論鋼結構在綠色建筑設計中的應用與發(fā)展

王文輝

(濰坊昌大建設集團有限公司 山東 濰坊 261061)

與其他建筑材料和結構相比,鋼材和鋼結構具有材質性能穩(wěn)定均勻、硬度高、抗壓強度高、質量輕、防震、可二次回收利用等特點,一方面使建筑工程施工周期大大縮短,加快了施工進度,同時還能確保建筑物的質量,提高了建筑的安全性、牢固性和抗震防災的能力;另一方面,由于其價格低、不廢料、質量輕、還能二次回收利用的特性,完全可以取代其他材料,節(jié)省建筑材料消耗和損耗,符合綠色環(huán)保建筑設計理念,也成為綠色建筑設計發(fā)展重要的助力。鋼結構應用于綠色建筑設計中,有利于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn),推動我國產業(yè)結構轉型升級,向生態(tài)文明型社會發(fā)展。

1 綠色建筑設計和鋼結構建筑簡介

1.1 綠色建筑設計理念和特性介紹

將環(huán)保生態(tài)概念引入建筑設計和施工過程中,使建筑物與周遭生態(tài)環(huán)境協(xié)調一致,和諧共處,在推動建筑行業(yè)發(fā)展進步的同時,保護生態(tài)環(huán)境,并為人們提供健康舒適的生活環(huán)境,這就是綠色建筑設計理念。綠色建筑設計理念是順應可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和低碳環(huán)保生活思想而提出的新型建筑理念,更加符合現(xiàn)代人居住和生活需求。貫徹綠色建筑設計理念的建筑物,除了能滿足人們日漸提高的物質生活需求,還能滿足不斷增長的精神世界需求,使居住者感受到生活的美好,大自然的美麗,實現(xiàn)人與自然和諧相處。綠色建筑設計理念的關鍵核心是節(jié)能減排,減少資源使用和浪費,減少建筑物和建筑過程對生態(tài)環(huán)境的傷害,并且在先進科技的加持下,對房屋的供暖、通風、采光等方面的設計都盡可能通過科學的結構設計和自然環(huán)境因素加以實現(xiàn),例如通過太陽能、自然風和地理氣候的利用,減少空調和電暖的使用,從而節(jié)省電力資源的使用與損耗。

1.2 鋼結構建筑概述

鋼結構建筑,顧名思義就是以鋼材作為主要材料的一種建筑結構類型。因鋼材具有強度高、質量輕、抗壓強度高等特性,以此為主要材料的鋼結構建筑也具備承重能力高、建筑完整性強、安全性高等優(yōu)點。并且相比于其他建筑材料和結構,鋼結構建筑由于鋼材質量輕、性質均勻的特點,在建筑施工過程中更加方便快捷,降低了施工工程量,縮減了工程周期,從而大大節(jié)省了資源使用量,也減少了污染物的排放總量。

鋼結構建筑的韌性也極高,對沖擊、震動都有著極強的緩沖作用,因此提高了建筑物的抗震能力,增加了建筑物的可靠性和安全性。鋼結構建筑的連接技術主要有焊接連接、螺栓連接、鉚釘連接,通過這些連接技術能夠使鋼結構之間緊密連接,增加整個建筑的完整性。鋼結構主要構建組成包括鋼材質的框架、排架、屋架、鋼架、網架等,這些構建能夠靈活搭配拼接,使施工過程進一步簡化,因而成為各行各業(yè)首選的建筑材料和結構。除此之外,鋼結構能夠融合各種新型技術,例如隔熱保溫、防火隔音等技術,大大節(jié)省了在傳統(tǒng)建筑設計為了達成保溫隔音等要求而額外消耗的大量材料資源。并且,鋼結構建筑除了拆除階段,其余階段幾乎不會產生建筑垃圾,排放廢水廢氣,真正做到了節(jié)能、減耗、綠色、環(huán)保。

2 鋼結構建筑的優(yōu)點

2.1 鋼制材料的優(yōu)點

鋼結構的主要組成材料是鋼制材料,通過冷熱加工將鋼材壓制成鋼板,再通過裁切、焊接等程序加工成各類建筑構建。與傳統(tǒng)的建筑材料相比,鋼材本身的特性更加符合現(xiàn)代社會綠色環(huán)保的發(fā)展要求。首先,鋼材的強度硬度與韌性、可延展性完美相融,這些特性都和諧統(tǒng)一地展現(xiàn)在鋼材上。強度硬度高使鋼結構能夠承受更多建筑構建的負荷,提高了建筑物的安全性能。韌性高、可塑性強使鋼結構能夠消化吸收更多的沖擊力,因此使建筑本身的抗震防災能力大幅度提升。其次,鋼制材料內部的多種性能和組織成分都處在均衡統(tǒng)一的狀態(tài),呈現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性,這使得外部環(huán)境對鋼結構的影響減弱,鋼結構不會因外部濕度、溫度、日照等自然因素而輕易改變性能或發(fā)生結構變形,這使建筑物本體更加穩(wěn)定。

