高層建筑設(shè)計中生態(tài)建筑學(xué)的運(yùn)用探究

高藝琿

(山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030006)

1 概述生態(tài)建筑學(xué)

1.1 在高層建筑設(shè)計中利用生態(tài)建筑學(xué)的意義

在城市現(xiàn)代化建設(shè)過程中，建筑工程發(fā)揮著重要的作用， 但是建筑工程施工會消耗較多的資源，同時會產(chǎn)生污染問題，建筑工程施工產(chǎn)生廢棄物會污染空氣和土壤以及水資源等，威脅到人們的身體健康。近些年我國不斷增加高層建筑的數(shù)量，同時也加劇了環(huán)境污染問題， 而利用生態(tài)建筑學(xué)有利于解決這一問題。以下是生態(tài)建筑學(xué)在高層建筑工程中應(yīng)用的意義： 在高層建筑設(shè)計過程中融合生態(tài)建筑學(xué)，有利于結(jié)合生態(tài)環(huán)境和人工建筑，利用科學(xué)的方式節(jié)約工程資源。首先利用生態(tài)建筑學(xué)可以提高建筑工程資源利用率， 促進(jìn)建筑工程生態(tài)化發(fā)展。其次利用科學(xué)技術(shù)， 可以在建筑設(shè)計中更加靈活的利用生態(tài)建筑學(xué)，保障建筑工程符合自然發(fā)展規(guī)律。最后，利用生態(tài)建筑學(xué)可以高效利用可再生資源， 同時可以節(jié)省工程材料，降低廢棄物的產(chǎn)量，避免環(huán)境污染破壞生態(tài)平衡[1]。

1.2 高層建筑生態(tài)建筑學(xué)設(shè)計的目標(biāo)

生態(tài)建筑學(xué)的主要條件為自然生態(tài)系統(tǒng)，利用科學(xué)的設(shè)計方式有利于優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的性能，因為高層建筑設(shè)計工作具有復(fù)雜性特征，在實際工程中融合節(jié)能環(huán)保技術(shù)和施工材料等，有利于提升建筑生態(tài)系統(tǒng)的水平，滿足人們的居住要求，共同發(fā)展社會和生態(tài)以及建筑三方面。近些年，我國不斷增加建筑工程的高度，也逐漸增加能源消耗量，很容易破壞生態(tài)環(huán)境，再加上建筑工程施工技術(shù)非常復(fù)雜，涉及到較大的工程量，造成大量的建筑垃圾。通過融合生態(tài)建筑學(xué)，可以無害化處理建筑廢棄物，有效控制建筑工程的污染。利用生態(tài)建筑學(xué)的目標(biāo)還包括保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高室內(nèi)外環(huán)境的舒適度，均衡建筑工程的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 在高層建筑設(shè)計中利用生態(tài)建筑學(xué)的原則

2.1 舒適安全原則

建筑工程的目的是為人們提供舒適的居住環(huán)境，因此在建筑工程施工過程中需要遵守舒適安全原則，通過利用生態(tài)建筑學(xué)提高人們居住條件。根據(jù)生態(tài)建筑學(xué)，設(shè)計人員需要合理選擇施工材料，需要利用綠色材料，避免利用傳統(tǒng)的建筑材料污染環(huán)境。在選擇施工材料的過程中，設(shè)計人員需要根據(jù)業(yè)主需求，同時分析不同施工材料對于建筑工程產(chǎn)生的影響，保障業(yè)主生活的舒適度，例如選用的施工材料要進(jìn)一步優(yōu)化建筑通風(fēng)效果和采光效果，并且可以結(jié)合工程施工情況落實自我調(diào)節(jié)功能[3]。

2.2 可持續(xù)原則

可持續(xù)發(fā)展是我國社會所追求的一種發(fā)展方式，生態(tài)建設(shè)學(xué)正好與這個目標(biāo)相契合。因此在高層建筑設(shè)計階段需要推廣利用生態(tài)建筑學(xué)，利用科學(xué)的措施推動社會可持續(xù)發(fā)展。在利用生態(tài)建筑學(xué)的過程中，設(shè)計人員需要全面了解建筑工程，確定生態(tài)建筑學(xué)的應(yīng)用方法。設(shè)計人員需要綜合考慮各個方面，順利實現(xiàn)建筑工程綠色標(biāo)準(zhǔn)，保障建筑工程的使用壽命。通過遵守可持續(xù)原則，科學(xué)協(xié)調(diào)建筑物的各個方面，例如在設(shè)計通風(fēng)口的過程中，需要調(diào)節(jié)通風(fēng)口的位置和方向，優(yōu)化建筑通風(fēng)功能。

