基于生態(tài)建設的建筑工程關鍵技術及其應用

文／鄔彥舒 湖南教建集團有限公司 湖南長沙 410000

引言：

在能源、環(huán)境等一系列發(fā)展問題日益嚴重的今天，走生態(tài)、綠色、節(jié)能發(fā)展道路是各行各業(yè)發(fā)展的必然選擇，土木工程行業(yè)也不例外。所謂生態(tài)建筑，實際上是傳統(tǒng)建筑與生態(tài)環(huán)保、節(jié)能降耗理念有機結合的重要產物。國內外對生態(tài)建設的關注較多，但對以生態(tài)建設為基礎的建筑工程建設的重要方面關注較少。我們要依靠科技創(chuàng)新，研究和應用生態(tài)建設的關鍵技術，以建設工程為基礎，推動我國生態(tài)建設進程。

1、生態(tài)建筑的設計策略

根據生態(tài)建筑的設計目標與建筑設計準則,生態(tài)建筑的設計策略主要包括如下幾方面:

1.1 建筑規(guī)劃設計

建筑設計規(guī)劃與設計應從整體角度掌握人類生態(tài)系統(tǒng)的基本構成,以自然環(huán)境為基準實施建筑設計規(guī)劃與生態(tài)建設計劃,合理使用土地,合理統(tǒng)籌經濟、社會與自然環(huán)境中間的相互關系。按照建筑材料天然的根本屬性,合理組織建筑設計各功用劃分,使建筑材料群的動能流、物流通暢無礙;合理確定建筑材料方向、間距、空間形態(tài)、綠化設置等內容。重視場地設計,尊重所設計區(qū)域內的環(huán)境,根據植物的生長特性,因地制宜,力求以最少的土地使用量,降低對土地的破壞。合理組織交通,減少對地面上各主要功能區(qū)域的交叉影響。依據地勢特征,合理利用建筑物周邊干擾。按照地貌特征,運用建筑物與周圍環(huán)境以及建筑本身的形態(tài)處理通風與光影關系,并組織立體綠化空間與水體,以提高建筑物的小氣候條件,讓人類生活在綠色、富有生命活力的自然環(huán)境中。在城市生態(tài)建設規(guī)劃設計中,要將具體建筑物看作是整個城市建設大系統(tǒng)的重要組成部分,同整個城市建設大系統(tǒng)相互聯系,將建筑物內無法消化的廢棄物變成其它元素的資源。

1.2 建筑方案設計

建筑設計人員要將建筑物看成一種微型生態(tài)系統(tǒng),利用建筑生態(tài)設計充分有效運用太陽光、風力等天然能源,并充分考慮建筑物空間結構的形態(tài)與周圍自然環(huán)境空間結構的相互聯系,采暖、通氣、采光、電力等相關方面的高效利用和協同等,以減少系統(tǒng)對周圍自然生態(tài)體系的直接影響。建筑設計方案與設計宜充分運用天然日光、陰影,并選取合適的建筑設計方向和建筑體量;營建良好的局部建筑森林小氣候環(huán)境,使室內空間和戶外空間環(huán)境相結合,增進人與自然社會的聯系;建筑設計空間結構多樣化科學化,增加了利用功能的靈活性和空間設計的可能性,并預留了改變余地,進行改造和裝修后進行再造利用。建筑方案設計合理地確定建筑物體型。建筑物的細高比愈大,熱量損失,對熱能吸收也就愈大。以立方體建筑為例,最經濟的比例為1:4(高:寬)。所以,夏季降低建筑的熱能吸收率以及冬季降低建筑的熱能損失并非只是單純地決定朝向,而建筑形狀和體型系數也都是最主要的影響因素。

1.3 建筑技術設計

自然環(huán)境化建設不但從設計方案中注重建筑與自然環(huán)境的融合性,也要求從材料、建筑、節(jié)能等方面處處反映自然環(huán)境化。首先,在工程設計中要積極應用新科技、新產物,以便降低建筑對自然環(huán)境的破壞。經過合理利用“地方資源來適應當地需求,盡量減少對外來特種物料的采用,倡導采用能源的材料來實現建筑自然環(huán)境化;應該更多地采用能源建材等天然節(jié)能型材料”。注重新科技的建筑自然環(huán)境化建設的主要優(yōu)勢在于:經過利用計算機與現代計算機技術的發(fā)展,可以使原來固定的建筑結構變?yōu)橄鄬τ谥車h(huán)境,能夠自行調節(jié)的圍合建筑物。如以綠化植栽作為隔離墻面,將空間分割,營造綠化墻或采用活木作為墻體、梁柱,更好地將建筑物和自然景觀統(tǒng)一。

