高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

尹小濤

（廣州市科城建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510663）

高層建筑形式在古代就已有了，早在公元前五百多年的古巴比倫曾經(jīng)建造了現(xiàn)在號(hào)稱世界七大奇跡之一的“空中花園”，根據(jù)記載，其形式非常之華麗壯觀，放置在任何空間之中都可以說(shuō)是一道絕美的風(fēng)景。近代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是鋼鐵、電梯的出現(xiàn)以及后來(lái)鋼筋混凝土的應(yīng)用，為高層建筑發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇，高層建筑也成為城市空間中一道獨(dú)特的風(fēng)景，其中以美國(guó)的高層建筑發(fā)展最為活躍，如1885年的芝加哥家庭保險(xiǎn)大樓被公認(rèn)為第一幢摩天建筑，而紐約的曼哈頓區(qū)更是高樓云集；近年來(lái)我國(guó)的高層建筑也發(fā)展迅速，如上海的金茂大廈88層，高420.5米。隨著結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)形式趨于多樣化，高層建筑的表現(xiàn)形式也多種多樣，但隨之所帶來(lái)的弊端也越來(lái)越多的表現(xiàn)出來(lái)，在成為城市風(fēng)景的同時(shí)如何恰當(dāng)?shù)娜谌氤鞘锌臻g成為高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要任務(wù)，也是使高層建筑設(shè)計(jì)趨于完善所追求的一種理念。

我國(guó)的高層建筑有近七十年的歷史，然而城市中任何建筑都是城市設(shè)計(jì)、規(guī)劃的一部分，城市設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，我國(guó)在這方面的經(jīng)驗(yàn)不多，而且管理機(jī)制尚不健全，往往受一些因素的影響，工作不甚周密和協(xié)調(diào)，甚至失去控制，有許多的問(wèn)題等待我們?nèi)ソ鉀Q，有待于探索和改進(jìn)，所以說(shuō)，今天的高層建筑設(shè)計(jì)仍處在一個(gè)不太成熟的階段。

高層建筑體形龐大，如，容積率過(guò)高，相鄰建筑互相遮擋、不通透，形成大面積陰影區(qū)，城市人居環(huán)境質(zhì)量下降，市中心人口膨脹、交通擁擠。除此之外，近些年在某些城市建高層建筑已成風(fēng)氣，設(shè)計(jì)者往往貪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)節(jié)能意識(shí)淡薄，造成高能耗、低效益，影響常年使用，浪費(fèi)巨大。

本文探討高層建筑節(jié)能與氣候、地理?xiàng)l件的關(guān)系。建筑位置、朝向是接受太陽(yáng)輻射熱能的關(guān)系及高層圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的保溫、隔熱存在的問(wèn)題及今后發(fā)展方向。

1 優(yōu)化建筑位置及朝向設(shè)計(jì)

高層建筑的定位首先應(yīng)考慮對(duì)城市環(huán)境的影響容積率過(guò)高很難滿足日照要求，陽(yáng)光有著巨大輻射能量，在寒冷地區(qū)人們十分珍惜陽(yáng)光帶來(lái)的溫暖。據(jù)有關(guān)資料分析，地球每年接收的能量有60 億億千瓦，這么大能量棄之可惜，從某種意義上講地球本身就是巨大的太陽(yáng)能接收器，陽(yáng)光不僅對(duì)人的身體健康有著很大影響，對(duì)建筑的節(jié)能也有著十分重要意義。寒冷地區(qū)城市規(guī)劃應(yīng)注重應(yīng)用日照原理，合理的確定建筑位置與朝向，使每幢建筑能接收更多的太陽(yáng)輻射熱能，因此，建筑的方位與節(jié)能有著直接關(guān)系。如，在北緯40 度～45 度地區(qū)，冬天建筑的朝向所得到的輻射能量幾乎比夏天多兩倍，而在夏天東、西向所得到的能量比南向多2.5倍，不同朝向，不同季節(jié)，建筑物所得到的太陽(yáng)輻射熱能量不同，熱損失也不同，尤其是在冬至前后，由于太陽(yáng)高度角低，房間所接收的太陽(yáng)光線的面積比夏天多得多。在確定建筑的方位時(shí)首先應(yīng)考慮環(huán)境情況，按其太陽(yáng)高度角做出日影響圖，以確定冬季每天的日照時(shí)間，建筑南向開(kāi)窗面積盡可能大些，在滿足采光條件下，北向、東向窗盡可能小些，從而獲得更多的太陽(yáng)光線，減少熱損失，保持室內(nèi)舒適的溫度環(huán)境。

