低碳模式下节能建筑结构设计研究

2023-03-07李勇

大科技 2023年8期

李勇

（中联西北工程设计研究院有限公司，陕西西安 710076）

0 引言

近年来，随着人们生活水平不断提高建筑工程规模也在不断扩大，在促进社会经济发展的同时也为区域生态环境造成了严重影响。因此，作为高能耗产业的建筑行业，必须基于低碳理念将节能环保设施融入建筑结构设计当中，从而为人们创造一个健康、舒适、环保的生活空间。

1 低碳节能模式下建筑结构设计原则

1.1 生态和谐原则

在低碳节能建筑设计时，必须在追求社会和谐共存的前提下合理设计建筑结构，从而使区域节能资源发挥最大能效。除此之外，相关设计人员应结合项目区域周围自然气候情况，充分考虑室内采光、通风及保温等设计因素，并尽可能地避免破坏建筑区域周围自然生态景观，从而使自然环境与建筑结构设计完美融合。在微观设计层面上，设计人员必须根据区域地质情况因地制宜实施整体建筑结构设计，并综合分析建筑施工场地的特殊性，并以促进附近生态系统与建筑工程协同发展为基本目标，让居民在日常活动中体验到更加健康、舒适的生活体验。

1.2 环保化原则

低碳节能环保建筑结构设计理念，必须严格遵循“一保四节”的建造原则，即保护环境、材料节约、用水节约和能源节约。并在建筑结构设计过程当中，从实用角度分析让绿色建筑设计顺应周围自然环境发展，从而达到保护环境、节能减排的建筑建造目标。同时还需充分发挥低碳节能材料的使用性能，重点设计建筑阳台、门窗及外墙等区域结构，从而最大限度增强建筑结构的热工性能，并不断推行节能环保的绿色建造理念，最大限度降低建筑施工对附近环境产生的破坏和污染。而在生态建筑结构节能设计方面，降低建筑能耗则是目前绿色建筑工程结构设计中最需要解决的问题。因此，必须选择节能环保建筑工程设备和材料并结合现代工程技术，使居民住宅建筑在日常生活中始终保持低能耗运行，并根据工程实际情况合理利用新能源设施，使区域资源真正实现循环利用。除此之外，在实施低碳环保建筑工程结构设计时，相关人员必须根据区域政策要求和环保要求选择施工工艺和建筑材料，在满足低碳节能设计要求的前提下，提升施工单位的经济效益[1]。

2 低碳节能建筑结构设计的优化策略

2.1 建筑外墙结构设计

外墙结构设计则是整体建筑结构设计的关键，同时也是实现高效节能目标的根本所在。在传统住宅建筑结构建设工程中，建筑外墙普遍节能性不高，且在保温、降噪、隔热等方面存在明显缺陷。故而，节能建筑在低碳模式下，其外墙结构设计必须利用各种方法实现多重生态效能。如在外墙施工时可添加适量加气混凝土，从而平衡外墙保温系统，并利用相关建筑材料对外墙区域主体结构实施一系列保温隔热处理。可通过运用胶粉聚颗粒等外墙建筑材料来增强外墙整体保温系统性能，进而真正满足建筑结构低碳节能要求。

2.2 优化通风和光照设计

在实施建筑结构节能设计时，应合理控制相邻建筑间的建造距离，保障每栋每层建筑都能拥有足够的采光条件。此外，还应结合建筑坐标经纬度信息及阳光照射角度等方面设计建筑物朝向方位，充分发挥自然光照作用，进而提升建筑物室内区域采光率，使得每栋建筑都能拥有最佳采光效果。在建筑户型设计时，应以南北通透户型设计为主。同时应选择先进节能门窗，并根据区域气温合理设计窗墙面积比例引导自然风向，从而在降低建筑光污染的同时，改善室内采光条件及通风状态[2]。建筑结构设计可通过提高建筑通透性、建筑光照资源利用率达到低碳模式效果。玻璃结构在此方面具有较强优势。明框玻璃幕墙结构是高层建筑应用较为广泛的一种玻璃结构，玻璃面板与铝合金型材框架的合理搭配形成极具视觉冲击效果的建筑结构形态，赋予建筑物较强的结构美。与此同时，玻璃幕墙结构不仅具有较强透光性，也具有较好隔音、防潮、防霜、隔热、抗风、保温等效果，可实现“冬暖夏凉”，提高建筑室内空间使用舒适度。在玻璃结构设计中，如建筑主结构为单层轻薄结构，为保证主结构与玻璃结构有效融合，需要合理规划结构重叠方案，严格按照结构受力基本原则选用节点连接方式，不可一味进行结构叠加。

