談夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)

徐田 席琛

(1.南昌卓筑建筑設(shè)計(jì)有限公司，江西南昌 330029;2.江西科技師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013)

夏熱冬冷地區(qū)是根據(jù)我國建筑氣候區(qū)劃定的一個(gè)區(qū)域。這個(gè)地區(qū)氣候特點(diǎn)獨(dú)特，主要表現(xiàn)在:首先是夏季潮濕，濕潤多雨;其次是冬冷夏熱，四季分明。這一地區(qū)盛夏的高溫，與全國比較相當(dāng)突出，夏季的炎熱程度往往達(dá)到使人難以忍受的地步。該地區(qū)由于緯度較低，又多連續(xù)晴天，夏天太陽輻射相當(dāng)強(qiáng)烈，多數(shù)地方高于35℃的酷熱天氣有半個(gè)月到1個(gè)月之多。同時(shí)夏熱冬冷地區(qū)冬季的相對(duì)濕度很高，達(dá)到73%～83%，整個(gè)冬季雨雪連綿，天氣陰沉，因而陰冷寒涼。冬季日照時(shí)間較短，日照百分率較低。由于長期以來該地區(qū)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的忽視，結(jié)果造成夏熱冬冷地區(qū)建筑冬夏兩季的熱環(huán)境都很差，而且由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的能源浪費(fèi)現(xiàn)象比較突出。最近隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，國家制定了《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并以此為契機(jī)，業(yè)內(nèi)開始重新審視夏熱冬冷地區(qū)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)目前國內(nèi)外出現(xiàn)的一些新材料、新技術(shù)，總結(jié)以下三點(diǎn)夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1)集成化設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)涉及到越來越多的學(xué)科，諸如材料科學(xué)、光學(xué)、熱工學(xué)、流體力學(xué)等，并在多個(gè)領(lǐng)域之間交叉發(fā)展。因此，對(duì)于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就不能再采用原來亡羊補(bǔ)牢的方式，我們應(yīng)當(dāng)徹底的改變把建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能僅僅局限在保溫層上的做法，而應(yīng)該在建筑設(shè)計(jì)的初始方案階段就對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。換句話說，在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師除了考慮建筑的功能和外觀等因素之外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果。

在進(jìn)行夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，最基本的問題就是冬季要減少室內(nèi)的熱損失，夏季要減少太陽輻射以及加快室內(nèi)熱量的散發(fā)。因此，如果建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用高效隔熱的外保溫以及控制窗地比的做法，雖然在冬季時(shí)有良好的保溫隔熱性能，但在夏季，室內(nèi)熱量積蓄現(xiàn)象也會(huì)比較突出。這是因?yàn)椋绻募静粚?duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行有效的通風(fēng)排熱，高效的隔熱措施就會(huì)使得建筑變成一個(gè)陽光下的集熱器;而在建筑物內(nèi)部使用空調(diào)時(shí)，必然會(huì)消耗大量電能，增加室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。這就是在夏熱冬冷地區(qū)最為突出的一對(duì)矛盾:夏季通風(fēng)與冬季保溫之間的矛盾，而解決這一問題的方法之一就是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的集成化設(shè)計(jì)。

雙層組合式外墻是集成化圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較簡(jiǎn)單的方式，但其在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能效果很好，而且采用雙層組合式外墻設(shè)計(jì)的建筑都會(huì)有比較豐富的立面，往往也能取得良好的外觀效果，因此現(xiàn)在運(yùn)用的較為廣泛。雙層組合式外墻就是在距離建筑結(jié)構(gòu)墻體一定距離之外，再做一層附加墻體，其中主墻體宜采用外保溫復(fù)合墻體;而附加墻體則不需要做特別的保溫隔熱處理，但在外粉刷時(shí)要使用反射性能比較好的顏色(比如白色)，并和主墻體在相應(yīng)位置布置窗洞。這樣，在夏季時(shí)，附加墻體能阻擋大部分陽光輻射，起到良好的隔熱作用;除此之外，還能起到遮陽的作用，有利于在立面上設(shè)計(jì)大窗。而在冬季時(shí)，其又不影響主墻體的保溫作用，同時(shí)，附加墻體的設(shè)計(jì)，大大減少了惡劣環(huán)境對(duì)于外保溫層的影響，延長了其使用壽命。因此，雙層組合式外墻較好的適應(yīng)了夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，在夏熱冬冷地區(qū)的多層建筑上有良好的發(fā)展前景。

在夏熱冬冷的獨(dú)特環(huán)境下，我們?cè)趯?duì)建筑外表皮進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)該僅僅是把其作為一個(gè)簡(jiǎn)單的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而更多的是考慮其作為環(huán)境過濾器的職責(zé)，墻面的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足多功能集成化的要求:窗戶、百葉、墻體等組合在一起，發(fā)揮透光、遮擋直射陽光、蓄熱、通風(fēng)等多種作用。經(jīng)過建筑師的精心設(shè)計(jì)、工程師的精確計(jì)算、流體力學(xué)運(yùn)用CFD模擬實(shí)際通風(fēng)效果等一系列完整的集成化設(shè)計(jì)方法，來確定外表皮的具體形態(tài)，以期達(dá)到最為合適的圍護(hù)與節(jié)能效果。

