健康建筑理念下的公共建筑墙体保温构造设计研究

李 鑫（中国中元国际工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710000）

经济基础发展条件下，以人为本的建筑理念深入人心。建筑外墙保温结构的设计不仅追求安全与适用，还逐步向节能与环保发展。人本思想的发展推动了建筑在全生命周期都应关注节能与健康，节能环保和绿色健康也成为我国建筑业发展的新方向。在节能方面，大量公共建筑的修建，其建筑空间巨大，内部人员密集，消耗了大量的能量用于保暖和制冷，相比于民用建筑，在单位面积的耗能上，前者能耗可能达到后者能耗的20倍以上，存在着巨大的节能空间；在健康方面，在保证建筑外墙保温结构使用功能的基础上，健康建筑是绿色建筑的进一步升级，涉及的健康不仅仅是停留在建筑物所使用的材料保障人们生理状况的健康，而是能够让使用者在精神上产生愉悦、舒适和放松。

1 健康公共建筑的概念以及影响公共建筑墙体保温的主要因素

1.1 健康公共建筑的概念

无论是从国家战略层面还是从建筑业发展的层面，绿色健康建筑都是人民对于居住环境或者活动空间更为高层次的要求。评判建筑物是否符合人民对健康建筑的期望，可以从9大方面进行确定。①通风方面，健康的公共建筑能够保证室内外的空气正常流通，室内空气不受到污染或者出现异味，提供室内新风的系统设备能够及时调试和定期保养，以保证室内空气的正常过滤和更新；②空气质量方面，室内使用的材料具有较低的挥发性物质，办公用品及装饰装修材料不存在有毒有害物质的释放，同时能够及时对空气质量进行监测；③水质方面，建筑物内提供的饮用水能够满足饮用水标准，同时配备一定数量的净水系统，以保证用水的洁净和无污染，定期对水质进行监测，防止水中含氯物等化学制剂的残留和微生物的滋生；④热健康方面，实现空间内热供给的均衡，保持恒定的温度和湿度，能够最大限度地满足建筑物中人员在不同气候条件下的热舒适度，并对热源供给设备进行调试和养护；⑤粉尘与害虫方面，建筑物内具有一定的封闭性，避免化学物质及粉尘侵入和集聚，同时应注意室内的虫害问题，防潮防湿，及时清除粉尘和垃圾；⑥视觉照明方面，能够提供一种舒适的光源，让视觉处于自然光线条件下，避免由于不含蓝光的照明引起人员的不舒适或者导致使用者炫目，在公共区域或者楼梯口具有充足的光源；⑦噪声方面，能够控制室内外的噪声源，将噪声分贝控制在35dB以下，同时公共空间内具有办公设备或者室内机械运转的噪声应尽量采取吸声措施；⑧防潮方面，对公共建筑内部的给水排水管道、通风空调设备进行监测和检查维修，对室内出现潮湿或者发霉的地方采取必要的干燥措施进行修复；⑨安全方面，安全是健康建筑最为重要的基础条件，公共建筑能够提供一定的视频监控系统，保证建筑的良好运行，必要时能够提供及时预警和救援。

1.2 影响公共建筑墙体保温的主要因素

与一般民用建筑不同的是，公共建筑是公共活动的空间场所，具有一定的社会性和艺术性，因此为了容纳大量人员聚集，建筑形态相对复杂，内部的空间也较为高大，例如政府办公楼、城市博物馆、医院卫生建筑以及办公建筑大楼等。因此，公共建筑的这些特点给其供暖和制冷带来了极大的挑战，据不完全统计，在相同建筑体积和供暖条件下，公共建筑在单位建筑面积的能耗上可以达到民用住宅单位建筑面积能耗的20倍以上。公共建筑产生巨大供暖和制冷能耗受到的影响因素众多，主要集中在三个方面，分别是建筑的体型系数、建筑内部的交通流线以及墙体外部保温结构。

在公共建筑的体型系数方面，合理的建筑体型系数能够有效降低公共建筑物内部能量与外部空间的能量交换，公共建筑的体型系数随着建筑物的长度、宽度和高度的增加而不断减小，但较小的幅度也逐步趋于收敛。另一方面，造型复杂的公共建筑与空气的接触更大，导致能量的交换损失增大。因此在公共建筑的设计过程中，应保持建筑结构轮廓的简洁流畅，此外也要控制由于体型系数过小影响公共建筑空间的灵活性。

在建筑内部的交通流线上，其影响公共建筑能耗的重要作用反映在公共建筑与室外空气的交流上。与住宅建筑不同，公共建筑的人员流动频繁，单位面积的人员数量也更大，因此需要保持室内空气流动的畅通。公共建筑内部交通流线组织影响空气流通的最集中体现是在建筑物出入口的地方，室内外的空气随着人员的频繁进出和大门的频繁开合，导致室内的冷气或者暖气大量流失，供暖或制冷设备的负荷显著提升。为此，在公共建筑物中一般会设置多道大门以减少室内能量与室外能量的直接交流，同时多道大门的开合位置相互错开，以延缓能量交换速率，提高建筑的保温性能。