2.3 空间设计

节能建筑结构在低碳模式下必须要求施工单位，在建设施工过程中对单体房屋空间布局在建筑区域所起到的实际作用，进行综合测定和评价，在保障最大化空间利用率的基础上，最大限度减少空间资源消耗。针对建筑本身空间结构特征合理利用一切可再生自然资源，从而保障在有限建筑空间中降低整体建筑能耗。“气候空间”概念的提出为建筑设计绿色化、低碳化、生态化发展提供了新思路、新路径。而“气候空间”功能的实现需要通过建筑结构的合理规划、组合与联动。由图1 可知，该高层建筑整体结构为核心筒结构，具备内部空间大、内部交通便捷、室内采光好、抗震效果强等优势，属于高层建筑主流结构。相关工作人员在对该结构进行设计时，引入了“气候空间”概念，通过结构合理布局使建筑中庭与侧庭之间形成气候调节系统，该系统开启时，自然风能够从建筑第6 层中庭进入，在各种压的作用下，由建筑第8 层、第10 层侧庭排出，温度调节幅度在2～4℃，可有效提高建筑物使用舒适度，节约空调资源。此外，复合表皮技术（由遮阳构件、中空玻璃、遮阳板等沟通组成，具备遮阳、隔热、抗风、保温、降噪、采光等多重功效）、绿化屋顶技术（是海绵城市理念与建筑结构的结合表现，在屋面积水排出、净化、利用等方面具有积极作用）、空中花园技术等在建筑结构中的合理运用，可在增加建筑结构审美性的同时，提高建筑生态效益。

图1 低碳模式下某高层建筑结构设计

3 实例分析

3.1 工程概况

以某高层住宅建筑工程部分标段节能设计项目为例，该工程建筑总面积达到8.4 万m2，其中包括高层公寓18 层及联排别墅3 层，高层公寓主要房型为三房和两房两种。为满足建筑住宅低碳环保需求，相关在建筑结构设计当中进行了一系列节能设计，本文将重点针对案例工程建筑结构节能部分设计进行探讨和分析。

3.2 内外墙建筑材料及保温设计

建筑住宅围护结构主要部件包括遮阳设施、密封材料、隔热材料、地基、门窗、屋顶、内外墙等方面，在整体节能结构设计中，其室内空气质量、环境性能及建筑能耗方面的节能设计，对居民室内环境舒适度和视觉感受有着重要作用。因此，必须根据工程实际合理设计各项节能设施，增加围护结构本身的隔热保温能力，从而在最大限度上增强建筑结构整体节能效率[3]。

根据该地区对建筑节能设计规范和相关标准要求，围护结构建筑整体传热系数必须达到以下标准：①外墙建筑部分应不大于1.5 传热系数标准，屋面建筑部分应不大于1.0 传热系数标准，外窗部分应不大于4.7 传热系数标准，户门部分应不大于3.0 传热系数标准。②通过对本次案例工程建筑各项单体技能性能分析研究并结合实际工程预算标准，最终决定采用发泡水泥板作为联排别墅外墙保温材料，采用聚苯颗粒作为高层公寓内外墙保温材料。③联排别墅墙体基本构造主要采用厚度为轻质蒸压灰砂（200mm）空心砌体、水泥砂（12mm）及单体厚度发泡水泥板和水泥砂浆（5mm）制作，其外墙装饰部分主要采用文化石和文化砖制作。第四，高层公寓墙体基本构造采用水泥基外墙内保温无机保温砂浆（10mm）、轻质蒸压灰砂（200mm）空心砌体、水泥砂（12mm）进行制作，此外包括外墙水泥基外保温无机保温砂浆（30mm）及水泥砂浆（5mm）。其外墙饰面部分则主要采用真石漆涂料和基座干挂等石材制作。外墙外表部分整体色调为浅色系，从而有效降低建筑墙面吸收夏季炎热时期的阳光辐射。此外，为有效避免顶层居住用户受区域气温影响，建筑住宅屋面区域也采用同样方法进行保温隔热。本案例项目联排别墅建筑屋面保温部分主要以发泡水泥板作为主要建筑材料，其厚度可根据单体建筑区域计算。高层公寓则主要采用发泡混凝土作为主要屋面保暖材料，其厚度同样根据单体建筑区域计算。联排别墅屋面造型设计主要以坡屋顶为主，其整体构造层由下至上分为：屋面区域混凝土顶板、找平层、保温层、防水层、混凝土细石保护层及西班牙筒瓦。高层公寓屋面主要为平层设计，除了上层区域不是采用筒瓦材料制作外，其余部分与联排别墅构造基本一致。

