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建筑能耗是指在建筑物的建造和使用过程中所发生的建筑材料、人工、机械、运输、水电等的消耗总量,即建筑的总的能源消费量,用公式表示为:
T=A+B+C+D–E
A:
为构成建筑物的各种材料、设备的生产制造、加工、搬运等消耗的能量,简称建筑生产用能;
B:
为建筑物建设、安装等施工过程中消耗的能量,筒称建筑施工用能;
C:
为建筑物日常使用过程中采暖、制冷、照明、烹任、家用电器用能,以及维修管理用能,筒称建筑日常运转用能;
D:
为建筑物因老化陈朽需拆除所耗能量,筒称为建筑解体用能;
E:
为建筑物拆除后,资材、机器设备的再利用,起到节能的效用。
众所周知,建筑材料的生产必须从自然界中获得大量的原材料,而大规模的从自然界获取的原材料必然会对自然界造成极大的负面影响。
例如大量的开采煤炭,石油,伐木取材等,破坏了大自然的生态环境。
据统计,我国的钢铁工业每吨钢的综合能耗折合成标准煤为1.66吨,需耗水48.6吨,同时放出1吨的二氧化碳气体,并产生130公斤的粉尘。
建筑的施工阶段,除消耗大量的能源外,还将产生大量粉尘、噪音等。
给人们的生产、生活带来了很多负面影响。
因此,建筑业是典型的资源与能源高消耗产业,对环境的影响有着举足轻重的作用。
当前,我国经济持续稳定高速增长,经济体制改革正处于关键时期。
建筑业在迅猛发展的同时也带来了大量的能耗,因此,建筑节能已迫在眉睫。
建筑节能的目的就是利用新技术、新工艺降低建筑物在建造和使用过程中所发生的能耗,缓解社会的能源危机。
建筑节能是建筑业一项重要、紧迫而又艰苦的任务,是一项复杂的系统工程,涉及规划设计、建设施工、建筑节能产品等多个环节,甚至延伸到整个建筑寿命的全周期。
作为一个复杂的系统工程,建筑节能的第一步且最关键的一步在于降低建筑物在设计和施工阶段的能耗。
这就要求在建筑结构领域进行技术创新、寻求突破。
面对日益短缺的能源危机和社会各界对高品位建筑的大量需求——钢木砼复合结构可谓异军突起、应运而生。
二、钢木砼复合结构简介:
钢木砼复合结构是在综合各种传统建筑结构基础上发展而来的一种新型永久性结构,主要受力框架结构采用钢管砼技术,充分发挥钢材、木材、砼等传统建筑材料的物理力学性能和耐久性特点,利用结构力学原理组合而成的一种全新建筑结构。
由于利用了钢管替代了传统结构的钢筋和模板,而且由空心钢管和高密度胶合木板组成的梁柱框架系统本身就具有足够的强度,楼板面在不需要临时支撑的情况下足以满足施工人员自由行走、完成楼面钢筋作业。
由于采用高密度胶合木板做为不拆卸的永久性模板,其施工工艺淘汰了传统的木工工种,而且施工中各楼层可以交叉、逆向施工。
其建造速度可谓迅雷不及掩耳。
三、结构体系
1、承重柱:
一般采用薄壁钢管砼构件。
采用钢管砼作为承重柱构件现在已经是很成熟的技术并已有相关规程。
但是,钢木砼复合结构中柱内的砼是在楼面钢筋绑扎完成后,在浇筑楼面砼时同时分层灌注,使梁、柱、板成为一个现浇的砼整体,由于整体性能卓越且结构延性好,因而,抗震性能卓越。
构造措施:
在柱高、梁的位置须预留砼浇注孔以便安装梁柱节点加强连通钢筋和使梁、板、柱在混凝土浇筑后成为一个有机的连通整体;
在混凝土浇筑后,须在柱底和柱顶部采用电钻钻适量通气孔洞以排出柱内砼残留的水分以及作为消防散热通道。
2、承重梁:
采用带翼钢管混凝土复合梁,采用薄壁钢板加工成型,与钢管砼柱焊接,在浇筑楼面砼时同时灌注梁内混凝土。
使得梁、板结构成为一个有机的整体。
3、楼面结构:
现浇砼形式:
利用带翼钢管梁焊接形成井字梁结构,将装饰模板整块用自攻钉安装固定于梁挑出平台部位,形成一闭合梁板体系。
在梁内及板上绑扎、焊接梁板钢筋,然后整体浇筑梁板柱砼。
由于模板跨度较大,在砼浇筑时承载力不足,因此在砼浇筑前须加设临时支撑系统。
