柱体球顶结构高层建筑结构材料节能研究★

李雪妍，徐雪桐，徐 欣，杨如轩，赵晨阳，何永明

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着我国建筑数量的不断增加，建筑材料的使用数量也呈逐年增长的趋势，我国建筑行业的能源消耗量已不容忽视。此外，在建筑投入使用后，楼内的供电、供暖、通风等也产生了巨大的能源消耗，因此，对建筑节能的研究尤为必要。本文从建筑结构、材料使用、通风设计3个主要方面来对建筑节能进行研究。

1 建筑结构设计

1.1 楼体结构设计

同样体积的高层建筑，圆柱体的楼体表面积最小，散热面积也最小，能够起到很好的保温作用。同时，要达到同样的结构强度，圆柱体的楼体使用的材料最少。此外，柱形楼体抗震性能较传统建筑更强。因此，选择柱形楼体结构更加有利于节能。本文研究的柱形塔楼建筑设计层数为12层，楼体的主要结构体系为框架-核心筒结构，建筑外部的框架由均匀分布的8根巨柱组成，核心筒位于楼体中间，由从底层直通到楼体顶层的剪力墙构成，它承担了主要的抗侧结构力，减轻外部框架的承重压力。此外，为了保证楼体的稳定，将6楼以及顶楼设置为加强层，加强层设有由斜腹杆桁架构成的伸臂桁架结构，外框巨柱与中间部分的核心筒就由此结构连接。这种结构满足了楼体在强度和刚度上的需求。楼体的平面图、简化侧剖图分别如图1,图2所示。

1.2 楼顶结构设计

楼顶采用新式半球体结构，相比于普通的矩形屋顶，在达到同样强度要求的情况下，球形屋顶的材料使用更少。其次，在同样的体积下，球形的表面积最小，不论加热或制冷，均能更有效地节约能源。

上述的球形屋顶主要由钢架杆件交互连接而成，它们将球形屋顶划分为若干个三角形平面，此种三角组合体坚固性特别出色，因此抗风能力要远超现行的矩形建筑。其结构如图3所示。

太阳能作为清洁能源，近年来也被广泛使用，如果能将太阳能运用于建筑，为建筑内部提供电能，可以有效减少楼内的能源压力，达到节约能源的目的。因此基于球形钢架结构的基础上，在其间镶嵌建筑用太阳能光伏玻璃，它由建筑玻璃、太阳电池、中间层、汇流条、绝缘胶带、引出端等材料组成，具有发电功能[1]。由此可见，建筑光伏玻璃的使用在满足建筑所需强度的基础上，可以充分利用太阳能作为能源为楼内供电。不仅如此，区别于以往矩形楼顶的单一照射面，半球形楼顶拥有更大的照射面积，在屋顶铺设光伏玻璃不仅可以增加建筑内部的自然采光，还可以更加高效地利用太阳能，为建筑使用提供能源，符合节能减排的要求。

2 节能材料的使用

2.1 墙体保温材料

我国北方冬季严寒，房屋的保温措施必不可少。目前建筑外墙的保温形式主要有外保温、内保温、夹心保温3种[2]。

夹心保温是将保温材料铺设于墙体的内部，内保温则是将保温材料铺置于建筑外墙内表面，这两种保温形式均会使得保温材料的覆盖率较低。由于建筑外墙多为钢筋混凝土结构，其导热能力较强，建筑外墙铺设有保温板的部分和未被保温板覆盖的部分导热系数相差极大，由此会造成“热桥效应”，使得屋内的热量从未覆盖保温板的位置流失。且建筑外墙与外界环境直接接触，容易受到外界影响而造成损伤，对外墙的维修又需耗费建筑材料，这与节能理念相违背。

外墙外保温是将保温材料置于墙体外侧。利用外墙外保温可以在一定程度上减少墙体外部的损伤。同时，由于保温材料铺设于建筑的最外侧，对墙体的覆盖率较高，因此利用外保温不仅可以增大保温面积，还可以有效地避免“热桥”效应，减少室内热量的损失，故选择使用外墙外保温。保温材料选择使用泡沫玻璃一体化板，这是一种新型的保温、隔燃、吸声材料。主要是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等经过细粉碎和均匀混合后，再经过高温熔化、发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料[3-4]。泡沫玻璃装饰一体化板是涂料与保温材料的一体化设计，省去传统建筑外墙装饰所耗费的材料，有利于建筑材料的节约。此外，泡沫玻璃材料在废弃后可以经粉碎再次利用，且回收率较高，符合节能理念。

