工民建建筑的外围护结构设计策略研究

[摘 要] 本文根据目前我国的建筑科技水平和生活方式,提出了工民建建筑外围护结构设计策略,论述了外围护结构设计中对各类能量的应用,以及如何通过被动及主动两种方式来完成外围护的结构设计。

[关键词] 工民建 外围护 结构设计

工民建建筑是我国建筑业的基础行业,面对国际上建筑结构设计技术创新动向,工民建建筑的外围护结构设计也需要引进和吸收关于建筑结构设计的新理论、新标准、新技术、新材料和新工艺。我们可以强制性要求开发商在结构设计中必须考虑建筑外围护的节能,并积极开展相关技术的研究,加速国内建筑结构设计中的外围护节能措施的推广应用。合理的建筑外围护结构设计可使建筑起到良好的保温、防热、通风的效果,从而满足人体舒适度的要求。

一、工民建建筑外围护结构设计概述

工民建建筑的外围护结构设计分为三个层面(见图1):第一层面是建筑物自身的建筑学设计,通过它来减少冬季热量损失和夏季热量获取,并提高采光的效率。这一层面的不佳决策最终会导致采暖、降温和照明的机械设备量呈双倍甚至是三倍的增加。第二层面包括被动式采暖、降温和昼光照明等技术的运用,这些技术利用自然资源在冬天提供采暖,夏季提供降温,并常年为建筑物提供照明。与第一层面类似,这一层面上的正确决策也可以大幅减轻日后机械措施的压力。第三层面主要是利用不可再生能源的机械设备来满足前两个层面所不能满足的需求量。现代工民建建筑的结构设计应当更多的考虑建筑的本体,在设计中多从第一层面和第二层面入手,从而减少对机械设备的依赖。减少机械设备的运用并非根本不用机械设备,科技的发展本来就是服务于人类,关键在于怎样合理健康的使用。应该看到利用机械设备改善室内热环境是今后广大地区的发展趋势,工民建建筑外围护结构设计必须充分考虑这一因素。

图1 建筑结构设计三个层面

二、工民建建筑外围护结构的保温设计

保温性能是指外围护结构冬季阻止室内向室外传热,夏季空调开启时阻止冷量外传,从而保持室内适当温度的能力。衡量外围护结构体系保温性能的物理指标以传热系数K和热惰性指标D来决定。K表征围护结构阻隔热流的能力,是围护结构保温性能的基本指标,其值越大,说明散热量越少,围护结构的保温性能越好。D则表示围护结构反抗温度波动和热流波动能力的无量纲指标,数值越大表明保温性能的调节能力也越大,它主要衡量不透明体围护结构的热性能。

工民建建筑屋面最主要措施之一就是发展和应用高效保温隔热材料。以下是几种常用保温隔热材料的性能,导热系数越低,材料的保温隔热越好。

目前工民建建筑屋面保温隔热层的方法有现浇和铺砌两种,保温层可采用松散材料保温层、板状保温层或整体保温层;隔热层可采用架空隔热层、蓄水隔热层、种植隔热层等。其中保温层含水率不得超过规定要求,天沟、檐沟与屋面交接处保温层的铺设应延伸到墙内,伸入的长度不应小于墙厚的二分之一;铺设基层应平整、干燥和干净,分层铺设的板块上下层接缝应相互错开,板间缝隙应采用同类材料嵌填密实;排汽出口应埋设排汽管,排汽管应设置在结构层上,穿过保温层的管壁应打排汽孔。

三、工民建建筑外围护结构防热设计

工民建建筑遮阳设计是夏季防热的关键因素,主要从1)窗口遮阳, 2)外围护结构不透明体遮阳,3)绿化遮阳三方面展开。本文分析了水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、可调式卷帘外遮阳的遮阳效果(见图2)。

目前市场上的吸热玻璃、热反射玻璃、Low-e玻璃均可运用于工民建建筑的优缺点。其中Low-e玻璃的性能最为优越,它对可见光透过率高,红外透过率低,很好的实现了多透光少传热的优点。窗体的结构设计对起着重要的作用,常用窗型有推拉窗、平开窗和固定窗3种形式。

①推拉窗是两个窗扇在窗框上下滑轨中,利用窗扇左右滑动开启和关闭。在窗扇上面与窗框弯曲空间和下面左右两滑轮间的空隙容易形成对流,如在冬季热气从窗扇上面外溢,冷气从窗扇下面空隙渗进,夏天则相反。

②平开窗是传统常用的一种窗型。在窗户关闭后,密封胶条压得很紧,密封性能很好,很少有空隙。从结构上来讲平开窗要比推拉窗的效果有明显的优势,可称为真正的节能窗型。

③固定窗是窗框嵌在墙体内,玻璃直接安装在窗框上,玻璃和窗框的接缝用密封胶密封。这种窗户有良好的水密性和气密性,空气很难通过密封胶形成对流。这种窗型节能效果很好,多用于玻璃幕墙上。

四、工民建建筑外围护结构通风设计

自然通风是夏季被动式降温最常用的方式,外围护结构应充分利用自然通风的方法。自然空气流动主要受风压和热压两种作用,工民建建筑通风则主要积极利用风压作用。合理的开口方式,导风设计以及开窗形式对室内的通风影响甚大。为了通风增加人的舒适度,在人体活动高度内,应设置可开启的低窗户,使风流经人体加快蒸发散热(见图3)。

在有些情况下由于受平面限制,窗户开口不利于自然通风的组织,如单侧开窗、角部垂直开窗,此时可在窗外合理设置导风板改善室内通风。导风板可通过改变表面气压分布,引起气压差,从而改变风的方向。窗开启方式的不同对通风的影响程度差异较大,在选用时应考虑以下几个方面:窗的开启应满足较大洞口率,以保证足够大的面积完成通风目的;有可调整的开启角度,并能有效引导气流;尽量将风引向人体活动高度。

五、结束语

随着社会分工的细化,大部分建筑结构工程师只会依靠规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳。在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,合理的建筑外围护结构设计可使建筑起到良好的保温、防热、通风的效果,从而满足人体舒适度的要求。其他诸如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而建筑外围护结构却是基于塑性理论的状态设计方法,这是对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,需要我们用优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

参 考 文 献

[1] [美]诺伯特.莱希纳,建筑师技术设计指南[M],中国建筑工业出版社2004

[2] 柳孝图主编,建筑物理(第二版),中国建筑工业出版社2000.6

[3] 付祥钊主编 夏热冬冷地区建筑节能技术 中国建筑工业出版社2002.9■

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