試析如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滿足節(jié)能要求

摘要：本文分析了現(xiàn)階段我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的節(jié)能現(xiàn)狀，并探討了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滿足節(jié)能要求的措施。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；節(jié)能要求；分析

節(jié)能是合理使用能源、有效利用能源，并在保證建筑物安全、可靠、舒適的基礎(chǔ)上降低能源損耗，使能耗降至最小，從而達(dá)到節(jié)省能源、降低成本的目標(biāo)[1]。目前，我國建筑能耗已接近全社會(huì)總能耗30%。隨著全球氣候變暖和化石燃料資源日漸枯竭，我國能源形勢(shì)并不樂觀。然而我國建筑節(jié)能效果非常不理想，與發(fā)達(dá)國家相比差距很大。建筑外墻的傳熱系數(shù)為發(fā)達(dá)國家的3～5倍，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為發(fā)達(dá)國家的3～6倍，外窗傳熱系數(shù)為發(fā)達(dá)國家的2～3倍[2]。這一方面說明我國建筑節(jié)能潛力巨大，另一方面也反映了我國建筑節(jié)能形勢(shì)非常嚴(yán)峻。因此，本文針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何滿足節(jié)能要求進(jìn)行了探討，供關(guān)心建筑節(jié)能的讀者們參考和借鑒。

1 我國現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)能現(xiàn)狀分析

如前所述，我國建筑節(jié)能應(yīng)用效果不佳，其主要原因分析如下：

1.1 節(jié)能觀念不正確

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員并未樹立起正確的節(jié)能觀念，表現(xiàn)在整體把握不足，過分重視房屋實(shí)用面積、結(jié)構(gòu)安全和造型美觀，卻忽視了建筑與環(huán)境協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)性能以及建筑品質(zhì)，節(jié)能設(shè)計(jì)力度明顯不足。例如為了表現(xiàn)建筑的獨(dú)特性，往往以犧牲建筑節(jié)能效果為代價(jià)；為了在設(shè)計(jì)中突出節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，片面地推崇高科技手段，而對(duì)于自然通風(fēng)、建筑遮陽這樣簡單的節(jié)能措施卻視而不見。

1.2 節(jié)能技術(shù)不過關(guān)

由于對(duì)節(jié)能技術(shù)內(nèi)涵理解不深，在節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方面不科學(xué)、不合理。例如只會(huì)套用標(biāo)準(zhǔn)圖集，而不能結(jié)合房屋實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。再如進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，材料選用不當(dāng)，保溫材料與被保溫材料結(jié)合沒有考慮長期節(jié)能效果，采用了不耐腐蝕、容易滲漏與結(jié)垢的普通金屬管道，這樣工程竣工后沒有多久就會(huì)出現(xiàn)節(jié)能效果明顯下降的現(xiàn)象。

1.3 節(jié)能驗(yàn)收不規(guī)范

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是不是達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，最終要靠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試、驗(yàn)收手段來證明。目前，這方面存在著問題，例如代表性不足，現(xiàn)場(chǎng)選點(diǎn)少，傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果不能全面反映實(shí)際節(jié)能效果等[3]。因此，那些宣稱節(jié)能達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目其實(shí)際節(jié)能效果是打了折扣的，顯然這會(huì)給設(shè)計(jì)人員正確評(píng)估節(jié)能效果帶來一些誤導(dǎo)。

2 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滿足節(jié)能要求的措施

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)，是指在進(jìn)行建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮建筑周邊環(huán)境與氣候條件，針對(duì)不同的地域特點(diǎn)，恰當(dāng)選用建筑體型、朝向以及建筑之間的組合。當(dāng)建筑物選址完成以后，可以通過營造人工湖、構(gòu)思園林綠化，改善建筑周邊的小氣候環(huán)境。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是在綜合考慮城市歷史、文化傳承、規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程造價(jià)、節(jié)能環(huán)保等基礎(chǔ)上，作出最適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與體形系數(shù)

一般來說，體形系數(shù)越大，建筑空間所分配的散熱面積也越大，能耗越高，所以立足于節(jié)能，建筑體形系數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制。影響體形系數(shù)的因素包括建筑物高寬比、平面與豎向規(guī)則性。建筑高寬比取值要適當(dāng)，因?yàn)殡S著高寬比增加，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到較大影響。為了保證承載能力需要，構(gòu)件截面尺寸、配筋都要增加，相應(yīng)地建筑整體造價(jià)也隨之增加。因此，建筑物高寬比不應(yīng)太大，例如地震烈度8度設(shè)防建筑，框架結(jié)構(gòu)的高寬比不應(yīng)超過3：1，框剪結(jié)構(gòu)高寬比不應(yīng)超過4：1，剪力墻結(jié)構(gòu)高寬比不應(yīng)超過5：2。

