论钢结构在绿色建筑设计中的应用与发展

王文辉

(潍坊昌大建设集团有限公司 山东 潍坊 261061)

与其他建筑材料和结构相比,钢材和钢结构具有材质性能稳定均匀、硬度高、抗压强度高、质量轻、防震、可二次回收利用等特点,一方面使建筑工程施工周期大大缩短,加快了施工进度,同时还能确保建筑物的质量,提高了建筑的安全性、牢固性和抗震防灾的能力;另一方面,由于其价格低、不废料、质量轻、还能二次回收利用的特性,完全可以取代其他材料,节省建筑材料消耗和损耗,符合绿色环保建筑设计理念,也成为绿色建筑设计发展重要的助力。钢结构应用于绿色建筑设计中,有利于我国可持续发展战略的实现,推动我国产业结构转型升级,向生态文明型社会发展。

1 绿色建筑设计和钢结构建筑简介

1.1 绿色建筑设计理念和特性介绍

将环保生态概念引入建筑设计和施工过程中,使建筑物与周遭生态环境协调一致,和谐共处,在推动建筑行业发展进步的同时,保护生态环境,并为人们提供健康舒适的生活环境,这就是绿色建筑设计理念。绿色建筑设计理念是顺应可持续发展战略和低碳环保生活思想而提出的新型建筑理念,更加符合现代人居住和生活需求。贯彻绿色建筑设计理念的建筑物,除了能满足人们日渐提高的物质生活需求,还能满足不断增长的精神世界需求,使居住者感受到生活的美好,大自然的美丽,实现人与自然和谐相处。绿色建筑设计理念的关键核心是节能减排,减少资源使用和浪费,减少建筑物和建筑过程对生态环境的伤害,并且在先进科技的加持下,对房屋的供暖、通风、采光等方面的设计都尽可能通过科学的结构设计和自然环境因素加以实现,例如通过太阳能、自然风和地理气候的利用,减少空调和电暖的使用,从而节省电力资源的使用与损耗。

1.2 钢结构建筑概述

钢结构建筑,顾名思义就是以钢材作为主要材料的一种建筑结构类型。因钢材具有强度高、质量轻、抗压强度高等特性,以此为主要材料的钢结构建筑也具备承重能力高、建筑完整性强、安全性高等优点。并且相比于其他建筑材料和结构,钢结构建筑由于钢材质量轻、性质均匀的特点,在建筑施工过程中更加方便快捷,降低了施工工程量,缩减了工程周期,从而大大节省了资源使用量,也减少了污染物的排放总量。

钢结构建筑的韧性也极高,对冲击、震动都有着极强的缓冲作用,因此提高了建筑物的抗震能力,增加了建筑物的可靠性和安全性。钢结构建筑的连接技术主要有焊接连接、螺栓连接、铆钉连接,通过这些连接技术能够使钢结构之间紧密连接,增加整个建筑的完整性。钢结构主要构建组成包括钢材质的框架、排架、屋架、钢架、网架等,这些构建能够灵活搭配拼接,使施工过程进一步简化,因而成为各行各业首选的建筑材料和结构。除此之外,钢结构能够融合各种新型技术,例如隔热保温、防火隔音等技术,大大节省了在传统建筑设计为了达成保温隔音等要求而额外消耗的大量材料资源。并且,钢结构建筑除了拆除阶段,其余阶段几乎不会产生建筑垃圾,排放废水废气,真正做到了节能、减耗、绿色、环保。

