低碳模式下節能建筑結構設計研究

李勇

（中聯西北工程設計研究院有限公司，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模也在不斷擴大，在促進社會經濟發展的同時也為區域生態環境造成了嚴重影響。因此，作為高能耗產業的建筑行業，必須基于低碳理念將節能環保設施融入建筑結構設計當中，從而為人們創造一個健康、舒適、環保的生活空間。

1 低碳節能模式下建筑結構設計原則

1.1 生態和諧原則

在低碳節能建筑設計時，必須在追求社會和諧共存的前提下合理設計建筑結構，從而使區域節能資源發揮最大能效。除此之外，相關設計人員應結合項目區域周圍自然氣候情況，充分考慮室內采光、通風及保溫等設計因素，并盡可能地避免破壞建筑區域周圍自然生態景觀，從而使自然環境與建筑結構設計完美融合。在微觀設計層面上，設計人員必須根據區域地質情況因地制宜實施整體建筑結構設計，并綜合分析建筑施工場地的特殊性，并以促進附近生態系統與建筑工程協同發展為基本目標，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 環保化原則

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

2 低碳節能建筑結構設計的優化策略

2.1 建筑外墻結構設計

外墻結構設計則是整體建筑結構設計的關鍵，同時也是實現高效節能目標的根本所在。在傳統住宅建筑結構建設工程中，建筑外墻普遍節能性不高，且在保溫、降噪、隔熱等方面存在明顯缺陷。故而，節能建筑在低碳模式下，其外墻結構設計必須利用各種方法實現多重生態效能。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，并利用相關建筑材料對外墻區域主體結構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性能，進而真正滿足建筑結構低碳節能要求。

2.2 優化通風和光照設計

在實施建筑結構節能設計時，應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，還應結合建筑坐標經緯度信息及陽光照射角度等方面設計建筑物朝向方位，充分發揮自然光照作用，進而提升建筑物室內區域采光率，使得每棟建筑都能擁有最佳采光效果。在建筑戶型設計時，應以南北通透戶型設計為主。同時應選擇先進節能門窗，并根據區域氣溫合理設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，改善室內采光條件及通風狀態[2]。建筑結構設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。玻璃結構在此方面具有較強優勢。明框玻璃幕墻結構是高層建筑應用較為廣泛的一種玻璃結構，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構形態，賦予建筑物較強的結構美。與此同時，玻璃幕墻結構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“冬暖夏涼”，提高建筑室內空間使用舒適度。在玻璃結構設計中，如建筑主結構為單層輕薄結構，為保證主結構與玻璃結構有效融合，需要合理規劃結構重疊方案，嚴格按照結構受力基本原則選用節點連接方式，不可一味進行結構疊加。

2.3 空間設計

節能建筑結構在低碳模式下必須要求施工單位，在建設施工過程中對單體房屋空間布局在建筑區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上，最大限度減少空間資源消耗。針對建筑本身空間結構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計綠色化、低碳化、生態化發展提供了新思路、新路徑。而“氣候空間”功能的實現需要通過建筑結構的合理規劃、組合與聯動。由圖1 可知，該高層建筑整體結構為核心筒結構，具備內部空間大、內部交通便捷、室內采光好、抗震效果強等優勢，屬于高層建筑主流結構。相關工作人員在對該結構進行設計時，引入了“氣候空間”概念，通過結構合理布局使建筑中庭與側庭之間形成氣候調節系統，該系統開啟時，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 層側庭排出，溫度調節幅度在2～4℃，可有效提高建筑物使用舒適度，節約空調資源。此外，復合表皮技術（由遮陽構件、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（是海綿城市理念與建筑結構的結合表現，在屋面積水排出、凈化、利用等方面具有積極作用）、空中花園技術等在建筑結構中的合理運用，可在增加建筑結構審美性的同時，提高建筑生態效益。

圖1 低碳模式下某高層建筑結構設計

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能設計項目為例，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保需求，相關在建筑結構設計當中進行了一系列節能設計，本文將重點針對案例工程建筑結構節能部分設計進行探討和分析。

