綠色低碳建筑理念在高層建筑設(shè)計(jì)運(yùn)用

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［摘要］由于高層建筑具有節(jié)約土地、實(shí)現(xiàn)居住資源利用最大化的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前建筑工程領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)始廣泛進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)。為了更好地提高建筑資源利用與節(jié)約的效果，有必要科學(xué)落實(shí)綠色低碳設(shè)計(jì)理念。以高層建筑設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，采用案例分析法和資料分析法，查詢(xún)關(guān)于高層建筑綠色低碳設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)，總結(jié)其中經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法與策略。遵循綠色低碳理念下的建筑設(shè)計(jì)原則，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化建筑布局，提升建筑節(jié)能保溫效果。采用一系列低碳設(shè)計(jì)措施后，不僅提高了資源節(jié)約效果，更促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的高效落實(shí)。

［關(guān)鍵詞］綠色低碳設(shè)計(jì)；高層建筑；建筑設(shè)計(jì)；節(jié)能保溫

綠色建筑設(shè)計(jì)并不只是在建筑施工中采用節(jié)能減排技術(shù)，而是立足于建筑的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)合理利用，再以科學(xué)的手段促進(jìn)高層建筑與自然環(huán)境的相互協(xié)調(diào)?；诰G色低碳設(shè)計(jì)理念的建筑設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)居住者的居住體驗(yàn)，滿(mǎn)足其實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)人、建筑、自然間的和諧共處，突出建筑設(shè)計(jì)的環(huán)保效果，節(jié)約材料與成本，盡可能地提升建筑使用壽命。

1基于綠色低碳理念的高層建筑設(shè)計(jì)原則

1.1整體性原則

以綠色低碳理念為前提的高層建筑設(shè)計(jì)屬于綜合性工程，這類(lèi)建筑并不是指日常中的居住型住宅，此外也包含帶有生活需求的其他建筑體系，強(qiáng)調(diào)建筑的舒適體驗(yàn)。堅(jiān)持高層建筑設(shè)計(jì)的整體性原則，充分應(yīng)用生態(tài)節(jié)能技術(shù)，促進(jìn)人、建筑以及自然間和諧統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)三者的共存[1]。

1.2節(jié)能性原則

建筑領(lǐng)域內(nèi)，越來(lái)越多的高層建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始強(qiáng)調(diào)綠色低碳理念和節(jié)能減排等內(nèi)容，特別是高層民用住宅，這類(lèi)建筑的能耗較高，設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)考慮到低碳理念，合理利用節(jié)能手段，保持建筑設(shè)計(jì)的前瞻性，強(qiáng)調(diào)建筑的實(shí)用性。在設(shè)計(jì)期間，不能將節(jié)能設(shè)計(jì)局限在某一方面，而是要從全局角度出發(fā)，根據(jù)建筑特點(diǎn)與周?chē)h(huán)境，盡可能地降低建筑能耗。比如在光照充足的區(qū)域，可使用太陽(yáng)能設(shè)備，降低建筑對(duì)能源的依賴(lài)性。與此同時(shí)，節(jié)能設(shè)計(jì)也包含對(duì)環(huán)保材料的使用，各種新型環(huán)保材料被應(yīng)用建筑設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，促進(jìn)材料的循環(huán)利用，在節(jié)約資金的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

1.3舒適性原則

現(xiàn)代化高層建筑設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足舒適性需求，改善建筑的制冷或者采暖方式，應(yīng)用綠色低碳技術(shù)讓建筑環(huán)境變得更舒適。或者充分利用自然采光和通風(fēng)，降低資源消耗。

