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林樹枝:門窗幕墻的綠色設計理念

來源:中國幕墻網收集整理  作者:林樹枝  日期:2019-8-26
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   中國有著世界最大的建筑市場,每年新增建筑面積全球第一!而綠色建筑又被喻為新時代中國高質量發展的重要標志。在建筑的全壽命周期內,節約資源、保護環境、減少污染、為人們提供健康、適用、高效的使用空間,最大限度地實現人與自然和諧共生的高品質建筑,作為建筑中節能、舒適關鍵組成部分的“門窗幕墻”,又應該如何協同發展、創新進步呢?

  中國有著世界最大的建筑市場,每年新增建筑面積全球第一!而綠色建筑又被喻為新時代中國高質量發展的重要標志。在建筑的全壽命周期內,節約資源、保護環境、減少污染、為人們提供健康、適用、高效的使用空間,最大限度地實現人與自然和諧共生的高品質建筑,作為建筑中節能、舒適關鍵組成部分的“門窗幕墻”,又應該如何協同發展、創新進步呢?

  本文作者:林樹枝 工學博士、教授級高級工程師

  現任廈市建設局巡視員、副局長;住房和城鄉建設部“全國超限高層建筑抗震設防審查專家委員會”成員;中國建筑學會建筑結構分會常務理事等職務。

  在本文中作者將結合多年來的相關從業經驗,通過豐富的案例圖解,圍繞門幕墻在設計中的關鍵要素,以及發展趨勢,為您呈現綠色建筑之美!

  綠色建筑發展——以廈門為例

  廈門別稱鷺島,副省級城市、經濟特區,東南沿海重要的中心城市。由廈門半島、離島鼓浪嶼、西岸海滄半島、北岸集美半島、東岸翔安半島、大小嶝島、內陸同安、九龍江等組成,陸地面積1699.39平方公里,海域面積390多平方公里。截至2018年,廈門的綜合信用指數在36個省會及副省級城市排名第2,營商環境居副省級城市第1位,外貿綜合競爭力居全國第5位,廈門港集裝箱吞吐量位居全球第14位。2018年重新確認國家衛生城市(區)。

  城市價值:廈門地處夏熱冬暖地區,全年平均氣溫21攝氏度,既無嚴寒又無酷暑,城市尺度宜人。

  美麗廈門——城在海上、海在城中、山海交融、城景相依

  背景:綠色建筑發展的城市背景,蘊涵了廈門市的相關管理部門對實施綠色建筑行動的一貫主張。

  廈門市人民政府發文——實施綠色建筑行動:從2014年1月1日起,全部新出讓土地強制采用星級綠色建筑標準;全部新出讓商品房采用一次性裝修到位。

綠色建筑發展:生態文明建設的重要舉措

  將綠色低碳理念落實到城市開發建設和運營全過程

  我們從廈門一系列的城市建筑群圖片中,可以直觀感受到綠色建筑理念。

  天風海濤、萬石涵翠

  看得見山、望得見水

  記得住的鄉愁

  因地制宜推動綠色建筑發展

  綠色建筑的發展需要因地制宜的推動,其中最關鍵的三點包括:

  適宜的綠色建筑技術、整體化設計以及精細化設計。

  PART1: 門窗幕墻的設計水平對綠色建筑和建筑節能指標影響很大。

  我國國土面積廣闊,各城市區域氣候、溫度差異化較大,針對不同氣候區域的門窗幕墻設計,進行了一些規律性研究。

  一、夏熱冬暖地區適宜的綠色建筑技術:

  • 隔熱與遮陽

  • 自然通風和自然采光

  • 綠化和垂直綠化

  • 節約用水

  • 土地資源集約利用

  • 可再生能源應用(太陽能(詞條“太陽能”由行業大百科提供)、風能、海水源熱泵)

  二、夏熱冬暖地區建筑節能重點部位

  寒冷地區建筑節能的重點是保溫,炎熱地區建筑節能的重點是隔熱。廈門市地處夏熱冬暖地區,建筑節能以隔熱為重。

   在建筑外圍護結構中,外窗是建筑與外界熱交換的最薄弱環節,透過窗戶的太陽輻射是建筑得熱的主要途徑。

   建筑外遮陽的目的就是通過構件遮擋,減少太陽對外窗的直接輻射,通過外窗遮陽隔斷(詞條“隔斷”由行業大百科提供)熱源是夏熱冬暖地區有效的建筑節能措施。

  在綠色建筑設計應用中的核心問題:大型公共建筑,或機關辦公建筑,若門窗或幕墻設計不合理,容易成為高能耗建筑。

  三、夏熱冬暖地區綠色建筑技術原則

  ① 從“節地、節能、節水、節材、室內環境和運營管理”六大部分綜合考慮,盡可能選擇低成本高效益的技術。

  ② 優先采用被動式設計:在建筑規劃設計中,利用自然環境,通過對建筑朝向的合理布置、遮陽的設置、建筑圍護結構的隔熱技術、有利于自然通風的建筑開口設計等實現建筑需要的空調、通風等能耗的降低。

