劉 毅

(上海思博職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201300)

當(dāng)前社會(huì)建筑體系不斷擴(kuò)大，各類大型商業(yè)、工業(yè)建筑以及小型的家居、農(nóng)業(yè)建筑分布在全國(guó)各個(gè)省市范圍內(nèi)。由于體系不斷擴(kuò)增，建筑物的施工年限及工作量不斷上升，大規(guī)模的土地開發(fā)及建筑材料耗用引起了嚴(yán)重的能源環(huán)保問題，導(dǎo)致建筑行業(yè)的走向朝著不可控制的方向發(fā)展，綠色節(jié)能環(huán)保建筑施工迫在眉睫。現(xiàn)階段，多數(shù)工程主要通過直接縮減材料成本或使用裝配式構(gòu)件輔助來進(jìn)行開流節(jié)源，其中，直接縮減材料成本方式有極大可能會(huì)降低施工質(zhì)量，而裝配式構(gòu)件可以通過建筑施工中的具體構(gòu)件材料如：墻壁隔溫板、窗口包板、鋼木轉(zhuǎn)實(shí)木安裝等實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，這種方法更具有可控性，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤可立即停止，風(fēng)險(xiǎn)較小、實(shí)用性更強(qiáng)。

結(jié)合目前綠色建筑施工情況，本文選擇竹質(zhì)材料作為裝配式主要構(gòu)件，更符合綠色環(huán)保的應(yīng)用價(jià)值。相比普通的鋼鐵材料，竹質(zhì)構(gòu)件外露位置不需要后續(xù)甲醛顏料刷漆，對(duì)身體危害小，具有保溫隔聲、施工便捷、抗震防火、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在同樣的建筑面積中，竹質(zhì)材料可比一般材料節(jié)省50%～80%的能源消耗。本文利用目標(biāo)函數(shù)對(duì)竹質(zhì)的寬度、可接受的最大彎度以及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析竹質(zhì)材料加入復(fù)合式建筑墻體內(nèi)的熱流走向及導(dǎo)熱值，得出最為平衡的導(dǎo)熱參數(shù)。仿真測(cè)試證明，竹質(zhì)裝配式構(gòu)件的環(huán)保性能好，節(jié)約了能源耗費(fèi)，所需的取暖費(fèi)用低。

1 裝配式構(gòu)件在綠色建筑施工中的應(yīng)用

1.1 裝配式構(gòu)件抗彎性能分析

綠色建筑中裝配式竹質(zhì)雙拼梁應(yīng)用如圖1所示。

圖1 裝配式竹質(zhì)雙拼梁示意Fig.1 Schematic diagram of prefabricated bamboo double girder

明確裝配式竹質(zhì)雙拼梁[1]構(gòu)件的抗彎性能[2]，降低后續(xù)墻體加固應(yīng)用的形變概率[3]，裝配式竹質(zhì)雙拼梁構(gòu)件的位移檢測(cè)模型與抗彎載荷位移[4]曲線如圖2、圖3所示。

圖2 裝配式竹質(zhì)雙拼梁構(gòu)件的位移檢測(cè)模型Fig.2 Displacement detection model of prefabricated bamboo twin-beam member

由圖3可知，在載荷量100 kN下，1號(hào)楠木位移變形值為24 mm、2號(hào)樟木位移變形值為17.5 mm、3號(hào)椴木位移變形值為9.1 mm以及4號(hào)竹木位移變形值為6.8 mm，其他關(guān)鍵系數(shù)見表1。由此可見，本文采用的竹木雙拼梁的變形值是最小的，該值可代表材質(zhì)材料在應(yīng)用時(shí)可接受的最大塑性能力[5-9]，說明竹木的抗彎性能較好，具有很好的適應(yīng)能力，安全系數(shù)高，且相比其他材料價(jià)格更低、質(zhì)量更小，更加符合建筑施工過程中的高強(qiáng)度施壓要求和綠色環(huán)保要求。

圖3 竹質(zhì)雙拼梁構(gòu)件抗彎載荷下跨中變形位移曲線Fig.3 Medium deformation displacement curve of cross span under bending load of bamboo double beam member

表1 不同跨度類型下裝配式竹質(zhì)雙拼梁構(gòu)件Tab.1 Prefabricated bamboo double beam members under different span types

