清楚了解每件材料的性能特點,做到物盡其用,避免因不合理的使用而導致材料報廢。

3.2 實現標準化、自動化工廠生產

鋼結構的材質生產已經實現了標準化、自動化生產,這大大減少了鋼材的生產成本,使得鋼結構建筑的性價比提升。并且引進自動化生產線,用全自動機器代替人工操作,能夠加快生產速度,確保生產質量,使產品標準統一規范。除此之外,隨著互聯網信息技術的不斷進步,鋼結構建筑信息化程度也不斷提高,憑借信息化系統,鋼結構建筑能夠從數據庫中調取以往各建筑設計方案、結構信息、部件生產數據,便于與現在的建筑工程進行比對,以此獲得最標準的鋼結構建筑設計。

4 綠色建筑設計中鋼結構的技術應用

4.1 防火技術的應用

盡管鋼結構材料具有較高的耐熱性,能夠在150攝氏度以下的環境中,保持自身結構性能的穩定。但一旦超過這個溫度,鋼結構的各項性能就會發生改變,例如強度、硬度會下降。溫度高達四百攝氏度時,鋼結構的抗壓能力和承受能力就會顯著下降,只有正常環境下的一半。當溫度高達六百攝氏度以上時,鋼結構的性能幾乎消失殆盡,自身結構也會被完全破壞。因此,必須要提升鋼結構的耐高溫和防火技術,在鋼材料中加入防火材料和隔熱板加以保護[1]。

4.2 防腐技術的應用

鋼結構的耐腐蝕性差一直是建筑行業科研人員極為頭疼苦惱的問題,也是急需解決的問題。鋼結構建筑長期暴露在外部環境中,遭受風吹雨打,極易被腐蝕生銹,這對鋼結構建筑的強度,硬度,穩固程度都有著極大的破壞,甚至可能出現鋼梁等結構斷裂的問題,嚴重威脅著居民的生命安全。因此鋼材料防腐技術逐漸發展起來,致力于提高鋼材的防銹防腐性能。目前鋼材建筑主要的防腐技術是在鋼材表面鍍鋅或涂抹防水材料,同時,還要注重建筑后期的除銹維護工作[2]。

4.3 防污染技術的應用

在建筑行業中主要需要防范的噪音污染和光污染這兩類污染問題。前者主要是由于建筑材料選擇不合適,或建筑內部結構不合理,從而造成隔音減噪效果差,建筑外環境的噪音嚴重干擾居住者的日常生活起居,如交通噪音。室內光污染問題主要表現有兩方面。一是建筑材料和建筑內部涂料選擇不恰當,燈光設計不合理,導致光線過分刺眼,嚴重影響人們睡眠質量,甚至傷害到居住者的視力。二是房屋朝向設置不對,采光效果差,導致室內光線昏暗。嚴重的光污染可能會影響居住者的身心健康,影響正常生活質量。因此鋼結構建筑要加強噪音污染和光污染的防范措施設計,在鋼結構的基礎上加入隔音材料,科學規劃建設選址、室內結構和房屋朝向,確保鋼結構建筑符合綠色建筑設計的要求,為人們提供舒適的居住環境。

4.4 鋼結構綠色建筑設計流程

首先要判斷該建筑是否適用鋼結構,鋼結構是否滿足建筑用途、場地選址等各方面的要求。

(1)其次貫徹“概念設計”這一原則,從全局的角度來思考結構布局設計,要求設計符合各項標準規范,并且充分考慮建筑本身的用途和特點,合理規劃布局結構,盡可能地規避掉可能存在的隱患和不確定因素。

(2)針對不同的結構應采用不同的鋼結構材料,因此建筑設計師要對建筑整體結構和細節之處進行認真仔細地調查測量。

(3)設計建筑結構各組件的尺寸、形狀和材料選擇。例如需要強度稍高、韌性強、延展性好的建筑構件,在材料方面就可以優先考慮Q235B.Q235B 是一種低碳鋼,具有一定的延展性和強度,并且可塑性高,能夠根據實際需求通過沖壓加工調整形態。還比如Q345這類低合金鋼,綜合性能好,適用范圍更廣。總而言之,鋼結構建筑設計必須充分考慮各類鋼材的特性,根據實際需要進行選擇,充分發揮每種鋼材的作用[3]。

5 結語

鋼結構無論是生產過程還是在建筑過程中的實際使用,所表現出來的性能和特點都符合綠色建筑設計的理念和要求。我國建筑行業對“保護生態環境、推動行業可持續發展”的重視不能只停留在語言宣傳層面,要做出實際行動,大力推進產業結構的轉型升級。通過推廣鋼結構建筑,減少過度使用資源,杜絕浪費問題,降低建筑物和建筑過程對生態環境的傷害,為保護生態環境,構建綠色環保家園作出真正努力。