柱體球頂結(jié)構(gòu)高層建筑結(jié)構(gòu)材料節(jié)能研究★

李雪妍，徐雪桐，徐 欣，楊如軒，趙晨陽，何永明

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國(guó)建筑數(shù)量的不斷增加，建筑材料的使用數(shù)量也呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，我國(guó)建筑行業(yè)的能源消耗量已不容忽視。此外，在建筑投入使用后，樓內(nèi)的供電、供暖、通風(fēng)等也產(chǎn)生了巨大的能源消耗，因此，對(duì)建筑節(jié)能的研究尤為必要。本文從建筑結(jié)構(gòu)、材料使用、通風(fēng)設(shè)計(jì)3個(gè)主要方面來對(duì)建筑節(jié)能進(jìn)行研究。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 樓體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同樣體積的高層建筑，圓柱體的樓體表面積最小，散熱面積也最小，能夠起到很好的保溫作用。同時(shí)，要達(dá)到同樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，圓柱體的樓體使用的材料最少。此外，柱形樓體抗震性能較傳統(tǒng)建筑更強(qiáng)。因此，選擇柱形樓體結(jié)構(gòu)更加有利于節(jié)能。本文研究的柱形塔樓建筑設(shè)計(jì)層數(shù)為12層，樓體的主要結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑外部的框架由均勻分布的8根巨柱組成，核心筒位于樓體中間，由從底層直通到樓體頂層的剪力墻構(gòu)成，它承擔(dān)了主要的抗側(cè)結(jié)構(gòu)力，減輕外部框架的承重壓力。此外，為了保證樓體的穩(wěn)定，將6樓以及頂樓設(shè)置為加強(qiáng)層，加強(qiáng)層設(shè)有由斜腹桿桁架構(gòu)成的伸臂桁架結(jié)構(gòu)，外框巨柱與中間部分的核心筒就由此結(jié)構(gòu)連接。這種結(jié)構(gòu)滿足了樓體在強(qiáng)度和剛度上的需求。樓體的平面圖、簡(jiǎn)化側(cè)剖圖分別如圖1,圖2所示。

1.2 樓頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樓頂采用新式半球體結(jié)構(gòu)，相比于普通的矩形屋頂，在達(dá)到同樣強(qiáng)度要求的情況下，球形屋頂?shù)牟牧鲜褂酶?。其次，在同樣的體積下，球形的表面積最小，不論加熱或制冷，均能更有效地節(jié)約能源。

上述的球形屋頂主要由鋼架桿件交互連接而成，它們將球形屋頂劃分為若干個(gè)三角形平面，此種三角組合體堅(jiān)固性特別出色，因此抗風(fēng)能力要遠(yuǎn)超現(xiàn)行的矩形建筑。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

太陽能作為清潔能源，近年來也被廣泛使用，如果能將太陽能運(yùn)用于建筑，為建筑內(nèi)部提供電能，可以有效減少樓內(nèi)的能源壓力，達(dá)到節(jié)約能源的目的。因此基于球形鋼架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在其間鑲嵌建筑用太陽能光伏玻璃，它由建筑玻璃、太陽電池、中間層、匯流條、絕緣膠帶、引出端等材料組成，具有發(fā)電功能[1]。由此可見，建筑光伏玻璃的使用在滿足建筑所需強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以充分利用太陽能作為能源為樓內(nèi)供電。不僅如此，區(qū)別于以往矩形樓頂?shù)膯我徽丈涿?，半球形樓頂擁有更大的照射面積，在屋頂鋪設(shè)光伏玻璃不僅可以增加建筑內(nèi)部的自然采光，還可以更加高效地利用太陽能，為建筑使用提供能源，符合節(jié)能減排的要求。

