可持續(xù)性生態(tài)建筑設(shè)計(jì)方法在低層住宅結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

徐鑫

引言

我國(guó)雖地大物博，但人均資源占用量偏低，隨經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾日益突出，國(guó)家推出了可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)能、環(huán)保、改善生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染、延長(zhǎng)建筑物壽命的生態(tài)建筑將在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用[1～2]。

節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)和施工是重要和必不可少的部分，現(xiàn)代建筑師的一項(xiàng)重要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)建筑的科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，這涉及到氣候、經(jīng)濟(jì)、建筑和功能空間等因素。低層住宅建設(shè)通?？紤]使用更高效，低成本的設(shè)計(jì)解決方案，以可持續(xù)性為作為設(shè)計(jì)理念[3]；本文主要開(kāi)展可持續(xù)性生態(tài)建筑設(shè)計(jì)方法在低層住宅結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，探究低層住宅結(jié)構(gòu)中生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的生態(tài)、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。

1 可持續(xù)性生態(tài)建筑設(shè)計(jì)考慮因素

郊區(qū)低層住宅可持續(xù)性生態(tài)設(shè)計(jì)方法所考慮因素主要包括：①規(guī)劃轉(zhuǎn)型的方法；將住宅融入自然、社會(huì)和工業(yè)環(huán)境，逐步發(fā)展空間，達(dá)到最佳平衡封閉式、開(kāi)放式和半開(kāi)放式空間；②融入當(dāng)?shù)刈≌O(shè)計(jì)的文化傳統(tǒng)；③環(huán)保、節(jié)能的建筑材料的使用；④建筑設(shè)計(jì)的效率；⑤考慮在建筑物和結(jié)構(gòu)運(yùn)行期間使用替代能源，設(shè)計(jì)能量攝入和積聚系統(tǒng)。

2 規(guī)劃轉(zhuǎn)型的方法

“可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)”方法的重要組成部分是計(jì)劃轉(zhuǎn)換的方法，該方法在以下技術(shù)的幫助下實(shí)施：

2.1 住宅建筑的空間拓展技術(shù)

對(duì)于“成長(zhǎng)中”的郊區(qū)房屋，建議采用以下建筑技術(shù)：①加熱空間與不同“額外”規(guī)劃元素的組合，這包括寬敞的波紋、畫(huà)廊、玻璃陽(yáng)臺(tái)、棚屋或冬季花園以及逐漸垂直的建筑物延伸；二樓采用開(kāi)放式露臺(tái)的布置，如果有可用于樓梯安裝的空間，則可以使用它們作為房間的隔熱和翻新閣樓空間；②閣樓地板設(shè)計(jì)為地板，以防人員和家具的負(fù)荷增加，以及閣樓空間不含支柱，道具和其他桁架構(gòu)件。在設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用懸臂和延伸空間，這可以根據(jù)業(yè)主的需求增加房屋的面積。在現(xiàn)代建筑實(shí)踐中，低層住宅系統(tǒng)類似于“模塊化”建筑設(shè)置，它允許開(kāi)始規(guī)劃和建造一個(gè)商場(chǎng)區(qū)域的房子，然后在不影響已經(jīng)建成的房間的情況下擴(kuò)建該建筑物，這種“不斷成長(zhǎng)建筑”的方法是基于建筑系統(tǒng)與他們可能的可選用的模塊化結(jié)構(gòu)相互組合，在各個(gè)發(fā)展階段都能提供架構(gòu)解決方案。

房屋的模塊化元素通常具有相同的總尺寸，模塊化元素如圖1（a）所示，主要由層壓木材、木桁架、方邊板組合而成，通過(guò)拆卸和更換端壁，通過(guò)端部軸承元件來(lái)安裝模塊，端壁的結(jié)構(gòu)是用均勻的框架自支撐的，它可以替代門(mén)的窗戶和開(kāi)口的延伸。因此，由于不同的模塊相互組合，最小的住宅可以在必要時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿业拇笮腿叽缱≌ㄒ?jiàn)圖1（b）所示）。

