高層建筑節(jié)能設(shè)計論文

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【摘要】:文中敘述了高層建筑節(jié)能與氣候、地理?xiàng)l件的關(guān)系。同時分析了建筑位置、朝向與接受太陽輻射熱能的關(guān)系及高層圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的保溫、隔熱存在的問題及今后發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】:高層建筑;圍護(hù)結(jié)構(gòu);節(jié)能;

復(fù)合墻體節(jié)能是我國的國策,建筑節(jié)能是節(jié)能中的重中之重,應(yīng)該列為我國建設(shè)工作中的重要位置。建筑能論文耗在我國整個能耗中的地位也越來越重要。1996年中國建筑年消耗3·3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,占能源消耗總量的24%,到2001年已達(dá)到3·76億噸,占總量消耗的27·6%,年增長比例千分之五;隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的改善,建筑能耗占全社會總能耗的比例還會繼續(xù)增長。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國當(dāng)前的房屋建設(shè)規(guī)模堪稱世界第一。目前全國房屋數(shù)量有400億m2左右,房屋建筑規(guī)模看來已超過所有發(fā)達(dá)國家,僅去年一年房屋竣工面積是19·7億m2,這幾年差不多都是接近這個數(shù)字。而據(jù)預(yù)測,到2010年,我國房屋總建筑面積將達(dá)到519億m2,其中城市171億m2。然而,截至到去年,我國節(jié)能建筑的總面積還只有2·3億m2,在每年近20億m2的竣工面積當(dāng)中,只有五六千萬平方米是節(jié)能建筑,只占3%左右,也就是說有97%屬于高耗能建筑。我國的高層建筑有近七十年的歷史,然而城市中任何建筑都是城市設(shè)計、規(guī)劃的一部分,城市設(shè)計是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,我國在這方面的經(jīng)驗(yàn)不多,而且管理機(jī)制尚不健全,往往受一些因素的影響,工作不甚周密和協(xié)調(diào),甚至失去控制,有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q,有待于探索和改進(jìn),所以說,今天的高層建筑設(shè)計仍處在一個不太成熟的階段。

高層建筑體形龐大,如容積率過高,相鄰建筑互相遮擋、不通透,形成大面積陰影區(qū),城市人居環(huán)境質(zhì)量下降,市中心人口膨脹、交通擁擠。除此之外,近些年在某些城市建高層建筑已成風(fēng)氣,設(shè)計者往往貪大求高,大部分精力放在追求立面形式和使用功能上,而往往忽略生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、建筑設(shè)計節(jié)能意識淡薄,造成高能耗、低效益,影響常年使用,浪費(fèi)巨大。

建筑節(jié)能包含兩部分內(nèi)容,一部分是加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力,另一部分就是從供暖、供冷的熱源、輸送渠道及實(shí)現(xiàn)方式來節(jié)約能源。一般的房子里,30%的熱量從窗戶跑掉了。如果選用雙層玻璃,中間再充上惰性氣體,就可在一定程度上阻斷熱量散發(fā)。35%熱量從墻體散發(fā),如采用隔熱材料,增加保溫層,節(jié)能效果就很明顯。智能化建筑首先要達(dá)到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)和良好的居住舒適度,其次才是家具的智能化和安全保衛(wèi)的智能化。實(shí)際上,智能化建筑不一定就是豪華的,但它必須是低能耗的。美國有些智能化建筑造價比普通建筑還低15%,因?yàn)樗鼈冏非蠛侠淼慕Y(jié)構(gòu),講究實(shí)用功能和外觀的簡潔,利用了可回收材料,而不追求豪華裝飾。還可以充分利用地?zé)岜眉夹g(shù),如冰島等國家,建筑房子時先在地上打兩個洞,通過電泵將地下水循環(huán)起來,為整座房子供熱。惟一耗能的就是電泵。而在丹麥等國,由于地處海邊,太陽能和風(fēng)能的利用條件得天獨(dú)厚,使用熱泵技術(shù)時結(jié)合風(fēng)能與太陽能,用風(fēng)能與太陽能來帶動電泵就可以做到“零能耗”。所以建筑節(jié)能不僅是建筑本身的節(jié)能,且由城市的綜合環(huán)境、氣候條件、總體布局;建筑物的形體變化、朝向;外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、隔熱的性能;門窗質(zhì)量等許多綜合性因素構(gòu)成,因此,高層建筑的節(jié)能首先應(yīng)為設(shè)計者重視。

