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摘 要：本文结合自身工作经验，针对在高层建筑设计中的低碳设计进行详细阐述，目前我国在高层建筑设计中的节能意识淡薄，造成高能耗、低效益，影响建筑使用效率，浪费巨大。所以，高层建筑的低碳节能设计是当代建筑设计的重要问题。
关键词：高层建筑；低碳设计；设计理念
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
1 建筑节能中的“碳”理念
2003 年的英国能源白皮书《我们能源的未来: 创建低碳经济》首次提出了“低碳经济”的概念。所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态低碳建筑是指在建筑材料与设备制造、施工建造和建筑物使用的整个生命周期内，减少化石能源的使用，提高能效，降低二氧化碳排放量( 如图1、图2 低碳建筑) 。目前低碳建筑已逐渐成为国际建筑界的主流趋势。一个经常被忽略的事实是: 建筑在二氧化碳排放总量中，几乎占到了50%，这一比例远远高于运输和工业领域。
图1
图2
2 高层建筑的特点与低碳节能设计的必要性
高层建筑体形庞大，容积率过高，相邻建筑互相遮挡，不通透，形成大面积阴影区，从而使城市人居环境质量下降，市中心人口膨胀、交通拥挤。除此之外，设计者往往贪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略了对于生态环境的保护。
3 建筑低碳设计理念的重要意义
(1) 建筑能耗约占社会总能耗的1 /3，我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从20 世纪70 年代末的10%，上升到近年的27. 45%。而国际上发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的33% 左右。国家建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35% 左右。如此庞大的比重，使建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋，急需改良建筑设计来改善这一状态。
(2) 高耗能建筑比例大，加剧能源危机。目前，我国已建房屋有400 亿平方米以上，属于高耗能建筑，总量庞大，潜伏巨大能源危机。正如建设部有关负责人指出，仅到2000 年末，我国建筑年消耗商品能源共计3. 76 亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的27. 6%，而建筑用能的增加对全国的温室气体排放已经达到了25%。低碳环保的建筑设计可以解决这个问题。
(3) 我国建筑节能状况落后，亟待改善。在20 世纪70 年代能源危机后，发达国家开始致力于研究与推行建筑节能技术，而我国却忽视了这一方面的问题。时至今日，我国建筑节能水平远远落后于发达国家。举例说明，国内绝大多数采暖地区围护结构的热功能都比气候相近的发达国家差许多。外墙的传热系数是他们的3. 5 ～ 4. 5 倍，外窗为2 ～ 3 倍，屋面为3 ～6 倍，门窗的空气渗透为3 ～ 6 倍。现在，我国的采暖耗能约为欧洲国家的1. 5 倍。因此，与当前发达国家建筑能耗已经大大降低的情况相比，我国单位建筑面积采暖能耗是发达国家标准的3 倍以上，与发达国家存在较大的差距。而对于美国而言，全球石油资源的战略布局以及石油的开采区域和运输线路等关键点的调整工作已基本完成，我国却没有那样强有力的能源后盾支持，在这样的国情下，建筑节能水平的改善实际上应该比发达国家更为紧迫。
4 低碳设计理念应用于高层建筑设计的策略分析
4． 1 优化建筑位置及朝向设计
高层建筑的定位首先应考虑对城市环境的影响，容积率过高很难满足日照要求，阳光有着巨大辐射能量。从某种意义上讲地球本身就是巨大的太阳能接收器，阳光不仅对人的身体健康有着很大的益处，对建筑的节能也有着十分重要意义。城市规划应注重应用日照原理，合理地确定建筑位置与朝向，使每幢建筑能接收更多的太阳辐射热能，因此，建筑的方位与节能有着直接关系。不同朝向、不同季节，建筑物所得到的太阳辐射热能量不同，热损失也不同。尤其是在冬至前后，由于太阳高度角低，房间所接收的太阳光线的面积比夏天多得多。在确定建筑的方位时首先应考虑环境情况，按其太阳高度角做出日影响图，以确定冬季每天的日照时间，建筑南向开窗面积尽可能大些，在满足采光条件下，北向、东向窗尽可能小些，从而获得更多的太阳光线，减少热损失，保持室内舒适的温度环境。