3 高層建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合高層建筑的使用周期來看，高層建筑施工將會影響到生態(tài)環(huán)境。例如開采和運(yùn)輸砂石料和水泥以及混凝土的過程中，將會產(chǎn)生較多廢氣和廢液以及粉塵等。開采砂石材料的過程會破壞生態(tài)環(huán)境，同時在攪拌混凝土的過程中，水泥和水將會產(chǎn)生水化熱，在混合攪拌細(xì)骨料和粗骨料的過程中，因為一些施工單位沒有清理施工現(xiàn)場，將會嚴(yán)重污染環(huán)境。此外在不同施工階段將會產(chǎn)生材料損壞和浪費(fèi)等問題。

對比其他建筑，高層建筑具有一定的特殊性：(1)室內(nèi)通風(fēng)比較差，同時具有較大的噪音。超高層建筑的高度通常超過了100m，因此高層建筑具有較大的容積率。不斷增加樓層高度之后，也逐漸增加風(fēng)荷載對于高層建筑的影響，因此在高層建筑設(shè)計階段需要考慮風(fēng)荷載的影響。在高處風(fēng)速比較高，將會導(dǎo)致高層建筑住戶產(chǎn)生不舒服感，此外風(fēng)速比較快會產(chǎn)生較大的噪音，因此高層建筑外圍結(jié)構(gòu)使用的材料應(yīng)該具備較高的隔音性能。高層建筑的風(fēng)速比較快將會產(chǎn)生較大的噪音，影響到居住者的居住體驗，因此在實際設(shè)計過程中需要規(guī)避這一問題。通常在15層～25層建筑樓層的噪音比較大。(2)鳥籠式建筑，鳥籠式建筑指的是人們的居住空間比較小。高層建筑為了提高土地面積利用率，增加每層的住戶數(shù)量，同時擴(kuò)大公攤面積之后，將會無限擠壓每一戶的空間，不斷縮小居民生活空間，并且突出高層空間的密閉性特征，長此以往將會影響到居民的身心健康[4]。

設(shè)計過程中，需要考慮到生態(tài)環(huán)境的影響因素，在最大程度上降低對于生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，實現(xiàn)人與自然和諧相處的目標(biāo)。

4 生態(tài)建筑學(xué)在高層建筑工程設(shè)計中的應(yīng)用措施

4.1 深入理解生態(tài)建筑學(xué)

利用生態(tài)建筑學(xué)可能無法保障短期經(jīng)濟(jì)效益，但是可以獲得持續(xù)性的生態(tài)效果，但事實上一些建筑企業(yè)沒有重視生態(tài)建筑學(xué)的意義，片面地認(rèn)為利用生態(tài)建筑學(xué)不利于保障生態(tài)建筑學(xué)效果，不利于融合生態(tài)建筑學(xué)和高層建筑設(shè)計工作。因此相關(guān)部門需要加大力度宣傳和推廣生態(tài)建筑學(xué)，幫助更多的建筑企業(yè)理解生態(tài)建筑學(xué)的優(yōu)勢，并且在建筑行業(yè)中推廣利用生態(tài)建筑學(xué)。此外需要完善生態(tài)建筑學(xué)教育培訓(xùn)機(jī)制，為高層建筑設(shè)計人員提供專業(yè)的教育機(jī)會，從而可以深入了解生態(tài)建筑學(xué)理念，在高層建筑整個周期中持續(xù)性發(fā)揮出生態(tài)建筑學(xué)作用。政府部門需要肩負(fù)自身的監(jiān)督管理職能，推動生態(tài)建筑學(xué)發(fā)展，宏觀調(diào)控當(dāng)?shù)亟ㄖ袌觯岣呓ㄖ袌霏h(huán)境的規(guī)范性，全面滿足相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)的要求，合理約束建筑企業(yè)的不規(guī)范性[5]。