1優(yōu)化建筑位置及朝向設(shè)計高層建筑的定位首先應(yīng)考慮對城市環(huán)境的影響容積率過高很難滿足日照要求,陽光有著巨大輻射能量。據(jù)有關(guān)資料分析,地球每年接收的能量有60億億千瓦,這么大能量棄之可惜,從某種意義上講地球本身就是巨大的太陽能接收器,陽光不僅對人的身體健康有著很大影響,對建筑的節(jié)能也有著十分重要意義。城市規(guī)劃應(yīng)注重應(yīng)用日照原理,合理的確定建筑位置與朝向,使每幢建筑能接收更多的太陽輻射熱能,因此,建筑的方位與節(jié)能有著直接關(guān)系。如,在北緯40°~45°度地區(qū),冬天建筑的朝向所得到的輻射能量幾乎比夏天多兩倍,而在夏天東、西向所得到的能量比南向多2·5倍,不同朝向,不同季節(jié),建筑物所得到的太陽輻射熱能量不同,熱損失也不同,尤其是在冬至前后,由于太陽高度角低,房間所接收的太陽光線的面積比夏天多得多。在確定建筑的方位時首先應(yīng)考慮環(huán)境情況,按其太陽高度角做出日影響圖,以確定冬季每天的日照時間,建筑南向開窗面積盡可能大些,在滿足采光條件下,北向、東向窗盡可能小些,從而獲得更多的太陽光線,減少熱損失,保持室內(nèi)舒適的溫度環(huán)境。

2優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體設(shè)計(1)外墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體部分,高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同于磚石結(jié)構(gòu)房屋,前者是鋼筋混凝土框架或剪力墻結(jié)構(gòu)承重,因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬于填充材料,為了減輕荷載,達(dá)到保溫、隔熱要求,采用輕質(zhì)高效保溫材料,目前在寒冷地區(qū)常用的墻體做法有:頁巖陶粒混凝土空心砌塊;粘土空心磚與實(shí)心磚復(fù)合墻體;粘土實(shí)心磚或空心磚巖棉夾心復(fù)合墻體等。但存在問題較多,節(jié)能的效果仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料布置分外側(cè)和內(nèi)側(cè),在寒冷地區(qū)的同一氣候條件下,由于材料層次布置不同所取得的保溫效果也不盡相同,為防止墻體內(nèi)產(chǎn)生冷凝水,保溫層設(shè)在外側(cè)更為妥些。

(2)高層建筑的圍護(hù)墻體不宜采用外側(cè)保溫的聚苯乙烯泡沫板(舒樂板、PG板),巖棉板等輕質(zhì)保溫材料。一幢建筑的壽命少則幾十年,多則上百年,材料的應(yīng)用與建筑整體的壽命應(yīng)同步。對于輕質(zhì)的外保溫復(fù)合墻體,筆者認(rèn)為存在以下不足之處:1)抗震能力差,易松散,與結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)合不好,整體性能差。2)不能承受外部裝修貼、掛荷載,如:貼石材,安裝裝飾構(gòu)件等。3)不能承受有振動的鑿、刨的裝修,如:剁斧石面層、予留洞、槽易出現(xiàn)冷橋。4)墻表面易出現(xiàn)裂紋。除此之外,復(fù)合墻體由于框架梁拉、剪力墻的嵌入,墻體內(nèi)容易造成冷橋,是保溫、隔熱的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)測定,高層建筑所出現(xiàn)的冷橋約占整個熱損失的5%~13%,因此應(yīng)引起設(shè)計者重視,采取有效構(gòu)造措施盡可能避免產(chǎn)生冷橋。(3)國外普遍推廣采用混凝土空心砌塊用于高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫,歐、美各國取得不少先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。如:美國研制的TB型保溫隔熱復(fù)合砌塊;波蘭的咬合式保溫砌塊,兩塊組合成320厚墻體,在空心砌塊內(nèi)填入高效保溫材料,墻體傳熱系數(shù)K=0·1209W/m2·k~1100W/m2·k;芬蘭研制的一種空心砌塊,空隙之間填入聚胺脂保溫材料,300厚,傳熱系數(shù)K=0·25W/m2·k~0·28W/m2·k。某些歐美國家50%左右的建筑已應(yīng)用多種形式的混凝土空心砌塊。由于混凝土空心砌塊保溫效果好,又具有一定強(qiáng)度,避免了輕質(zhì)復(fù)合材料墻體的一些弊端。