浇筑梁板砼后,所用装修模板作为结构的一部分,不需要拆除,由于木板处于结构的受拉区,而木板本身具有较强的抗拉强度和整体性,(结构设计时仅考虑作为安全储备)在和现浇混凝土整体浇筑后对整个结构的整体性和承载力具有重大贡献,同时又是一个天然的人性化装修面层,如图1-2所示。
图1钢木砼复合结构楼板效果
图2钢木砼复合结构楼板支撑体系图3钢木砼复合结构板面钢筋
4、楼梯结构体系:
由于建筑物楼梯承担日常交通和突发事件疏散的重要任务,传统建筑结构的楼梯做法一直是设计和施工的难点和重点,不但工艺复杂而且质量不容易控制(踏步模板容易变形)。
钢木砼复合结构中采用一种钢管混凝土梁式楼梯的新型做法,采用带翼开口方钢管作为楼梯梁,在带翼开口方钢管内部按照设计踏步高度焊接垂直于地面的角钢,然后采用自攻螺丝将踏步模板和侧面模板固定于角钢上,在楼梯钢筋帮扎完毕后灌注楼梯混凝土,待混凝土初凝后即可将自攻螺丝退出,踏步模板和侧面模板材料可周转使用。
实践证明:
采用这种方法施工,楼梯形状非常规则,如图4、5所示,而且工艺非常简单,不需要专业木工工种。
图4钢木砼复合结构楼梯模板安装图5钢木砼复合结构楼梯
5、节能型外墙围护体系:
在建筑物的使用过程中,外墙围护体系是至关重要的一个环节,不但关系到是否节能,而且还必须处理外墙防水、裂缝的问题,现行的外保温材料由于置于墙体的外侧,直接与外界接触,承受的温差大,同时由于建筑外墙承受风荷载较大,墙体部分会产生很大负风压(吸力),再加上外保温材料自重作用,容易产生脱落;
再有外保温材料大多数为有机材料,而基层材料通常为各种砖、砌块或混凝土属无机材料,两者自身材性不相容,粘结性不好,容易产生脱落;
因此,隔热材料不仅要有良好的阻抗热流传递的性能即大的热阻、小的传热系数,而且对保温材料的耐候性、耐久性和保温体系的抗裂、防火、防水、透气、抗震、抗风压能力提出较高的要求。
因而也一直是个世界性的难题。
钢木砼复合结构建筑非常巧妙的处理好了这个问题。
(如图6、7)
外墙围护体系之所以成为一个世界性的难题,在于现行的墙体结构均为无机脆性材料且直接面对室外环境和自然灾害。
而钢木砼复合结构建筑利用外钢管柱,根据门窗洞口的位置,直接焊接墙体檩条(C型钢),与外围结构柱形成一个空间桁架,利用墙体檩条的两个面,分别固定单层彩钢板或者轻质水泥板,将外墙围护体系分成双层来施工,在内外层板之间再填充保温隔热材料。
这样,在完全能够满足使用功能的前提下,既避免了热桥效应,拥有良好的保温隔热效果,又一劳永逸的解决了外墙防水、裂缝的问题,同时还增强了整个结构的空间刚度,对整个结构的抗震性能贡献巨大。
这种做法在完全能够满足使用功能的同时,造价比外墙直接砌砖墙还低廉。
图6图7
图8钢木砼复合结构酒店
四、与钢筋砼结构的能耗及经济成本分析
钢筋砼结构是我国乃至全世界现代建筑的主流,统治世界建筑格局近三个世纪。
但是由于施工工期长、费工量多,建筑能耗巨大,而且抗震性能不佳,在地震灾害中往往容易造成开裂甚至倒塌而丧失使用功能,而一旦开裂,必须进行拆除,拆除的工作量非常巨大,同时钢筋砼结构建筑在拆除过程中,除了会产生大量的固体垃圾,占用大量的土地,并对周围的生态环境造成污染。
另外还有一些建筑材料,例如塑料,橡胶等,在处理时还会释放大量的有害气体,对大气造成污染。
其次,材料回收率极低,资源损失惨重,已经引起全世界各行业专家学者的广泛关注。
随着现代建筑科技的发展,作为钢筋砼结构的替代品,新兴的型钢-混凝土组合结构体系在结构可靠性、安全性和抗震性能方面相对于钢筋砼结构拥有毋庸置疑的优越性。
但是由于现行的型钢-混凝土组合结构建筑体系能耗、造价均高出传统钢筋砼结构20%而导致市场萎靡也是不争的事实,所以不能撼动钢筋砼结构的统治地位。
在很多的专业著作中,都是强调由于型钢-混凝土组合结构工期短,投资回收快、资金利息低,所以综合造价低于钢筋混凝土结构;
这个结论给人感觉有些勉强,底气不足。
因为如果不考虑工期和材料回收的因素,直接的造价和能耗是偏高的!
