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1節(jié)能布局

我們經(jīng)常說到“寒地建筑要像花朵一樣開向陽光”，其主要是指從高層主體的建筑平面空間布局與朝向選擇、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的布局等兩方面來考慮建筑節(jié)能問題。寒地高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身就應(yīng)該是一種節(jié)能布局形式，主要表現(xiàn)在主體的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的節(jié)能布局方面(簡稱材料的節(jié)能布局)、建筑主體空間的節(jié)能布局(簡稱空間的節(jié)能布局)。

1．1空間的節(jié)能布局

太陽擁有巨大的輻射能量。“據(jù)有關(guān)資料分析，每年地球接收的太陽能量有60億千瓦。……從某種意義上講，地球本身就是巨大的太陽能接收器。”由于太陽高度角的原因，寒地住區(qū)建筑的南北向室內(nèi)空間形成明顯的冬暖夏涼的特點(diǎn)，且南北空間室內(nèi)溫差能夠達(dá)到3℃左右。通常情況下，人們希望停留在南向空間中，因南向空間的熱舒適度更加宜人。因此，在寒地住區(qū)建筑布局中，人們十分珍惜陽光所帶來的溫暖及舒適度，設(shè)計(jì)師應(yīng)關(guān)注陽光對于寒地住區(qū)建筑節(jié)能問題的影響。在寒地住區(qū)的住宅建筑規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮日照問題，尤其是住宅建筑單體的布局和朝向選擇方面，應(yīng)使住區(qū)建筑單體的布局和朝向能夠?qū)崿F(xiàn)接收最大量的太陽輻射熱能。“如北緯40°～45°地區(qū)，冬天建筑的朝向所得到的輻射能量幾乎比夏天多2倍。而在夏天，東、西向所得到的能量比南向多2．5倍，不同朝向及不同季節(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。”在寒地住區(qū)建筑單體及群體布局時(shí)，首先應(yīng)考慮環(huán)境、氣候等因素，按不同地區(qū)的太陽高度角情況進(jìn)行住區(qū)建筑的日照分析，獲得每日冬季日照時(shí)間。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置時(shí)，建筑南向開窗的面積應(yīng)盡可能大些，這樣可以充分接納陽光進(jìn)入室內(nèi)。在滿足采光條件下，北向和西向的建筑開窗面積可以小些，減少熱損失，保持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。這一點(diǎn)在東北傳統(tǒng)民居中就有充分體現(xiàn)(見圖1)，可以在傳統(tǒng)民居中看到的節(jié)能思想主要有:第一方面，傳統(tǒng)房屋南、北向開窗面積的差異顯著，南向開窗面積大，利于獲得更多的陽光，北向開窗面積小，便于防止冬季冷風(fēng)滲透，減少能量損失;第二方面，居室內(nèi)設(shè)置冬季儲(chǔ)存蔬菜的地下空間(俗稱地窖或菜窖)，它從調(diào)節(jié)室溫的角度，可以利于冬季室內(nèi)升溫，夏季室內(nèi)降溫;第三方面是塑料大棚的圍護(hù)墻體設(shè)置也考慮了南向光線的獲得及北向冷空氣的防護(hù)問題;另外，還有屋頂采用的木屋架及室內(nèi)頂棚與屋面之間的構(gòu)造層次的處理等方面，都有利于冬季保溫及夏季隔熱。從以上幾個(gè)方面可以看到，東北傳統(tǒng)民居中具有許多樸素的節(jié)能思想，這對于寒地住區(qū)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生積極有效的影響。

