四川大学锦城学院本科毕业设计 文献综述
绿色生态设计在高层建筑用的应用
专业：土木工程
学生： 指导老师：
摘 要：随着高层建筑在我国的迅速发展,建筑能耗逐年上升，调查数据显示，我国建筑业目前以每年平均20亿平方米的速度在发展，但同时，建筑耗能已经也占到了社会耗能的2.5%。开发新材料新技术用以提高人们的生活质量生活水平，周边环境质量成为当前最主要的建筑任务。而生态设计在建筑设计任务中最为关键，因为高层建筑在施工建造过程中的确消耗大量的资源和材料,在运行过程中也耗费大量的能源并排出大量的废弃物,从节能的角度存在较大的弊端。但是在当前土地资源紧缺情况下,因为高层建筑占地更少,可以节省更多空间进行绿化,并改善城市环境。 关键词：节能；生态设计；高层建筑
1 概述
世界性的能源和环境危机使得“可持续发展”(Sustainable Development ) 的思想在全世界范围内达成共识。从社会能源消费的构成来看，建筑能耗占总能耗的30%～40%，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，建筑能耗将在一段时期内继续以较快的速度增长。对于城市和建筑来说，由传统的高消耗型发展模式转向节能环保型模式成为必然的趋势，生态设计在建筑中的应用孕育而生。生态设计即绿色建筑，绿色建筑的概念由美籍意大利建筑师保罗?索勒瑞于20 世纪60 年代首先提出，是指为人类提供一个健康、舒适的工作、居住、活动的空间，同时实现最高效率地利用能源最低限度地影响环境的建筑物。现在这一概念得到了高度的重视，在不少国家得到实践推广，成为世界建筑发展的方向。应当指出，这种技术表现并不是简单地利用人工设备和各种新型材料去建筑一个“绿色”建筑,而是运用生态学的原理,以高信息、低能耗,可循环性和自调节性的设计理念去创造一个节能的系统,通过“技术性思维”来改变传统的设计观念。经过30 多年的发展，绿色建筑现在在国际上已有了许多成熟的评估体系，如美国的LEED、英国的BREEM、加拿大的GBC、日本的CASBEE、澳大利亚的NABERS 等绿色建筑评估体系。中国也紧跟世界发展潮流，在2006 年6 月推出了GB/T50378-2006《绿色建筑评价标准》，从法律和标准上规范了绿色建筑的发展。
2 绿色建筑的内涵
２００４年８月，住房和城乡建设部建设部颁发的《绿色建筑评价标准》对绿色
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建筑作出了如下定义：指在建筑的全寿命周期内（包括物料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及拆除过程），最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。从概念上来讲，绿色建筑主要包含了以下四点：（１）节约资源，即节能、节地、节水、节材，主要强调减少各种资源的浪费；（２）保护环境，强调减少环境污染，减少二氧化碳的排放；（３）满足人们的使用要求，为人们提供“健康”、“适用”、“高效”的使用空间；（４）循环利用可再生资源。
3 绿色生态型高层建筑设计理念
所谓绿色生态型高层建筑设计是充分利用环境和资源所提供的条件,将生态策略应用到建筑
设计中,采取相应的建筑技术和措施,创造出符合生态规律的建筑形态,从而创造一种崭新的、健康的、富于生气的办公或居住的建筑模式。 3.1 舒适化的设计理念
随着时代的发展和技术的进步,人们对生活和工作环境的品质要求也逐步提高,关注
建筑功能的舒适性,以改善人们的生活工作环境,提高人们的生命质量成为建筑智能化的主要发展方向。高质量和高效率建筑环境的创造,始终应当是建筑创作的目标。当代建筑学、生态学及其它科学技术成果的综合,为建筑创作提供了新的设计思维。健康舒适的环境概念是指:优良的空气质量,优良的温湿度环境,优良的光、视线环境,优良的声环境;应对的建筑设计方法:使用对人体健康无害的材料,减少VOC(挥发性有机化合物)的使用,对危害人体健康的有害辐射、电波、气体的有效抑制,充足的空调换气,对环境温湿度的自动控制,充足合理的桌面照度,防止建筑间的对视以及室内尴尬通视,建筑防噪声干扰,吸声材料的应用等等。 3.2 运用自然系设计理念
高层建筑设计中运用自然体系的目的是为了最大限度地获取和利用自然采光和通风,创造一个健康、舒适的人工环境。阳光和空气始终是人类赖以生存的物质条件。但照明和空调人工技术的普及和发展,使得自然体系的运用受到忽视,同时也对建筑环境产生了负面的影响。人们如果长期处于人工环境中易出现“病态建筑综合症”及“建筑关联症”,如疲劳、头痛、全身不适、皮肤及黏膜干燥等等。因此,在现代高层建筑设计中,应注重自然采光和自然通风与高新技术手段的结合。自然通风可利用现代空气动力学原理,采用风压与热压及二者结合等多种途径实现;在自然采光方面,保证良好的光环境同时,为避免直射眩光和过量的辐射热,可采取多种创新方式。 3.3 自我调节“生命体征”理念