而且当采用人海战术,钢筋砼结构的施工速度也不慢。
这种状况成了困扰新型钢-混凝土组合结构行业发展的瓶颈。
在汶川地震灾后重建中也由于其高昂的造价而基本没有市场。
而钢木砼复合结构建筑的出现,给钢-混组合结构的发展出现了重大的转机,是人类建筑史上的一次革命性的突破,基本上可以宣告钢筋砼结构的发展历史性的走到了尽头。
下面就以表格形式对其框架结构部分进行经济成本分析比较,见附表:
(表中的数据是海口地区2009年的建筑成本市场行情)。
分析的结果表明:
采用钢木砼复合结构技术,在满足同样的安全度和使用要求下,比钢筋混凝土结构降低30%用钢量,20%水泥量和人工费。
直接能耗和成本较钢筋混凝土结构降低25%以上,尚未包括由于工期的缩短而带来的间接经济效益以及原材料及人力资源的节省而带来的巨大社会效益。
表1框架结构部分成本分析对照表
费用名称
钢筋砼结构(元/m2)
钢木砼结构现浇(元/m2)
钢-混结构预制(元/m2)
材料费
钢材
200
150
180
模板\顶木系统摊销
40
25
5
砼
115
95
60
人工费
钢筋制作绑扎
23
木工、模板、顶撑
10
砼浇筑
20
12
3
电焊、安装(含吊装)
35
机械费
防腐、防火
运输、吊装费
15
合计
423元/m2
360元/m2
323元/m2
五、现行的型钢-混凝土组合结构体系成本高在那些方面呢?
那么,现行的钢-混组合结构体系成本到底高在何处呢?
是什么原因让它成本如此高昂而无法取代钢筋砼结构成为主流建筑呢?
经过深入的研究和实践探索,结论是:
第一是螺栓连接;
第二是纯钢结构件的防火、防腐费用居高不下。
此两点是导致行业不能快速发展的主要因素。
首先,在梁、柱主要节点部位,是否必须采用螺栓连接呢?
回答是否定的!
实际工程中完全可以采用对焊连接加加劲板的技术措施来处理,而且现有的实验数据也充分支持这样的处理方式。
在钢木砼复合结构中,梁、柱均为连通的空心钢管,在砼浇筑前可以根据设计要求任意穿通节点加强钢筋,因而节点更加容易处理。
那为什么现在钢结构行业中高强螺栓及栓钉的连接方式如此盛行甚至到了不可或缺的地步呢?
