如何设计高性能建筑围护结构：建筑师和建筑商指南

如何设计高性能建筑围护结构：建筑师和建筑商指南

原创碳达人立青零能耗与零碳建筑2023-04-21 07:31发表于上海

收录于合集#建筑7个

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随着世界朝着更可持续的生活和节能建筑迈进，设计高性能建筑围护结构从未如此重要。

本文将探讨创建高性能建筑围护结构的基本组成部分、设计原则和策略，以保护居住者免受各种因素的影响，显着降低能源消耗，并提高室内空气质量。

因此，建筑师、室内设计师和建筑公司让我们开始吧！

建筑围护结构设计的重要性

高性能建筑围护结构是室内外环境之间的重要屏障，可有效调节温度、湿度和空气质量。设计高性能建筑围护结构的意义在于几个关键因素，我们将在下面更详细地讨论。

能源效率

高性能建筑围护结构的主要优势之一是它们能够优化能源效率。通过最大限度地减少传热和空气渗透，这些围护结构减少了对加热和冷却系统的需求，从而降低了能源消耗并减少了温室气体排放。

这有助于打造更具可持续性的建筑环境，并有助于实现全球能效目标。

乘员舒适

高性能建筑围护结构通过保持一致的室内温度和调节湿度水平来提高居住者的舒适度。这创造了一个愉快和稳定的生活或工作环境，提高了生产力，减轻了压力，并促进了整体福祉。

建筑师和设计师可以通过设计有效的建筑围护结构来确保居住者全年都能享受到最佳的室内环境。

建立可持续性

除了能效和住户舒适度之外，高性能建筑围护结构还有助于整体建筑的可持续性。通过选择环保材料并确保正确的施工实践，建筑师和建筑商可以减少建筑物在其整个生命周期中对环境的影响。

这可以包括最大限度地减少施工期间的浪费，减少维护和维修的需要，以及促进资源的有效利用。

降低能源成本

在能源成本不断上升的情况下设计高性能建筑围护结构可以节省大量资金。建筑物所有者和住户可以通过最大限度地减少能源消耗来享受更低的水电费和运营成本。

这有利于个体业主，并有助于提高社区和国家层面的能源负担能力。

延长建筑寿命

高性能建筑围护结构可以保护结构免受天气、湿气和紫外线辐射等外部因素的影响，从而延长结构的使用寿命。经久耐用且设计精良的围护结构随着时间的推移需要更少的维修和更换，这可以节省维护成本并最大程度地减少对乘员的干扰。

这种长寿也有助于建筑的整体可持续性，因为维修和最终更换所需的资源更少。

总之，高性能建筑围护结构的重要性怎么强调都不为过。通过优化能源效率、提高居住者的舒适度、提高可持续性、降低能源成本并延长建筑物的使用寿命，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建经得起时间考验并对居住者和环境产生积极影响的结构。

建筑围护结构设计的组成部分

创建高性能建筑围护结构需要仔细选择和集成调节温度、湿度和空气质量的组件。

在本节中，我们将深入探讨高性能建筑围护结构的主要组成部分：隔热层、空气屏障、蒸汽屏障和天气屏障。

绝缘

绝缘材料的类型

适当的隔热是节能建筑围护结构的基础。有多种绝缘材料可供选择，每种材料都具有不同的特性和应用。一些常见的类型包括：

玻璃纤维：玻璃纤维重量轻且易于安装，是一种经济高效的选择，可提供良好的耐热性。

矿棉：矿棉由岩石或矿渣纤维制成，具有出色的耐火性和隔音性能。

喷涂泡沫：这种多功能隔热材料会膨胀以填充缝隙和裂缝，从而形成有效的空气和蒸汽屏障。

硬质泡沫：硬质泡沫通常由聚苯乙烯、聚异氰脲酸酯或聚氨酯制成，具有高 R 值，通常用于外部护套或连续绝缘。

R 值和气候因素

绝缘的有效性通过其热阻或 R 值来衡量。较高的 R 值表示较高的绝缘能力。要为特定气候和建筑要求选择合适的隔热材料，请考虑当地的极端温度、湿度水平和能源法规要求。