2 钢结构建筑的优点

2.1 钢制材料的优点

钢结构的主要组成材料是钢制材料,通过冷热加工将钢材压制成钢板,再通过裁切、焊接等程序加工成各类建筑构建。与传统的建筑材料相比,钢材本身的特性更加符合现代社会绿色环保的发展要求。首先,钢材的强度硬度与韧性、可延展性完美相融,这些特性都和谐统一地展现在钢材上。强度硬度高使钢结构能够承受更多建筑构建的负荷,提高了建筑物的安全性能。韧性高、可塑性强使钢结构能够消化吸收更多的冲击力,因此使建筑本身的抗震防灾能力大幅度提升。其次,钢制材料内部的多种性能和组织成分都处在均衡统一的状态,呈现出极高的稳定性和统一性,这使得外部环境对钢结构的影响减弱,钢结构不会因外部湿度、温度、日照等自然因素而轻易改变性能或发生结构变形,这使建筑物本体更加稳定。

2.2 建筑造价低、施工周期缩短、提高建筑工程化程度

钢结构建筑材料的生产制造相较于传统的建筑材料更加绿色环保,例如木材结构需要砍伐大量树木,对自然环境造成了严重破坏,且生产加工流程复杂,无法实现大批量的生产,因此造价成本高,并不经济实惠。通过先进的科学技术,钢结构材料已经实现了大批量生产,提高生产效率的同时也降低了生产成本,并且通过机械自动加工,能够保证钢结构建材的稳定,标准规范统一,极大地推动了建筑行业的工程化进度。由于钢结构建筑材料的生产的标准化、统一化,使建筑零部件具备了互通性、可替换性。当建筑过程中,某组织结构的零部件丢失时,能够快速找到替代品,或者立刻生产加工出新的零部件,避免延误工时。钢结构还因其能够缩短施工周期的优点,获得了大量建筑企业的认可和青睐,被广泛应用于房屋建造中。

2.3 钢结构建筑高度、跨度都相对较高

钢结构因其自重轻、延伸可塑性强等特性,能够满足一些更高度、跨度更大的建筑设计要求,被广泛应用于超高度和超跨度的建筑结构中。例如,北京奥运会的鸟巢建筑,就是利用了钢结构这一特性的典型例子。鸟巢建筑的钢结构是由大量的钢板焊接而成,实现了这一大跨度的建筑结构造型设计,这是其他传统建材无法做到的,如木质建材、混凝土建材等就无法实现如此高跨度的建筑要求。钢结构凭借着自身重量轻、内部材质成分均匀稳定的特性,能够做到大部分材料无法做到的弯曲、变形,同时发生断裂的可能性极低,从而搭配更加灵活多变,能够最大程度地实现建筑设计师的创意想法。

3 钢结构符合绿色建筑设计理念的体现

3.1 钢结构建筑强调“概念设计”

概念设计是建筑设计师必须具备的设计理念和方式,若在建筑结构设计中不足够重视概念设计思想,将影响到后期的施工过程和建筑质量。但现在大部分的建筑设计师都在这一方面上有所欠缺,过分依赖设计程序、设计标准规范守则,缺乏自己的设计思路和创意想法,对建筑设计也缺乏整体全面的独立思考。而且过分信赖计算机计算的结果,就很难察觉到其中的不合理之处。钢结构建筑对于“概念设计”要求相对较高,推动着建筑设计师不得不重视结构概念设计,提高自身的概念设计能力。首先钢结构对结构选择和布置要求极高,必须从全局的角度来思考结构布局设计,要求设计符合各项标准规范,充分考虑到工程具体特点。其次,要加强对材料数额的管控,提高钢材的使用率,减少材料损失,清楚了解每件材料的性能特点,做到物尽其用,避免因不合理的使用而导致材料报废。

3.2 实现标准化、自动化工厂生产

钢结构的材质生产已经实现了标准化、自动化生产,这大大减少了钢材的生产成本,使得钢结构建筑的性价比提升。并且引进自动化生产线,用全自动机器代替人工操作,能够加快生产速度,确保生产质量,使产品标准统一规范。除此之外,随着互联网信息技术的不断进步,钢结构建筑信息化程度也不断提高,凭借信息化系统,钢结构建筑能够从数据库中调取以往各建筑设计方案、结构信息、部件生产数据,便于与现在的建筑工程进行比对,以此获得最标准的钢结构建筑设计。