建筑物平面與豎向規(guī)則性方面既影響體形系數(shù)，也影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)體形系數(shù)定義，體積相同時(shí)外部形狀越簡單、規(guī)則，體形系數(shù)就越小。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也希望結(jié)構(gòu)規(guī)則以利計(jì)算。所以，基于共同的要求應(yīng)盡量保持平面簡潔、豎向規(guī)則以及一定的對(duì)稱性。為避免建筑體形剛度中心與主梁中心偏離太多以致發(fā)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，如圖1所示。立面布置應(yīng)減少外挑和過大的內(nèi)收，這樣可以減少對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。如果建筑物平面布置過于狹長，并且平面上有較長外伸時(shí)，外伸部分表現(xiàn)為高振型振動(dòng)，凹角部分很容易破壞，如圖2所示。豎向規(guī)則性影響節(jié)能的地方在于，非常不規(guī)則的豎向配置，如過大的外挑和內(nèi)收，將導(dǎo)致墻柱截面加大，造價(jià)升高，而節(jié)能指標(biāo)不一定滿足的了，而簡單、規(guī)則、均勻的布置較易滿足節(jié)能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，也要考慮高層建筑風(fēng)荷載的影響。由風(fēng)荷載公式 可知，風(fēng)荷載體形系數(shù) 對(duì)風(fēng)載荷 有影響，如圓形 ，高寬比不大于4的矩形、方形、十字形 ，復(fù)雜一些的Y形、V形、雙十字形等 ?？梢?，形狀復(fù)雜的造型風(fēng)載荷較大，建筑配筋和用料多，對(duì)節(jié)能也不利。

總之，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)體形系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是形狀方面，應(yīng)利用概念設(shè)計(jì)方法在滿足結(jié)構(gòu)承載力、節(jié)能和造價(jià)要求方面實(shí)現(xiàn)綜合平衡。同樣可以說明，在建筑方案階段介入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常必要的，如果等到方案確定以后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很多不合理地方可供優(yōu)化的范圍就小多了。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，前者是指外墻、屋面、外窗、外門等建筑外表層，后者指隔墻、樓板、內(nèi)門窗等分隔內(nèi)部空間的建筑內(nèi)表層。在建筑物總熱損耗中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損耗約占70～80%，透過門窗間隙散失的熱損耗約為20%～30%。減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損耗的主要途徑是減少建筑外表面積和增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱能力。減少建筑外表面積，可以通過體形系數(shù)進(jìn)行控制；增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱能力就是要加強(qiáng)保溫和提高門窗密封性。

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗中，外墻所占比例約為1/3左右。提高外墻的隔熱能力，目前主要措施包括外墻內(nèi)保溫、夾心復(fù)合墻體保溫、外墻外保溫、單一材料墻體保溫四種類型。其中外墻內(nèi)保溫施工比較簡單，造價(jià)較低，但會(huì)減少房間有效使用面積，而且無法消除熱（冷）橋，內(nèi)表面可能結(jié)露，對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)壽命也有影響。夾心復(fù)合墻體保溫是將保溫材料置于墻體中間，如同三明治那樣，其節(jié)能效果優(yōu)于外墻內(nèi)保溫，但也存在熱（冷）橋，墻體還會(huì)占用有效使用面積，并且抗震性能較差，不適宜設(shè)防烈度高的地區(qū)。外墻外保溫可基本消除熱（冷）橋，節(jié)能效率最高，內(nèi)表面也不會(huì)結(jié)露，也不減少使用面積，是目前大力推廣的外墻節(jié)能形式。采用單一材料墻體保溫往往也要足夠厚度才能滿足節(jié)能要求，這樣一來也會(huì)減少使用面積，而且一般也也存在熱（冷）橋問題。因此，工程建設(shè)推廣的主要保溫形式是外墻外保溫。

門窗能耗幾乎達(dá)到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的一半左右，因此門窗節(jié)能非常重要。減少門窗能耗的主要措施包括合理設(shè)置窗墻面積比、加強(qiáng)窗框保溫、提高門窗密封性能、選用合適的玻璃材質(zhì)等。開窗面積大固然有利于采光，但也增大了窗戶的熱損耗，但對(duì)結(jié)構(gòu)影響卻存在不同情況。例如洞口率大，對(duì)磚混結(jié)構(gòu)承重墻剛度削弱較大；但對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，填充墻對(duì)框架側(cè)移變形的約束越小，同時(shí)結(jié)構(gòu)自重減輕，可以減輕地震效應(yīng)，框架配筋、用料都有不同程度降低。再如窗洞口寬度影響，對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)，洞口寬度較大時(shí)，洞口之間墻寬減小，可能需要設(shè)置壁柱才能滿足承載力需要，如此使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化；對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，采用通窗形式時(shí)，洞口側(cè)面框架受到窗下墻牽制而成為短柱，對(duì)抗震極為不利，如圖3所示。因此，要同時(shí)滿足節(jié)能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

屋面隔熱原理與外墻一樣，包括內(nèi)保溫屋面、夾芯保溫屋面、外保溫屋面和單一保溫屋面。目前，主要采用外保溫屋面。外保溫屋面的形式有倒置式和正置式兩種做法，倒置式節(jié)能和防水效果更好，但應(yīng)選用吸水率低的保溫材料，如擠塑聚苯板，如圖4所示。此外，還有通風(fēng)隔熱屋面、蓄水隔熱屋面、種植隔熱屋面、反射降溫屋面等形式。

2.4 合理應(yīng)用節(jié)能材料

目前，節(jié)能材料的種類比較多，可選擇的范圍較寬。選用節(jié)能材料性能是關(guān)鍵，既要符合綠色節(jié)能要求，沒有污染，材料性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果出色，也就是節(jié)能效率高，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)合理。另外，節(jié)能材料與其接觸的材料之間相容性也要考慮，兩者之間不應(yīng)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)等問題。

3 結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滿足節(jié)能要求，不僅可以提高建筑的舒適性，更重要的是為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視節(jié)能理念的運(yùn)用，并在實(shí)踐中不斷完善節(jié)能措施，從而使建筑節(jié)能效果真正得到發(fā)揮。

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