綠色低碳建筑理念在高層建筑設計運用
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［摘要］由于高層建筑具有節(jié)約土地、實現居住資源利用最大化的優(yōu)勢，當前建筑工程領域內開始廣泛進行高層建筑設計。為了更好地提高建筑資源利用與節(jié)約的效果，有必要科學落實綠色低碳設計理念。以高層建筑設計為研究對象，采用案例分析法和資料分析法，查詢關于高層建筑綠色低碳設計的文獻，總結其中經驗，提出相應的設計方法與策略。遵循綠色低碳理念下的建筑設計原則，加強建筑結構設計，優(yōu)化建筑布局，提升建筑節(jié)能保溫效果。采用一系列低碳設計措施后，不僅提高了資源節(jié)約效果，更促進了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標的高效落實。
［關鍵詞］綠色低碳設計；高層建筑；建筑設計；節(jié)能保溫
綠色建筑設計并不只是在建筑施工中采用節(jié)能減排技術，而是立足于建筑的實際情況，對現有的節(jié)能技術合理利用，再以科學的手段促進高層建筑與自然環(huán)境的相互協(xié)調。基于綠色低碳設計理念的建筑設計強調居住者的居住體驗，滿足其實際需求，實現人、建筑、自然間的和諧共處，突出建筑設計的環(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計原則
1.1整體性原則
以綠色低碳理念為前提的高層建筑設計屬于綜合性工程，這類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，強調建筑的舒適體驗。堅持高層建筑設計的整體性原則，充分應用生態(tài)節(jié)能技術，促進人、建筑以及自然間和諧統(tǒng)一，實現三者的共存[1]。
1.2節(jié)能性原則
建筑領域內，越來越多的高層建筑設計開始強調綠色低碳理念和節(jié)能減排等內容，特別是高層民用住宅，這類建筑的能耗較高，設計時更應考慮到低碳理念，合理利用節(jié)能手段，保持建筑設計的前瞻性，強調建筑的實用性。在設計期間，不能將節(jié)能設計局限在某一方面，而是要從全局角度出發(fā)，根據建筑特點與周圍環(huán)境，盡可能地降低建筑能耗。比如在光照充足的區(qū)域，可使用太陽能設備，降低建筑對能源的依賴性。與此同時，節(jié)能設計也包含對環(huán)保材料的使用，各種新型環(huán)保材料被應用建筑設計與施工環(huán)節(jié)，促進材料的循環(huán)利用，在節(jié)約資金的同時實現資源的優(yōu)化配置。
1.3舒適性原則
現代化高層建筑設計應滿足舒適性需求，改善建筑的制冷或者采暖方式，應用綠色低碳技術讓建筑環(huán)境變得更舒適。或者充分利用自然采光和通風，降低資源消耗。
2.1建筑結構設計
2.1.1建筑周圍環(huán)境規(guī)劃設計。建筑結構設計內需要充分體現綠色低碳理念，做好建筑周圍環(huán)境的降噪處理，創(chuàng)造噪聲屏障系統(tǒng)。將系統(tǒng)設在建筑結構和主干線之間，降低環(huán)境噪聲引起的影響，再根據道路高度與車流量，合理規(guī)劃地形，提升建筑隔音效果。加強綠化帶設計，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建筑布局設計。將綠色理念貫徹在建筑結構設計中，依據建筑位置與使用性能，使結構設計更科學。滿足對太陽能和風能等新能源的需求，以可再生能源代替不可再生能源，減少建筑設計中的資源消耗。依據建筑結構之間的距離，使每棟建筑有足夠的陽光照射，增加冬季室內溫度，降低空調、煤炭資源消耗。2.1.3建筑節(jié)能保溫設計。外墻是建筑結構的一部分，也是十分重要的圍護結構，外墻施工應合理地應用保溫材料。分析現有的保溫材料，優(yōu)化現場施工環(huán)境，發(fā)揮外墻保溫技術的應用價值，選用具有耐寒和耐熱優(yōu)勢的新材料，再根據配比要求分析材料性能。了解項目施工中的溫差，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，突出該外墻結構的節(jié)能效果，降低能量損失。采用帶有絕緣材料的玻璃幕墻，配合鋁合金門窗，以多道膠條進行幕墻密封處理，提高外墻氣密性。對于玻璃幕墻和外窗性能，要求抗風壓性能設計超過6級（P3≥3.5kPa）；氣密性超過6級（q1≤1.5m3/（m•h））；水密性不能低于3級（ΔP≥250Pa）；傳熱系數K≤2.3W（m2•k）。2.1.4提升建筑抗震能力。