生態(tài)建設中應當注重盡量減少能源,尤其重視建筑物在空間布局和物質能源費用上的節(jié)省,即建筑物限高、小體積、構造簡潔、功能多樣化、低能耗、少維護費用等建設模式。外立面保溫施工科技日益完善,外墻體防水保溫采用擠塑板、聚苯板以及涂層建筑物隔熱材等,內保溫性能采用復合外立面以及由加厚的建筑物廢渣制成的輕量化磚墻等單一材料;內保溫性能門窗結構主要采用鋁合金材料以及塑鋼單框雙玻、三玻、中空玻璃等氣體封閉的玻璃窗,屋面結構采取倒置形式,以擠塑板、聚苯板等為主體的保溫隔熱材料,既保溫效果又可有效延長建筑物防水涂料的利用期限;在節(jié)約用水技術方面,采用節(jié)水型的衛(wèi)生用具如節(jié)水龍頭等,成規(guī)模的居民小區(qū)推廣則采用中水系統(tǒng),以使建筑污水再生利用；供暖系統(tǒng)方面利用太陽能熱供暖體系,通過運用現代科學技術轉化為風力、水力等自然界的潔凈能量實現了供冷,并且運用環(huán)境生態(tài)化工程建設沼氣池緩解了生活污染問題,既有效凈化了自然環(huán)境,也進行了能量的再次使用;建筑節(jié)地技術方面,通過對城市總體規(guī)劃設計的管理,積極推行中低層高密度、高層住宅大密度、集約式居住等設計,并且盡量減少或者暫停了粘土實心磚的應用。結構節(jié)能,在建筑設計細節(jié)上通過運用百葉窗、建筑物內部遮陽框架以及中國傳統(tǒng)的木板窗簾等手段,對單體建筑物中出挑的陽臺、有項的或開放式的外廊等都能夠發(fā)揮遮陽節(jié)能的效果。

2、基于生態(tài)建設的建筑工程技術

滬灞生態(tài)區(qū)地處渭河平原滬灞恒河三角洲、西安市中心中學生城區(qū)以東,包括了滬灞河二河四岸的南北向帶狀地段。滬灞生態(tài)區(qū)的總經濟發(fā)展目標為構建中國中西部第一水城、開創(chuàng)新區(qū)的建設模式,并確定“以河道整治推動地區(qū)經濟發(fā)展,以新地區(qū)開拓推動生態(tài)化重構”的思路。西安瀘灞商務中心位于滬灞三角洲中部,該項目定位為基于生態(tài)建設的建設項目。建筑設計堅持生態(tài)建設理念,充分考慮功能要求和環(huán)境特點。為實現建筑節(jié)能、環(huán)保和整體效果的統(tǒng)一,建筑外圍護結構采用清水混凝土；針對本項目所處的特殊地理環(huán)境,開展了以熱環(huán)境模擬和自然通風降溫生態(tài)設計為核心的一系列生態(tài)施工技術研究和商業(yè)應用。

2.1 基于CFD技術的生態(tài)示范建設關鍵技術

（1）自然通風和降溫生態(tài)技術。CFD技術即計算的流體動力學技術,是指通過對現實環(huán)境狀況的“虛擬化”的計算機實驗,確定了影響流體流動的流場在連續(xù)變化位置上的離散分布,進而可以虛擬化地仿真分析現實中的流體流動狀況。本研究結合渭河平原特殊地區(qū)的環(huán)境特點,首次采用CFD技術進行自然通風降溫生態(tài)設計。例如,在對建筑中庭進行簡化建模后,確定了氣流組織模式,并進行了CFD模擬計算。分析了不同條件下建筑的室內溫度動態(tài),提出了不同地區(qū)自然通風的優(yōu)化設計建議。開敞、靈動的內部空間反映了空氣流動的特點,建筑物以南北方向布局,迎向夏季主要風向,不低于30%的外窗總面積以爭取更多自然通風,降低空調能耗。

（2）自然地形高差設計技術最大限度利用自然地形高差設計技術,利用場地深坑設置下沉廣場穿過建筑,形成良好的自然通風通道。開發(fā)地下空間布置車庫和集中設備用房.減少噪聲,減少對地面場地的污染。

（3）種植屋面的工程設計和建造工程中大量使用了種植屋面,既能夠節(jié)約建筑能源、延長防水工程卷料的利用期限、提高隔熱效果和防火功能,還能夠提供保持清潔空氣、提供昆蟲棲息、降低熱島效應等效果。

（4）地源熱泵的工程設計和建造技術運用地源熱泵工程技術,運用地下淺層地熱資源,建立高效率節(jié)能環(huán)保型中央空調系統(tǒng)。再通過進口較少數量的電能,就可以完成電能由低氣溫供熱向高溫天氣供熱的轉換。在冬季,將泥土中的能量“取”起來,增加氣溫后供應居室用以采暖;在夏季,把居室的熱力"取"起來后排放到泥土中去,同時常年保持與地下室氣溫的平衡。

