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第48章 智能建筑结构

智能建筑也有称智能生态建筑——建筑物的高效能源系统主要是指在保护环境的前提下,建筑能够根据外界气候环境的变化(即阳光、温度、风速等)而自动控制调整自身,以达到最大限度地利用自然的、可再生的资源,如太阳辐射能、空气自然流通以及地热、地冷等,减少建筑物在运营过程中所需的不可再生能源的消耗。

智能玻璃幕墙(Intelligent glass facade)是指幕墙以一种动态的形式,根据外界气候环境的变化,自动调节幕墙的保温、遮阳通风设备系统,以达到最大限度降低建筑物所需的一次性能源,同时又能最大限度地创造出健康、舒适的室内环境。在这里玻璃幕墙的结构形式决定了智能建筑的节能和舒适度。欧洲某建筑就是一个很好的例证。该建筑采用了绿色建筑玻璃之一——智能双层通风玻璃幕墙,混凝土楼板制冷供暖系统、水源热泵、置换式新风系统与小型外墙新风装置等一系列生态智能设计,是德国大型生态智能办公建筑的代表之一。

欧洲能源成本高,1980年代初,欧洲开始开发建造智能玻璃幕墙办公建筑。欧洲环保意识强,开发至今双层玻璃幕墙已成为现代化大型生态办公建筑的潮流。虽然双层通道玻璃幕墙一次性建设投资较大,但它一方面可以降低建筑能耗,保护生态环境;另一方面,由于建筑物所需能耗降低,可以减少建筑设备的一次性投入,特别是大量节约建筑运营成本。

(一)双层通风玻璃幕墙

智能建筑结构中的绿色建筑玻璃有以中空玻璃为主的双层玻璃隔绝节能窗,有以低辐射玻璃为主的降低热损失的节能窗,还有新兴起的双层通风玻璃幕墙节能窗,另外也有以真空玻璃为主的节能窗。

国外最新开发的双层智能动态节能玻璃幕墙(也叫热通道幕墙)。按通风原理分为自然通风和强制通风两种系统。即由外层幕墙、内层幕墙、遮阳幕墙、进风幕墙、出风装置组成。其设计理念是实现节能,环保,使室内生活,工作与室外自然环境达到融和。

(二)绿色玻璃幕墙结构特点

双层幕墙从构造形式上可分为:封闭式通风双层幕墙、窗箱式双层幕墙和外廊式双层幕墙。在这三种基本构造形式的基础上,近年来又出现了许多新的技术构造与不同形式的构造组合。不同构造形式的双层幕墙有不同的优缺点,适用不同的建筑需求,在此以外廊式幕墙为例,简述双层幕墙的工作原理。

(1)寒冷季节,玻璃幕墙可以最大限度地吸收太阳辐射热,通过调节进出风口的大小,可以控制适当的新风换气量,而进入两层玻璃幕墙之间缓冲空间的空气,已被阳光初步加热,再送入室内时可减少送暖量。

(2)夏季炎热时期,位于两层玻璃空间的遮阳设施被放下来,绝大部分太阳辐射能量在这里被挡住,并通过精心组织的自然通风排到建筑之外。由于外层玻璃具有遮风避雨及防盗作用,夜间室外冷空气可以通过开启的内侧窗户冷却楼板等高蓄热体,次日上午气温上升时,楼板、墙体等将会有效地冷却室内温度。

(3)在春秋季节双层幕墙的开启可以使室内达到完全自然通风。

双层玻璃幕墙的通风模式:

双层玻璃幕墙的主要优点之一是建筑在全年大部分时间里可以实行自然通风,包括在刮风下雨的天气里。在组织通风系统时要考虑避免室内排出的浑浊空气被再次吸入室内。在实际工程中有下列4种双层幕墙通风系统。

(1)楼层水平进出风口对角通风系统;

(2)带窗下墙的通风系统;

(3)竖向窗框进风,横向排风系统;

(4)带竖向风道的箱式外窗排风系统。

从上述介绍中我们不难看出,双层通风玻璃幕墙冷热的调解,主要通过双层幕墙中的通道的烟筒和热气上升的原理得以实现。其内层幕墙相当于传统的玻璃幕墙,通道是室内外的分界线,通常由中空保温玻璃构成,并设可开启窗扇;外侧玻璃通常由单层钢化玻璃构成(也有外侧玻璃采用中空保温玻璃的实例,属于机械通风式双层幕墙系统)。外侧玻璃主要功能是承受风载,防雨水、风沙,噪声以及形成两层玻璃之间一个相对稳定的、可以调节的空气缓冲层。外侧玻璃幕墙上有精心设计的可调节的进风口和出风口。

两层玻璃之间距离根据功能构造不同可为20~100cm以上。在这一空间里,通常设置遮阳百叶等装置。如果宽度在60cm以上,可在楼板高度上设置金属格栅作为检修走廊。

(三)绿色建筑玻璃与健康

建筑玻璃幕墙包括含有中空玻璃幕墙。中空玻璃隔热性能虽好,但是单独使用时幕墙玻璃不能自由开放,室内空气流通受到影响,严重的地方影响到人的身心健康。德国科学技术部一项官方研究结果,封闭式空调办公空间对人的健康有相当不利的影响:感冒、呼吸道病症、风湿病、浑身乏力,头脑不清等病症,发病率比自然通风采光办公室发病率高约1倍。国外大量研究结果表明这种全封闭式空调建筑不利于人体健康,降低办公效率,并导致一种“病态建筑综合症”(Sick-Building-Syndrom, SBS)。2003年,SARS在我国肆虐期间,我国办公建筑由于是封闭、集中中央空调控制系统,非常有利于病菌的传播,显示我国的办公环境的存在严重缺陷,为了保证人身安全,所以很多大公司不得不停止工作,受到损失的企业比比皆是。这一问题引起了卫生部门、建设部的高度重视,建造可呼吸健康幕墙建筑的呼声由此提高。