做好高層建筑項目設計情況的預測，突出抗震設計的重要性，以良好的抗震效果盡可能地延長建筑壽命，謹防地震災害帶來的安全威脅。建筑結構設計階段，應合理地分析建筑結構抗震性，以合適的方法減少地震造成的損失。融合抗震設計與建筑結構設計理念，從圍護結構入手，落實綠色低碳理念，圍護結構體型系數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，計算公式如下：S=F0/V0公式中，S指的是體型系數，F0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不能超過0.3，只有這樣才可以達到預期設計需求[3]。2.1.5鋼結構設計。鋼結構是高層建筑結構的關鍵材料，可加強對建筑結構自重的有效控制，調整豎向結構荷載與重力，從而達到建筑的安全性與穩(wěn)定性需求。豎向結構荷載方面，應按照不同樓層重力、高度要求分析，了解建筑荷載和軸力關系，使鋼結構有著較強的荷載，豎向與水平荷載始終保持平衡的狀態(tài)。按照高層建筑設計的偏心差和側向位移數據，保障建筑結構安全，發(fā)揮BIM技術的可視化優(yōu)勢，使建筑設計方案更合理。
2.2建筑機電系統(tǒng)設計
建筑內涉及的機電設備較多，為達到節(jié)能與低碳發(fā)展要求，應盡可能地降低機電系統(tǒng)運行造成的能源消耗。建筑給排水和空調設備作為重要的設備類型，使用頻率較高，建議采用變頻技術提高給排水和空調系統(tǒng)運行效率，降低資源消耗，比如建筑空調部分使用集中式空調系統(tǒng)，做好余熱的回收，合理設置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電設備，為保障居民正常出行，優(yōu)化乘坐體驗感，在設計電梯部分的電氣系統(tǒng)時，可使用碳纖維引繩來提升電梯運行效率，同時設置自動調節(jié)模式的垂直電梯系統(tǒng)。針對電梯系統(tǒng)進行聯(lián)動設置，非聯(lián)動設置下，居民按下電梯召喚鍵時，同樓層的兩部電梯會響應并停在居民所在樓層；聯(lián)動設置下，按下召喚鍵，兩部電梯中距離居民最近的一部電梯會響應并停在該樓層。比如某小區(qū)一單元兩部電梯，共有8個單元，全部設置為聯(lián)動模式，可節(jié)約的費用情況如下：假設每天每個單元需要按動100次電梯，每次電梯都會運行高層的中層區(qū)域。電梯功率為15kW，運行1分鐘會消耗0.5度電，每度電費0.528元，每層運行需要耗時3s。以2棟樓1單元為例，該樓共有18層，電梯運行到中區(qū)即9層的位置時需要耗時3×9=27s=0.45min；電梯每天可節(jié)約的費用為：0.45×0.25×0.528×100=5.94元。
2.3建筑門窗節(jié)能設計
門窗結構是建筑結構的一部分，也是房屋熱能相互交換的重要結構，立足于綠色低碳設計理念，科學設置門窗朝向與具體面積，再根據高層建筑的氣候條件與實際情況優(yōu)化不同朝向下的窗墻比，即窗戶洞口面積房間內單元面積的比值，一般窗墻比設計值應保持在0.4以內，超出0.6將會造成嚴重的能量損耗，不利于建筑門窗結構的節(jié)能。表中內容為某高層建筑的窗墻比情況，通過表中數據分析，發(fā)現所有方向的窗墻比均在0.4左右，沒有超過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
綠色低碳理念已成為建筑設計領域的主流趨勢，可最大限度地使用自然采光作為高層建筑的采光手段，以自然風作為主要通風手段。對窗戶的開口方式進行翻轉改變，從而引入更多自然風。通過自然風與自然光的合理搭配，減少人工照明、空調設備長時間運行帶來的能源消耗。
2.5積極應用新型能源
新型能源具有環(huán)保與低能耗的應用優(yōu)勢，廣泛被用于高層建筑中的新能源主要有太陽能和風能。太陽能作為清潔能源，不會對環(huán)境造成破壞，可用于高層建筑的水源加熱、保溫、供暖。風能的利用率很高，自然風可以進行降溫制冷，季節(jié)交替或者晝夜過渡時，可利用風能供冷，將自然風送入壓縮機，達到通風與蓄冷的效果，節(jié)約電能消耗，優(yōu)化室內空氣質量。根據地域性特點確定能源利用方式，比如北方地區(qū)應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，立足于綠色低碳設計理念進行太陽能、風能、地熱能的綜合利用，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，安裝太陽能屋頂熱水器與集熱器，實現對高層建筑的低碳設計。
2.6使用綠色低碳材料