2綠色低碳理念在高層建筑設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1建筑周?chē)h(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)需要充分體現(xiàn)綠色低碳理念，做好建筑周?chē)h(huán)境的降噪處理，創(chuàng)造噪聲屏障系統(tǒng)。將系統(tǒng)設(shè)在建筑結(jié)構(gòu)和主干線(xiàn)之間，降低環(huán)境噪聲引起的影響，再根據(jù)道路高度與車(chē)流量，合理規(guī)劃地形，提升建筑隔音效果。加強(qiáng)綠化帶設(shè)計(jì)，發(fā)揮綠化帶的隔音效果，美化環(huán)境，利用灌木與喬木，使居住環(huán)境變得更舒適[2]。2.1.2建筑布局設(shè)計(jì)。將綠色理念貫徹在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，依據(jù)建筑位置與使用性能，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更科學(xué)。滿(mǎn)足對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源的需求，以可再生能源代替不可再生能源，減少建筑設(shè)計(jì)中的資源消耗。依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)之間的距離，使每棟建筑有足夠的陽(yáng)光照射，增加冬季室內(nèi)溫度，降低空調(diào)、煤炭資源消耗。2.1.3建筑節(jié)能保溫設(shè)計(jì)。外墻是建筑結(jié)構(gòu)的一部分，也是十分重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外墻施工應(yīng)合理地應(yīng)用保溫材料。分析現(xiàn)有的保溫材料，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，發(fā)揮外墻保溫技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，選用具有耐寒和耐熱優(yōu)勢(shì)的新材料，再根據(jù)配比要求分析材料性能。了解項(xiàng)目施工中的溫差，降低溫差引發(fā)的外墻裂縫，發(fā)揮墻體的保溫和隔熱效果。使用玻璃幕墻，突出該外墻結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果，降低能量損失。采用帶有絕緣材料的玻璃幕墻，配合鋁合金門(mén)窗，以多道膠條進(jìn)行幕墻密封處理，提高外墻氣密性。對(duì)于玻璃幕墻和外窗性能，要求抗風(fēng)壓性能設(shè)計(jì)超過(guò)6級(jí)（P3≥3.5kPa）；氣密性超過(guò)6級(jí)（q1≤1.5m3/（m•h））；水密性不能低于3級(jí)（ΔP≥250Pa）；傳熱系數(shù)K≤2.3W（m2•k）。2.1.4提升建筑抗震能力。做好高層建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)情況的預(yù)測(cè)，突出抗震設(shè)計(jì)的重要性，以良好的抗震效果盡可能地延長(zhǎng)建筑壽命，謹(jǐn)防地震災(zāi)害帶來(lái)的安全威脅。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理地分析建筑結(jié)構(gòu)抗震性，以合適的方法減少地震造成的損失。融合抗震設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手，落實(shí)綠色低碳理念，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體型系數(shù)就是指建筑物和室外大氣相互接觸的表面積與包圍體積之間的比值，計(jì)算公式如下：S=F0/V0公式中，S指的是體型系數(shù)，F(xiàn)0指的是建筑物和室外大氣接觸的外表面積，V0指的是外表面積所包圍的體積。要求單體樓體型系數(shù)不能超過(guò)0.3，只有這樣才可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)需求[3]。2.1.5鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，可加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)自重的有效控制，調(diào)整豎向結(jié)構(gòu)荷載與重力，從而達(dá)到建筑的安全性與穩(wěn)定性需求。豎向結(jié)構(gòu)荷載方面，應(yīng)按照不同樓層重力、高度要求分析，了解建筑荷載和軸力關(guān)系，使鋼結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的荷載，豎向與水平荷載始終保持平衡的狀態(tài)。按照高層建筑設(shè)計(jì)的偏心差和側(cè)向位移數(shù)據(jù)，保障建筑結(jié)構(gòu)安全，發(fā)揮BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢(shì)，使建筑設(shè)計(jì)方案更合理。

2.2建筑機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建筑內(nèi)涉及的機(jī)電設(shè)備較多，為達(dá)到節(jié)能與低碳發(fā)展要求，應(yīng)盡可能地降低機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行造成的能源消耗。建筑給排水和空調(diào)設(shè)備作為重要的設(shè)備類(lèi)型，使用頻率較高，建議采用變頻技術(shù)提高給排水和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低資源消耗，比如建筑空調(diào)部分使用集中式空調(diào)系統(tǒng)，做好余熱的回收，合理設(shè)置PAU余熱回收系統(tǒng)，將余熱回收再利用。電梯是高層建筑中必不可少的機(jī)電設(shè)備，為保障居民正常出行，優(yōu)化乘坐體驗(yàn)感，在設(shè)計(jì)電梯部分的電氣系統(tǒng)時(shí)，可使用碳纖維引繩來(lái)提升電梯運(yùn)行效率，同時(shí)設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)模式的垂直電梯系統(tǒng)。針對(duì)電梯系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)置，非聯(lián)動(dòng)設(shè)置下，居民按下電梯召喚鍵時(shí)，同樓層的兩部電梯會(huì)響應(yīng)并停在居民所在樓層；聯(lián)動(dòng)設(shè)置下，按下召喚鍵，兩部電梯中距離居民最近的一部電梯會(huì)響應(yīng)并停在該樓層。比如某小區(qū)一單元兩部電梯，共有8個(gè)單元，全部設(shè)置為聯(lián)動(dòng)模式，可節(jié)約的費(fèi)用情況如下：假設(shè)每天每個(gè)單元需要按動(dòng)100次電梯，每次電梯都會(huì)運(yùn)行高層的中層區(qū)域。電梯功率為15kW，運(yùn)行1分鐘會(huì)消耗0.5度電，每度電費(fèi)0.528元，每層運(yùn)行需要耗時(shí)3s。以2棟樓1單元為例，該樓共有18層，電梯運(yùn)行到中區(qū)即9層的位置時(shí)需要耗時(shí)3×9=27s=0.45min；電梯每天可節(jié)約的費(fèi)用為：0.45×0.25×0.528×100=5.94元。