4.2 建設(shè)空間生態(tài)

在高層建筑設(shè)計中融合生態(tài)建筑學(xué)，需要建設(shè)空間生態(tài)建筑協(xié)調(diào)高層建筑和周圍環(huán)境。在宏觀規(guī)劃高層建筑的過程中，需要落實整體調(diào)整，提高人們居住的舒適度和安全性。在高層建筑設(shè)計階段，設(shè)計人員需要考慮人體的適應(yīng)力，有效結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境和氣候條件等。例如一些地區(qū)溫度較高，設(shè)計人員需要設(shè)計內(nèi)部儲水裝置，提高人們用水的便利性，同時可以有效控制溫度，在設(shè)計過程中實現(xiàn)建筑物的自身調(diào)節(jié)功能。在炎熱地區(qū)，設(shè)計人員需要增加建筑周圍的植被面積，有利于合理調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部溫度，同時可以影響到當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，避免因為缺水引發(fā)水資源危機(jī)。在水分儲藏的過程中也可以利用植被，通過利用植被可以優(yōu)化各類氣候環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等，推動空間生態(tài)建設(shè)發(fā)展[6]。

例如平遙古城建設(shè)生態(tài)建筑工程，利用天然原材料(木材和粘土以及焦化渣)合理安排建筑和其它因素的關(guān)系，構(gòu)建有機(jī)結(jié)合體。對平遙古城的古民居街道給予保護(hù)，維持古民居和古寺廟以及古街道等形成統(tǒng)一的風(fēng)格。這對古城外地區(qū)，根據(jù)因地制宜和就地取材理念，建立統(tǒng)一的莊園式建筑，有效協(xié)調(diào)發(fā)展旅游和經(jīng)濟(jì)以及社會。通過沼氣池回收飯店剩飯和家庭秸稈，可以為照明等提供能源，同時可以控制大氣污染。

4.3 高層建筑外墻生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

高層建筑外墻設(shè)計主要是針對裝飾幕墻，并且應(yīng)用于高層住宅建筑中，通常是在高層建筑外墻表面上，可以安裝太陽能電池板和集熱板，滿足建筑物的供電需求，實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的目標(biāo)。在高層建筑生態(tài)設(shè)計過程中，需要進(jìn)一步完善建筑生態(tài)系統(tǒng)，保障室內(nèi)空氣流通效果和室內(nèi)采光效果，同時可以保障建筑物內(nèi)部循環(huán)效果。針對高層建筑外墻開展生態(tài)設(shè)計工作，有利于充分利用太陽能和自然風(fēng)，優(yōu)化高層建筑物的運(yùn)營效果，同時可以降低建筑物能源消耗?？梢岳眯路f的屋頂采光技術(shù)，如圖1柏林國會大廈利用的穹頂，光線通過中庭進(jìn)入到高層建筑，再利用陽光收集裝置向建筑內(nèi)引入光線，不僅可以減少熱量流失，同時可以降低制冷能耗。

為了提高能源利用效率，高層建筑設(shè)計人員主要是設(shè)計幕墻和頂部墻，因此節(jié)省建筑能源消耗，降低熱輻射。但是這種設(shè)計方式需要利用較多的電力資源，同時不利于保障空氣質(zhì)量，這是因為建筑過于依賴空調(diào)。為了解決這一問題，高層建筑設(shè)計人員需要優(yōu)化建筑物的自然通風(fēng)效果。

圖1 柏林國會大廈的穹頂

4.4 建設(shè)整體生態(tài)環(huán)境

使用生態(tài)建筑學(xué)需要從整體角度考慮高層建筑物，通過高效的協(xié)調(diào)建筑能源，更加合理的轉(zhuǎn)換自然環(huán)境，保障整體建筑和諧發(fā)展。例如在干燥區(qū)域，設(shè)計人員需要優(yōu)化設(shè)計水系統(tǒng)，在利用水資源的過程中充分落實水循環(huán)，需要通過濕氣處理所有的水資源，保障水能補(bǔ)給的持續(xù)性，從而可以充分利用建筑內(nèi)部的水資源。