2)綠色化設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

在可持續(xù)發(fā)展的浪潮之下，越來越多的人們開始關(guān)注“綠色建筑”與“生態(tài)建筑”。建筑物在其建造過程中所消耗的材料與產(chǎn)品，對(duì)環(huán)境都有著直接或者間接的影響。因此，我們?cè)谶M(jìn)行建筑物的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量把建筑物對(duì)于環(huán)境的影響降到最低。其中一種方法就是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用綠色材料，一般來說，節(jié)能墻體所使用的材料主要包括墻材、保溫層、粉刷層、保護(hù)層、裝飾層等等。

在中國，現(xiàn)在面臨的主要是墻體材料的問題，粘土磚的持續(xù)使用對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響很大，因此尋找其環(huán)保替代品已經(jīng)成為最有可能快速解決這一問題的方法。而夏熱冬冷地區(qū)在解決這一問題上有比較大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)在比較成熟的綠色墻體大部分都是利用工業(yè)廢渣和建筑垃圾作為基本原料，比如利用粉煤灰生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚、粉煤灰蒸壓磚;利用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)實(shí)心磚和空心磚。另外，尾礦類廢料和爐渣以及煉鐵礦渣都可以作為墻體的原材料。而建筑垃圾經(jīng)過處理后，也可以成為建筑圍護(hù)材料。例如把廢磚和廢混凝土塊破碎，作為原料與水泥、砂子和輔助材料進(jìn)行混合，經(jīng)振動(dòng)壓制成型和養(yǎng)護(hù)制成輕質(zhì)砌塊［1］。這些工業(yè)廢料和建筑垃圾在夏熱冬冷地區(qū)都很常見，尤其是在上海、浙江等工業(yè)和經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的省份，都具有利用工業(yè)廢料開發(fā)綠色建材的潛力。

夏熱冬冷地區(qū)另一種建材綠色化的思路是使用一些基本沒有環(huán)境成本的材料，如石頭與木頭等天然建材，這些材料不但可以在使用后完全消解，同時(shí)也方便在本地取用，減少運(yùn)輸過程中的能量消耗。除了石材和木材這些可以直接加工使用的材料外，農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢料，也可以作為加工建材的基本原料，由這些材料作為添加物生產(chǎn)出的空心磚等產(chǎn)品，都具有比較好的可降解性。同時(shí)在夏熱冬冷地區(qū)，河流湖泊都比較多，可利用河泥、湖泥發(fā)展空心磚制品。這些材料都可以在廢棄后比較快的降解，對(duì)環(huán)境的影響也很小，但是我們必須認(rèn)識(shí)到，在我們選用一種材料時(shí)，不單單要考慮其帶來的節(jié)能效益，同時(shí)還需要考慮生產(chǎn)這種材料所消耗的能量和對(duì)環(huán)境的影響，通過全壽命周期評(píng)估(LCA)對(duì)材料進(jìn)行全面的分析，在性能和環(huán)保兩者間進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。譬如含氟利昂和鹵代烷等材料的涂料和粘合劑的性能更加優(yōu)越，但兩者都是會(huì)破壞臭氧層的材料，因此應(yīng)該盡量減少使用;同樣在砌體結(jié)構(gòu)中最好使用石灰砂漿作為粘結(jié)材料，不但對(duì)環(huán)境的破壞比較小，而且也便于磚頭、石板和石塊的再回收利用。

除了墻體材料的綠色化外，還有一些真正的“綠色化”設(shè)計(jì)也同樣適合在冬冷夏熱地區(qū)使用，這就是利用植物來為建筑降溫。我這里所指的并不只是屋頂花園這些對(duì)于屋頂防水要求比較高，而且很難在舊建筑改建上使用的技術(shù)，而是一些更為低技術(shù)以及低成本的策略。我們經(jīng)?？吹揭恍┯心觐^的建筑表皮上會(huì)爬有藤蔓植物，這些藤蔓植物不僅僅增加了建筑的外觀美感，同時(shí)也有其實(shí)際功能用途。因?yàn)樘俾参镌谑⑾恼巧L最為茂盛的時(shí)候，不僅為建筑遮擋了大量的陽光，而且通過葉片的水分蒸發(fā)，抽取了其與墻體間隙的熱量，達(dá)到了很好的保溫隔熱效果。而現(xiàn)在新建建筑由于外保溫層以及墻面粉刷的關(guān)系，不允許在外墻上直接覆蓋藤蔓植物，因此，可以在建筑墻體之外再設(shè)一層網(wǎng)架，作為藤蔓植物的落腳點(diǎn)，在建筑的墻體之外形成另一片綠色的表皮，達(dá)到節(jié)能和綠化的雙重效果。