3.3 阳台及门窗设计

案例工程阳台和门窗设计部分，主要采用中空双层LowˉE 玻璃作为主要玻璃材料，南侧外部门窗门框则主要采用铝型断桥隔热材料制作。因本次案例工程处于我国南方区域年均温度较高，故而必须合理设计窗墙面积比例以保障室内外空气流动性，如表1 所示。

表1 工程节能窗墙面积比例

此外在关于门户设计方面，本案例工程主要采用具有多功能防盗及保温功能的钢制乙级防盗防火门，并在双层门板中心区域布设了15～18mm 的矿棉板。

3.4 精细化设计节点防水

本案例工程关于门窗洞口和墙板等相对防水薄弱区域，主要按照以下标准设计：①在接缝处设计三道构造防水和材料防水相互结合的室内防水系统。②在板缝空腔区域合理布设相应的排水导管，并在板缝内侧区域布设密封防水胶条，其直径必须高于1.5 倍缝宽。③在十字接头位置横板缝和纵板缝周围300mm 区域内，布设密封胶嵌缝且应在板缝上下左右区域同时布设。

此外，穿墙管与穿墙套管间应运用嵌缝材料加以填充，并运用防水密封胶实施密封防水处理。女儿墙区接缝密封应与下部墙板保持一致，并在女儿墙内侧布设挑檐和凹槽等一系列防水构造，从而提升整体建筑防水效果。

3.5 建筑能耗设计

建筑住宅耗热量主要指的是在供暖期间建筑外部气温相对平稳的情况下，对住宅室内区域平均温度的计算，单位住宅面积在指定时间内的能量消耗所对应的室内供暖设施的热量供给总量。建筑住宅耗冷量主要指的是在运用空调设备降温期间，建筑外部气温相对平稳的情况下，对住宅室内区域平均温度的计算，单位住宅面积在指定时间内的能量消耗所对应的室内空调设备的冷量供给总量。而建筑住宅耗电量则是根据住宅本身耗冷量和耗热量相关指标，按照空调设备和供暖设备的能效比，精确计算出的单位住宅面积区域的耗电量。

3.6 零能耗建筑室外优化设计

室外环境主要是指相邻建筑之间和建筑附近环境，通俗来讲就是对建筑附近热环境、光环境、风环境等方面实施有效利用和处理，包括绿化设计、艺术设计和区域规划设计等方面，从而增强室内居民的生活舒适性。应因地制宜进行合理设计，从而在最大限度上降低室内空间建筑的应用能耗。室外空气流动通常会对建筑区域内微气候造成一定程度的影响。在夏季时期，因建筑本身前后压差相对较小而严重影响自然通风。而在冬季时期前后压差变化会形成大量冷风，因此，必须注重整体建筑防风结构设计。

建筑室外热环境的也是影响室内居民居住舒适度的主要因素，应全民采用绿化室外建筑设计模式，增加建筑室外环境的绿化程度，从而进一步改善室外环境，保障建筑物室内在一年四季当中始终保持应有的舒适感，可根据区域绿地面积、植物配置及整体布局优化而实现最终设计目的。除此之外，还包括建筑采光及区域地理环境等各种方面的绿化设计。