从高层建筑的“生命周期”来看,从决策过程→设计过程→建造过程→使用过程→拆除过程,表现出类似生命体的那样的产生、生长、成熟和衰亡的过程。同所有生命体一样,高层建筑应当具备自我调节和组织能力以利于自身整体功能的完善。这种自调节一方面是指建筑具有调节自身采光、通风、温度和湿度等的能力,另一方面建筑又应具有自我净化能力,尽量减少自身污染物的排放,包括污水、废气、噪音等。
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4 绿色生态设计思路
4.1注意生态型建筑设计与整体性
建筑的规划与整体设计是建筑设计的一个重要部分也是实现建筑节能的关键环节，如
果选址不当或者设计不合理将会在建筑后期运行中带来无法挽回的损失。在此阶段，建筑师应从整体综合设计概念出发，与结构工程师，设备工程师，能源分析专家和环境专家紧密配合，达到从策划、选址到设计都符合节能环保的要求。
高层建筑空间设计,要综合考虑到建筑空间的组合,庭院空间利用,工作场所的布局特征和空间的经济性问题。而生态设计要求空间分区应进一步考虑节能和舒适度的需求。建筑内部不同的空间对温度、自然光和景观的要求是不同的。如普通办公室对温度要求苛刻,其次是会议室和多功能厅,门厅、走道和楼梯交往空间等对温度的要求相对较低。因此交往空间可以作为内外环境的缓冲区,它的设定温度可以更接近室外,从而形成了室内外温差的梯度转换。这不但可以优化能源消耗,亦能减轻人们对室内外剧烈的温度变化造成的不适感。
4.2 做好建筑物表面的生态化设计
建筑表皮作为内外空间的转换介质,通过室内外物质、能量、信息等交流对物理环境因子具有反射、吸收、透射和转换等作用,不同程度地改变建筑室内外物理环境的品质。建筑表皮所使用的材料及其构造方式不同,会对室内外声、光、热等物理环境产生积极或消极的影响。传统的建筑设计多关注表皮的装饰功能、视野以及表面视觉机理等的建筑学因素。而具有生态环境的建筑设计也会同时关注表皮的控制和支撑功能:关注太阳辐射热、自然光、风、人的生理舒适度、烟雾和有机化合物气体的污染等要素。2003年在托马斯·赫尔佐格设计完成的德国建筑工业养老金基金会办公楼中,片状金属板在立面上的应用是该设计的一个特征。其建筑表皮不仅注重形式上的美感,并且能起到采光和遮阳的作用。在建筑北面,这些金属板可将顶光反射到房间内部,在南立面,设计了一个近似镰刀形的调节装置。正是这个精致的可调节构件协调好建筑表皮遮阳与采光的关系,它可在阴天时将天空扩散光反射到室内;而当阳光照射时,构件则转到垂直方向的遮阳板的位置上起到遮阳作用。
4.3 强调建筑物结构体系的绿色生态化
人类的建筑活动自古以来就在有意识或无意识地涉及生态问题,人类文明是在模仿自然和适应自然规律的基础上不断发展起来的,因此建筑创作需要不断地从自然界中汲取灵感。建筑结构形态对自然界的模仿不仅蕴含着高超的技术含量,而且还体现出极富张力的美学特性,采用与生长环境相适应的结构是最佳的结构形式。
1)树的结构形式:根、树干、树枝组成的支撑体系,不但可以支撑起植物的重量,抵抗水平荷载,以最合理的方式传递力,同时,还保证了植物的健康成长,在错落有致的树枝、树杆间保证每个部分充足的日照。树的形式一直在被不断地反复探索。如西班牙建筑师卡拉特拉瓦追求的是运用理性的手段传达出结构的动势,他设计的加拿大多伦多BCE文化广场
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中庭采用优雅的刚结构,他通过模拟树干分叉的生长肌理,创造出两边的支柱与顶棚的弧形肋架。结构构件传力的特点通过特定的树形组合被清晰地表达出来。使观赏者凭借着常识和经验,可以自然而然地产生这种类比的心理。
2)竹的结构形式:竹子具有外直中空、劲节挺拔的外形。从生物力学的角度来说,竹子
直径与高度之比如此悬殊,而能在劲风中不屈不挠,原因是其中空和节段的结构。李祖源把从竹子“节节相生之形”“空为大川的竹之本质”应用到101大楼设计中。101大楼由8层段组成,外形似塔,更似节节相生的竹子。正如“中空”的竹节,大楼内部挑空处理,使其结构可承受2500年回归周期的大地震,并可承受17级60m/s以上的风速。
4.4 采用新型材料提高建筑能源利用率