4. 2 优化围护结构墙体设计
(1) 外墙是围护结构的主体部分，高层建筑的围护结构不同于砖石结构房屋，前者是钢筋混凝土框架或剪力墙结构承重。因此，围护结构属于填充材料，为了减轻荷载，达到保温、隔热要求，采用轻质高效保温材料，目前在寒冷地区常用的墙體做法有: 页岩陶粒混凝土空心砌块、黏土空心砖与实心砖复合墙体黏土实心砖或空心砖岩棉夹心复合墙体等。但存在问题较多，节能的效果仍达不到标准的要求。围护结构的材料布置分外侧和内侧，在寒冷地区的同一气候条件下，由于材料层次布置不同，所取得的保温效果也不尽相同，为防止墙体内产生冷凝水，保温层设在外侧更好些。
(2) 高层建筑的围护墙体不宜采用外侧保温的聚苯乙烯泡沫板( 舒乐板、PG 板) ，岩棉板等轻质保温材料。一幢建筑的寿命少则几十年，多则上百年，材料的应用与建筑整体的寿命应同步。轻质的外保温复合墙体存在以下不足之处: 抗震能力差、易松散、与结构构件结合不好、整体性能差; 不能承受外部装修贴、挂荷载，如: 贴石材、安装装饰构件等; 不能承受有振动的凿刨装修，如: 剁斧石面层、予留洞、槽易出现冷桥; 墙表面易出现裂纹。除此之外，复合墙体由于框架梁拉、剪力墙的嵌入，墙体内容易造成冷桥，是保温、隔热的薄弱环节。据测定，高层建筑所出现的冷桥约占整个热损失的5% ～ 13%，因此，应引起设计者重视，采取有效构造措施尽可能避免产生冷桥。
另外，高层建筑外围护墙体耗能较大，占整个建筑耗能的25%左右。建筑的形体变化是建筑外露面积的主要因素之一，体形系数越大耗能越多，国外的一些高层建筑造成圆塔形，比如美国洛杉矶的好运饭店、法国戴高乐机场候机楼都是圆型或椭圆形，我们知道，相同的面积，圆的周长最短，这样使建筑外露面积较小。因此，基于能量损耗的考虑，高层建筑的形体变化不宜过多，也不宜复杂。
(3) 高层建筑的风环境是影响建筑耗能因素之一。在冬季，风力对建筑的热损失很大，增大冷空气的渗透量，使室内热损失加大。由于建筑某些部位处理不当，墙体内部易产生冷凝水。因此，建筑保温材料的选用以及建筑构造的合理性应建立在科学、可靠的基础上。
关键词：高层建筑；低碳设计；设计理念
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
1 建筑节能中的“碳”理念
2003 年的英国能源白皮书《我们能源的未来: 创建低碳经济》首次提出了“低碳经济”的概念。所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态低碳建筑是指在建筑材料与设备制造、施工建造和建筑物使用的整个生命周期内，减少化石能源的使用，提高能效，降低二氧化碳排放量( 如图1、图2 低碳建筑) 。目前低碳建筑已逐渐成为国际建筑界的主流趋势。一个经常被忽略的事实是: 建筑在二氧化碳排放总量中，几乎占到了50%，这一比例远远高于运输和工业领域。
图1
图2
2 高层建筑的特点与低碳节能设计的必要性
高层建筑体形庞大，容积率过高，相邻建筑互相遮挡，不通透，形成大面积阴影区，从而使城市人居环境质量下降，市中心人口膨胀、交通拥挤。除此之外，设计者往往贪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略了对于生态环境的保护。
3 建筑低碳设计理念的重要意义
(1) 建筑能耗约占社会总能耗的1 /3，我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从20 世纪70 年代末的10%，上升到近年的27. 45%。而国际上发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的33% 左右。国家建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35% 左右。如此庞大的比重，使建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋，急需改良建筑设计来改善这一状态。
