绿色建筑的三要素.doc

绿色建筑的三要素，即保护环境减少污染，节约资源和能源，创造一个健康安全、适用和经济的活动空间，从产业链到生态链创造一个天人合一的环境，已渐渐得到人们的共识。绿色建筑的专业领域甚广，从规划、设计、施工到管理，从市政、园林、物业到经济，从建工建材、化工到轻工、从建筑、结构、机电到给排水，都与绿色建筑休戚相关。这是一个偌大的系统工程，既要全民运动为其添砖加瓦，反过来，她又造福于全球民众。特别是对结构工程师而言，在这场绿色建筑革命中能做出什么贡献呢？在我们的实践工作中，怎么显示“绿色”的特征呢？这都是值得探讨和思考的。建筑结构体系建筑结构体系是建筑的骨架。当建筑师们勾划出建筑物的形状、高度、色彩、造型、平面布置后，其骨架、基础、围护的设计均是由结构工程师来完成的，这涉及到选型的问题。我国的结构体系是非常丰富的。从较原始的土结构、石结构、木结构到以后的砖结构、钢筋混凝土结构、钢结构、膜结构、组合结构，无所不有。它的取用决定于资源、价格成本、结构型式、气候条件、文化基础等多种因素。建国以来，我国主要采用两种结构形式，即砌体结构（普通实心砖、空心砖、砌块）和钢筋混凝土结构（框架、框支、框剪、框筒、筒中筒）。改革开放前，以多层的砌体结构为主，约占80%90%左右。改革开放后，土地供需紧张，建筑需求量大幅上升，高层建筑在大中城市如雨后春笋地发展，特别是国家的墙改政策强制出台，为了避免毁田烧砖，在170个城市禁止使用实心粘土砖，预计钢筋混凝土结构的比例要占到60%以上，即这种结构已成为我国新建工程中的主导结构。国外研究表明，钢筋混凝土建筑的耗能量，为钢结构建筑的1.2倍，其耗能所产生的CO2排放量为钢结构建筑的1.4倍，可见钢筋混凝土建筑对地球环保有很大的杀伤力。钢筋混凝土建筑构件的断面大，要消耗大量的砂石、水泥和水，导致国土流失。最后当其寿终正寝，拆除解体时，其废弃的渣块屑又难以回收再利用，造成环境的大负荷，拆解中的扬尘再次冲击环保。由于钢筋混凝土结构自重大，对基础提出了更高的要求。目前我国的高层建筑几乎都采用钢筋混凝土桩基础，视土质地层情况，打入地下不同深度，用支承和摩擦两种方式把上部结构托起来。一般来讲基础工程占土建造价的1/3左右，它的最大弊端是在地下空间建立混凝土森林，给我们的城市地下空间开发设置了很大的障碍，破坏了地下空间环境。如上海市约有6000幢高层，桩大致有四十几米和六十几米两种规格，在修建上海地铁时，规划线路遇到很大的麻烦，暴露了很大的负面效应。由于我国对钢筋混凝土结构的施工方法还在沿用现浇施工法，伴随而生的是建材浪费，现场的噪声及空气污染，大量的废弃物，模板周转率低下，工程质量问题时有发生，一系列与绿色建筑背道而驰的现象。国外学者已明确钢筋混凝土结构体系为非绿色建筑，我国却视作主导结构，这是剖析我国绿色建筑中的首当其冲的大问题，也是重新审视我国建筑结构体系的大好机遇。在发达国家，由于模板、砂石、人工昂贵，使得钢筋混凝土结构的造价偏高，加上他们的土地资源不像中国那么紧张，房屋以多层，低层为主。如美国的住宅建筑，根据住宅建造商协会（NAHB）提供的统计资料，美国新建住宅结构类型钢结构类仅占1%，木结构占到89%，混凝土（如砖石和混凝土）占10%。彻底改变钢筋混凝土结构体系为我国主导结构的局面尚需有个过程。这是因为：1、这类结构取材方便，施工习惯，成本尚可接受，耐久性好；2、施工方法能吸纳大量劳动力，可以设想，一旦我们的建筑改成工厂化生产，会涉及到数千万建筑工人下岗，这是有关社会安宁的大问题。因此，既要大力提倡绿色建筑，又要根据国情循序前进。砌块建筑在我国已有几十年的发展史，时兴时落。这种体系的最大优点是充分利用废渣废料（粉煤灰）及地方资源，制作方便，便于在砌体结构中竖向配筋，不仅用来盖多层，还可盖高层，价格不高，施工简单。由于在生产、设计、施工几个环节中管理不严,出了点裂缝之类小问题,但也不乏有许多成功的例子,不毁田,又利废,还节能,且耐久,与其他建材相比,系归类于绿色建筑。发达国家的轻钢结构（壁厚于小4mm）发展甚快，尤其近年来已从低层结构发展到多层结构，甚至于中高层结构（7-9层）。这类结构除了重量轻省料，所用的材料均属再生材料外，大量的构件系工厂化生产能保证工程质量，施工周期短，是典型的绿色建筑。