（5）廣場透水地磚的應用與施工外廣場采用陶瓷透水地磚,具有強度高、行走安全、降噪、裝飾使用效果好、透氣等優(yōu)點。在使用中,它不會影響周圍環(huán)境,還能促進花卉、植物和樹木的生長,促進環(huán)境保護。

2.2 高性能輕集料飾面清水混凝土技術的研究與應用

西安瀘灞商務中心項目外墻原設計為飾面混凝土結構,內保溫系統(tǒng),不僅造價高、工序多,但也有厚厚的墻壁,占據了部分空間。之后,建議改為國內首創(chuàng)的輕骨料清水混凝土。利用萬方陶粒作為輕骨料的混凝土具有良好的保溫性能,可以直接減少墻體厚度,同時達到保溫和清水混凝土的效果。

2.3 各種清水混凝土的關鍵技術研發(fā)及應用

西安瀘灞商務中心項目將綜合運用常規(guī)大面積、復雜異形結構、大面積正斜板、大面積倒斜板清水混凝土等各種清水混凝土的關鍵技術。通過相關核心技術的研發(fā),實現了以耐久性為核心的一系列清水混凝土技術和城市生態(tài)建設的完美融合,為同類工程與生態(tài)環(huán)境相結合的建設積累了經驗。

（1）常規(guī)大面積清水混凝土。大規(guī)模的清水鋼筋混凝土直墻,為防止禪縫不交圈或者滲漿、漲模、誤差臺等典型的建筑工程質量通病,依據鋼筋模板系統(tǒng)設計自身特性,在鋼筋模板的支承結構體系、明禪縫等節(jié)點采用型鋼支架加固及禪縫內貼密封海綿條等方式進行改進。

（2）復雜的異形結構,清水混凝土Y式清水混凝土柱穿越各樓層,高度較高,最大截面達1200X1000mm,傾斜角度60°。使用鋼絲繩牽掣固定柱鋼筋直徑中t部,以避免鋼筋骨架因自重下撓而變形導致模板支設不到位；斜柱與直柱結合部位采用定型弧形鋼模板,保證線條過渡平滑;通過分段澆筑、開孔排氣及控制振搗解決弧形面氣泡問題。

（3）大面積45°正斜板清水混凝土。大面積的45°正斜板清水砼外墻厚度約為140mm,屬于鋼筋直徑較密集、混凝土施工困難的薄壁構件類型,正斜板上下部和其它結構之間均是以圓弧式的連接過渡。使用了雙側撐模,對模板和背楞鋁梁面經過統(tǒng)計和優(yōu)化了布置方式,對砼采取大流態(tài)的自密實砼法完成施工,有效地緩解了斜板表層的氣泡和裂紋管控困難等問題。

（4）大面積135°反斜板清水混凝土。大面積的135°逆坡板均為長突檐結構,伸出建筑物27.8m。但充分考慮到起拱的長突檐梁下撓會引起斜板上形成次應力位,從而形成裂紋。將澆筑次序調整為先澆筑大梁、樓板,最后再分別進行逆坡板構件,待與框架梁柱結合以實現的較高強度和變形現象生成之后,才不會在斜板上形成明顯的內部應力。而反斜板一般使用大流態(tài)的自密實清水混凝土,以更充分地實現對該混凝土結構的自流動性、以及對鋼筋的通過性能,以及對模板的填充特性以取得良好的澆筑效果。

2.4 設計施工互動協作的研究與應用

（1）建筑設計施工相互協調的內涵。由于滬灞商業(yè)中心建筑結構復雜、多樣化,建筑設計除要實現其用途以外,同時還需要與新工藝相配合,所以建筑設計和施工之間的相互協調對能否盡善盡美,以及體現生態(tài)建設效益就變得很關鍵。工程項目建置縣對工程專案管理模式的大膽革新,探索出了工程設計和施工單位“互動協作”的這一管理模式,一方面,設計、施工單位的雙方優(yōu)勢可以彼此互補,一方面簡化了工程設計中心環(huán)節(jié),也增加了相應信息；另外一個,施工單位可以更有時間參與設計,從而保證了設計方案的實施有效性；兩者相得益彰,最終構成以生態(tài)化為設計核心理念的施工產品,并達到以現代生態(tài)化示范施工的共同目標。