(2) 高耗能建筑比例大，加剧能源危机。目前，我国已建房屋有400 亿平方米以上，属于高耗能建筑，总量庞大，潜伏巨大能源危机。正如建设部有关负责人指出，仅到2000 年末，我国建筑年消耗商品能源共计3. 76 亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的27. 6%，而建筑用能的增加对全国的温室气体排放已经达到了25%。低碳环保的建筑设计可以解决这个问题。
(3) 我国建筑节能状况落后，亟待改善。在20 世纪70 年代能源危机后，发达国家开始致力于研究与推行建筑节能技术，而我国却忽视了这一方面的问题。时至今日，我国建筑节能水平远远落后于发达国家。举例说明，国内绝大多数采暖地区围护结构的热功能都比气候相近的发达国家差许多。外墙的传热系数是他们的3. 5 ～ 4. 5 倍，外窗为2 ～ 3 倍，屋面为3 ～6 倍，门窗的空气渗透为3 ～ 6 倍。现在，我国的采暖耗能约为欧洲国家的1. 5 倍。因此，与当前发达国家建筑能耗已经大大降低的情况相比，我国单位建筑面积采暖能耗是发达国家标准的3 倍以上，与发达国家存在较大的差距。而对于美国而言，全球石油资源的战略布局以及石油的开采区域和运输线路等关键点的调整工作已基本完成，我国却没有那样强有力的能源后盾支持，在这样的国情下，建筑节能水平的改善实际上应该比发达国家更为紧迫。
4 低碳设计理念应用于高层建筑设计的策略分析
4． 1 优化建筑位置及朝向设计
高层建筑的定位首先应考虑对城市环境的影响，容积率过高很难满足日照要求，阳光有着巨大辐射能量。从某种意义上讲地球本身就是巨大的太阳能接收器，阳光不仅对人的身体健康有着很大的益处，对建筑的节能也有着十分重要意义。城市规划应注重应用日照原理，合理地确定建筑位置与朝向，使每幢建筑能接收更多的太阳辐射热能，因此，建筑的方位与节能有着直接关系。不同朝向、不同季节，建筑物所得到的太阳辐射热能量不同，热损失也不同。尤其是在冬至前后，由于太阳高度角低，房间所接收的太阳光线的面积比夏天多得多。在确定建筑的方位时首先应考虑环境情况，按其太阳高度角做出日影响图，以确定冬季每天的日照时间，建筑南向开窗面积尽可能大些，在满足采光条件下，北向、东向窗尽可能小些，从而获得更多的太阳光线，减少热损失，保持室内舒适的温度环境。
4. 2 优化围护结构墙体设计
(1) 外墙是围护结构的主体部分，高层建筑的围护结构不同于砖石结构房屋，前者是钢筋混凝土框架或剪力墙结构承重。因此，围护结构属于填充材料，为了减轻荷载，达到保温、隔热要求，采用轻质高效保温材料，目前在寒冷地区常用的墙體做法有: 页岩陶粒混凝土空心砌块、黏土空心砖与实心砖复合墙体黏土实心砖或空心砖岩棉夹心复合墙体等。但存在问题较多，节能的效果仍达不到标准的要求。围护结构的材料布置分外侧和内侧，在寒冷地区的同一气候条件下，由于材料层次布置不同，所取得的保温效果也不尽相同，为防止墙体内产生冷凝水，保温层设在外侧更好些。
(2) 高层建筑的围护墙体不宜采用外侧保温的聚苯乙烯泡沫板( 舒乐板、PG 板) ，岩棉板等轻质保温材料。一幢建筑的寿命少则几十年，多则上百年，材料的应用与建筑整体的寿命应同步。轻质的外保温复合墙体存在以下不足之处: 抗震能力差、易松散、与结构构件结合不好、整体性能差; 不能承受外部装修贴、挂荷载，如: 贴石材、安装装饰构件等; 不能承受有振动的凿刨装修，如: 剁斧石面层、予留洞、槽易出现冷桥; 墙表面易出现裂纹。除此之外，复合墙体由于框架梁拉、剪力墙的嵌入，墙体内容易造成冷桥，是保温、隔热的薄弱环节。据测定，高层建筑所出现的冷桥约占整个热损失的5% ～ 13%，因此，应引起设计者重视，采取有效构造措施尽可能避免产生冷桥。
另外，高层建筑外围护墙体耗能较大，占整个建筑耗能的25%左右。建筑的形体变化是建筑外露面积的主要因素之一，体形系数越大耗能越多，国外的一些高层建筑造成圆塔形，比如美国洛杉矶的好运饭店、法国戴高乐机场候机楼都是圆型或椭圆形，我们知道，相同的面积，圆的周长最短，这样使建筑外露面积较小。因此，基于能量损耗的考虑，高层建筑的形体变化不宜过多，也不宜复杂。
(3) 高层建筑的风环境是影响建筑耗能因素之一。在冬季，风力对建筑的热损失很大，增大冷空气的渗透量，使室内热损失加大。由于建筑某些部位处理不当，墙体内部易产生冷凝水。因此，建筑保温材料的选用以及建筑构造的合理性应建立在科学、可靠的基础上。