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21世纪工业厂房屋顶展望

时间:2019-03-17 22:52 作者:江苏杰达 点击:

论文:21世纪工业厂房屋顶展望
陈洋(西安建筑科技大学建筑学院西安710054)
周若祁(西安交通大学西安710049)
摘要:我国工业厂房屋顶形式一直采用多跨天沟水落管排水,这种形式已被充分证明存在许多缺点,如:排水不畅,构造和施工复杂,维修困难,造价高,此外还损失大量太阳能(由于反射作用)和屋面雨水。为克服上述缺点,通过调研与试验,建议对于现有多跨天沟水落管排水屋顶,采用天沟种植是简易可行的办法;对于待建多跨屋顶,采用天沟缓坡屋顶并使屋面可进行种植与多功能转换太阳能,乃是最好的可待续发展途径之一。
关键词:工业厂房屋顶,多跨天沟排水,天沟种植,多功能转换太阳能自由落水屋顶
 
1、工业厂房屋顶现状及其缺点
我国的工业厂房屋顶从剖面形式看有以下几种:多跨拱形内外天沟排水(图1a);多跨折线形内外天沟排水;多跨锯齿形内外天沟排水(图1c);多跨折板内外天沟排水;
多跨缓坡外天沟排水以及平屋顶外天沟排水等。冶炼、汽车、火车、飞机、重型机械、军工武器及装备、纺织、玻璃、化工和建材等大都采用多跨单层厂房,虽是单层,但有的可高达36m以上。实践证明,这类厂房屋顶出现的问题最多。
(1)易堵塞、积水、渗漏
图2所示为某重型机械厂,多跨内天沟飞尘及滑落的绿豆砂堆积天沟并堵塞下水口的实况,还可看到飞来种籽已在天沟自然生根成长。雨大时,积水还曾通过横跨高侧窗溢入车间。洛阳某多跨厂房屋顶曾发生溢水进入车间,不得不停产排水。图3所示为某檐沟被屋面流入的尘土堵塞以及飞籽自然长草的情况,使檐沟排水变成檐沟自然绿化。
有水落管排水(通称有组织排水),由于在落水口必须将防水层如油毡破口分瓣压入通向水落管的落水口,一座5跨、长120m的车间内外天沟就有36~42处落水口,稍有施工不严或维修不及时,均易在此造成渗漏。外墙面水落管维修不及时,同样会造成渗漏并严重污染墙面,图4为一实例。墙面被污染并非无水落管之过,而是檐口滴水未做好。
(2)构造复杂、施工不便
多跨内外天沟排水由于有天沟、落水口、水落管,尤其是车间内地面下排水沟构造,与后述无天沟排水相比较,多跨内外天沟排水构造复杂、施工不便,必然造成耗材多、耗时长、造价高(据粗略估算,每年我国厂房有水落管排水耗资至少十几亿元以上)。
(3)易产生不均匀沉降
我国土地辽阔,南有湿涨土,北有湿陷土,有外水落管排水者绝大多数都是排到散水任其流淌渗入地下,渗水很不均匀,已有不少厂房因此产生不均匀沉降,并引起屋顶破裂,造成停产维修事故。
(4)热工性能差
由于屋面绿豆砂脱落,致使冬季保温、夏季隔热性能降低(绿豆砂脱落,使屋面夏季吸收太阳辐射增多,冬季外表对流散热系数加大)。而且,众所周知,内天沟是冷(热)桥部位。
(5)不利于工业化
上述排水方式从工业化角度来看,构、配件类型过多,不利于建筑工业化。
(6)浪费能源等
上述排水方式还大量浪费屋面反射掉的太阳能和所承受到的雨水(含能物质流)。为维持室内微气候,保证生产和工人的舒适条件,还要耗费大量的常规能源(用来冬季采暖、
夏季隔热、降温)。顺便指出,我国厂房外墙及门、窗绝大多数热工性能也极差。
综上所述,多跨内外天沟排水方式在21世纪不应再继续发展下去,属非可持续建筑构造措施。
多跨缓坡无天沟
现代兴建的一般工业与民用建筑,其檐口高度大都大于8~10m,故表1的规定很大程度上限定了自由落水的应用范围。
我国古典建筑以及广大农村建筑自由落水的历史事实不断激发我们反思与追究的兴趣。为此我们进行了较长期的调查、观察、试验与研究分析。
(1)近代传统观念认为:刮风下雨时檐口自由落水(简称檐口水)容易将屋面灰尘带下污染墙面,并冲进窗内。
我们先后在上海、南宁、成都、西安等地(借出差之便)在雨天进行观察,我们惊奇地看到,檐口水下滴时不仅不湿墙面,反而偏离墙面,风大时可观察到:当檐口水下降时,首先要遭到顺墙面上翻风力的外推作用,使其偏离墙面,而不是冲向墙面,冲向墙面的是天空降雨(简称降雨)。试验与理论分析以及观察到的实景促使我们多次重复模拟试验证实了这一点。图6为檐口水与降雨湿墙、淋阳台对比图,图6a用带色水模拟檐口水,用普通水模拟降雨,可以看出,当风吹向房屋时,檐口水反而向外飘离阳台,而降雨则冲向阳台、墙面。图6b为用线绳做的模拟试验,同样证明了上述观点。
原来这是一个基本的空气动力学规律。图7为风吹过房屋时气流的变化状况及迎风面、背风面、檐口水偏离墙面的形
