低碳模式下節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李勇

（中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710076）

0 引言

近年來，隨著人們生活水平不斷提高建筑工程規(guī)模也在不斷擴大，在促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也為區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響。因此，作為高能耗產(chǎn)業(yè)的建筑行業(yè)，必須基于低碳理念將節(jié)能環(huán)保設(shè)施融入建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，從而為人們創(chuàng)造一個健康、舒適、環(huán)保的生活空間。

1 低碳節(jié)能模式下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1 生態(tài)和諧原則

在低碳節(jié)能建筑設(shè)計時，必須在追求社會和諧共存的前提下合理設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，從而使區(qū)域節(jié)能資源發(fā)揮最大能效。除此之外，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合項目區(qū)域周圍自然氣候情況，充分考慮室內(nèi)采光、通風及保溫等設(shè)計因素，并盡可能地避免破壞建筑區(qū)域周圍自然生態(tài)景觀，從而使自然環(huán)境與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計完美融合。在微觀設(shè)計層面上，設(shè)計人員必須根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況因地制宜實施整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，并綜合分析建筑施工場地的特殊性，并以促進附近生態(tài)系統(tǒng)與建筑工程協(xié)同發(fā)展為基本目標，讓居民在日常活動中體驗到更加健康、舒適的生活體驗。

1.2 環(huán)保化原則

低碳節(jié)能環(huán)保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，必須嚴格遵循“一保四節(jié)”的建造原則，即保護環(huán)境、材料節(jié)約、用水節(jié)約和能源節(jié)約。并在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當中，從實用角度分析讓綠色建筑設(shè)計順應(yīng)周圍自然環(huán)境發(fā)展，從而達到保護環(huán)境、節(jié)能減排的建筑建造目標。同時還需充分發(fā)揮低碳節(jié)能材料的使用性能，重點設(shè)計建筑陽臺、門窗及外墻等區(qū)域結(jié)構(gòu)，從而最大限度增強建筑結(jié)構(gòu)的熱工性能，并不斷推行節(jié)能環(huán)保的綠色建造理念，最大限度降低建筑施工對附近環(huán)境產(chǎn)生的破壞和污染。而在生態(tài)建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方面，降低建筑能耗則是目前綠色建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中最需要解決的問題。因此，必須選擇節(jié)能環(huán)保建筑工程設(shè)備和材料并結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)，使居民住宅建筑在日常生活中始終保持低能耗運行，并根據(jù)工程實際情況合理利用新能源設(shè)施，使區(qū)域資源真正實現(xiàn)循環(huán)利用。除此之外，在實施低碳環(huán)保建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，相關(guān)人員必須根據(jù)區(qū)域政策要求和環(huán)保要求選擇施工工藝和建筑材料，在滿足低碳節(jié)能設(shè)計要求的前提下，提升施工單位的經(jīng)濟效益[1]。

2 低碳節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化策略

2.1 建筑外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計則是整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，同時也是實現(xiàn)高效節(jié)能目標的根本所在。在傳統(tǒng)住宅建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)工程中，建筑外墻普遍節(jié)能性不高，且在保溫、降噪、隔熱等方面存在明顯缺陷。故而，節(jié)能建筑在低碳模式下，其外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計必須利用各種方法實現(xiàn)多重生態(tài)效能。如在外墻施工時可添加適量加氣混凝土，從而平衡外墻保溫系統(tǒng)，并利用相關(guān)建筑材料對外墻區(qū)域主體結(jié)構(gòu)實施一系列保溫隔熱處理。可通過運用膠粉聚顆粒等外墻建筑材料來增強外墻整體保溫系統(tǒng)性能，進而真正滿足建筑結(jié)構(gòu)低碳節(jié)能要求。