（2）建筑設計和建筑施工交互的協作管理方式適應了生態(tài)城市建筑理念的建筑與施工交互協作管理的方式,并沒有把建筑設計和施工單位簡單的松散融合,而是圍繞著項目目標的實現,通過建筑與施工單位在一起去創(chuàng)造建筑效益,為業(yè)主提供最滿意的建造成品。其運作特點是服務業(yè)主體、企業(yè)權責統(tǒng)一、綜合優(yōu)勢明顯,對各項目標的達成負有一定的責任與義務。這也是項目在更深層次上的全面質量管理體系,表明了項目工程“內涵”的提升。

（3）建筑設計與施工交互協同的應用在工程執(zhí)行過程中,通過建筑設計和施工單位的密切合作,對建筑物外立面陶粒與水泥設計、建筑物構件配筋優(yōu)化、對結構耐久性影響指數的測量、建筑施工中的變形檢測,以及斜板清液混凝土的優(yōu)化使用等多個方面實現了交互協同,并進行了工程管理理念的全面革新,不但使建設工程順利優(yōu)質地進行,更符合生態(tài)建設需要,同時獲得了社會各界普遍的認同,為工程建設單位節(jié)省了巨大投入,給參建單位帶來了可觀的經濟和社會效益。

3、生態(tài)建筑中常用的應用要點及關鍵技術應用效果

3.1 建筑和太陽能一體化施工技術

建筑熱與太陽能一體化建筑技術,實際上是把傳統(tǒng)的建筑物熱與太陽能利用設備加以有機組合,利用太陽能集熱器來對房屋屋頂的保溫板材以及覆蓋層加以替換,這不僅有助于減少太陽能利用設備對建筑外在形象所造成的負面影響,它還消除了重復性投資，大大降低了建筑工程建設成本,是未來太陽能技術在建筑領域應用和發(fā)展的重要方向。例如,可以在建筑屋頂上設計特殊的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),并與屋頂玻璃采光屋頂機相結合,這樣硅太陽能電池板就可以用來遮擋玻璃采光屋頂,創(chuàng)造綠色,舒適、放松的空間環(huán)境為建筑內部營造氛圍。此外,建筑與太陽能一體化施工技術可以統(tǒng)一進行設計和施工作業(yè),避免二次安裝施工作業(yè)造成工期延誤,降低施工成本,有效保證效益。

3.2 施工過程水回收利用技術

生態(tài)建筑現場施工期間,由于其施工規(guī)模相對較大,所以現場的排水工作是工作量較大的一個工程。在現場施工作業(yè)期間,可以摒棄以往生態(tài)建筑現場施工中直接配備一套蓄水池與輸水管的方式來對現場的雨水進行存儲。取而代之的是可以使用雨水循環(huán)運用技術而形成新的現場排水模式,即可以預先在施工現場外側等處科學合理地鋪設了一個雨排水管網,并臨時地對其排放口加以暫時封閉管理,這樣就能夠使一個個分散布設的雨井連同它們內部的管道形成了一個個整體的蓄水體系,這樣就不再需要專門在現場建設過程中特意設置滯洪水池或輸漿管道,從而降低了建設現場排水設施的費用。然后可以利用基坑、臨時設施屋面或者道路來匯集降雨,并按照就近的原則把它們集中在一定的蓄水體系之中,這樣就能夠進行生態(tài)建筑物屋面的灑水減熱、水泥構件保護、現場路面灑水消塵或者清洗車輛和衛(wèi)生間等,這樣就能夠大大減少在現場施工作業(yè)中采用自來水的時間,大大節(jié)約生態(tài)建筑現場施工中的水資源,降低現場施工成本。

3.3 經濟效益

集成創(chuàng)新科技的創(chuàng)造和運用產生了可觀的效益,其中生態(tài)建設系列技術創(chuàng)新實現效益621億元。

3.4 社會效益及人才培養(yǎng)

該項目曾榮獲“西安市建筑文明施工”及"西安市結構創(chuàng)新工程項目"等榮譽,并利用高新技術的應用,總結形成了創(chuàng)新的建造方式,為今后建設同類工程項目提供參考,并培育了一大批技術骨干,為進一步深入普及高能效標簽新材料打下了基礎。表面處理品質級別應達Sa3級,環(huán)氧富鋅基漆的鋼鐵表層處理品質級別應達Sa2.5級,不方便噴水去灰的部份,手工和動力方式去灰至St三級別。熱噴鋁鋼筋表面粗糙度為Rz60-100μm；而環(huán)氧富鋅基漆材料表面粗糙度則為Rz5～80μm,其品質要求應當滿足設計文件和2008《公路橋梁鋼構防腐涂裝技術條件》的要求。

結語：

總的來說，生態(tài)建設的建筑工程是利于社會、經濟、環(huán)境協調發(fā)展，推進生態(tài)建設歷程，受到市民好評，取得了很好的社會效益。