健康建筑理念下的公共建筑墻體保溫構造設計研究

李 鑫（中國中元國際工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

經濟基礎發展條件下，以人為本的建筑理念深入人心。建筑外墻保溫結構的設計不僅追求安全與適用，還逐步向節能與環保發展。人本思想的發展推動了建筑在全生命周期都應關注節能與健康，節能環保和綠色健康也成為我國建筑業發展的新方向。在節能方面，大量公共建筑的修建，其建筑空間巨大，內部人員密集，消耗了大量的能量用于保暖和制冷，相比于民用建筑，在單位面積的耗能上，前者能耗可能達到后者能耗的20倍以上，存在著巨大的節能空間；在健康方面，在保證建筑外墻保溫結構使用功能的基礎上，健康建筑是綠色建筑的進一步升級，涉及的健康不僅僅是停留在建筑物所使用的材料保障人們生理狀況的健康，而是能夠讓使用者在精神上產生愉悅、舒適和放松。

1 健康公共建筑的概念以及影響公共建筑墻體保溫的主要因素

1.1 健康公共建筑的概念

無論是從國家戰略層面還是從建筑業發展的層面，綠色健康建筑都是人民對于居住環境或者活動空間更為高層次的要求。評判建筑物是否符合人民對健康建筑的期望，可以從9大方面進行確定。①通風方面，健康的公共建筑能夠保證室內外的空氣正常流通，室內空氣不受到污染或者出現異味，提供室內新風的系統設備能夠及時調試和定期保養，以保證室內空氣的正常過濾和更新；②空氣質量方面，室內使用的材料具有較低的揮發性物質，辦公用品及裝飾裝修材料不存在有毒有害物質的釋放，同時能夠及時對空氣質量進行監測；③水質方面，建筑物內提供的飲用水能夠滿足飲用水標準，同時配備一定數量的凈水系統，以保證用水的潔凈和無污染，定期對水質進行監測，防止水中含氯物等化學制劑的殘留和微生物的滋生；④熱健康方面，實現空間內熱供給的均衡，保持恒定的溫度和濕度，能夠最大限度地滿足建筑物中人員在不同氣候條件下的熱舒適度，并對熱源供給設備進行調試和養護；⑤粉塵與害蟲方面，建筑物內具有一定的封閉性，避免化學物質及粉塵侵入和集聚，同時應注意室內的蟲害問題，防潮防濕，及時清除粉塵和垃圾；⑥視覺照明方面，能夠提供一種舒適的光源，讓視覺處于自然光線條件下，避免由于不含藍光的照明引起人員的不舒適或者導致使用者炫目，在公共區域或者樓梯口具有充足的光源；⑦噪聲方面，能夠控制室內外的噪聲源，將噪聲分貝控制在35dB以下，同時公共空間內具有辦公設備或者室內機械運轉的噪聲應盡量采取吸聲措施；⑧防潮方面，對公共建筑內部的給水排水管道、通風空調設備進行監測和檢查維修，對室內出現潮濕或者發霉的地方采取必要的干燥措施進行修復；⑨安全方面，安全是健康建筑最為重要的基礎條件，公共建筑能夠提供一定的視頻監控系統，保證建筑的良好運行，必要時能夠提供及時預警和救援。

1.2 影響公共建筑墻體保溫的主要因素

與一般民用建筑不同的是，公共建筑是公共活動的空間場所，具有一定的社會性和藝術性，因此為了容納大量人員聚集，建筑形態相對復雜，內部的空間也較為高大，例如政府辦公樓、城市博物館、醫院衛生建筑以及辦公建筑大樓等。因此，公共建筑的這些特點給其供暖和制冷帶來了極大的挑戰，據不完全統計，在相同建筑體積和供暖條件下，公共建筑在單位建筑面積的能耗上可以達到民用住宅單位建筑面積能耗的20倍以上。公共建筑產生巨大供暖和制冷能耗受到的影響因素眾多，主要集中在三個方面，分別是建筑的體型系數、建筑內部的交通流線以及墻體外部保溫結構。

在公共建筑的體型系數方面，合理的建筑體型系數能夠有效降低公共建筑物內部能量與外部空間的能量交換，公共建筑的體型系數隨著建筑物的長度、寬度和高度的增加而不斷減小，但較小的幅度也逐步趨于收斂。另一方面，造型復雜的公共建筑與空氣的接觸更大，導致能量的交換損失增大。因此在公共建筑的設計過程中，應保持建筑結構輪廓的簡潔流暢，此外也要控制由于體型系數過小影響公共建筑空間的靈活性。

在建筑內部的交通流線上，其影響公共建筑能耗的重要作用反映在公共建筑與室外空氣的交流上。與住宅建筑不同，公共建筑的人員流動頻繁，單位面積的人員數量也更大，因此需要保持室內空氣流動的暢通。公共建筑內部交通流線組織影響空氣流通的最集中體現是在建筑物出入口的地方，室內外的空氣隨著人員的頻繁進出和大門的頻繁開合，導致室內的冷氣或者暖氣大量流失，供暖或制冷設備的負荷顯著提升。為此，在公共建筑物中一般會設置多道大門以減少室內能量與室外能量的直接交流，同時多道大門的開合位置相互錯開，以延緩能量交換速率，提高建筑的保溫性能。