2.2 優(yōu)化通風和光照設(shè)計

在實施建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計時，應(yīng)合理控制相鄰建筑間的建造距離，保障每棟每層建筑都能擁有足夠的采光條件。此外，還應(yīng)結(jié)合建筑坐標經(jīng)緯度信息及陽光照射角度等方面設(shè)計建筑物朝向方位，充分發(fā)揮自然光照作用，進而提升建筑物室內(nèi)區(qū)域采光率，使得每棟建筑都能擁有最佳采光效果。在建筑戶型設(shè)計時，應(yīng)以南北通透戶型設(shè)計為主。同時應(yīng)選擇先進節(jié)能門窗，并根據(jù)區(qū)域氣溫合理設(shè)計窗墻面積比例引導自然風向，從而在降低建筑光污染的同時，改善室內(nèi)采光條件及通風狀態(tài)[2]。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可通過提高建筑通透性、建筑光照資源利用率達到低碳模式效果。玻璃結(jié)構(gòu)在此方面具有較強優(yōu)勢。明框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)是高層建筑應(yīng)用較為廣泛的一種玻璃結(jié)構(gòu)，玻璃面板與鋁合金型材框架的合理搭配形成極具視覺沖擊效果的建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)，賦予建筑物較強的結(jié)構(gòu)美。與此同時，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)不僅具有較強透光性，也具有較好隔音、防潮、防霜、隔熱、抗風、保溫等效果，可實現(xiàn)“冬暖夏涼”，提高建筑室內(nèi)空間使用舒適度。在玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如建筑主結(jié)構(gòu)為單層輕薄結(jié)構(gòu)，為保證主結(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)有效融合，需要合理規(guī)劃結(jié)構(gòu)重疊方案，嚴格按照結(jié)構(gòu)受力基本原則選用節(jié)點連接方式，不可一味進行結(jié)構(gòu)疊加。

2.3 空間設(shè)計

節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)在低碳模式下必須要求施工單位，在建設(shè)施工過程中對單體房屋空間布局在建筑區(qū)域所起到的實際作用，進行綜合測定和評價，在保障最大化空間利用率的基礎(chǔ)上，最大限度減少空間資源消耗。針對建筑本身空間結(jié)構(gòu)特征合理利用一切可再生自然資源，從而保障在有限建筑空間中降低整體建筑能耗。“氣候空間”概念的提出為建筑設(shè)計綠色化、低碳化、生態(tài)化發(fā)展提供了新思路、新路徑。而“氣候空間”功能的實現(xiàn)需要通過建筑結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃、組合與聯(lián)動。由圖1 可知，該高層建筑整體結(jié)構(gòu)為核心筒結(jié)構(gòu)，具備內(nèi)部空間大、內(nèi)部交通便捷、室內(nèi)采光好、抗震效果強等優(yōu)勢，屬于高層建筑主流結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作人員在對該結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，引入了“氣候空間”概念，通過結(jié)構(gòu)合理布局使建筑中庭與側(cè)庭之間形成氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)開啟時，自然風能夠從建筑第6 層中庭進入，在各種壓的作用下，由建筑第8 層、第10 層側(cè)庭排出，溫度調(diào)節(jié)幅度在2～4℃，可有效提高建筑物使用舒適度，節(jié)約空調(diào)資源。此外，復合表皮技術(shù)（由遮陽構(gòu)件、中空玻璃、遮陽板等溝通組成，具備遮陽、隔熱、抗風、保溫、降噪、采光等多重功效）、綠化屋頂技術(shù)（是海綿城市理念與建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)合表現(xiàn)，在屋面積水排出、凈化、利用等方面具有積極作用）、空中花園技術(shù)等在建筑結(jié)構(gòu)中的合理運用，可在增加建筑結(jié)構(gòu)審美性的同時，提高建筑生態(tài)效益。

圖1 低碳模式下某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 實例分析

3.1 工程概況

以某高層住宅建筑工程部分標段節(jié)能設(shè)計項目為例，該工程建筑總面積達到8.4 萬m2，其中包括高層公寓18 層及聯(lián)排別墅3 層，高層公寓主要房型為三房和兩房兩種。為滿足建筑住宅低碳環(huán)保需求，相關(guān)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當中進行了一系列節(jié)能設(shè)計，本文將重點針對案例工程建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能部分設(shè)計進行探討和分析。