3)智能化設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

由于技術(shù)和材料上的局限，集成化設(shè)計(jì)和綠色化設(shè)計(jì)一般僅僅適用于多層建筑，而夏熱冬冷地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，高層建筑發(fā)展很快，已經(jīng)成為除了住宅建筑外的又一能耗大戶。雖然大部分高層建筑都采用了一些節(jié)能措施，但由于其功能要求非常復(fù)雜，而且多用玻璃幕墻來獲得出眾的外觀效果，因此高層建筑的能源消耗居高不下，被大家諷刺為“戴了節(jié)能帽子的高能耗建筑”。即使是使用了新型low-e玻璃和對(duì)建筑外露結(jié)構(gòu)進(jìn)行了斷橋處理的新型高層建筑，其能耗依然普遍偏高。而大多數(shù)高層建筑的新技術(shù)都引自歐美發(fā)達(dá)國家，對(duì)于冬冷夏熱的氣候有一定的不適應(yīng)性，比如在國外有上佳表現(xiàn)的雙層玻璃幕墻，在華東地區(qū)就水土不服;在冬天效果還不錯(cuò)，但到了夏天，兩層玻璃幕墻之間的空氣溫度急劇升高，而且由于夏熱冬冷地區(qū)靜風(fēng)率高，原先設(shè)想的通風(fēng)效果很難達(dá)到。

因此，運(yùn)用多種手段，采取智能化干預(yù)的方式，對(duì)建筑表皮進(jìn)行控制將會(huì)是夏熱冬冷地區(qū)高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展的又一趨勢(shì)。夏熱冬冷地區(qū)氣候復(fù)雜，天氣變化比較快，這就需要一套智能化的建筑外圍護(hù)控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑圍護(hù)系統(tǒng)的智能化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，在這一領(lǐng)域，歐洲和美國正走在世界的前列。其中比較有代表性的有英國BRE的智能綠色住宅，在這座建筑的內(nèi)部，工程師布置了大量的傳感器和控制系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)線連接起來，并且最終將所有的信息匯總到安裝在墻板內(nèi)的智能裝置控制中心內(nèi)。智能裝置控制中心可以根據(jù)陽光的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)遮陽卷簾的開啟程度以及整座房屋的采暖、通風(fēng)、燈光以及音頻系統(tǒng);另外，主人還可以使用遙控器進(jìn)行自行調(diào)節(jié)，整座建筑真正達(dá)到了自我控制，不需要人工干預(yù)就能獲得良好的節(jié)能效果。這些年歐美的實(shí)踐表明，智能化控制系統(tǒng)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向工地，并開始真正在建筑中發(fā)揮作用。

而正在研制的智能化節(jié)能墻體將更為先進(jìn)，它會(huì)把信息技術(shù)和仿生學(xué)結(jié)合起來，建筑物的表皮將會(huì)像生物的表皮一樣，隨外界環(huán)境的變化而產(chǎn)生反應(yīng)。天氣炎熱時(shí)中央控制器自動(dòng)關(guān)閉墻體的熱通道，溫度過低則通過陽光反射、啟動(dòng)外表皮熱循環(huán)等方式盡量獲得外界的熱量。而改進(jìn)后的雙層玻璃幕墻的遮陽系統(tǒng)，能夠在計(jì)算機(jī)的控制下隨著太陽角度的變化而自動(dòng)調(diào)整，并且感知風(fēng)向和氣壓，控制通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)閉合，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。這樣的智能化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)多變的氣候環(huán)境有良好的適應(yīng)性，但其造價(jià)過高、系統(tǒng)復(fù)雜，比較適合在高層建筑上使用。

夏熱冬冷地區(qū)由于其氣候環(huán)境的特殊性，必須要對(duì)其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。一方面，我們要去學(xué)習(xí)新的、更加高效的保溫節(jié)能技術(shù);另一方面，我們并不能照搬這些技術(shù)，而是需要結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際狀況，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)上的改良，以期能夠獲得最好的使用效果。同時(shí)，在這些技術(shù)的基礎(chǔ)之上，發(fā)展出真正從特殊的氣候地理?xiàng)l件出發(fā)，完全符合要求的新的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在開發(fā)新技術(shù)的同時(shí)，我們也不能忽視一些低技術(shù)的策略，這些策略雖然在實(shí)際效果上遜于高新技術(shù)，但是，在可實(shí)施性，費(fèi)效比等等方面都更適合今天的環(huán)境。因此在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)上，或許，上海煙草公司的高技術(shù)策略和上海馬陸葡萄園的低技術(shù)方法正代表了這一地區(qū)的兩個(gè)發(fā)展方向。

［1］ 劉 巖，朱浮聲，張繼平.我國新型墻體的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)展望［J］.遼寧建材，2002(2):14-16.