在建筑外部保温结构上，建筑结构与室外接触面积最大的外墙，是建筑外窗和屋顶结构之和的4倍。因此外墙的保温性能直接影响着公共建筑的节能效果。但是，在近年来大量的城市基础设施建设中，人民群众对公共建筑的技艺性以及艺术性提出了更高的要求，对公共建筑造型和视觉效果的期望也更高。作为具有标示性甚至是地标性的公共建筑，大量使用了玻璃幕墙作为公共建筑的外墙（如图1所示），保证公共建筑的采光性能和良好的视觉效果，以满足人民群众对生活品质的需求。但是玻璃幕墙的热工性能差，因此影响着建筑外墙保温结构的节能效率，在寒冷地区或者严寒地区，使用玻璃幕墙结构尤为不适宜。

图1 大量使用玻璃幕墙的公共建筑

2 基于健康建筑理念的公共建筑墙体保温材料研究

公共建筑墙体是室内外热量交换的中间载体，其导热性能和冷热空气的渗透性能是影响建筑节能的重要因素，因此提高公共建筑墙体的保温性能成为控制建筑能耗的重点工作。在健康建筑理念下，人们对于建筑的节能环保需求日益增大，对于建筑资源节约的研究也日益增多，以提高建筑的综合效益及提供舒适的室内活动温度，满足健康建筑理念的要求。一般而言，保温结构是通过胶结剂将保温层粘贴在外墙基层上，同时为了避免保温结构的开裂，使用抗裂保护层对保温层进行涂刷。公共建筑外墙保温层的一般做法如图2所示。

图2 公共建筑外墙保温层的一般做法

基于健康建筑理念下的公共建筑墙体保温层由于受到自然气候因素的作用，其材料的选择需要考虑保温层具有一定的耐久性，强度较高以及无毒无害，不会出现开裂引起雨水侵蚀或者脱落；其次，作为公共建筑的墙体保温层应考虑火灾条件下的防火性能；再次，在功能上具有良好的保温隔热性能，能够在轻质条件下具有较低的导热系数，不易被刺穿或敲击破碎，保持保温的整体性；在施工上，能够极大地缩减工序和施作时间，达到外墙保温结构快速施工的目的。

目前，可以应用于健康建筑理念下的公共建筑墙体保温结构的保温材料主要有7种，各种保温材料的物理力学特性如表1所示。由于公共建筑墙体保温构造施工时具有较多的工序和多层结构体系施作，在选取保温材料时应该考虑室内外潮湿气体的影响、施工技术的影响、墙体和保温层结构骨架的影响以及饰面层对保温层的影响，以保证公共建筑墙体保温构造的隔热保温功能得以实现。

表1 基于健康建筑理念下的公共建筑墙体保温材料物理特性

健康建筑理念下公共建筑墙体保温结构的选取可以认为是一种数学的最优化求解问题。在传统的优化方法中，一般是依赖人工的经验和计算准则进行确定，而机器学习则是最近几年在人工智能发展的基础上发展出来的算法。在机器学习中，需要选择合适的目标函数和约束函数，然后根据技术指标对目标函数建立优化模型，模型包含输入层、隐藏层以及输出层，基于视神经网络学习的原理对模型进行管理和学习，随机生成权值，不断学习训练，对于复杂的优化结果，可以增加隐藏层的层级以及对指标权重值的优选，生成的迭代成果为最优选项。可以定义机器学习的样本群为[x1、x2、x3、x4……xn]、[y1、y2、y3、y4……yn]，则可以建立机器学习的基本准则或者模型如公式（1）～公式（3）所示。

式中，oi为输出层目标函数值；ｈ(xj)为隐藏层函数；βi为隐藏层权函数系数；pij、pgj为隐藏层的参数相关数，w、c1、c2为隐藏层权函数的指标系数，与隐藏层的层数相关；ai和bi为输入层函数的系数；xij为输入层函数。

3 无机保温砂浆材料在健康理念下公共建筑墙体保温中的应用

与有机保温材料相比，无机保温砂浆材料具有良好的防火性能、低导热性能和较高的抗压强度，因此在公共建筑保温构造中具有广阔的前景。在无机保温砂浆材料研究的基础上，提出“TM”无机保温砂浆用于基于健康建筑理念下的公共建筑墙体保温结构，它是以膨胀玻化微珠颗粒为主要原料，加入无机凝胶材料、粉煤灰及添加剂等混合而成的干混料，这种保温材料施工方便，具有干混料加水拌浆即可涂抹的优点，同时利用了粉煤灰等废料，变废为宝，绿色节能，造价也相对较低，形成的保温层也具有良好的防火性能和抗老化、耐酸碱特性，满足保温隔热性能。基于所提出的保温材料应用于西安市某建筑工程外墙保温层改造工程，在验收后表明“TM”无机保温砂浆不容易开裂和脱落，不会散发异味，同时具备成本优势及施工简便，达到了不燃的耐火等级，工作温度小于600℃，导热系数大于0.04W/(m·k)，取得了良好的保温效果和经济效益。

4 结语

随着现代健康理念的不断普及，人类对于居住环境和活动空间的要求也日益提高。健康建筑是经济发展到一定程度的必然要求，也是绿色建筑的深化，是建筑业发展的重要方向。健康建筑理念下的公共建筑不仅需要提供一个安全舒适的活动空间，还要给人心理上实现愉悦和放松的感受。公共建筑墙体保温作为实现健康建筑理念的有效途径之一，在围护结构构造上选择可持续的保温材料是公共建筑墙体保温构造设计的必然要求。本文基于健康建筑理念提出了“TM”无机保温砂浆材料在公共建筑墙体保温结构中的应用，研究成果为城市大量的公共建筑的外墙保温构造设计提供了新的思路及新的材料。