象示意。风速愈大,檐口水飘离墙面愈远。部分模型试验数据如下45~13.6m(一般无需穿透这么厚早已到达墙面了)。
可见,近代观念认为,自由落水易湿墙、污染墙面,而设水落管排水是没有事实和理论根据的。
(2)近代传统观念认为:风愈大,房愈高,愈应设水落管排水(表1已部分反映了这一观念)。
图8为有风时屋面与墙面受雨量分布图,设图8房屋为平顶双坡排水。1/2屋面承雨量为h1,墙面承降雨量ho飘雨角为a。前述观察、试验均证实檐口水不会湿墙。为比较方便,假设此处下落的屋面水全部淋到墙上,那么,檐口水与降雨湿墙量之比为hi/ho,风越大,a越小,则h越小,即檐口水湿墙率越小。房屋虽然增高,但屋面一般不会随高度成正比加宽。此时,h。将增大,再次证明屋面水湿墙率愈变小。显然,用水落管收集屋面水免使墙面受浸湿。实在是捡了芝麻丢了西瓜,何况屋面水不会湿墙。
因此,近代观念认为,风愈大,房愈高,愈应设水落管排水其根据也是不足的。
(3)近代传统观念认为:自由落水会滴坏散水(滴水穿
石)并会有回溅水湿墙。
我们观察了使用20余年自由落水房屋的混凝土散水,只个别处有深约2mm的麻点,可见要滴穿60mm的混凝土散
水,则需要几百年时间。而且维修、修复这些麻点比在屋面修补水落管水口实在是方便得多。我们在低层和高层建筑观察过回溅水,并曾用有压水
(自来水)从四楼向下冲刷散水观察,所有回溅水湿墙高度都未超过65m,故勒脚抹灰70m就足够护墙了。
(4)出路
结合前人的有益改建经验(如无内天沟、内地沟的多跨缓坡屋顶),结合上述观察、试验与理论分析,结合对生态与可持续建筑的研究,我们认为,对前述工业厂房屋顶有一条简单易行的办法就是:多功能转换太阳能自由落水屋顶,即:
①对现有多坡多天沟屋顶利用天沟改为轻质种植槽进行人工绿化或自然绿化(让飞来种籽自然绿化),植物吸收雨水后多余雨水可引向两端山墙外落水口用铝链或塑料链引入散水浇灌植物。图9为一幢太阳能掩土建筑自然绿化范例(西安年平均降雨量仅为640mm)。我们在试验期从未浇过水、撒过种,只进行了观察与必要的数据测量。曾有成都某厂房平屋顶种植范例:折合亩产量相当高,如:红茗5000k,西红柿600ks花生200kgs黄瓜4400kg油菜子
150kg等。
现有结构体系与理论,没有充分挖掘绿色建材的潜能。特别是绿色高性能混凝土,人们只研究了它的材料性能、工程性能,而没有研究其力学性能。也就是说,在结构设计中,人们仍然将绿色高性能混凝土与一般混凝土混为一谈。
事实上,绿色高性能混凝土结构有着与一般混凝土不一样的力学性能。例如,其弹性模量E就不同于一般混凝土。更重要的是,因为其使用寿命远远高于一般混凝土而为一般混凝土所望尘莫及,所以,现行的结构设计理论并不适合于绿色高性能混凝土结构。绿色高性能结构体系应该作为一种独立的、新型的结构体系加以研究。
绿色高性能混凝土结构由于其卓越的性能必将改变工业建筑尤其是高层工业建筑“肥梁胖柱”的传统外观,减少环境污染并提高其抵抗污染的能力,延长工业建筑的使用年限。而且,由于其有益于人体健康的绿色缘故,必将是工业建筑可持续发展的核心结构。
3、树立绿色建筑供能节能和绿色建筑装饰的设计与施工理念,是工业建筑可持续发展的必然归宿节约能源与开发新能源是解决日趋严峻的全球能源危机的唯一出路,而建筑能耗在整个能源消耗中约占30%~40%,故建筑节能的意义不言而喻。
绿色建筑供能,即在建筑中使用能将太阳能或核能转化为电能、热能等能源的绿色建材,确保整个建筑物的能源供应而不再需要或较少需要另外供能。这意味着建筑物本身就是一座发电站。如美国的某些公司已研制出能将太阳能
转化为电能或热能的太阳能“屋面板”,窗帘式墙壁。
绿色建筑节能是指在建筑围护结构(包括屋顶、外墙、门窗等)中使用绿色建材作为保温、隔热材料以节约能源。这一方面可以减少基本建筑材料的用量,减轻围护结构的自重,大幅度节能降耗;另一方面,可以提高建筑施工的工业化程度。如日本已开发成功一种能自动调节室内湿度的新型
墙体材料。这种墙体材料只需要使用室内面积的10%左右,即可将室内湿度保持在10%,在湿度为50%以下时,基本不吸收水分,但当室内湿度一旦超过50%时,即开始吸湿,相反,当室内湿度过低时,它还会放出湿句。
将绿色建材如保健型瓷砖、可调节室内湿度的壁砖、抗菌自洁玻璃等用于建筑装饰中,就成为绿色建筑装饰。
绿色建筑节能和绿色建筑装饰是绿色建筑结构的补充与完善。只有将二者有机地结合起来,才能构成工业建筑可持续发展的总体蓝图。