2.3建筑門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)

門(mén)窗結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的一部分，也是房屋熱能相互交換的重要結(jié)構(gòu)，立足于綠色低碳設(shè)計(jì)理念，科學(xué)設(shè)置門(mén)窗朝向與具體面積，再根據(jù)高層建筑的氣候條件與實(shí)際情況優(yōu)化不同朝向下的窗墻比，即窗戶(hù)洞口面積房間內(nèi)單元面積的比值，一般窗墻比設(shè)計(jì)值應(yīng)保持在0.4以?xún)?nèi)，超出0.6將會(huì)造成嚴(yán)重的能量損耗，不利于建筑門(mén)窗結(jié)構(gòu)的節(jié)能。表中內(nèi)容為某高層建筑的窗墻比情況，通過(guò)表中數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)所有方向的窗墻比均在0.4左右，沒(méi)有超過(guò)0.6，因此建筑窗墻比具有良好低碳節(jié)能效果。

2.4合理搭配自然采光與自然通風(fēng)

綠色低碳理念已成為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流趨勢(shì)，可最大限度地使用自然采光作為高層建筑的采光手段，以自然風(fēng)作為主要通風(fēng)手段。對(duì)窗戶(hù)的開(kāi)口方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)改變，從而引入更多自然風(fēng)。通過(guò)自然風(fēng)與自然光的合理搭配，減少人工照明、空調(diào)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行帶來(lái)的能源消耗。

2.5積極應(yīng)用新型能源

新型能源具有環(huán)保與低能耗的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，廣泛被用于高層建筑中的新能源主要有太陽(yáng)能和風(fēng)能。太陽(yáng)能作為清潔能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，可用于高層建筑的水源加熱、保溫、供暖。風(fēng)能的利用率很高，自然風(fēng)可以進(jìn)行降溫制冷，季節(jié)交替或者晝夜過(guò)渡時(shí)，可利用風(fēng)能供冷，將自然風(fēng)送入壓縮機(jī)，達(dá)到通風(fēng)與蓄冷的效果，節(jié)約電能消耗，優(yōu)化室內(nèi)空氣質(zhì)量。根據(jù)地域性特點(diǎn)確定能源利用方式，比如北方地區(qū)應(yīng)注重建筑自身的保溫性能，探尋可用于采暖的新能源，減少煤炭燃燒造成的二氧化碳排放。與此同時(shí)，立足于綠色低碳設(shè)計(jì)理念進(jìn)行太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿木C合利用，從高層建筑的全生命周期入手，讓可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，安裝太陽(yáng)能屋頂熱水器與集熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑的低碳設(shè)計(jì)。

2.6使用綠色低碳材料

選擇建筑材料的同時(shí)，也要充分考慮材料在生產(chǎn)與制造期間、運(yùn)輸期間的能源消耗，兼顧制造時(shí)污染物排放情況，減少材料的使用總量，盡可能地應(yīng)用環(huán)保材料，比如本地材料與3R材料。選用木石材料、竹材料、植物纖維等，促進(jìn)材料的可回收利用，降低材料能耗。合理地選擇建筑材料，針對(duì)建筑設(shè)計(jì)的材料類(lèi)型，加大新型材料使用力度，比如選擇混凝土砂漿材料，遵循就近的原則確定混凝土攪拌站，避免在施工現(xiàn)場(chǎng)拌制混凝土，防止粉塵和噪聲影響環(huán)境。建筑地下室部分可使用水泥砂漿地面，突出材料的防滑防潮性能。衛(wèi)生間與廚房采用防滑地磚，水泥砂漿樓面應(yīng)做好隔聲與吸聲處理。內(nèi)墻采用普通涂料，使用阻燃型PVC吊頂，墻面涂料使用乳膠漆，要求屋面的防水等級(jí)符合建筑設(shè)計(jì)要求。選用2層3㎜厚SBS改性瀝青防水卷材為防水材料，屋面保溫使用60㎜厚擠塑聚苯板材料，外墻保溫使用70㎜厚巖棉保溫板。