这不得不归咎于国外工业化思维的影响,由于钢结构行业起源于西方国家,是西方工业化革命的附属物。
西方学者将机械制造的思路自然的引用到了建筑行业,并写入了相关的规范。
而我国在引进技术和规范的同时没有全方位的消化。
对其优缺点和经济性没有进行比较,才造成了如今的局面。
所以不管对于任何技术我们都应该进行原创性思维和技术经济比较,吸收其精华,剔除其糟粕,行业才能得到真正的发展。
其次,当采用工厂化生产的型钢作为梁柱构件,相对来说施工当然简捷方便;
然而其主要缺点就是防火、防腐费用居高不下,在一些高层建筑的实践中,其防火、防腐造价甚至超过钢结构本身。
再次,采用工厂化生产的型钢作为梁柱构件,由于其自身质量轻,导致整体结构固有频率偏低,在人们日常走动时,带来轻微晃动的不适感。
而为了消除这种不适感,提高结构的固有频率,必须成倍的提高用钢量,从而无端造成造价的飙升。
六、结论和建议
所以,为了降低成本,减少建筑物的能耗,在不降低甚至提高结构综合安全度的基础上,在对影响钢-混组合结构体系造价的主要因素进行研究探讨后,得出如下结论和建议:
第一,减少或取消螺栓连接:
在现行的钢结构体系中,高强螺栓,特别是栓钉的成本高昂,安装精度要求高,工艺复杂。
在钢衬板楼盖体系中,为了保证梁板的连接,栓钉的成本甚至超过承重钢梁本身,完全是一种喧宾夺主的状态。
第二,采用钢管混凝土构件作为梁柱承重构件:
由于钢管混凝土构件具有比传统钢结构更加优越的防火性能,因而,其防火、防腐费用可以大幅度降低。
同时钢管混凝土构件在力学性能上又具有良好的塑性和韧性,因而抗震性能良好。
(《现代钢管混凝土结构技术》,韩林海,2007)。
另外,钢管混凝土构件由于混凝土的存在并和外包钢管能够共同工作,其结构的整体稳定性和刚度及承载力大大增强,结构的固有频率接近钢筋混凝土结构;
工程实践证明,由于采用了钢管混凝土构件作为承重梁,彻底消除了在使用过程中的晃动不适感,完全能够满足使用要求。
第三,取消钢承板作为永久性模板:
建议用装修模板或者预制型钢-混凝土板替代。
在国外,钢承板作为永久性模板已经是一种很成熟且配套的技术。
但从国内外的应用状况来看,还是不太理想。
首先是成本偏高,再者钢板的天棚让用户产生不适感,必须再做装修吊顶;
而木板的天棚则非常人性化,不需进行二次装修,给人以返朴归真的感觉,是现代建筑的一种追求和向自然回归的趋势。
在对木板面层做适当的防腐防火处理后,是不必担心其使用寿命的。
总之,钢木砼复合结构作为一种新兴的节能型组合结构建筑,在多年工程实践磨练中已经形成了一个完整的建筑结构体系。
无论是结构的安全性能和经济、能耗指标,都较传统结构有了长足的进步,而且在工程的施实过程中,基本上不需要木工工种,钢筋和泥水工种也大大减少,主要构件工业化生产,使得建筑业从劳动力密集型产业中解脱出来,在为社会节省能源的同时释放出巨大的劳动力资源,具有广阔的市场前景。
七、存在的问题和解决办法:
钢木砼复合结构作为一种新兴的钢-混组合结构,尽管尚处于发展的初级阶段。
但是,经过多年比较成功的实践、比较,相对传统的建筑结构有着无与伦比的、全方位的优越性。
做为一个有着广阔前景的新兴节能型建筑,它全面替代现有传统建筑结构仅仅是个时间问题。
当然,在大规模推广使用的同时,还有大量的理论和实验研究工作要做,远不是个人或者一个企业所能够胜任。
本着服务社会、造福民生的责任和义务,真诚的希望有志之士的热心参与、合作,共同研究和完善。
参考文献
(1)韩林海,扬有福.现代钢管混凝土结构技术.中国建筑工业出版社,2007
(2)童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社,2007
(3)丁芸孙,刘罗静.钢结构设计误区与释义百问百答.人民交通出版社,2008
紫京皇冠酒店改造工程
刘仁海陈创群
(海南省建筑工程研究院,海南海口570206)
【摘要】在我国建筑总存量中,不符合节能标准要求的既有建筑占了绝大多数,在全社会实际发生的建筑总能耗中,既有建筑不可避免成为了能耗的绝对主力。
要真正减少全社会的能耗总量,改造是必然的选择。
通过对紫京皇冠酒店进行建筑、结构、节能、水电方面的综合改造进行研究,建立一个相应的既有建筑改造的示范工程。
【关键词】节能改造、特色钢筋混凝土复合结构、改造效果分析、改造经济分析
TheRenovationofZijingHuangguanHotel
LiuRen-haiChenChuang-qun
(HainanprovinceConstructsProjectResearchInstitution,Haikou570206,China)
Abstract:
Theexistingbuildingsthatdonotaccordtothestandardofenergy-savingtakeupalargepartinthebuildingstockinChina.Thus,theexistingbuildingsinevitablyaccountforthemajorityofthebuildingenergyconsumptioninthesociety,forwhichitisnecessarytorenovatethemtoreducetheenergyconsumption.TakingZijingHuangguanHotelasanexample,theessaywilldiscussabouttheinadequatepartsoftheexistingbuildingsandfindoutapproachestorenovatethem.Throughstudyingthehotel’sintegratedrenovationinarchitecture,construction,energyconservationandwaterandelectricity,theessayaimstodemonstratearelativesuccessfulprojectofreconstructionforexistingbuildings.