2 優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體設(shè)計(jì)

2.1 外墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體部分，高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同于磚石結(jié)構(gòu)房屋，前者是鋼筋混凝土框架或剪力墻結(jié)構(gòu)承重，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬于填充材料，為了減輕荷載，達(dá)到保溫、隔熱要求，采用輕質(zhì)高效保溫材料，目前在寒冷地區(qū)常用的墻體做法有：頁(yè)巖陶粒混凝土空心砌塊；粘土空心磚與實(shí)心磚復(fù)合墻體；粘土實(shí)心磚或空心磚巖棉夾心復(fù)合墻體等。但存在問(wèn)題較多，節(jié)能的效果仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料布置分外側(cè)和內(nèi)側(cè)，在寒冷地區(qū)的同一氣候條件下，由于材料層次布置不同所取得的保溫效果也不盡相同，為防止墻體內(nèi)產(chǎn)生冷凝水，保溫層設(shè)在外側(cè)更為妥些。

2.2 高層建筑的圍護(hù)墻體不宜采用外側(cè)保溫的聚苯乙烯泡沫板（舒樂(lè)板、PG 板），巖棉板等輕質(zhì)保溫材料。一幢建筑的壽命少則幾十年，多則上百年，材料的應(yīng)用與建筑整體的壽命應(yīng)同步。對(duì)于輕質(zhì)的外保溫復(fù)合墻體，筆者認(rèn)為存在以下不足之處：抗震能力差，易松散，與結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)合不好，整體性能差；不能承受外部裝修貼、掛荷載，如：貼石材，安裝裝飾構(gòu)件等；不能承受有振動(dòng)的鑿、刨的裝修，如：剁斧石面層、予留洞、槽易出現(xiàn)冷橋；墻表面易出現(xiàn)裂紋。除此之外，復(fù)合墻體由于框架梁拉、剪力墻的嵌入，墻體內(nèi)容易造成冷橋，是保溫、隔熱的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)測(cè)定，高層建筑所出現(xiàn)的冷橋約占整個(gè)熱損失的5%～13%，因此應(yīng)引起設(shè)計(jì)者重視，采取有效構(gòu)造措施盡可能避免產(chǎn)生冷橋。

2.3 國(guó)外普遍推廣采用混凝土空心砌塊用于高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，歐、美各國(guó)取得不少先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。如：美國(guó)研制的TB 型保溫隔熱復(fù)合砌塊；波蘭的咬合式保溫砌塊，兩塊組合成320 厚墻體，在空心砌塊內(nèi)填入高效保溫材料，墻體傳熱系數(shù)K=01209～1100W/m2k；芬蘭研制的一種空心砌塊，空隙之間填入聚胺脂保溫材料，300 厚，傳熱系數(shù)K=0.25～0.28W/m2k.某些歐美國(guó)家50%左右的建筑已應(yīng)用多種形式的混凝土空心砌塊。由于混凝土空心砌塊保溫效果好，又具有一定強(qiáng)度，避免了輕質(zhì)復(fù)合材料墻體的一些弊端。

3 影響建筑節(jié)能的其他因素

3.1 高層建筑外圍護(hù)墻體耗能量較大，占整個(gè)建筑耗能的25%左右。建筑的形體變化是建筑外露面積的主要因素之一，體形系數(shù)越大耗能越多，國(guó)外的一些高層建筑造成圓塔形，比如美國(guó)洛杉磯的好運(yùn)飯店、法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、紐約第三大街53 號(hào)辦公樓都是圓型或橢圓形，我們知道，相同的面積，圓的周長(zhǎng)最短，這樣使建筑外露面積較小。因此，基于能量損耗的考慮，高層建筑的形體變化不宜過(guò)多、復(fù)雜。

3.2 高層建筑的“風(fēng)環(huán)境”是影響建筑耗能因素之一。

在冬季，風(fēng)力對(duì)建筑的熱損失很大，增大冷空氣的滲透量，使室內(nèi)熱損失加大。由于建筑某些部位處理不當(dāng)，墻體內(nèi)部易產(chǎn)生冷凝水。因此，建筑保溫材料的選用，建筑構(gòu)造的合理性應(yīng)建立在科學(xué)、可靠的基礎(chǔ)上。