  ③ 把主動式設計作為輔助手段:通過機械設備干預手段為建筑提供空調通風等舒適性環境控制。

  ④ 先通過被動式技術入手并作為技術構思的重點,通過設計方法進行整體式調節。再通過主動式技術進行輔助、精細化調節。這樣就可以充分利用自然條件,借助設計方法,最大程度節約資源、節省能源。

  從閩南古建筑設計中不難發現,歷來很重視建筑朝向、通風、隔熱和遮陽。

   同時,在廈門的既有建筑中,我們可以找到很多的運用了綠色建筑設計理念的實例。

  綠色建筑實例1—廈門財富中心

  廈門財富中心全鋼構、逆作法,不用外腳手架及木模板,絕大部分建筑材料為可回收材料,工期短,建筑垃圾少。

  建筑物內部設計中,電梯廳均與空中花園連通,全自然采光,有效減少白天開燈能耗。

        采用50mm寬鋁合金遮陽百葉,可均衡室內光線分布,減少眩光(詞條“眩光”由行業大百科提供)

  綠色建筑實例2—廈門洋塘保障房

  微氣候分析示意圖

  夏季典型日建筑陰影分析:南立面自遮陽效果一般,建議結合建筑立面強化自身遮陽設計。

  建筑表面太陽日照時數分析

  夏季及秋季:頂部和南面日照時數分別可達1310h和923h,低層建筑頂部和南部可充分利用太陽能。

  熱島效應分析

  日照充沛處進行綠化措施或采用透水地面,以減少熱島效應。

  自然通風分析

  建筑錯落布局,東南面建筑低、西北面建筑高布局有利于自然通風。

  PART2:與門窗設計有關的綠色建筑技術

  (1)自然通風和自然采光:

  通過優化建筑總平面合理布局、主要功能房間靠窗布置、增大窗戶可開啟面積等措施,滿足日照、采光、通風要求;

  (2)綠化和垂直綠化:

  因地制宜采用本地植物進行屋頂綠化、垂直綠化,降低屋面傳熱系數;小區、庭院綠化,增加室外透水地面面積;種植適應當地氣候和土壤條件的鄉土植物;

  東西向日射量是南向的1.24倍,屋頂水平向日射量是南向的2.78倍。因此,建筑朝向及屋頂隔熱特別重要。

  建筑物朝向從古至今的沿襲——座北朝南

  因此——

  (3)窗戶的遮陽性能:東西向開窗盡量少,外窗比例要適當,墻面可以考慮植栽隔熱。同時,夏熱冬暖地區,加強外遮陽設計,降溫效果最佳。

資料來源:臺灣陳海曙教授

  夏季:要遮避太陽輻射,以降低室內熱負荷

  冬季:要獲取太陽輻射,以增加室內氣溫。

  臺灣研究:外遮陽降低太陽輻射熱,效果明顯

  在一系列的公共建筑、民用建筑熱工規范及設計標準中,我們看到很多對不同建筑物朝向的設計指導措施。

  A、《民用建筑熱工設計規范》規定:“建筑物的向陽面,特別是東、西的窗戶,應采取有效地遮陽措施。”

  B、《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》規定:“居住建筑的外窗,尤其是東、西朝向的外窗宜采用活動或固定的建筑外遮陽設施。”

  C、《公共建筑節能設計標準》規定:“夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區的建筑以及寒冷地區中制冷負荷(詞條“冷負荷”由行業大百科提供)大的建筑,外窗(包括透明幕墻(詞條“透明幕墻”由行業大百科提供))宜設置外部遮陽。”。

  D、《廈門市建筑節能設計(詞條“建筑節能設計”由行業大百科提供)指導意見》提出:“廈門地處夏熱冬暖地區,建筑節能重點應做好建筑遮陽、隔熱與通風。”、“外窗(包括透明幕墻)宜采取各種固定或活動式的外遮陽裝置等有效的遮陽措施,如花格、外擋板、外百葉、外卷簾等……建筑設計宜結合外廊、陽臺、挑檐等處理方式進行建筑遮陽。”

  E、《廈門市人民政府關于進一步加強節能工作的實施意見》(廈府[2010]97號)第十一條規定:“結合我市南方氣候特點,全面實施居住建筑外遮陽技術。臥室、起居室、書房等主要房間的南、東、西向外窗均應設置外遮陽設施。遮陽率應達到80%。”……

  F、《廈門市建筑設計方案節能審查要點》中,對建筑遮陽提出了具體的要求,積極推進遮陽這一有效的節能措施。

  …… 外遮陽曾經是廈門傳統建筑的重要元素:深遠的挑檐、寬大的外廊、外置百葉窗……

  廈門老房子的木質百葉遮陽窗

  類似遮陽構建在鼓浪嶼等地的傳統建筑中隨處可見,在酷熱的夏季將炎炎烈日擋在房子外面。

  廈門建筑外遮陽(回廊式建筑)