在绿色建筑中，新能源的利用对节约传统能源起着非常重要的作用。现在能源危机在世界范围内得到了广泛的关注，大量使用太阳能、地热能、风能、生物能等非常规、可再生并且绿色无污染的能源成为发展的趋势，符合绿色建筑的理念和可持续发展的思想。目前主要的太阳能利用方式有：①被动式太阳能热水系统，利用太阳能集热器或真空管吸收太阳辐射热，为用户提供生活热水。此系统结构简单、经济适用，在我国得到了广泛的运用；②主动式太阳能系统，在太阳能居室采暖方面具有更大的选择性，但需要外在能源启动运行，并需借助电扇或泵等装置来转换和传递太阳能，以此获得生活热水或提供居室供暖；③太阳能光伏发电系统，是利用太阳能光伏电池板吸收太阳能，并将太阳能转化为电能，提供室内设备用电或接入市政电网送电。此外还有太阳能吸收式制冷系统和太阳能干燥系统等。地热能的应用主要有：①利用高温地热能发电或直接用于采暖供热和热水供应；②借助地源热泵和地道风系统利用低温地热能。风能的利用较适用于多风海岸线山区和易引起强风的高层建筑，在英国和香港已有成功的工程实例，但在建筑领域，较为常见的利用形式是自然通风方式。总体而言，新能源的利用规模还不大，技术上不完善，商品化程度也较低，仍需继续深入广泛地研究。
据统计，在发达国家，空调采暖能耗占建筑能耗的65%，我国采暖空调和照明所用能量的增长速度已明显高于能量增长的速度。只有高能效的空调、照明系统与上述措施并行，才能真正的减少建筑能耗。要提高能源的利用率，首先，应根据建筑的特点、功能和当地的气候特点，设计高能效的暖通空调设备系统，如：热泵系统、蓄能系统和区域供热、供冷系统等。然后，在使用中采用高效的能源管理和监控系统监督和调控室内的舒适度、室内空气品质和能耗等情况。以在2006 年6 月在清华大学落成的我国首座超低能耗节能示范楼为例：节能楼中使用的是水循环空调，采用这种系统后能源消耗比普通空调系统减少30%。该楼中每个房间都安装了感应装置，人离开房间后感应装置自动关闭光源，停止供应冷气和热气，比同等规模的建筑节能约70%左右。另外，节能楼中还配备了雨水和地渗水收集系统，可将这些水进行深度处理后再次利用，用于冲厕和景观用水[5]。虽然节能建筑的初期成本的投入比较高，但其投入使用后的运行成本确比高耗能建筑低许多，随着能源价格的不断上涨其经济效应将更加显著。
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5 我国现阶段绿色建筑设计的方法及存在问题
清华大学江亿院士曾表示：”要使建筑节能的推动模式真正运转起来，其关键是给出建筑能耗指标，建立起建筑能耗评估体系。“在我国，节能建筑评价指标体系既是正确评价建筑节能效果的标准，也是指导绿色建筑设计的依据。通过借鉴国外绿色建筑设计及评价方法，我国现行用来指导绿色建筑设计的方法主要有三类：按规定性指标、按性能性指标和年能耗对比评定法。着眼于设计过程，“按规定性指标进行的建筑节能设计中．整个设计过程与传统设计没有重大差别”；按建筑性能性指标设计的基本设计步骤。与传统建筑设计过程相比增加了反馈过程，但没有突破性的改进，年能耗对比评定法的设计过程与按性能性指标设计的过程基本相同，只是激发反馈的评价标准有所改变。运用信息科学中的信息流模型分析上述绿色建筑设计过程，我们能够更清晰地看到这些设计过程存在的问题。从传统建筑设计过程改进而来的绿色建筑设计过程仍保持着按要求顺序逐步完成任务、解决设计问题的线性思维方法。过程中由于专业分割明显，多数专业人员不能参与整个设计过程，无法掌握全方位信息。于是设计信息与信息反馈分散于建筑设计的各个阶段，无法保持完整和统一，造成信息与操作的片断性。这也致使建筑设计程序前后脱节，存在明显断层，不能进行有效信息反馈。另外，设计过程中如果更改设计，则需大量重复设计过程，工作效率大大降低。因此．这种各个环节相互脱节、典型的“抛过墙”式的设计过程明显无法适应绿色建筑设计的需要。
6 建筑实例——考莫兹银行总部大厦， 德国法兰克福
主要（生态）设计特征：
1. 多个冬季花园围绕建筑主体塔楼盘旋而上。建筑侧面被四层高的花园所分割 2. 建筑主体中通高的中庭与花园连通，象烟囱一样为内向的办公室提供100%的自然通风
3. 利用混凝土的储热性能为建筑提供自然夜间降温
4. 利用自动监控的垂直遮阳板系统为建筑物提供遮阳和日照控制 5. 利用时间和运动监测器实行节能人工照明控制 6. 采用多层立面系统实现建筑节能
7. 成对的剪力墙在角落围和起来，以支撑承托八层建筑的大跨梁。这些大梁使办公室和花园都成为无柱的开敞空间。
8. 建筑平面为每边60米长的等边三角形，每边都向外微曲以取得最大的办公空间
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