2.2 外窗节能

对于建筑物来讲，窗户对建筑的保温隔热也起着十分重要的作用，如果外窗选择不当，则会导致室内不必要的热量流失，从而增加整个建筑的总耗能。因此，如果可以使用新型的外窗材料，则可以在很大程度上达到节约能源的效果。

我国的北方冬季严寒，常年有较大的风沙，因此在选择窗框时，采用塑钢窗，它的原材料主要是聚氯乙烯树脂，密封性以及隔热性能较好且不易老化，其内腔含有钢材，以增加其整体的抗风性能，即使是在较为恶劣的环境下使用，也能保证窗框不会变形。

建筑外窗玻璃选择使用Low-E玻璃，它是在玻璃表面涂镀一层或几层具有低辐射功能膜的玻璃。低辐射膜是一种锡或银等金属或其化合物组成的透明导电薄膜,对可见光有良好的透光性,对中远红外线有很高的反射性。玻璃的吸热性低,辐射率就低,玻璃的保温性能就越好[5]。因此，相较于普通的玻璃，Low-E玻璃具有更好的隔热性能。当前建筑中最常用的玻璃是真空玻璃，它由两片玻璃组成，其间隙充有导热性能差的惰性气体，使得中空玻璃具有很好的隔热性能。如上所述的Low-E玻璃就是在真空玻璃的内表面镀一层低辐射膜，其隔热性能较一般的中空玻璃更强。

3 楼体通风

3.1 自然通风的设置

随着社会的发展，对于环保的要求逐渐提高，从环保角度来看，通过自然通风来解决室内空气有序循环流动是建造高层建筑所必须研究的问题，也是绿色建筑设计中很重要的一个部分。

本建筑的自然通风结构采取庭院式自然通风。庭院式通风是在建筑的中心设计一个从底层直通到建筑顶层的中庭，楼体中心核心筒的设计正好满足这一特点，在每层的中庭部分的四个面设计大量的回廊和高窗可以很大程度上利用烟囱效应和温室效应，在这两个效应下，形成较大温差,室外空气通过建筑物下部的开口流入室内,并将室内较轻空气从上部窗户排出,空气自下而上，得到良好的循环效果[6]。建筑自然通风结构如图4所示。

3.2 新风系统的设计

仅仅依靠自然通风系统不能够满足建筑在实际使用过程中的需要，在极端天气条件下，如台风、雾霾等天气需要紧闭门窗，因此在自然通风系统之外，建筑内部还需要设计一种新型的通风系统来达到室内通风的标准。当前，大部分的建筑在每个房间都设置了独立的通风系统，这种传统的通风方式通风效率低，会导致能源的浪费。本建筑采用中央通风系统，以提高建筑的通风效率，达到节能的目的。该通风系统由两套管道组成，一套将楼内空气排出，一套将外界新鲜空气送入。

该通风系统在楼内的各个房间都配备传感器以感知每个房间的温度、湿度和空气流速。每个房间都具备单独的支路通风管道，每一个单独的支路通风管道与中央总路通风管道相连，总路管道汇集房间内部的空气，再通过总路管道上的鼓风机实现楼体内部空气外排这一功能。空气的外排由与上述管道并排在墙体内部的另一套管道完成。楼外的空气通过总管道进入楼内，总管道处装空气冷却器和加热器，以减轻楼内制冷或制热的负担。总管道外部还设有空气净化器，这对于一些空气质量不佳，存在空气污染的城市尤为重要。这样，两套管道，一套将污浊空气排出，一套将清新空气引入，使质量良好、温度舒适的空气从总管道进入各支路管道，再沿着管道进入各个房间，使整个建筑有良好的空气循环效果，提高了建筑使用的舒适度。

4 结语

本文以节能为宗旨，设计了一种新型的柱体球顶建筑，相比于传统结构的建筑，该新型建筑可以在达到同样强度下减少建筑材料的使用。楼体采用了框架-核心筒结构，并设置了加强层以保证楼体的稳定。球形楼顶则是以若干钢架杆件交互组成，将球形楼顶划分为若干三角形平面，具有良好的稳定性。在钢架结构间镶嵌光伏玻璃，充分利用太阳能为楼体供电。楼体核心筒部分从下至上贯通整个建筑，在每层中庭部分的四个面设计大量的回廊和高窗，即可形成庭院式的自然通风。最后本文还设计了一套由两组管道组成的中央通风系统，为建筑内部提供高质量的新鲜空气。