圖1

2.2 實(shí)現(xiàn)房屋的封閉、開(kāi)放和半開(kāi)放空間的最佳平衡

一個(gè)低層住宅在其結(jié)構(gòu)中具有封閉的空間，半開(kāi)放的陽(yáng)臺(tái)、畫(huà)廊、陽(yáng)臺(tái)和完全開(kāi)放的露臺(tái)，但沒(méi)有檐篷或其他庇護(hù)所的門(mén)廊；而空間擴(kuò)展到環(huán)境中的程度表征了房屋操作的一種或另一種模式，并且需要保護(hù)房屋內(nèi)部空間免受額外太陽(yáng)、風(fēng)、冷、雪花圈和沙塵暴的有害影響。通常，在溫帶氣候下，一年中可以使用半開(kāi)放的可調(diào)節(jié)空間。在多云天氣的情況下，建議使用窗臺(tái)和“綠色房間”。在冬季，“綠色房間”不包括在房屋的整個(gè)空間內(nèi)，或者可以通過(guò)可變形的設(shè)備將其隔離。在夏季，房屋旁邊帶有戶外區(qū)域的開(kāi)放“綠色房間”將構(gòu)成一個(gè)單一的開(kāi)放空間。在可變形的外圍圍欄的組合下，夏季場(chǎng)所往往可以被包括在集體區(qū)域的空間系統(tǒng)中。如圖2住宅小區(qū)所示，其不僅可以通往住宅建筑的屋頂區(qū)域，而且還可以作為公寓一部分的半開(kāi)放式夏季建筑的組成部分。

圖2 開(kāi)放型房屋設(shè)計(jì)示意圖

3 使用環(huán)保的建筑材料及相關(guān)設(shè)計(jì)理念

環(huán)保的建筑材料和設(shè)計(jì)理念是可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分。建議使用天然材料，最好是那些在當(dāng)?shù)貧夂蛑袕V泛使用和傳統(tǒng)的材料（磚，木材，天然石材，瓷磚，玻璃等）。建議在改造工程中使用可回收或再利用的材料，不建議在生產(chǎn)和操作過(guò)程中使用排放有害物質(zhì)的合成材料；減少鋼筋混凝土和鋼筋的使用。

今天，當(dāng)涉及到更經(jīng)濟(jì)和大眾低層的建設(shè)住房時(shí)，專家的考慮到將建筑物在建造的預(yù)制件和結(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)丨h(huán)保建筑材料相結(jié)合，包括用預(yù)制框架系統(tǒng)建造獨(dú)立屋。例如在國(guó)外，新一代工業(yè)房屋建筑和建筑系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)考慮將彎曲的冷金屬型材和木質(zhì)結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)在工廠進(jìn)行提前加工，再將預(yù)計(jì)構(gòu)件和預(yù)制整體墻體結(jié)構(gòu)與絕緣以及由發(fā)泡聚苯乙烯或空氣隕石制成的模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互組合建筑[4～5]，通常在預(yù)制件中被使用到幾種類型的建筑和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括：框架式，板框式和面板框架式。其中，建筑框架可以由固體（金屬、木材、鋼筋混凝土）結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)（金屬、木材）結(jié)構(gòu)制成。而框架房屋的輕鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)，其用于建造輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物所花費(fèi)的工期是混凝土結(jié)構(gòu)建造同等建筑物的1/3；在這種情況下，重量輕的木材結(jié)構(gòu)允許設(shè)計(jì)輕盈，低成本的基礎(chǔ)；工業(yè)生產(chǎn)可以在制造高精度零件專家監(jiān)督下進(jìn)行，其在加熱車間制造房屋-公差僅僅為1mm，往往只需4d就可以從現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制單元完美組裝房子，顯示出明顯的高效性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)[5]。

眾所周知加拿大建筑師阿維弗里德曼[4]在上個(gè)十年中表達(dá)了他的觀點(diǎn)，“未來(lái)數(shù)十年內(nèi)，住宅建筑商的角色和功能將發(fā)生顯著變化，房屋將以標(biāo)準(zhǔn)面板或模塊化部件的組合構(gòu)建形式進(jìn)行大規(guī)模建造，這些部件將是借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，類似于汽車裝配線的技術(shù)；公司將主要在市場(chǎng)上銷售“包裝”，標(biāo)準(zhǔn)裝置，在工廠按照客戶批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行組裝，所有組合建造前的具體任務(wù)都可以在廠房?jī)?nèi)完成。而在國(guó)內(nèi)，遠(yuǎn)大筑工的裝配式技術(shù)早已在國(guó)內(nèi)許多城市中運(yùn)用，并取得了顯著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[6～7]。

4 節(jié)能建筑設(shè)計(jì)