1．2材料的節(jié)能布局

高層建筑主體布局中應(yīng)考慮建筑的功能需求，哪些空間須布置在較好的朝向，需要接收大量陽光，根據(jù)實(shí)際需要其圍護(hù)構(gòu)件可以盡量做得通透些，更有利于吸納光線，陽光與景觀都從這一側(cè)被引入建筑中。相反，寒地高層建筑有些空間不需要日照，對陽光沒有嚴(yán)格要求或不需要布置在有利朝向(南向或東向)，根據(jù)實(shí)際需要其建筑圍護(hù)構(gòu)件可以盡量做得厚重些，可以更有利于抵御冷風(fēng)滲透，具有足夠的保溫能力，后者就涉及到材料的節(jié)能布局問題。材料節(jié)能布局是指高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)置時(shí)通透與厚重問題的思考。要把建筑中好的朝向盡量安排適宜接收陽光、視線無遮擋、私密性不嚴(yán)格的空間，如寒地住區(qū)高層住宅的起居室、書房、健身房等，就比較適合，它需要選擇通透性的材料，其節(jié)能原理如同花房一樣，氣密性、保溫性和隔聲性等均較好的玻璃材料便成為設(shè)計(jì)師的首選，將其做成幕墻，不僅可將陽光全部接收進(jìn)入，也可以起到一定的屏擋、圍護(hù)作用。

2平面及體型的節(jié)能選擇

在寒地住區(qū)高層建筑中，建筑單體的外圍護(hù)墻體的耗能基本上占建筑整體耗能的1/4左右，也就是說，通過墻體、樓面、門窗等渠道，將能量從室內(nèi)源源不斷地運(yùn)送到了室外。筆者認(rèn)為，在建筑形體設(shè)計(jì)時(shí)，一定注意減少形體變化，盡量讓平面做到“抱團(tuán)”“緊湊”。當(dāng)采用這樣的平面形式后，建筑單體的外露墻體與樓板的面積會(huì)大量減少，同時(shí)，很好地控制了建筑的體形系數(shù)，建筑耗能也會(huì)相應(yīng)地隨之減少，如某些建筑的圓形、橢圓形、六邊形等平面就是比較理想的形式。因此，基于寒地住區(qū)高層建筑的節(jié)能考慮，在住區(qū)高層建筑的形體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意不宜復(fù)雜，減少變化與分支，盡量“抱團(tuán)”處理。高層建筑的平面形狀千姿百態(tài)，最基本的是正方形、矩形、三角形、圓形、菱形等，或是上述形式的變體和組合體，選用哪種平面主要取決于總體構(gòu)思、設(shè)計(jì)對象的功能、技術(shù)條件和自然氣候與環(huán)境等因素。作為建筑師應(yīng)努力創(chuàng)造出新穎別致、與眾不同的建筑形象，采取功能與內(nèi)在性格相一致的形式，并與周圍多種環(huán)境要素相協(xié)調(diào)，給建筑和城市帶來生機(jī)。通常情況，寒地高層建筑平面選型要像一個(gè)“熨斗”形，它是一種節(jié)能型平面。“熨斗”形是三角形與圓形的結(jié)合形，銳角形成兩條豎棱線鋒刃尖利，其銳角多做切角處理，形成三短邊的折面小山墻，在空間占地和體形變化上產(chǎn)生奇特的視覺效果。圓形是最完美的圖形，以最少外墻長度得到較大面積，比同面積的方形平面的外墻長度減少10%。在體積相等時(shí)，比正方體體形的建筑外墻面積減少約8%，所受風(fēng)力比類似矩形或方形少30%左右。“熨斗”形平面集中了圓、三角形的優(yōu)點(diǎn)，具有奇特的視覺藝術(shù)效果，所受風(fēng)力比其他平面形狀少、外墻比同面積(或同體積)的方形或矩形的長度少。

3圍護(hù)墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)

3．1外墻采用輕質(zhì)高效保溫的外保溫設(shè)計(jì)

寒地住區(qū)高層建筑的主體結(jié)構(gòu)常采用框架或剪力墻結(jié)構(gòu)，有時(shí)短肢剪力墻也應(yīng)用于小高層住宅中。為減少主體結(jié)構(gòu)荷載及滿足保溫、隔熱需要，圍護(hù)結(jié)構(gòu)填充墻多使用輕質(zhì)高效保溫材料。常用做法包括:粘土多孔磚及粘土實(shí)心磚的復(fù)合墻體、陶粒混凝土空心砌塊、空心磚巖棉夾心復(fù)合墻體等。住區(qū)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體保溫可分外保溫和內(nèi)保溫等兩種方式，存在的問題較多，如冷凝水、節(jié)能效果并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求等。