2 節(jié)能材料的使用

2.1 墻體保溫材料

我國(guó)北方冬季嚴(yán)寒，房屋的保溫措施必不可少。目前建筑外墻的保溫形式主要有外保溫、內(nèi)保溫、夾心保溫3種[2]。

夾心保溫是將保溫材料鋪設(shè)于墻體的內(nèi)部，內(nèi)保溫則是將保溫材料鋪置于建筑外墻內(nèi)表面，這兩種保溫形式均會(huì)使得保溫材料的覆蓋率較低。由于建筑外墻多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，建筑外墻鋪設(shè)有保溫板的部分和未被保溫板覆蓋的部分導(dǎo)熱系數(shù)相差極大，由此會(huì)造成“熱橋效應(yīng)”，使得屋內(nèi)的熱量從未覆蓋保溫板的位置流失。且建筑外墻與外界環(huán)境直接接觸，容易受到外界影響而造成損傷，對(duì)外墻的維修又需耗費(fèi)建筑材料，這與節(jié)能理念相違背。

外墻外保溫是將保溫材料置于墻體外側(cè)。利用外墻外保溫可以在一定程度上減少墻體外部的損傷。同時(shí)，由于保溫材料鋪設(shè)于建筑的最外側(cè)，對(duì)墻體的覆蓋率較高，因此利用外保溫不僅可以增大保溫面積，還可以有效地避免“熱橋”效應(yīng)，減少室內(nèi)熱量的損失，故選擇使用外墻外保溫。保溫材料選擇使用泡沫玻璃一體化板，這是一種新型的保溫、隔燃、吸聲材料。主要是由碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和發(fā)泡促進(jìn)劑等經(jīng)過細(xì)粉碎和均勻混合后，再經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火而制成的無機(jī)非金屬玻璃材料[3-4]。泡沫玻璃裝飾一體化板是涂料與保溫材料的一體化設(shè)計(jì)，省去傳統(tǒng)建筑外墻裝飾所耗費(fèi)的材料，有利于建筑材料的節(jié)約。此外，泡沫玻璃材料在廢棄后可以經(jīng)粉碎再次利用，且回收率較高，符合節(jié)能理念。

2.2 外窗節(jié)能

對(duì)于建筑物來講，窗戶對(duì)建筑的保溫隔熱也起著十分重要的作用，如果外窗選擇不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)不必要的熱量流失，從而增加整個(gè)建筑的總耗能。因此，如果可以使用新型的外窗材料，則可以在很大程度上達(dá)到節(jié)約能源的效果。

我國(guó)的北方冬季嚴(yán)寒，常年有較大的風(fēng)沙，因此在選擇窗框時(shí)，采用塑鋼窗，它的原材料主要是聚氯乙烯樹脂，密封性以及隔熱性能較好且不易老化，其內(nèi)腔含有鋼材，以增加其整體的抗風(fēng)性能，即使是在較為惡劣的環(huán)境下使用，也能保證窗框不會(huì)變形。

建筑外窗玻璃選擇使用Low-E玻璃，它是在玻璃表面涂鍍一層或幾層具有低輻射功能膜的玻璃。低輻射膜是一種錫或銀等金屬或其化合物組成的透明導(dǎo)電薄膜,對(duì)可見光有良好的透光性,對(duì)中遠(yuǎn)紅外線有很高的反射性。玻璃的吸熱性低,輻射率就低,玻璃的保溫性能就越好[5]。因此，相較于普通的玻璃，Low-E玻璃具有更好的隔熱性能。當(dāng)前建筑中最常用的玻璃是真空玻璃，它由兩片玻璃組成，其間隙充有導(dǎo)熱性能差的惰性氣體，使得中空玻璃具有很好的隔熱性能。如上所述的Low-E玻璃就是在真空玻璃的內(nèi)表面鍍一層低輻射膜，其隔熱性能較一般的中空玻璃更強(qiáng)。

3 樓體通風(fēng)

3.1 自然通風(fēng)的設(shè)置

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于環(huán)保的要求逐漸提高，從環(huán)保角度來看，通過自然通風(fēng)來解決室內(nèi)空氣有序循環(huán)流動(dòng)是建造高層建筑所必須研究的問題，也是綠色建筑設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)部分。