3.2 內外墻建筑材料及保溫設計

建筑住宅圍護結構主要部件包括遮陽設施、密封材料、隔熱材料、地基、門窗、屋頂、內外墻等方面，在整體節能結構設計中，其室內空氣質量、環境性能及建筑能耗方面的節能設計，對居民室內環境舒適度和視覺感受有著重要作用。因此，必須根據工程實際合理設計各項節能設施，增加圍護結構本身的隔熱保溫能力，從而在最大限度上增強建筑結構整體節能效率[3]。

根據該地區對建筑節能設計規范和相關標準要求，圍護結構建筑整體傳熱系數必須達到以下標準：①外墻建筑部分應不大于1.5 傳熱系數標準，屋面建筑部分應不大于1.0 傳熱系數標準，外窗部分應不大于4.7 傳熱系數標準，戶門部分應不大于3.0 傳熱系數標準。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合實際工程預算標準，最終決定采用發泡水泥板作為聯排別墅外墻保溫材料，采用聚苯顆粒作為高層公寓內外墻保溫材料。③聯排別墅墻體基本構造主要采用厚度為輕質蒸壓灰砂（200mm）空心砌體、水泥砂（12mm）及單體厚度發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造采用水泥基外墻內保溫無機保溫砂漿（10mm）、輕質蒸壓灰砂（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域氣溫影響，建筑住宅屋面區域也采用同樣方法進行保溫隔熱。本案例項目聯排別墅建筑屋面保溫部分主要以發泡水泥板作為主要建筑材料，其厚度可根據單體建筑區域計算。高層公寓則主要采用發泡混凝土作為主要屋面保暖材料，其厚度同樣根據單體建筑區域計算。聯排別墅屋面造型設計主要以坡屋頂為主，其整體構造層由下至上分為：屋面區域混凝土頂板、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計，除了上層區域不是采用筒瓦材料制作外，其余部分與聯排別墅構造基本一致。

3.3 陽臺及門窗設計

案例工程陽臺和門窗設計部分，主要采用中空雙層LowˉE 玻璃作為主要玻璃材料，南側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域年均溫度較高，故而必須合理設計窗墻面積比例以保障室內外空氣流動性，如表1 所示。

表1 工程節能窗墻面積比例

此外在關于門戶設計方面，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域布設了15～18mm 的礦棉板。

3.4 精細化設計節點防水

本案例工程關于門窗洞口和墻板等相對防水薄弱區域，主要按照以下標準設計：①在接縫處設計三道構造防水和材料防水相互結合的室內防水系統。②在板縫空腔區域合理布設相應的排水導管，并在板縫內側區域布設密封防水膠條，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 區域內，布設密封膠嵌縫且應在板縫上下左右區域同時布設。

此外，穿墻管與穿墻套管間應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。女兒墻區接縫密封應與下部墻板保持一致，并在女兒墻內側布設挑檐和凹槽等一系列防水構造，從而提升整體建筑防水效果。

3.5 建筑能耗設計

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的情況下，對住宅室內區域平均溫度的計算，單位住宅面積在指定時間內的能量消耗所對應的室內供暖設施的熱量供給總量。建筑住宅耗冷量主要指的是在運用空調設備降溫期間，建筑外部氣溫相對平穩的情況下，對住宅室內區域平均溫度的計算，單位住宅面積在指定時間內的能量消耗所對應的室內空調設備的冷量供給總量。而建筑住宅耗電量則是根據住宅本身耗冷量和耗熱量相關指標，按照空調設備和供暖設備的能效比，精確計算出的單位住宅面積區域的耗電量。

3.6 零能耗建筑室外優化設計

室外環境主要是指相鄰建筑之間和建筑附近環境，通俗來講就是對建筑附近熱環境、光環境、風環境等方面實施有效利用和處理，包括綠化設計、藝術設計和區域規劃設計等方面，從而增強室內居民的生活舒適性。應因地制宜進行合理設計，從而在最大限度上降低室內空間建筑的應用能耗。室外空氣流動通常會對建筑區域內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構設計。

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

4 結語

綜上所述，應基于低碳環保理念并根據工程實際需求，從建筑外墻、光照通風、室內空間、建筑屋頂等方面合理設計建筑節能結構，利用區域自然資源和自然環境，在改善用戶居住環境的同時充分發揮建筑節能作用，從而有效降低建筑能耗，進而提升建筑工程整體的經濟效益和環保效益。