木结构理所当然的属绿色建筑。一方面我国的林业科学发展迅速，他们希望我们终止“以钢伐木”的方针，表示能提供“速成林”的木材给建筑使用；另一方面，西方国家在我国WTO后，出于他们的生态平衡，急需伐树出口到中国，价格合理的话，也可视作能接受的一种结构体系。膜结构仅局限于部分公共建筑的应用。绿色建筑向结构师提出了建筑结构体系选择的新问题。众所周知，要创造出一种新的结构体系绝非易事，在可持续发展的新形势下，结构工程师要做出新的决择。在此对混凝土用料作些分析。从2003年我国水泥8.2亿吨的实际消费来看，扣除水泥制品、砌筑砂浆所用的水泥量，60%的水泥是用于混凝土的拌制。全国混凝土总的用量为15亿立方米，其中房屋建筑为9亿立方米，预计2010年达到25亿立方米。根据2003年混凝土产量，估算用于混凝土中的砂、石、水泥、水基本原材料年用量如表1所示。数据惊人。在我国局部地方开采砂石也出现了困难，沿海一些城市甚至采用对混凝土具有腐蚀作用的海砂，处理不当还影响工程质量。特别要引起注意的是水泥的消费。自1985年起我国水泥产量已连续19年居世界第一，这隐含着我们不仅浪费了大量能源与国土流失，更突出的是向大气中排放CO2，污染环境。不考虑CO2减量与废弃物减量就称不上绿色建筑的研究，国际有关组织在研究10年间碳的预算量时，清清楚楚地写上“水泥生产”的地位和数量，所以谈及绿色建筑时，水泥用量是值得警惕的一个数据，切莫以我国水泥产量世界第一而沾沾自喜。先进发达国家均依赖于周边贫穷或发展中国家提供水泥的，为了保护自己家园的环境，他们少生产或不生产水泥。建筑结构耐久性建筑结构的耐久性是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，由于结构构件性能随时间的劣化，但仍能满足预定功能的能力。要注意结构耐久性与可靠性的区别。可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力；结构可靠性主要表征结构的能力问题，而结构的耐久性主要反映时间问题。国家标准建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）规定了结构的设计使用年限。国家标准民用建筑设计通则亦相应作出民用建筑设计使用年限的规定。除了处于设计使用年限之中的建筑之外，尚有两种情况要特别关注：一是“超期服役”，超过设计使用年限未经检验认定仍在使用；二是“中途夭折”，尚未达到设计使用年限，被强行拆除。第一种情况，属不安全因素存在，诚然为非绿色建筑。现在常说的全寿命是指建筑建成之日到拆除解体之日。一个建筑设计合理，选材讲究，使用得当、维护到位、无特殊情况外（火灾、地震、风灾、不均匀沉降）其全寿命肯定是大于设计使用年限。问题是在相当长的一段时间后，应对其进行检测，如同人步入老年后，体检的频度加大。第二种情况，不符合可持续的科学发展观，不能做到物尽其用，是建筑资源和社会财富的损失。拆除过程要消耗可观的人力、物力、运力，同时产生大量的粉尘和废弃物，拆除意味着新建，既要消耗资源、能源，又会排放CO2，肯定不是绿色行为。日本规定建筑物的支撑体（梁、板、柱）的设计使用年限为100年，新西兰学者甚至按500年的使用周期设计“自维持住宅”，他们认为有1000年历史的建筑一个诺曼底式的教堂，至今仍在正常使用，500年的周期并非不可能，应该说这都是绿色思想的体现。我国的建筑结构的耐久性研究历史不长，近年来成为工程学科的热点。虽然我们的基础工作做得不够，却有明显的进展。在2002年版的混凝土结构设计规范（GB50010-2002）专门增加了耐久性规定。住宅性能评定技术标准把耐久性列为住宅的五大性能之一，从结构工程、装修工程、防水工程与防潮措施、管线工程、设备、门窗六个方面设置了评定指标。毋容置疑，建筑结构的耐久性是绿色建筑的一个重要分支，混凝土工程结构因化学腐蚀、冰冻循环、钢筋锈蚀、碱骨料反应等因素引起的耐久性降低，缩短工程的使用年限，造成巨额投资的浪费，资源的浪费是当前急需解决的基础性课题。结构工程师应责无旁贷地承担起耐久性的研究和设计工作，让我们的建筑物全寿命周期尽可能多的为人类服务。