  廈門建筑外遮陽(外廊式學校建筑)

  廈門建筑外遮陽(騎樓式建筑)

  騎樓式外遮陽系統:騎樓得以保留并發展的城市,地處夏熱冬暖地區,具有相似的沿海濕熱型氣候,夏季陽光猛烈,多雨、多臺風。騎樓具有防曬、防雨和防臺風的三大功能,有效的構成了一個全天候的購銷環境。

  廈門現代建筑的外遮陽

小白鷺文化藝術中心:電動百葉

BRT輪渡樞紐站:活動外遮陽與水平固定外遮陽

  思明區圖書館:遮陽百葉與建筑造型一體化設計,形成“書本”的造型,表達了圖書館建筑的特有造型元素。

  廈門國際機場候機樓:東、西向設置了與建筑造型一體化的固定外遮陽

  五緣水鄉:設計了挑檐、連廊,將建筑遮陽融入到建筑造型中

  廈門文化藝術中心:Low-E中空、遮陽節能改造效果

  廈門市遮陽措施總匯:外遮陽、水平式、固定式

  PART3:門窗幕墻設計中的精細化

  (1)門窗幕墻綠色建筑設計理念中,節能玻璃,尤其是LOW-E玻璃的應用非常廣泛。

各類玻璃日射量

Low-E玻璃節能原理

  減少二次輻射熱傳遞,但不會阻隔可見光(詞條“可見光”由行業大百科提供)透進室內,不會產生光污染

合理開窗有利于自然通風

  (2)、通風設計中考慮自然通風的狀態,能夠有效減少能耗并持續提供健康空氣。

  在自然通風狀態下,只要室內溫度不超過29℃,相對濕度不超過80%,都會感覺比較舒適。

  合理開窗有利于自然采光

  在綠色建筑設計理念的發展過程中,我們關注到2019門窗幕墻在轉型升級的發展中值得關注的幾個方向,這些方向也是精細化設計的基本出發點。

  1、全幕墻的高端超高層住宅

  2、外窗與PC復合

  3、裝配式幕墻

  4、外窗、幕墻與太陽能板復合

  5、高性能外窗

  6、遮陽與建筑一體化

  全幕墻的高端超高層住宅【案例】

廈門帝景苑

  全國最高的全鋼結構住宅大樓。5幢,62層,建筑高度258米住宅公建化:高檔內外裝修,外圍護全部采用幕墻。主體結構可以是純鋼結構,外圍護采用幕墻,但造價高,能耗大。

  外窗+PC集成制作與安裝【案例】

  裝配式幕墻新技術【案例】

  裝配式幕墻新技術具有幾大特色:

  (1)利用專業的工廠設備和生產工藝,實現幕墻的結構、保溫防水、外裝飾一體化的大板塊在工廠組裝完成。

  (2)大板塊組件在項目現場與主體結構經過簡便的連接固定就可以完成幕墻的安裝。

  (3)分格構造有規律,板塊模數統一。

  (4)單元式玻璃幕墻本身就是裝配式建筑幕墻。

  外窗、幕墻與太陽能板復合【案例】

  高性能外窗【案例】

  高性能外窗通常要滿足幾個基本特色:

  (1)建筑外窗可開啟面積不小于外窗總面積的30%,建筑幕墻具有可開啟部分或設有通風換氣裝置。

  (2)建筑外窗的氣密性不低于現行國家標準《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》規定的4級要求。

  (3)采用Low-E玻璃,或雙銀Low-E玻璃。

  遮陽與建筑一體化【案例】

  建筑遮陽卷簾,采用窗洞鑲嵌式安裝,遮陽如窗戶構件一般塞入洞口,使用更方便,受力更合理,可有效解決臺風破壞隱患。

  建筑一體化:從建筑設計階段就將外遮陽同時考慮,預留遮陽構件及傳動裝置的位置,使遮陽產品完美的融入建筑造型。外遮陽不但不成為一種外掛的累贅附屬物,反而成為建筑的特色元素。

  結構一體化:一體化的設計,還必須考慮外遮陽設備在結構力學性能上與建筑物完美結合。

  針對門窗幕墻的綠色設計理念的心得體會:

  (1)應結合夏熱冬暖地區的氣候特點,進行門窗幕墻的設計。建筑盡量座北朝南,減少東西向開窗。窗戶開啟扇要大,以利通風。外窗和幕墻宜采取遮陽措施,玻璃選用LOW-E中空,或微反射玻璃

  (2)外窗應使用高性能的窗戶。采用外墻裝配時,外窗與PC構件可集成制作。窗戶、幕墻、遮陽系統要與墻體一體化設計,確保建筑風格和良好的外觀。

  (3)可結合垂直綠化和屋頂綠化,屋頂、外窗、幕墻、遮陽系統與太陽能板復合,降低能耗,減少碳排放,達到理想的建筑節能效果。

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