2.2 建筑造價低、施工周期縮短、提高建筑工程化程度

鋼結構建筑材料的生產制造相較于傳統(tǒng)的建筑材料更加綠色環(huán)保,例如木材結構需要砍伐大量樹木,對自然環(huán)境造成了嚴重破壞,且生產加工流程復雜,無法實現(xiàn)大批量的生產,因此造價成本高,并不經濟實惠。通過先進的科學技術,鋼結構材料已經實現(xiàn)了大批量生產,提高生產效率的同時也降低了生產成本,并且通過機械自動加工,能夠保證鋼結構建材的穩(wěn)定,標準規(guī)范統(tǒng)一,極大地推動了建筑行業(yè)的工程化進度。由于鋼結構建筑材料的生產的標準化、統(tǒng)一化,使建筑零部件具備了互通性、可替換性。當建筑過程中,某組織結構的零部件丟失時,能夠快速找到替代品,或者立刻生產加工出新的零部件,避免延誤工時。鋼結構還因其能夠縮短施工周期的優(yōu)點,獲得了大量建筑企業(yè)的認可和青睞,被廣泛應用于房屋建造中。

2.3 鋼結構建筑高度、跨度都相對較高

鋼結構因其自重輕、延伸可塑性強等特性,能夠滿足一些更高度、跨度更大的建筑設計要求,被廣泛應用于超高度和超跨度的建筑結構中。例如,北京奧運會的鳥巢建筑,就是利用了鋼結構這一特性的典型例子。鳥巢建筑的鋼結構是由大量的鋼板焊接而成,實現(xiàn)了這一大跨度的建筑結構造型設計,這是其他傳統(tǒng)建材無法做到的,如木質建材、混凝土建材等就無法實現(xiàn)如此高跨度的建筑要求。鋼結構憑借著自身重量輕、內部材質成分均勻穩(wěn)定的特性,能夠做到大部分材料無法做到的彎曲、變形,同時發(fā)生斷裂的可能性極低,從而搭配更加靈活多變,能夠最大程度地實現(xiàn)建筑設計師的創(chuàng)意想法。

3 鋼結構符合綠色建筑設計理念的體現(xiàn)

3.1 鋼結構建筑強調“概念設計”

概念設計是建筑設計師必須具備的設計理念和方式,若在建筑結構設計中不足夠重視概念設計思想,將影響到后期的施工過程和建筑質量。但現(xiàn)在大部分的建筑設計師都在這一方面上有所欠缺,過分依賴設計程序、設計標準規(guī)范守則,缺乏自己的設計思路和創(chuàng)意想法,對建筑設計也缺乏整體全面的獨立思考。而且過分信賴計算機計算的結果,就很難察覺到其中的不合理之處。鋼結構建筑對于“概念設計”要求相對較高,推動著建筑設計師不得不重視結構概念設計,提高自身的概念設計能力。首先鋼結構對結構選擇和布置要求極高,必須從全局的角度來思考結構布局設計,要求設計符合各項標準規(guī)范,充分考慮到工程具體特點。其次,要加強對材料數(shù)額的管控,提高鋼材的使用率,減少材料損失,清楚了解每件材料的性能特點,做到物盡其用,避免因不合理的使用而導致材料報廢。

3.2 實現(xiàn)標準化、自動化工廠生產

鋼結構的材質生產已經實現(xiàn)了標準化、自動化生產,這大大減少了鋼材的生產成本,使得鋼結構建筑的性價比提升。并且引進自動化生產線,用全自動機器代替人工操作,能夠加快生產速度,確保生產質量,使產品標準統(tǒng)一規(guī)范。除此之外,隨著互聯(lián)網信息技術的不斷進步,鋼結構建筑信息化程度也不斷提高,憑借信息化系統(tǒng),鋼結構建筑能夠從數(shù)據(jù)庫中調取以往各建筑設計方案、結構信息、部件生產數(shù)據(jù),便于與現(xiàn)在的建筑工程進行比對,以此獲得最標準的鋼結構建筑設計。