Keywords:
energy-savingrenovation,specialreinforcedconcretecompoundstructure,renovationeffectanalysis,renovationeconomyanalysis.
一、工程概况
紫京皇冠酒店位于海南省屯昌县城,原为广州军区屯昌综合楼,建于1996年,是一栋集娱乐、餐饮、客房、商业服务于一体的地上6层框架结构综合楼。
总建筑面积为5784.82m2。
楼内共有客房66间(其中标准客房55间,套房11间)。
改造后,总建筑面积达到6235.28m2,总建筑高度达到29.5m。
客房数量增加到82间(其中标准双人客房76间、套房6套)。
二、改造技术
(一)建筑改造
分别对景观和环境、围护结构的节能、建筑的平立面进行了改造。
在景观和环境方面,通过在酒店前面增加石象、喷水池、种植挺拔的椰子树;
后面对停车场进行种树,增加车位等,美观和美化了环境。
围护结构节能改造则是通过在原有建筑上增加外墙体,减少表面积和体积之比,外走廊增加墙体减少玻璃,起到了一定的自身遮阳的效果。
还采用了加有挤塑聚苯板的保温体系和采用浅色涂料涂刷墙体。
屋面也采用了加有挤塑聚苯板的隔热保温屋面设计,结合防水技术,达到节能和改善顶部房间室内热环境的良好效果。
平面改造则把一层左侧拆除原有公共卫生间,移至后侧,新增一座步行楼至二楼,增加消防控制室。
二层左侧房间隔墙不变,右侧增加隔墙,每个房间增设卫生间,原来歌舞厅及歌厅顶的球形天棚用夹芯板覆盖成平顶。
立面改造适量增加了窗间墙,正面窗间墙为上下连通的竖线条,窗间墙两侧突出线小线条,使其更加挺拔。
正中间带形窗外侧用钛金做装饰线条,两侧竖线条的窗间墙及竖向的玻璃窗形成向上的感觉,竖向窗水平也用钛金条分格。
外墙用浅色外墙涂料。
适当增加正面入口处的曲线屋面板造型,顶上的坡面造型用的是钢构架加天蓝色钢化玻璃,中间为空心的,不增加主体结构的重量。
首层大堂、餐厅、娱乐厅设大面积玻璃与外部通透,二层以上客房、外廊也可以透视酒店美景。
保持各楼层层高不变,中间电梯机房在不增加结构主体总量的情况下架空升高至29.5m,右侧部分加层增至六层。
(二)结构改造
在结构改造方面,对酒店右侧部分进行了加层。
加层采用以带翼钢管混凝土梁为特色的钢混复合结构(本文简称特色钢混凝土复合结构----即钢木砼复合结构)。
带翼钢管混凝土梁及与钢管柱节点处理做法由海口磊安新钢结构工程有限公司申报国家发明专利。
一种带翼钢管混凝土梁式楼梯的做法已经申报国家发明专利并已经授权,专利号:
201010163338.0,专利权人:
胡尚同.结构改造在新旧结构连接中采用植筋技术;
在混凝土柱加固中采用外包混凝土技术。
特色钢混凝土复合结构采用钢管混凝土作为主要受力构件,创造性的将钢管混凝土构件用于结构承重梁,与钢筋混凝土楼面板和支撑模板复合为一个整体。
并综合了传统的钢筋混凝土结构、钢结构优点,克服了其缺点,整体建筑质量轻、强度高,坚固耐
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