在國(guó)外一些受溫帶氣候影響的國(guó)家，由于氣候條件的特殊性，往往將消耗1/3的能源用于建筑物的能源供應(yīng)方面，所以這些地區(qū)建造生態(tài)凡物的節(jié)能潛力巨大?？沙掷m(xù)發(fā)展建筑設(shè)計(jì)方法和相關(guān)施工技術(shù)被重點(diǎn)用于該地區(qū)溫帶氣候地區(qū)房屋建造過(guò)程中，并在后續(xù)運(yùn)營(yíng)期間有效減小了不可再生能源的消耗。典型的生態(tài)、節(jié)能建筑物類型包括：①“被動(dòng)房屋-節(jié)能房屋，由于采用最佳的空間規(guī)劃的建筑和建設(shè)性的解決方案，使得熱損失最小化；②“被動(dòng)式太陽(yáng)能房屋”，采用提高太陽(yáng)能吸收率的節(jié)能房屋而不使用工程設(shè)備進(jìn)行散熱；③“能源活躍的太陽(yáng)能房屋”，作為能源損失最小的建筑，它具有一個(gè)特殊的工程設(shè)備來(lái)吸收，分配和積聚熱量[4]?！氨粍?dòng)”房屋的建筑和設(shè)計(jì)解決方案：①要求房屋在考慮景觀的特點(diǎn)同時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩?，使得建筑物免受到風(fēng)的影響。②要減少建筑物外墻的周長(zhǎng)過(guò)度的空間不規(guī)則性布置，減小房間熱量損失。同時(shí)，要考慮房屋冬季暖氣的合理供應(yīng)以及夏季隔熱施設(shè)的設(shè)計(jì)（陽(yáng)臺(tái)，棚屋，附屬建筑物等），同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮建筑物能源的合理分配。③要考慮建筑物外墻封閉材料的選用，由于建筑物幾乎總是以熱量的形式喪失能量，增強(qiáng)建筑物外殼的密封性，對(duì)于冬季嚴(yán)寒地區(qū)的供暖設(shè)施的高效利用非常重要[8]。

5 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外低層生態(tài)建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要探討可持續(xù)性生態(tài)建筑設(shè)計(jì)方法在低層住宅結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，歸來(lái)主要結(jié)論如下：

（1）一些創(chuàng)新絕熱材料和技術(shù)方法越來(lái)越多的應(yīng)用到低層生態(tài)住宅建設(shè)中，通過(guò)這些材料和技術(shù)的巧妙結(jié)合，給予設(shè)計(jì)師更多空間來(lái)確保建筑物節(jié)能和環(huán)保的設(shè)計(jì)理念的展開(kāi)。

（2）國(guó)外低層生態(tài)住宅從規(guī)劃轉(zhuǎn)型、地區(qū)文化理念、結(jié)構(gòu)空間布局、預(yù)制式構(gòu)建設(shè)計(jì)、環(huán)保節(jié)能材料選用、隔熱方案設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)建筑物與自自然環(huán)境的協(xié)調(diào)，值得借鑒學(xué)習(xí)。

（3）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已列入我國(guó)今后核心發(fā)展戰(zhàn)略之一，關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，科學(xué)合理的開(kāi)展可持續(xù)生態(tài)建筑的設(shè)計(jì)和建造，有助于堅(jiān)決資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間日益突出的矛盾對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染意義重大，為未來(lái)建筑指明方向。

[1]周浩明，張曉東.生態(tài)建筑：面向未來(lái)的建筑[M].東南大學(xué)出版社，2002.

[2]吳柏清，何政偉，李喆，等.生態(tài)建筑在我國(guó)西部小城鎮(zhèn)規(guī)劃中的應(yīng)用研究——以安仁鎮(zhèn)為例[J].四川環(huán)境，2009，28（5）：79～84.

[3]李君.論建筑住宅設(shè)計(jì)中生態(tài)建筑理論的運(yùn)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（18）.

[4]E.A.Sukhinina，Urban Construction and Architecture，2013，2（10）.

[5]Z.K.Petrova，Science，education and experimental design.Proceedings of MoscowInstitute of Architecture：materials of international scientific-practical conference，2012：265～271.

[6]李孟.建筑產(chǎn)業(yè)新生態(tài)下的“寵兒”遠(yuǎn)大住工——“孤獨(dú)者的探索”[J].中華建設(shè)，2017（4）：7～9.

[7]林鳳鳴.遠(yuǎn)大聯(lián)合打造建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化新生態(tài)[J].中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)，2017（1）.

[8]洪 濱.生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的初步探討[J].四川水泥，2015（9）.