建筑轻量化高强、轻质是结构工程师长期以来追求的目标。高强、轻质无疑可以节约材料，增大使用面积，减小基础荷载还给施工带来方便。减少建材用量，当然会促成节能、省资源、减少废弃物与温室气体排放量。1996年我国钢材生产超过1亿吨而成为世界第一钢材生产大国，而到了2003年仅仅用了7年的时间钢材用量就超过了2亿吨。根据“十五规划”预测，2010年钢材产量将突破3.1亿吨。 建筑业用钢占到53%，钢种包括螺纹钢、热轧H型钢、彩涂板及钢门窗用钢、耐火耐候钢、抗层状撕裂性能钢板（Z向钢）、冷弯型钢、钢模板和脚手架。我国房屋建筑的结构型式主要是采用钢筋混凝土结构，因此螺纹钢筋（包括带肋、光圆、预应力钢筋）的消费量最大。我国建国以来到1996年主要采用的钢筋是、级钢筋，其强度等级分别为：fyk=235N/mm2、fyk=335N/mm2、fyk=370N/mm2。1996年以后，国家规范推行新级钢筋（HRB400），fyk=400N/mm2。目前，热轧带肋钢筋级螺纹钢是我国生产和消费最多的主导产品，而欧、美等国家主要采用强度高、综合性能好的HRB400、HRB500钢筋。我国建筑实际采用钢筋的强度等级一般比发达国家低12个等级。实践证明，热轧钢筋HRB400与HRB335相比，除具有性能优良、适于抗震等优点外，并可节约钢材10%14%。由于HRB400正式列入国家标准混凝土结构设计规范，若能得到全面实施，按照2002年消费建筑用热轧钢筋量计算，大约每年可节约钢材500万吨左右。在此不妨对混凝土和水泥再做些分析。我国建筑所用的混凝土强度等级尽管甚多，但量大面广的是C30C40。2003年度，曾对商品混凝土强度分布作过统计，C30C40占65%；C25占24%；C45C55占8.5%。2000年以后，国家规范推行采用C70、C80的混凝土，现在的用量约1500万立方米左右，只占整个混凝土用量的1%。目前，各国规范中规定采用的混凝土最高强度等级分别是：欧洲规范Euro Code 2为C105，德国规范DIN1045是C115，美国规范AC/318没有规定，设计手册已用到C100，试验研究已超过C160。发达国家C70、C80混凝土在工程中应用较为普遍。一般来讲，在同等结构体系中，混凝土强度等级越高，其结构构件尺寸、体积就会相对减少，其用料就会减少。为此，各个国家都将混凝土强度等级的研究作为一项基础战略研究，尤其是美国，对超高层建筑和大型公共工程所用高性能混凝土的研究，它带来的不仅仅是强度的提高，更重要的是降低水泥和钢材的用量。美国国家标准研究院在1998年的报告就提出了C160的混凝土。水泥一般有275号（砌筑水泥）32.5级和42.5级（新标准）。砌筑水泥一般用于砂浆，32.5级、42.5级用于结构和制品。2002年我国32.5级水泥占总产量的75.8%；2003年32.5级水泥占总产量的74.5%,所以我国建材市场上，32.5级水泥是主导产品。32.5级水泥可拌制C50以下强度等级的混凝土，42.5级水泥可拌制C70、C80的混凝土，个别试验甚至可拌制出C100的混凝土。不采用高等级的混凝土自然就用不上高级别的水泥。用了高等级的混凝土，自然减少对水泥的消耗。商品混凝土是建筑施工工业化的重要标志。商品混凝土可全部采用散装水泥，不仅节约水泥1015%，还节约了水泥袋纸的用量，且显著提高混凝土质量及改善施工现场的环境状况。我国的商品混凝土量仅2.1亿多立方米，占房屋建筑用量23%，低于发达国家60%以上的水平。北京、上海、广州、天津的商品混凝土用量已占现浇总量的65%。建材的高强、轻质范畴很广，如陶粒就是很有前景的一种材料。吉林盛产浮石，不属高强，但属轻质，制作的浮石砌块作为填充墙可大大节省基础。发展高强、轻质一定要因地制宜。工业化生产建筑工业化生产的口号时起时伏地呼吁了几十年，始终没落到实处，反之显示工业化生产端倪的小型预制构件厂由于城市土地升值，产品销售不佳，现浇结构抗震性能好等多种原因纷纷倒闭。今天我们讨论绿色建筑之际，还得反思工业化生产的老问题。以工业生产工艺的方式兴建建筑物，也就是将建筑物的部品工业化、预制化、规格化，以及采用自动化机具来施工。