3．2減少輕質(zhì)保溫材料的使用

寒地住區(qū)高層建筑的圍護(hù)墻體不宜采用輕質(zhì)保溫材料，主要是指外保溫的聚苯乙烯泡沫板及巖棉板等。究其原因是輕質(zhì)保溫材料的壽命與強(qiáng)度同建筑主體結(jié)構(gòu)的壽命不能達(dá)到同步，一棟多層住宅壽命可以是50年，小高層、高層少則70年，多則上百年。在使用年限及強(qiáng)度方面，筆者認(rèn)為輕質(zhì)保溫復(fù)合墻體存在不足:首先是抗震性能及整體性差，與建筑主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接不好;第二方面是飾面材料受限，因其不能承受外部裝修貼、掛，材料本身不能承受較大荷載，在外墻上實(shí)現(xiàn)不了貼掛石材、粘外墻磚及安裝裝飾構(gòu)件，像鐵藝護(hù)桿等;第三方面是加工、裝修受限，有振動(dòng)的鑿、刨等裝修施工不能承受;第四方面是外飾面效果較差，在飾面施工不精細(xì)時(shí)，從外觀上甚至能夠看到保溫材料的輪廓形狀，很不美觀，不及外墻磚及石材等的飾面效果，有時(shí)墻表面易出現(xiàn)裂紋，安裝不好會(huì)出現(xiàn)大片剝落;第五方面是出現(xiàn)冷橋，在復(fù)合墻體中，由于鋼筋混凝土的框架梁柱、剪力墻等部分構(gòu)件的嵌入，墻體內(nèi)容易造成冷橋，致使出現(xiàn)保溫、隔熱的薄弱環(huán)節(jié)，這部分熱損失約占整個(gè)建筑的5%～13%;第六方面是安全性差，這些復(fù)合保溫材料分布于建筑外墻的外保溫的位置，甚至窗臺外側(cè)，在室內(nèi)裝修施工作業(yè)時(shí)，容易誤認(rèn)為是墻體的實(shí)體部分，存在不安全隱患。因此，寒地住區(qū)建筑外墻材料若采用輕質(zhì)保溫材料時(shí)，則上述內(nèi)容應(yīng)得到關(guān)注，采取有效的構(gòu)造措施加以克服。

3．3采用的混凝土空心砌塊

該類材料保溫效果好，又具有一定強(qiáng)度，彌補(bǔ)了輕質(zhì)復(fù)合材料墻體的一些缺陷，在歐、美各國采用混凝土空心砌塊方面取得了不少研究成果。美國的TB型保溫隔熱復(fù)合砌塊將砌塊分成內(nèi)、外兩塊，中間夾有1in～2in厚的高效保溫材料;“芬蘭研制的一種空心砌塊，空隙之間填入聚氨酯保溫材料，300mm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。”

4新技術(shù)的節(jié)能運(yùn)用

太陽能、風(fēng)能等作為一種清潔的綠色能源，在建筑領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。在寒地住區(qū)的高層建筑設(shè)計(jì)中，也要嘗試這些能源的應(yīng)用，如被動(dòng)式、主動(dòng)式太陽能的利用，還有零能耗技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、生物質(zhì)能技術(shù)、水資源的循環(huán)利用、屋面植被化與自然綠化等，這些新技術(shù)的應(yīng)用既可以推動(dòng)可持續(xù)戰(zhàn)略走向?qū)嵤质菚r(shí)代與社會(huì)發(fā)展、節(jié)能減排的必然結(jié)果。

5結(jié)語

從寒地住區(qū)高層建筑主體的空間布局、體型選擇、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新技術(shù)運(yùn)用等方面來嘗試解決寒地住區(qū)高層建筑的節(jié)能問題，希望能夠深刻認(rèn)識高層建筑的未來節(jié)能設(shè)計(jì)方向，指導(dǎo)我們今后的建筑設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐。

作者：牟曉梅戴路濱孫清軍單位：黑龍江科技大學(xué)建工院哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院