3綠色低碳理念下的高層建筑設(shè)計(jì)案例

3.1工程概述

以某高層住宅小區(qū)建筑項(xiàng)目為案例，小區(qū)用地面積共11322m2，總建筑面積為30000m2，其中建筑密度與綠化率分別為20％和50％，采用板式建筑結(jié)構(gòu)，屋面造型類(lèi)似于“波浪”的同向設(shè)計(jì)，使建筑群屋面產(chǎn)生韻律感。建筑規(guī)劃整體采用了斜列式的布局方式，以此增加觀景區(qū)與采光面，由于是高層住宅，決定采取1梯兩戶(hù)南北通透的構(gòu)造形式，建筑設(shè)計(jì)內(nèi)融入大量綠色低碳設(shè)計(jì)理念。

3.2建筑綠色低碳設(shè)計(jì)

建筑布局方面，綠色節(jié)能低碳設(shè)計(jì)需要按照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進(jìn)行，在滿(mǎn)足樓間距的同時(shí)，考慮到風(fēng)的主導(dǎo)方向，充分利用太陽(yáng)能資源，促進(jìn)自然通風(fēng)。建筑的布局有行列式和自由式布局兩種，前者創(chuàng)造的空間更加有序，后者能夠聚落為更加豐富的內(nèi)部空間。建筑平面與立面的低碳設(shè)計(jì)。項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)，夏季會(huì)產(chǎn)生較多能耗，自然通風(fēng)能夠改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低空調(diào)能耗。室內(nèi)隔墻采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，這是影響室內(nèi)通風(fēng)的主要因素，可形成穿堂風(fēng)。該項(xiàng)目室內(nèi)布局中，廚房在北方，衛(wèi)生間在西邊，主臥朝南，適合夏季通風(fēng)與冬季采暖。立面部分增加了立體綠化效果，突出建筑的遮陽(yáng)功能，針對(duì)高層住宅特點(diǎn)，在外墻部分設(shè)計(jì)平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)可種植花草，為建筑提供遮陽(yáng)與防風(fēng)效果。建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員提前對(duì)建筑的自然通風(fēng)情況展開(kāi)模擬，迎合了夏季主導(dǎo)風(fēng)向，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在2m/s以?xún)?nèi)，這為居民室外活動(dòng)的開(kāi)展?fàn)I造了良好的條件，所以設(shè)計(jì)師擴(kuò)大了建筑底層架空區(qū)域面積，創(chuàng)造了開(kāi)放式互通空間，使漩渦區(qū)與靜風(fēng)區(qū)削弱，非主導(dǎo)風(fēng)向下的場(chǎng)地通風(fēng)情況有所改善。為了減少靜風(fēng)區(qū)，對(duì)建筑設(shè)置下沉式庭院，在一定程度上優(yōu)化了建筑局部風(fēng)環(huán)境。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，該建筑嚴(yán)格按照節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在指標(biāo)上提升了20％。建筑外墻使用了加氣混凝土砌塊墻體，添加了30mm巖棉板保溫層，使外墻傳熱系數(shù)提升到0.8W/（m2•K）；建筑屋面包含植物面與其他屋面兩種，這兩種類(lèi)型都應(yīng)用擠塑聚苯板，材料的傳熱系數(shù)在0.64W/（m2•K）以下，建筑裙房與非種植屋面部分安裝光伏板，以單晶硅為發(fā)電方式，將光伏板架設(shè)在屋頂位置，光伏板使用面積為3081m2，與建筑能耗需求相符，具體情況如表2所示。此外透明維護(hù)結(jié)構(gòu)使用的是隔熱性較好的鋁合金中空玻璃，傳熱系數(shù)只有2.0W/（m2•K）。建筑節(jié)能設(shè)備系統(tǒng)，采用高效節(jié)能設(shè)備系統(tǒng)，按照建筑負(fù)荷情況確定相應(yīng)控制策略，具體如圖1所示。有的建筑使用4臺(tái)電制冷離心式水冷機(jī)組和1臺(tái)螺桿式水冷機(jī)組，以此作為建筑的冷源。對(duì)于人員比較密集的區(qū)域，需要安裝二氧化碳濃度傳感器，調(diào)控新風(fēng)與回風(fēng)之間的混合比，在過(guò)渡季節(jié)提升新風(fēng)比，讓冷源帶走室內(nèi)的余熱，降低室內(nèi)溫度。采用LED燈具，配合智能化系統(tǒng)，調(diào)節(jié)照明設(shè)備。采用EPS供電方式進(jìn)行應(yīng)急照明，具體情況如表3所示。

4總結(jié)

總而言之，為了深入貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，高層建筑設(shè)計(jì)應(yīng)加深對(duì)綠色低碳理念的理解。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用可循環(huán)的資源，分析建筑能耗的形成原因，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到能耗降低的效果。

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作者:李文嘉 單位:招商蛇口云南公司