在建筑外部保溫結構上，建筑結構與室外接觸面積最大的外墻，是建筑外窗和屋頂結構之和的4倍。因此外墻的保溫性能直接影響著公共建筑的節能效果。但是，在近年來大量的城市基礎設施建設中，人民群眾對公共建筑的技藝性以及藝術性提出了更高的要求，對公共建筑造型和視覺效果的期望也更高。作為具有標示性甚至是地標性的公共建筑，大量使用了玻璃幕墻作為公共建筑的外墻（如圖1所示），保證公共建筑的采光性能和良好的視覺效果，以滿足人民群眾對生活品質的需求。但是玻璃幕墻的熱工性能差，因此影響著建筑外墻保溫結構的節能效率，在寒冷地區或者嚴寒地區，使用玻璃幕墻結構尤為不適宜。

圖1 大量使用玻璃幕墻的公共建筑

2 基于健康建筑理念的公共建筑墻體保溫材料研究

公共建筑墻體是室內外熱量交換的中間載體，其導熱性能和冷熱空氣的滲透性能是影響建筑節能的重要因素，因此提高公共建筑墻體的保溫性能成為控制建筑能耗的重點工作。在健康建筑理念下，人們對于建筑的節能環保需求日益增大，對于建筑資源節約的研究也日益增多，以提高建筑的綜合效益及提供舒適的室內活動溫度，滿足健康建筑理念的要求。一般而言，保溫結構是通過膠結劑將保溫層粘貼在外墻基層上，同時為了避免保溫結構的開裂，使用抗裂保護層對保溫層進行涂刷。公共建筑外墻保溫層的一般做法如圖2所示。

圖2 公共建筑外墻保溫層的一般做法

基于健康建筑理念下的公共建筑墻體保溫層由于受到自然氣候因素的作用，其材料的選擇需要考慮保溫層具有一定的耐久性，強度較高以及無毒無害，不會出現開裂引起雨水侵蝕或者脫落；其次，作為公共建筑的墻體保溫層應考慮火災條件下的防火性能；再次，在功能上具有良好的保溫隔熱性能，能夠在輕質條件下具有較低的導熱系數，不易被刺穿或敲擊破碎，保持保溫的整體性；在施工上，能夠極大地縮減工序和施作時間，達到外墻保溫結構快速施工的目的。

目前，可以應用于健康建筑理念下的公共建筑墻體保溫結構的保溫材料主要有7種，各種保溫材料的物理力學特性如表1所示。由于公共建筑墻體保溫構造施工時具有較多的工序和多層結構體系施作，在選取保溫材料時應該考慮室內外潮濕氣體的影響、施工技術的影響、墻體和保溫層結構骨架的影響以及飾面層對保溫層的影響，以保證公共建筑墻體保溫構造的隔熱保溫功能得以實現。

表1 基于健康建筑理念下的公共建筑墻體保溫材料物理特性

健康建筑理念下公共建筑墻體保溫結構的選取可以認為是一種數學的最優化求解問題。在傳統的優化方法中，一般是依賴人工的經驗和計算準則進行確定，而機器學習則是最近幾年在人工智能發展的基礎上發展出來的算法。在機器學習中，需要選擇合適的目標函數和約束函數，然后根據技術指標對目標函數建立優化模型，模型包含輸入層、隱藏層以及輸出層，基于視神經網絡學習的原理對模型進行管理和學習，隨機生成權值，不斷學習訓練，對于復雜的優化結果，可以增加隱藏層的層級以及對指標權重值的優選，生成的迭代成果為最優選項。可以定義機器學習的樣本群為[x1、x2、x3、x4……xn]、[y1、y2、y3、y4……yn]，則可以建立機器學習的基本準則或者模型如公式（1）～公式（3）所示。

式中，oi為輸出層目標函數值；ｈ(xj)為隱藏層函數；βi為隱藏層權函數系數；pij、pgj為隱藏層的參數相關數，w、c1、c2為隱藏層權函數的指標系數，與隱藏層的層數相關；ai和bi為輸入層函數的系數；xij為輸入層函數。

3 無機保溫砂漿材料在健康理念下公共建筑墻體保溫中的應用

與有機保溫材料相比，無機保溫砂漿材料具有良好的防火性能、低導熱性能和較高的抗壓強度，因此在公共建筑保溫構造中具有廣闊的前景。在無機保溫砂漿材料研究的基礎上，提出“TM”無機保溫砂漿用于基于健康建筑理念下的公共建筑墻體保溫結構，它是以膨脹玻化微珠顆粒為主要原料，加入無機凝膠材料、粉煤灰及添加劑等混合而成的干混料，這種保溫材料施工方便，具有干混料加水拌漿即可涂抹的優點，同時利用了粉煤灰等廢料，變廢為寶，綠色節能，造價也相對較低，形成的保溫層也具有良好的防火性能和抗老化、耐酸堿特性，滿足保溫隔熱性能。基于所提出的保溫材料應用于西安市某建筑工程外墻保溫層改造工程，在驗收后表明“TM”無機保溫砂漿不容易開裂和脫落，不會散發異味，同時具備成本優勢及施工簡便，達到了不燃的耐火等級，工作溫度小于600℃，導熱系數大于0.04W/(m·k)，取得了良好的保溫效果和經濟效益。

4 結語

隨著現代健康理念的不斷普及，人類對于居住環境和活動空間的要求也日益提高。健康建筑是經濟發展到一定程度的必然要求，也是綠色建筑的深化，是建筑業發展的重要方向。健康建筑理念下的公共建筑不僅需要提供一個安全舒適的活動空間，還要給人心理上實現愉悅和放松的感受。公共建筑墻體保溫作為實現健康建筑理念的有效途徑之一，在圍護結構構造上選擇可持續的保溫材料是公共建筑墻體保溫構造設計的必然要求。本文基于健康建筑理念提出了“TM”無機保溫砂漿材料在公共建筑墻體保溫結構中的應用，研究成果為城市大量的公共建筑的外墻保溫構造設計提供了新的思路及新的材料。