本建筑的自然通風(fēng)結(jié)構(gòu)采取庭院式自然通風(fēng)。庭院式通風(fēng)是在建筑的中心設(shè)計(jì)一個(gè)從底層直通到建筑頂層的中庭，樓體中心核心筒的設(shè)計(jì)正好滿足這一特點(diǎn)，在每層的中庭部分的四個(gè)面設(shè)計(jì)大量的回廊和高窗可以很大程度上利用煙囪效應(yīng)和溫室效應(yīng)，在這兩個(gè)效應(yīng)下，形成較大溫差,室外空氣通過建筑物下部的開口流入室內(nèi),并將室內(nèi)較輕空氣從上部窗戶排出,空氣自下而上，得到良好的循環(huán)效果[6]。建筑自然通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

僅僅依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)不能夠滿足建筑在實(shí)際使用過程中的需要，在極端天氣條件下，如臺(tái)風(fēng)、霧霾等天氣需要緊閉門窗，因此在自然通風(fēng)系統(tǒng)之外，建筑內(nèi)部還需要設(shè)計(jì)一種新型的通風(fēng)系統(tǒng)來達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，大部分的建筑在每個(gè)房間都設(shè)置了獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，這種傳統(tǒng)的通風(fēng)方式通風(fēng)效率低，會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。本建筑采用中央通風(fēng)系統(tǒng)，以提高建筑的通風(fēng)效率，達(dá)到節(jié)能的目的。該通風(fēng)系統(tǒng)由兩套管道組成，一套將樓內(nèi)空氣排出，一套將外界新鮮空氣送入。

該通風(fēng)系統(tǒng)在樓內(nèi)的各個(gè)房間都配備傳感器以感知每個(gè)房間的溫度、濕度和空氣流速。每個(gè)房間都具備單獨(dú)的支路通風(fēng)管道，每一個(gè)單獨(dú)的支路通風(fēng)管道與中央總路通風(fēng)管道相連，總路管道匯集房間內(nèi)部的空氣，再通過總路管道上的鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)樓體內(nèi)部空氣外排這一功能?？諝獾耐馀庞膳c上述管道并排在墻體內(nèi)部的另一套管道完成。樓外的空氣通過總管道進(jìn)入樓內(nèi)，總管道處裝空氣冷卻器和加熱器，以減輕樓內(nèi)制冷或制熱的負(fù)擔(dān)?？偣艿劳獠窟€設(shè)有空氣凈化器，這對(duì)于一些空氣質(zhì)量不佳，存在空氣污染的城市尤為重要。這樣，兩套管道，一套將污濁空氣排出，一套將清新空氣引入，使質(zhì)量良好、溫度舒適的空氣從總管道進(jìn)入各支路管道，再沿著管道進(jìn)入各個(gè)房間，使整個(gè)建筑有良好的空氣循環(huán)效果，提高了建筑使用的舒適度。

4 結(jié)語

本文以節(jié)能為宗旨，設(shè)計(jì)了一種新型的柱體球頂建筑，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建筑，該新型建筑可以在達(dá)到同樣強(qiáng)度下減少建筑材料的使用。樓體采用了框架-核心筒結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了加強(qiáng)層以保證樓體的穩(wěn)定。球形樓頂則是以若干鋼架桿件交互組成，將球形樓頂劃分為若干三角形平面，具有良好的穩(wěn)定性。在鋼架結(jié)構(gòu)間鑲嵌光伏玻璃，充分利用太陽能為樓體供電。樓體核心筒部分從下至上貫通整個(gè)建筑，在每層中庭部分的四個(gè)面設(shè)計(jì)大量的回廊和高窗，即可形成庭院式的自然通風(fēng)。最后本文還設(shè)計(jì)了一套由兩組管道組成的中央通風(fēng)系統(tǒng)，為建筑內(nèi)部提供高質(zhì)量的新鮮空氣。