1.2 求解構(gòu)件在墻體上的作用系數(shù)

設(shè)建筑物墻體保溫應(yīng)用模型的寬度為W,長(zhǎng)度為L(zhǎng)，所有墻體面積符合竹木裝配式構(gòu)件安裝要求。需要預(yù)先裝配的竹木構(gòu)件有N個(gè)，單個(gè)竹木構(gòu)件i高度設(shè)為hi(圖4)，寬度設(shè)為wi。以墻面左下角作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，竹木構(gòu)件在墻體上的裝配坐標(biāo)可以由坐標(biāo)系精準(zhǔn)確定，在第r位置時(shí)，橫放及豎放竹木構(gòu)件的關(guān)系式如下。

圖4 竹木構(gòu)件與墻體坐標(biāo)關(guān)系示意Fig.4 Coordinate relationship between bamboo and wood components and the wall diagram

竹木構(gòu)件橫放情況：

(1)

竹木構(gòu)件豎放情況：

(2)

式中，x1，i為第i個(gè)竹木裝配式構(gòu)件的左下角橫坐標(biāo)數(shù)值；y1，i為第i個(gè)竹木裝配式構(gòu)件的左下角縱坐標(biāo)數(shù)值；xr，i為第i個(gè)竹木在右下角橫坐標(biāo)數(shù)值；yr，i為第i個(gè)竹木在右下角縱坐標(biāo)數(shù)值。

在已知長(zhǎng)寬的建筑墻體上放置N個(gè)裝配式竹木構(gòu)件，其竹木構(gòu)件中心點(diǎn)距離建筑墻體邊緣點(diǎn)[10]的和為：

(3)

式中，S為全部竹木構(gòu)件中心點(diǎn)與墻體邊緣點(diǎn)的距離之和；x0為邊緣點(diǎn)相對(duì)于整體墻體的橫坐標(biāo)；y0為邊緣點(diǎn)相對(duì)于整體墻體的縱坐標(biāo)。

建立約束條件[11]，約束管制竹木構(gòu)件的可放置距離，降低放置點(diǎn)的誤判率及出界率[12]，提高應(yīng)用性能。裝配式竹木構(gòu)件之間高度及寬度限制參數(shù)計(jì)算公式：

(4)

式中，tij、sij分別為限制參數(shù)變量，取值為0或1。當(dāng)限制變量sij為1時(shí)，表明竹木構(gòu)件i、j在墻體左側(cè)；當(dāng)變量sij為0時(shí)，表明竹木構(gòu)件i、j在墻體右側(cè)；當(dāng)tij為1時(shí)，表明竹木構(gòu)件i、j在墻體上方；當(dāng)tij為0時(shí)，表明竹木構(gòu)件i、j在墻體下方。根據(jù)綠色建筑施工的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過上述高度及寬度的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)限制，提高竹木構(gòu)件在墻體保溫應(yīng)用的連接性及穩(wěn)定性。

將裝配式竹質(zhì)雙拼梁構(gòu)件按照上述的作用系數(shù)，放置于墻體的內(nèi)外兩側(cè)，讓墻體內(nèi)的保溫層[13]包裹在竹木，整體的構(gòu)造層次為保護(hù)層—竹木構(gòu)件—保溫層—防水層[14]—隔氣層[15]，具體使用要求可根據(jù)實(shí)際建筑情況擬定。

2 節(jié)能環(huán)保價(jià)值評(píng)估

在綠色建筑施工應(yīng)用中，墻體的保溫一直是環(huán)保應(yīng)用的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題，將上述提出的裝配式竹木構(gòu)件應(yīng)用于墻體保溫，通過導(dǎo)熱評(píng)價(jià)系數(shù)[16]具體評(píng)價(jià)該竹木構(gòu)件的應(yīng)用及環(huán)保性能，其導(dǎo)熱系數(shù)越高，表示導(dǎo)熱性能越佳，越能節(jié)省保溫材料的耗用，減少污染及資源浪費(fèi)，計(jì)算公式為：

(5)

基于此，推導(dǎo)得出導(dǎo)熱系數(shù)K公式為：

(6)

利用該系數(shù)K可完成精準(zhǔn)環(huán)保節(jié)能價(jià)值評(píng)價(jià)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 裝配式竹木構(gòu)件對(duì)墻體節(jié)能溫度效果