在高層建筑采光設(shè)計過程中受到客觀因素的影響，因此需要制定針對性的設(shè)計方案，不僅需要降低電能消耗量，同時可以獲得較多的光照，突出生態(tài)建筑學(xué)理念。在設(shè)計建筑空間朝向和空間格局的過程中，可以合理增加通風(fēng)面積，減少空調(diào)使用率，因此節(jié)省能源消耗。在高層建筑中需要利用自然通風(fēng)的方式，利用雙層通風(fēng)幕墻和幕墻開窗等方式，這兩種通風(fēng)設(shè)備具有不同的開啟方式。幕墻窗開啟時利用外推、固定窗的方法，將墻窗打開。之后可以開展雙層通風(fēng)幕墻，實現(xiàn)內(nèi)外循環(huán)。實際運(yùn)用時這樣的運(yùn)用方式可以最大限度節(jié)省能源的消耗。

4.5 采用生態(tài)表皮設(shè)計

建筑表皮生態(tài)設(shè)計主要是針對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。而建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括樓板和屋面以及外墻等。因為高層建筑外圍墻體系消耗較多的能量，因此在高層建筑設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要綜合考慮建筑功能，同時需要全面分析建筑表皮的支撐功能，考慮輻射對于人體的影響，提高高層建筑居住環(huán)境的健康性和舒適性。例如在設(shè)計某地區(qū)高層建筑表面覆蓋系統(tǒng)的過程中，主要是建立雙層結(jié)構(gòu)，并且在建筑表皮設(shè)計隔熱玻璃和多孔通風(fēng)層，在實際應(yīng)用雙層表皮的過程中，可以發(fā)揮出散熱和通風(fēng)能力，對于建筑內(nèi)部空氣還可以發(fā)揮出凈化作用，進(jìn)一步提高高層建筑的環(huán)境質(zhì)量，降低天氣變化對于高層建筑的負(fù)面影響。通過在建筑內(nèi)部安裝控制板，可以有效控制自燃通風(fēng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化外部空氣為緩沖氣流，并且向建筑主體輸送，因此降低外部風(fēng)力的影響，并且可以為高層建筑提供自然風(fēng) 。

4.6 建筑遮陽設(shè)計

在高層建筑設(shè)計過程中，需要做好遮陽設(shè)計工作，避免過度輸出能源，同時有利于平衡生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。例如在窗戶設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要設(shè)計節(jié)能窗戶，同時需要增強(qiáng)窗戶設(shè)計的美觀性。針對當(dāng)前光源污染問題，設(shè)計人員需要合理選擇窗戶玻璃材質(zhì)和邊框顏色等，合理控制遮陽系數(shù)和傳輸熱量等，順利實現(xiàn)高層建筑節(jié)能效果 。

4.7 其它設(shè)計要點(diǎn)

在管道設(shè)計過程中需要調(diào)查和研究周圍環(huán)境和施工情況等，滿足建筑物的內(nèi)部環(huán)境要求。通過合理改善窗戶面積，或者設(shè)計垂直的遮陽網(wǎng)格，提高整體設(shè)計水平。在高層建筑設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要合理分析建筑現(xiàn)狀系數(shù)和散熱比，合理布置建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)施，在建筑西側(cè)布置電梯和管道以及設(shè)備室等，有效阻擋太陽輻射。在高層建筑中具有較多的管線道路，多工種管道設(shè)計很容易產(chǎn)生相互交叉和錯位等問題。因此需要合理設(shè)計各個管道，進(jìn)一步優(yōu)化整體建筑生態(tài)性能。

設(shè)計空調(diào)風(fēng)管的過程中，需要合理把握風(fēng)管吊頂?shù)母叨?，并且根?jù)界面高度方向的長度合理減少風(fēng)管長度，盡量利用短風(fēng)管。如果必須利用長風(fēng)管，要規(guī)避和其它管道產(chǎn)生錯位交叉問題，提高建筑空間的利用率。

5 結(jié) 語

在高層建筑設(shè)計過程中，為了提高整體設(shè)計水平，設(shè)計人員需要根據(jù)高層建筑的特征融合生態(tài)建筑學(xué)理念，進(jìn)一步協(xié)調(diào)高層建筑和自然環(huán)境，推動我國整體建筑行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。