3.2 內(nèi)外墻建筑材料及保溫設(shè)計

建筑住宅圍護結(jié)構(gòu)主要部件包括遮陽設(shè)施、密封材料、隔熱材料、地基、門窗、屋頂、內(nèi)外墻等方面，在整體節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其室內(nèi)空氣質(zhì)量、環(huán)境性能及建筑能耗方面的節(jié)能設(shè)計，對居民室內(nèi)環(huán)境舒適度和視覺感受有著重要作用。因此，必須根據(jù)工程實際合理設(shè)計各項節(jié)能設(shè)施，增加圍護結(jié)構(gòu)本身的隔熱保溫能力，從而在最大限度上增強建筑結(jié)構(gòu)整體節(jié)能效率[3]。

根據(jù)該地區(qū)對建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范和相關(guān)標準要求，圍護結(jié)構(gòu)建筑整體傳熱系數(shù)必須達到以下標準：①外墻建筑部分應(yīng)不大于1.5 傳熱系數(shù)標準，屋面建筑部分應(yīng)不大于1.0 傳熱系數(shù)標準，外窗部分應(yīng)不大于4.7 傳熱系數(shù)標準，戶門部分應(yīng)不大于3.0 傳熱系數(shù)標準。②通過對本次案例工程建筑各項單體技能性能分析研究并結(jié)合實際工程預(yù)算標準，最終決定采用發(fā)泡水泥板作為聯(lián)排別墅外墻保溫材料，采用聚苯顆粒作為高層公寓內(nèi)外墻保溫材料。③聯(lián)排別墅墻體基本構(gòu)造主要采用厚度為輕質(zhì)蒸壓灰砂（200mm）空心砌體、水泥砂（12mm）及單體厚度發(fā)泡水泥板和水泥砂漿（5mm）制作，其外墻裝飾部分主要采用文化石和文化磚制作。第四，高層公寓墻體基本構(gòu)造采用水泥基外墻內(nèi)保溫無機保溫砂漿（10mm）、輕質(zhì)蒸壓灰砂（200mm）空心砌體、水泥砂（12mm）進行制作，此外包括外墻水泥基外保溫無機保溫砂漿（30mm）及水泥砂漿（5mm）。其外墻飾面部分則主要采用真石漆涂料和基座干掛等石材制作。外墻外表部分整體色調(diào)為淺色系，從而有效降低建筑墻面吸收夏季炎熱時期的陽光輻射。此外，為有效避免頂層居住用戶受區(qū)域氣溫影響，建筑住宅屋面區(qū)域也采用同樣方法進行保溫隔熱。本案例項目聯(lián)排別墅建筑屋面保溫部分主要以發(fā)泡水泥板作為主要建筑材料，其厚度可根據(jù)單體建筑區(qū)域計算。高層公寓則主要采用發(fā)泡混凝土作為主要屋面保暖材料，其厚度同樣根據(jù)單體建筑區(qū)域計算。聯(lián)排別墅屋面造型設(shè)計主要以坡屋頂為主，其整體構(gòu)造層由下至上分為：屋面區(qū)域混凝土頂板、找平層、保溫層、防水層、混凝土細石保護層及西班牙筒瓦。高層公寓屋面主要為平層設(shè)計，除了上層區(qū)域不是采用筒瓦材料制作外，其余部分與聯(lián)排別墅構(gòu)造基本一致。

3.3 陽臺及門窗設(shè)計

案例工程陽臺和門窗設(shè)計部分，主要采用中空雙層LowˉE 玻璃作為主要玻璃材料，南側(cè)外部門窗門框則主要采用鋁型斷橋隔熱材料制作。因本次案例工程處于我國南方區(qū)域年均溫度較高，故而必須合理設(shè)計窗墻面積比例以保障室內(nèi)外空氣流動性，如表1 所示。

表1 工程節(jié)能窗墻面積比例

此外在關(guān)于門戶設(shè)計方面，本案例工程主要采用具有多功能防盜及保溫功能的鋼制乙級防盜防火門，并在雙層門板中心區(qū)域布設(shè)了15～18mm 的礦棉板。