采用河南省南陽市某地區(qū)的辦公建筑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，竹木纖維墻板材料的試件如圖5所示。

圖5 竹木纖維墻板Fig.5 Bamboo and wood fiber wallboard

將本文的裝配式竹木墻板構(gòu)件與水泥砂漿、鋼筋混凝土、擠塑聚苯板材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析，導(dǎo)熱參數(shù)是文中所提到的導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、修正系數(shù)，可準(zhǔn)確評(píng)判構(gòu)件對(duì)墻體保溫的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 同一厚度不同板材對(duì)建筑墻體的導(dǎo)熱性能Fig.6 Thermal conductivity of different plates of the same thickness on building walls

從圖6中可以看出，隨著保溫層厚度不斷增加，4種板材的導(dǎo)熱性能均有不同程度的下降。其中，水泥砂漿、鋼筋混凝土及擠塑聚苯板材料曲線下降幅度較大，相比之下，本文的裝配式竹木構(gòu)件曲線下降范圍較小，沒有呈現(xiàn)過高的正比下降趨勢(shì)。這說明，本文的竹木材料保溫性能最好，傳熱系數(shù)最高，對(duì)建筑節(jié)能提供有力幫助。

為了使仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加清晰易觀察，綜合評(píng)價(jià)各板材的導(dǎo)熱性能(表2)，最終的保溫性能分析見表3。

表2 不同板材對(duì)建筑墻體的保溫性能參數(shù)Tab.2 Thermal insulation performance parameters of different panels for building walls

由表3可知，裝配式竹木構(gòu)件應(yīng)用效果除外墻體導(dǎo)熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)不滿足要求外，其余指標(biāo)均符合保溫要求。由于建筑房屋外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用主要就是保護(hù)室內(nèi)墻體，不受外界空氣、溫度變化的影響，如果僅從保溫效果考慮，外界墻體不需要過高的導(dǎo)熱性能。同時(shí)，外墻體直接接觸冷空氣，與墻體內(nèi)的導(dǎo)熱管的溫差過大，還會(huì)造成損壞。

表3 裝配式竹木構(gòu)件建筑墻體保溫分析Tab.3 Thermal insulation analysis of prefabricated bamboo and wood component building wall

3.2 裝配式構(gòu)件年際溫度變化及能耗分析

以上述對(duì)裝配式構(gòu)件保溫性能的驗(yàn)證結(jié)果為基礎(chǔ)，再進(jìn)一步驗(yàn)證文中構(gòu)件對(duì)綠色建筑施工的具體環(huán)保應(yīng)用價(jià)值，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 裝配式構(gòu)件逐月耗電量與室外溫度對(duì)比Fig.7 Monthly power consumption of prefabricated components and outdoor temperature comparison

從圖7和圖8中可以看出，采用裝配式竹木構(gòu)件前建筑施工的整體耗電量過大，其中，冬季11月和12月的能耗量是所有月份中占比較大的；相比之下，應(yīng)用文中構(gòu)件后，建筑施工的整體能量出現(xiàn)明顯下降，秋季末、冬季以及早春的電量耗用均下降60%以上。這說明，裝配式竹木構(gòu)件環(huán)保節(jié)能的性能表現(xiàn)較好，不僅解決了用電量過大的問題，還降低了所需的保溫費(fèi)用。

圖8 建筑保溫能耗分項(xiàng)百分比Fig.8 Percentage of energy consumption in building insulation

4 結(jié)論

本文以減少能源消耗及降低資源浪費(fèi)為目標(biāo)，分析了裝配式竹木構(gòu)件在綠色建筑施工中的應(yīng)用與節(jié)能的環(huán)保價(jià)值。裝配式竹木構(gòu)件具有施工簡(jiǎn)單、安全高效、穩(wěn)定性好、耐久性好、造型優(yōu)美以及輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)。計(jì)算墻體與構(gòu)件間的作用系數(shù)，根據(jù)作用系數(shù)實(shí)現(xiàn)距離限制，達(dá)到應(yīng)用效果最大化。仿真實(shí)驗(yàn)證明，所提裝配式竹木構(gòu)件不僅對(duì)建筑墻體的保溫性能較好，還具有降低能源消耗的環(huán)保價(jià)值。