4 绿色建筑设计中钢结构的技术应用

4.1 防火技术的应用

尽管钢结构材料具有较高的耐热性,能够在150摄氏度以下的环境中,保持自身结构性能的稳定。但一旦超过这个温度,钢结构的各项性能就会发生改变,例如强度、硬度会下降。温度高达四百摄氏度时,钢结构的抗压能力和承受能力就会显著下降,只有正常环境下的一半。当温度高达六百摄氏度以上时,钢结构的性能几乎消失殆尽,自身结构也会被完全破坏。因此,必须要提升钢结构的耐高温和防火技术,在钢材料中加入防火材料和隔热板加以保护[1]。

4.2 防腐技术的应用

钢结构的耐腐蚀性差一直是建筑行业科研人员极为头疼苦恼的问题,也是急需解决的问题。钢结构建筑长期暴露在外部环境中,遭受风吹雨打,极易被腐蚀生锈,这对钢结构建筑的强度,硬度,稳固程度都有着极大的破坏,甚至可能出现钢梁等结构断裂的问题,严重威胁着居民的生命安全。因此钢材料防腐技术逐渐发展起来,致力于提高钢材的防锈防腐性能。目前钢材建筑主要的防腐技术是在钢材表面镀锌或涂抹防水材料,同时,还要注重建筑后期的除锈维护工作[2]。

4.3 防污染技术的应用

在建筑行业中主要需要防范的噪音污染和光污染这两类污染问题。前者主要是由于建筑材料选择不合适,或建筑内部结构不合理,从而造成隔音减噪效果差,建筑外环境的噪音严重干扰居住者的日常生活起居,如交通噪音。室内光污染问题主要表现有两方面。一是建筑材料和建筑内部涂料选择不恰当,灯光设计不合理,导致光线过分刺眼,严重影响人们睡眠质量,甚至伤害到居住者的视力。二是房屋朝向设置不对,采光效果差,导致室内光线昏暗。严重的光污染可能会影响居住者的身心健康,影响正常生活质量。因此钢结构建筑要加强噪音污染和光污染的防范措施设计,在钢结构的基础上加入隔音材料,科学规划建设选址、室内结构和房屋朝向,确保钢结构建筑符合绿色建筑设计的要求,为人们提供舒适的居住环境。

4.4 钢结构绿色建筑设计流程

首先要判断该建筑是否适用钢结构,钢结构是否满足建筑用途、场地选址等各方面的要求。

(1)其次贯彻“概念设计”这一原则,从全局的角度来思考结构布局设计,要求设计符合各项标准规范,并且充分考虑建筑本身的用途和特点,合理规划布局结构,尽可能地规避掉可能存在的隐患和不确定因素。

(2)针对不同的结构应采用不同的钢结构材料,因此建筑设计师要对建筑整体结构和细节之处进行认真仔细地调查测量。

(3)设计建筑结构各组件的尺寸、形状和材料选择。例如需要强度稍高、韧性强、延展性好的建筑构件,在材料方面就可以优先考虑Q235B.Q235B 是一种低碳钢,具有一定的延展性和强度,并且可塑性高,能够根据实际需求通过冲压加工调整形态。还比如Q345这类低合金钢,综合性能好,适用范围更广。总而言之,钢结构建筑设计必须充分考虑各类钢材的特性,根据实际需要进行选择,充分发挥每种钢材的作用[3]。

5 结语

钢结构无论是生产过程还是在建筑过程中的实际使用,所表现出来的性能和特点都符合绿色建筑设计的理念和要求。我国建筑行业对“保护生态环境、推动行业可持续发展”的重视不能只停留在语言宣传层面,要做出实际行动,大力推进产业结构的转型升级。通过推广钢结构建筑,减少过度使用资源,杜绝浪费问题,降低建筑物和建筑过程对生态环境的伤害,为保护生态环境,构建绿色环保家园作出真正努力。