荷兰建筑大师Delf大学教授尼古拉斯约翰哈布瑞肯于1964年就住宅的工业化体系提出，大众（集合）住宅的设计理论：住宅体系=支撑体（共性）+可拆合单元（个性）。支撑体是属于大众共同决定的实体部分，实现途径是采用标准化的工业化手段获得高质量、高效率、高经济效益；可拆合单元则是属于个人所控制的空间领域，实现途径是部件化、模数化、多品种。就住宅的工业化而言，目前流行的做法是按照住宅建筑的各个部位和功能要求，以及工厂化生产加工制造的可能性，将住宅建筑分解成各个部品部件。部品是经工厂制作成半成品，运至施工现场，应达到在工程现场组装简捷、施工迅速。对部品要最大限度地做到集成化供应，装配化施工，接口结合技术完善可靠，并保证部品安装就位后，能确保其规定的技术要求和质量要求，发挥其功能作用。住宅部品体系框架如下：支撑与围护体系（保温、隔热、防水、外装饰）；2、内装体系，包括隔墙、厨房、卫生间、内门、壁柜、楼梯、装修部件；3、设备体系，包括给水与排水、供暖、通风与空调、燃气、管道与布线、智能化系统、电气与照明、电梯、消防、新能源；4、社区服务配套体系，包括休闲娱乐设施、停车设施、垃圾处置、园林浇洒、雨水收集与利用、中水处理与回用。工业化生产与现浇施工相比较，减少许多不必要的建材浪费，同时可减少施工的粉尘、噪音及光污染。台湾的研究数据表明，现场施工钢筋混凝土每平方米楼板面积会产生1.8公斤的粉尘和0.14公斤的固体废弃物，在日后拆除阶段则产生1.23公斤的固体废弃物。有人统计正常的工业化生产可减少工地现场废弃物三成，减少施工空气污染一成，减少5%的建材使用量，对环境保护意义重大。工业化生产应划入绿色建筑涵义范畴，其中大部分工作由结构工程师担纲。工业化生产的前提是建筑师的构思,在建筑师初步方案的引领下,由结构工程师来完成结构部品的设计工作。对此，建筑师必须具备工业化生产的建筑设计特色。日本在这方面是做得有典范意义的。如浴室，有坐在澡盆里洗澡的，有坐在椅子上洗澡的，有站着或蹲着洗澡的，针对调查比例，他们设计了各种不同类型的整体浴室。对客厅，他们提供了家庭成员自然而然地聚集起来的“团圆型客厅”、来客较多的“庄重型客厅”、以提高兴趣爱好或朋友经常聚集的“活动型客厅”三种不同类型，应该说工业化生产个性化更强，越发体现了“以人为本”的本质。随着我国房地产市场的迅猛发展，近期工业化生产有上升的潜势。有发展眼光的开发商在做大做强的同时，隐感到管理工作的滞后，他们就在琢磨部品化工厂化产业化的建房模式，只有这样才能保证他们的工程质量，保住他们的企业品牌。而这又确是满足绿色建筑的发展途径。当然，对于那些超高层、大跨结构过于讲究工业化生产是不现实的，但对于面大量广的住宅建筑体系、教学楼、医院、一般办公楼我们是能够实现工业化生产的。开展优化设计开展优化设计工作，制定鼓励优化技术的政策文件，指导工程设计人员建立各种结构形式的优选方案，通过对经济、技术和资源的对比分析，提出优化设计报告，这是节约资源、抵制不良的设计倾向不可忽略的一个环节。众所周知，我们的设计队伍庞大，水平不一，加上设计软件参差不齐，理解标准规范深浅不同，各单位的设计风格有别，使设计结果出入不小，尤其体现在断面尺寸和用钢量两个指标中，这明显地关系到材料用量。这种情况不仅中国大陆存在，其他地区或国家也有类似的情况。如在台湾的中震后，一般设计合理的20层办公大楼结构，每平方米的钢筋用量约在160公斤左右，但有一些结构系统设计不良的大楼却高达250公斤幅差达三成，其糟蹋地球资源的情形可见一斑。更要引起警觉的是近几年建筑界有一股“怪”风，追求“新、奇、特”把建筑方案搞得离奇、夸张、怪诞，国外媒体讥讽我们的某些项目是世界建筑师的“实验场”。为了别出心裁，作不必要的变化造型，不合理的超大结构、不均匀对称的平面设计，使得建材用量暴增。结构工程师绝对不是受力分析、设计断面、决定配筋、构造措施这么简单的受制于项目负责人的力学数学工程师，对于不合理的设计应勇于站出来与业主，建筑师、设备电气工程师展开讨论，宣传绿色建筑理念，弘扬可持续发展精神。我们工程技术人员应树立科学发展观的思想，着手研究建立科学的建筑方案评价指标体系，包括安全可靠的评价指标体系（综合考虑结构、地基、抗震、防火），经济合理的评价指