双层通风玻璃幕墙出现了,它的结构特点可以使得空气在两扇夹层玻璃之间流通,这种结构既有适宜的光通量,又隔断了外界的冷、热传导,保持室内的温度,同时利用自然风的流通,使室内的空气保持清新。有助于人体健康。这就是目前国内外为什么推崇的智能建筑及绿色建筑玻璃结构的原因。

(四)国外绿色建筑玻璃的发展趋势

欧洲建筑生态节能技术走在世界前列,其先进的生态节能理念、技术与实施体系都值得我们研究借鉴。例如欧洲在节能建筑能耗上已从控制单项建筑维护结构(如外墙、外窗、屋顶)的最低保温隔热指标,转化为对建筑的能量总消耗量的控制。另一方面,在建筑能耗中区分对待初级能源(煤、石油等)和生态绿色能源(太阳能、地热、地冷、风能等)能源的使用,并考虑采用遮阳技术、温室效应、余热回收技术等的节能效益,使生态能源技术的应用可以融入建筑能量平衡计算之中。这种方式即可以准确严格控制建筑能耗,也从政策和规范层面上为推动生态节能技术的研究与应用奠定了坚实的基础,同时为建筑设计创新保留了充分的空间。

玻璃使用热反射镀膜玻璃、低辐射值的镀膜玻璃组成中空玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等。近来,也有将调光玻璃用在建筑幕墙。玻璃的设置不仅考虑得透光性能,还考虑玻璃的隔热性能、平衡性能、安全性能、降低噪音性能等。

欧洲智能玻璃幕墙技术的发展主要表现在两个方面:

一是深入广泛的基础理论研究,特别是在提高舒适度和能量动态研究方面。各方面专业人员从不同角度对已建成的双层幕墙建筑进行大规模长时间的跟踪实测,掌握了大量的第一手数据,并提炼到理论高度,对幕墙的设计进行模拟和指导,这项工作还在深入进行。有的研究项目对几十幢已建成的大厦进行5年以上的跟踪研究。这些基础研究为智能幕墙的发展和优化提供了坚实的理论支持。

另一方面是在幕墙与建筑设备、空调系统的配合方面又有新的进展,如采用与外墙或地面结合为一体的小型通风换气装置。这种小型机,具有高效的通风采暖、降噪功能,可有效提高舒适度和使用灵活性,以及新型幕墙构造的探索。

智能玻璃幕墙在欧洲发展很快,如前所述,能源价格和环保意识是推动这项技术发展的主要动力。创造舒适健康的室内环境,减少员工缺勤率,提高企业效益与竞争力以及独特的建筑形象与表现力也是促进这项技术发展的重要因素。

保险行业和一些大型跨国公司首先采用了这项技术。一方面表现了其保护环境的公益性意识,另一方面建筑形象也代表了最现代先进、精美轻盈、通透民主的公司形象。创造高舒适度的健康办公环境,虽然投资较高,但作为自己的房产,长期使用经营,运营成本可以收回建设资金的投入,经济上也划算。

而作为出租性的办公楼,面对现代中小高科技企业,双层幕墙办公建筑很有吸引力,能代表其新锐的公司形象,加之办公条件舒适,运营成本低,因而市场前景也很好。

与早期镜面玻璃办公楼相反,最大限度争取玻璃幕墙的透明度也是双层幕墙的一个发展趋势。这是由于其构造特长决定的,因其既能满足节能、调节光线强度、保证使用功能的要求,又能最大限度利用玻璃透明性的特长,使其能够达到一种新的晶莹剔透的高科技形象,因此赢得不少建筑师及业主的青睐。

(五)我国智能生态建筑玻璃

中国需要智能生态建筑。我国是世界上第二大能源消费国,而人均能源储备占有量不到世界平均水平的一半。节约能源是我国目前建筑业发展刻不容缓的重要任务。我国大部分建筑的能耗大体是欧洲住宅能耗的三倍,而建筑室内环境质量大大低于欧洲水平。因此,智能生态建筑在我国还有很长时间开发,有很多的方面待研究。

建筑生态节能设计系统考虑三个部分:建筑整体的能量平衡系统设计;优秀的建筑构造系统设计和正确地选用建筑材料和技术设备系统。

目前绿色建筑玻璃的研究和加工是一个薄弱环节,需要玻璃行业从业人员深入研究。国外低辐射玻璃的辐射值低于0.04,我国却是0.2,节能效果每平方米相差0.16。低辐射玻璃的深加工及平整问题,一直未真正得到解决,好的钢化玻璃仍然使用国外研制钢化设备加工。

绿色玻璃幕墙根据建筑物的用途进行设计,如商业建筑应进行第三级文化商厦设计,办公建筑更多的是考虑环保、人文、节能等方面设计。