選擇建筑材料的同時，也要充分考慮材料在生產與制造期間、運輸期間的能源消耗，兼顧制造時污染物排放情況，減少材料的使用總量，盡可能地應用環(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，針對建筑設計的材料類型，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，避免在施工現場拌制混凝土，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，水泥砂漿樓面應做好隔聲與吸聲處理。內墻采用普通涂料，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符合建筑設計要求。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計案例
3.1工程概述
以某高層住宅小區(qū)建筑項目為案例，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％，采用板式建筑結構，屋面造型類似于“波浪”的同向設計，使建筑群屋面產生韻律感。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梯兩戶南北通透的構造形式，建筑設計內融入大量綠色低碳設計理念。
3.2建筑綠色低碳設計
建筑布局方面，綠色節(jié)能低碳設計需要按照當地的氣候條件進行，在滿足樓間距的同時，考慮到風的主導方向，充分利用太陽能資源，促進自然通風。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部空間。建筑平面與立面的低碳設計。項目所在區(qū)域內，夏季會產生較多能耗，自然通風能夠改善室內熱環(huán)境，降低空調能耗。室內隔墻采用平面結構設計方式，這是影響室內通風的主要因素，可形成穿堂風。該項目室內布局中，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，突出建筑的遮陽功能，針對高層住宅特點，在外墻部分設計平臺，平臺內可種植花草，為建筑提供遮陽與防風效果。建筑自然通風設計，設計人員提前對建筑的自然通風情況展開模擬，迎合了夏季主導風向，測量后發(fā)現風速在2m/s以內，這為居民室外活動的開展營造了良好的條件，所以設計師擴大了建筑底層架空區(qū)域面積，創(chuàng)造了開放式互通空間，使漩渦區(qū)與靜風區(qū)削弱，非主導風向下的場地通風情況有所改善。為了減少靜風區(qū)，對建筑設置下沉式庭院，在一定程度上優(yōu)化了建筑局部風環(huán)境。建筑圍護結構的節(jié)能設計，該建筑嚴格按照節(jié)能設計標準，圍護結構熱工性能在指標上提升了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，這兩種類型都應用擠塑聚苯板，材料的傳熱系數在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。此外透明維護結構使用的是隔熱性較好的鋁合金中空玻璃，傳熱系數只有2.0W/（m2•K）。建筑節(jié)能設備系統(tǒng)，采用高效節(jié)能設備系統(tǒng)，按照建筑負荷情況確定相應控制策略，具體如圖1所示。有的建筑使用4臺電制冷離心式水冷機組和1臺螺桿式水冷機組，以此作為建筑的冷源。對于人員比較密集的區(qū)域，需要安裝二氧化碳濃度傳感器，調控新風與回風之間的混合比，在過渡季節(jié)提升新風比，讓冷源帶走室內的余熱，降低室內溫度。采用LED燈具，配合智能化系統(tǒng)，調節(jié)照明設備。采用EPS供電方式進行應急照明，具體情況如表3所示。
4總結
總而言之，為了深入貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，高層建筑設計應加深對綠色低碳理念的理解。建筑節(jié)能設計時應充分利用可循環(huán)的資源，分析建筑能耗的形成原因，通過合理的優(yōu)化設計達到能耗降低的效果。
參考文獻
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[2]金禾，張楠.綠色低碳建筑理念在高層建筑設計中的運用探討——評《綠色建筑節(jié)能工程設計》[J].工業(yè)建筑，2021（8）：241.
[3]劉蕾.基于超高層建筑實現綠色低碳發(fā)展的思考和實踐[J].科技視界，2018（12）：175-176.
作者:李文嘉 單位:招商蛇口云南公司