4 綠色建筑設計中鋼結構的技術應用

4.1 防火技術的應用

盡管鋼結構材料具有較高的耐熱性,能夠在150攝氏度以下的環(huán)境中,保持自身結構性能的穩(wěn)定。但一旦超過這個溫度,鋼結構的各項性能就會發(fā)生改變,例如強度、硬度會下降。溫度高達四百攝氏度時,鋼結構的抗壓能力和承受能力就會顯著下降,只有正常環(huán)境下的一半。當溫度高達六百攝氏度以上時,鋼結構的性能幾乎消失殆盡,自身結構也會被完全破壞。因此,必須要提升鋼結構的耐高溫和防火技術,在鋼材料中加入防火材料和隔熱板加以保護[1]。

4.2 防腐技術的應用

鋼結構的耐腐蝕性差一直是建筑行業(yè)科研人員極為頭疼苦惱的問題,也是急需解決的問題。鋼結構建筑長期暴露在外部環(huán)境中,遭受風吹雨打,極易被腐蝕生銹,這對鋼結構建筑的強度,硬度,穩(wěn)固程度都有著極大的破壞,甚至可能出現(xiàn)鋼梁等結構斷裂的問題,嚴重威脅著居民的生命安全。因此鋼材料防腐技術逐漸發(fā)展起來,致力于提高鋼材的防銹防腐性能。目前鋼材建筑主要的防腐技術是在鋼材表面鍍鋅或涂抹防水材料,同時,還要注重建筑后期的除銹維護工作[2]。

4.3 防污染技術的應用

在建筑行業(yè)中主要需要防范的噪音污染和光污染這兩類污染問題。前者主要是由于建筑材料選擇不合適,或建筑內部結構不合理,從而造成隔音減噪效果差,建筑外環(huán)境的噪音嚴重干擾居住者的日常生活起居,如交通噪音。室內光污染問題主要表現(xiàn)有兩方面。一是建筑材料和建筑內部涂料選擇不恰當,燈光設計不合理,導致光線過分刺眼,嚴重影響人們睡眠質量,甚至傷害到居住者的視力。二是房屋朝向設置不對,采光效果差,導致室內光線昏暗。嚴重的光污染可能會影響居住者的身心健康,影響正常生活質量。因此鋼結構建筑要加強噪音污染和光污染的防范措施設計,在鋼結構的基礎上加入隔音材料,科學規(guī)劃建設選址、室內結構和房屋朝向,確保鋼結構建筑符合綠色建筑設計的要求,為人們提供舒適的居住環(huán)境。

4.4 鋼結構綠色建筑設計流程

首先要判斷該建筑是否適用鋼結構,鋼結構是否滿足建筑用途、場地選址等各方面的要求。

(1)其次貫徹“概念設計”這一原則,從全局的角度來思考結構布局設計,要求設計符合各項標準規(guī)范,并且充分考慮建筑本身的用途和特點,合理規(guī)劃布局結構,盡可能地規(guī)避掉可能存在的隱患和不確定因素。

(2)針對不同的結構應采用不同的鋼結構材料,因此建筑設計師要對建筑整體結構和細節(jié)之處進行認真仔細地調查測量。

(3)設計建筑結構各組件的尺寸、形狀和材料選擇。例如需要強度稍高、韌性強、延展性好的建筑構件,在材料方面就可以優(yōu)先考慮Q235B.Q235B 是一種低碳鋼,具有一定的延展性和強度,并且可塑性高,能夠根據(jù)實際需求通過沖壓加工調整形態(tài)。還比如Q345這類低合金鋼,綜合性能好,適用范圍更廣?？偠灾?鋼結構建筑設計必須充分考慮各類鋼材的特性,根據(jù)實際需要進行選擇,充分發(fā)揮每種鋼材的作用[3]。

5 結語

鋼結構無論是生產過程還是在建筑過程中的實際使用,所表現(xiàn)出來的性能和特點都符合綠色建筑設計的理念和要求。我國建筑行業(yè)對“保護生態(tài)環(huán)境、推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展”的重視不能只停留在語言宣傳層面,要做出實際行動,大力推進產業(yè)結構的轉型升級。通過推廣鋼結構建筑,減少過度使用資源,杜絕浪費問題,降低建筑物和建筑過程對生態(tài)環(huán)境的傷害,為保護生態(tài)環(huán)境,構建綠色環(huán)保家園作出真正努力。