3影響建筑節(jié)能的其他因素(1)高層建筑外圍護(hù)墻體耗能量較大,占整個建筑耗能的25%左右。建筑的形體變化是建筑外露面積的主要因素之一,體形系數(shù)越大耗能越多,國外的一些高層建筑造成圓塔形,比如美國洛杉磯的好運(yùn)飯店、法國戴高樂機(jī)場候機(jī)樓、紐約第三大街53號辦公樓都是圓型或橢圓形,我們知道,相同的面積,圓的周長最短,這樣使建筑外露面積較小。因此,基于能量損耗的考慮,高層建筑的形體變化不宜過多、復(fù)雜。(2)高層建筑的“風(fēng)環(huán)境”是影響建筑耗能因素之一。在冬季,風(fēng)力對建筑的熱損失很大,增大冷空氣的滲透量,使室內(nèi)熱損失加大。由于建筑某些部位處理不當(dāng),墻體內(nèi)部易產(chǎn)生冷凝水。因此,建筑保溫材料的選用,建筑構(gòu)造的合理性應(yīng)建立在科學(xué)、可靠的基礎(chǔ)上。3·6恢復(fù)補(bǔ)償功能將試件放入水中養(yǎng)護(hù)14天測其膨脹率,然后放空氣中任其干燥28天。失水后的試件產(chǎn)生微量干縮,重新放入水中后試件恢復(fù)失去的膨脹和自應(yīng)力值,經(jīng)試驗(yàn),第一天恢復(fù)20%~30%;第3天恢復(fù)40%~50%,14天基本全部恢復(fù)。3·7微小裂縫自愈合性能如果蓄水池或建筑物地下室墻板由于某種原因出現(xiàn)微小裂縫,膨脹纖維防水劑中部分成分的AI3+和SO42-在CaSO4、Ca(OH)2溶液中形成針柱狀鈣礬石晶體。當(dāng)重新接觸水后繼續(xù)增長,經(jīng)過一段時間會發(fā)生物理和化學(xué)的結(jié)合,晶體大量填充縫隙,使裂縫愈合。

4微膨脹聚丙烯纖維混凝土的施工4·1材料①水泥:天瑞P·O42·5級。②外加劑:“神翔”緩凝高效減水劑,減水率15%,緩凝時間約6h。③膨脹纖維:凱吉凱祥KJ-LZB膨脹纖維。④細(xì)集料:魯山產(chǎn)中粗河砂,細(xì)度模數(shù)2·6。⑤粗集料:郟縣產(chǎn)碎石5~25mm,連續(xù)級配。⑥摻合料:姚孟電廠F類Ⅱ級粉煤灰,細(xì)度模數(shù)15·1,需水量比102kg/m3,燒失量1·43,含水量0·20。4·2配合比強(qiáng)度等級水泥水砂碎石摻合料減水劑膨脹纖維C303561807501050408·718·8C4041018068010604010·321·54·3施工注意事項(xiàng)(1)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。不能因?yàn)閾搅伺蛎浝w維而放松對混凝土的養(yǎng)護(hù),膨脹纖維防水劑在混凝土早期養(yǎng)護(hù)過程中必須有充足的水分,才可以發(fā)揮作用,如早期養(yǎng)護(hù)保濕不當(dāng),過早曝露于干燥空氣中,則其膨脹作用會停止,主體施工階段,在樓面混凝土澆注約4h后,開始二次抹面、拉毛,隨即覆蓋塑料膜,終凝后覆蓋氈布,澆水養(yǎng)護(hù),柱子養(yǎng)護(hù)采用包裹塑料布,噴水養(yǎng)護(hù),為了充分發(fā)揮膨脹纖維防水劑的補(bǔ)償收縮作用,潮濕環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)時間不少于14d。(2)適當(dāng)延長混凝土攪拌時間,膨脹纖維混凝土與普通混凝土的施工工藝相差不大,但由于加入了聚丙烯纖維,為保證它們在混凝土中的均勻分散,攪拌時間比普通混凝土適當(dāng)延長90s,但不宜攪拌時間過長,否則會損壞纖維。(3)重視振搗。加入膨脹纖維,并不改變混凝土的施工工藝,混凝土一定要振搗密實(shí),不能過振或漏振,杜絕出現(xiàn)蜂窩、麻面。(4)加強(qiáng)抹面。當(dāng)混凝土初凝后,終凝前進(jìn)行二次抹壓收光,使混凝土的面層再次達(dá)到密實(shí),同底部結(jié)合牢固,整個抹壓時間控制在混凝土終凝前完成。

5結(jié)語膨脹纖維混凝土在平頂山市行政服務(wù)綜合樓工程中進(jìn)行了全面施工應(yīng)用,現(xiàn)澆板沒有出現(xiàn)有害裂縫,混凝土澆注質(zhì)量優(yōu)良。在混凝土中摻入膨脹纖維,配制成膨脹聚丙烯纖維混凝土,不僅能顯著提高混凝土的抗裂、抗?jié)B性能,還能增加混凝土的抗沖擊、抗彎曲、耐磨、延性、韌性、抗疲勞等性能,膨脹纖維混凝土不僅用于土建工程,還可用于市政工程的水廠、污水處理廠、道路橋梁等,應(yīng)用前景非常廣闊。