3.4 精細化設(shè)計節(jié)點防水

本案例工程關(guān)于門窗洞口和墻板等相對防水薄弱區(qū)域，主要按照以下標準設(shè)計：①在接縫處設(shè)計三道構(gòu)造防水和材料防水相互結(jié)合的室內(nèi)防水系統(tǒng)。②在板縫空腔區(qū)域合理布設(shè)相應(yīng)的排水導管，并在板縫內(nèi)側(cè)區(qū)域布設(shè)密封防水膠條，其直徑必須高于1.5 倍縫寬。③在十字接頭位置橫板縫和縱板縫周圍300mm 區(qū)域內(nèi)，布設(shè)密封膠嵌縫且應(yīng)在板縫上下左右區(qū)域同時布設(shè)。

此外，穿墻管與穿墻套管間應(yīng)運用嵌縫材料加以填充，并運用防水密封膠實施密封防水處理。女兒墻區(qū)接縫密封應(yīng)與下部墻板保持一致，并在女兒墻內(nèi)側(cè)布設(shè)挑檐和凹槽等一系列防水構(gòu)造，從而提升整體建筑防水效果。

3.5 建筑能耗設(shè)計

建筑住宅耗熱量主要指的是在供暖期間建筑外部氣溫相對平穩(wěn)的情況下，對住宅室內(nèi)區(qū)域平均溫度的計算，單位住宅面積在指定時間內(nèi)的能量消耗所對應(yīng)的室內(nèi)供暖設(shè)施的熱量供給總量。建筑住宅耗冷量主要指的是在運用空調(diào)設(shè)備降溫期間，建筑外部氣溫相對平穩(wěn)的情況下，對住宅室內(nèi)區(qū)域平均溫度的計算，單位住宅面積在指定時間內(nèi)的能量消耗所對應(yīng)的室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的冷量供給總量。而建筑住宅耗電量則是根據(jù)住宅本身耗冷量和耗熱量相關(guān)指標，按照空調(diào)設(shè)備和供暖設(shè)備的能效比，精確計算出的單位住宅面積區(qū)域的耗電量。

3.6 零能耗建筑室外優(yōu)化設(shè)計

室外環(huán)境主要是指相鄰建筑之間和建筑附近環(huán)境，通俗來講就是對建筑附近熱環(huán)境、光環(huán)境、風環(huán)境等方面實施有效利用和處理，包括綠化設(shè)計、藝術(shù)設(shè)計和區(qū)域規(guī)劃設(shè)計等方面，從而增強室內(nèi)居民的生活舒適性。應(yīng)因地制宜進行合理設(shè)計，從而在最大限度上降低室內(nèi)空間建筑的應(yīng)用能耗。室外空氣流動通常會對建筑區(qū)域內(nèi)微氣候造成一定程度的影響。在夏季時期，因建筑本身前后壓差相對較小而嚴重影響自然通風。而在冬季時期前后壓差變化會形成大量冷風，因此，必須注重整體建筑防風結(jié)構(gòu)設(shè)計。

建筑室外熱環(huán)境的也是影響室內(nèi)居民居住舒適度的主要因素，應(yīng)全民采用綠化室外建筑設(shè)計模式，增加建筑室外環(huán)境的綠化程度，從而進一步改善室外環(huán)境，保障建筑物室內(nèi)在一年四季當中始終保持應(yīng)有的舒適感，可根據(jù)區(qū)域綠地面積、植物配置及整體布局優(yōu)化而實現(xiàn)最終設(shè)計目的。除此之外，還包括建筑采光及區(qū)域地理環(huán)境等各種方面的綠化設(shè)計。

4 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)基于低碳環(huán)保理念并根據(jù)工程實際需求，從建筑外墻、光照通風、室內(nèi)空間、建筑屋頂?shù)确矫婧侠碓O(shè)計建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)，利用區(qū)域自然資源和自然環(huán)境，在改善用戶居住環(huán)境的同時充分發(fā)揮建筑節(jié)能作用，從而有效降低建筑能耗，進而提升建筑工程整體的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。