空气屏障

空气阻隔材料的类型

空气屏障对于控制空气渗透和渗出至关重要，这会导致气流、热量损失和能源效率降低。常见的空气阻隔材料包括：

房屋包裹：一种合成的透气膜包裹在建筑物周围，形成一个连续的屏障。

护套：由胶合板、定向刨花板 (OSB) 或硬质泡沫等材料制成的刚性面板，可用作结构支撑和空气屏障。

密封剂：密封接缝、接缝和穿孔以防止漏气的填缝剂、胶带和垫圈。

设计安装

一个成功的空气屏障系统应该是连续的、气密的和耐用的。为实现这一目标，必须仔细设计和细化空气屏障，确保所有潜在泄漏点都得到适当密封。由训练有素的专业人员正确安装对于长期性能也至关重要。

蒸汽屏障

蒸汽阻隔材料的类型

蒸汽屏障控制水分通过建筑围护结构的迁移，防止冷凝和霉菌生长。常见的蒸汽阻隔材料包括：

聚乙烯布：一种耐用且具有成本效益的选择，通常用于墙壁和地板。

蒸汽阻滞涂料：在内表面提供防潮层的专用涂料。

箔面绝缘材料：硬质泡沫或棉絮绝缘材料，表面有铝箔，可作为蒸汽屏障。

放置和气候注意事项

蒸汽屏障的最佳位置取决于建筑物的气候和建筑类型。在较冷的气候下，隔汽层通常安装在隔热材料的内侧，而在较温暖、潮湿的气候下，它们可能安装在绝缘材料的外侧。重要的是要参考当地的建筑规范和最佳实践，以获得蒸汽屏障放置的指导。

天气屏障

天气屏障材料的类型

天气屏障保护建筑围护结构免受水渗透、风和紫外线辐射。一些常见的天气屏障材料是：

房屋包裹：如前所述，房屋包裹作为空气和天气屏障，在建筑物周围提供连续的透气层。

建筑用纸：一种浸透沥青的毛毡或牛皮纸，可提供透气防潮层。

液体应用屏障：这些涂层形成一个无缝的整体层，可防止水渗透和空气泄漏，同时允许蒸汽传输。

选型与安装

天气屏障材料的选择取决于具体的建筑要求和当地的气候条件。需要考虑的因素包括湿气暴露、温度波动和风荷载。

选择合适的天气屏障材料并确保其正确安装以获得持久保护和耐用性至关重要。这可能涉及重叠接缝、密封穿透以及将天气屏障与其他建筑围护结构组件（例如防水板和窗户开口）整合在一起。

总之，设计高性能建筑围护结构需要透彻了解主要组成部分——隔热层、空气屏障、蒸汽屏障和天气屏障——以及它们之间的相互作用。

通过选择合适的材料并确保正确安装，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建有效的建筑围护结构，优化能源效率，提高居住者的舒适度，并提高建筑的整体可持续性。

建筑围护结构设计的设计原则

建筑师、室内设计师和建筑公司应遵循关键设计原则来创建高性能建筑围护结构。这些原则旨在优化能源效率、最大限度地提高耐用性、提高室内空气质量并支持可持续材料。

优化能源效率

绝缘和热质量

节能建筑围护结构应包含有效的隔热材料并有策略地使用热质量。隔热材料减少了热传递，而热质量吸收、储存和释放热量，有助于稳定室内温度。

结合这些元素可以最大限度地减少能源消耗并保持舒适的室内环境。

被动式太阳能设计

被动式太阳能设计是指战略性地使用建筑物的方向、布局和材料来利用来自太阳的自然能量。这可以包括朝南的窗户以在冬季最大限度地增加太阳能热量，在夏季使用遮阳装置以阻挡过多的阳光，并结合具有高热质量的材料来储存和释放热量。

最大限度地提高耐用性

选材

高性能建筑围护结构应使用抗磨损、抗腐烂和抗环境因素破坏的材料，以确保持久的性能。这可能包括选择对潮湿、腐烂和紫外线辐射具有高抵抗力的材料，以及那些提供结构稳定性的材料。

安装与维护

正确的安装和维护对于最大限度地延长建筑围护结构的使用寿命至关重要。这包括遵循材料安装的最佳实践、进行定期检查以及及时解决任何问题以防止进一步损坏。

改善室内空气质量

控制空气渗透

精心设计的建筑围护结构有助于通过控制空气渗透来维持健康的室内环境。通过实施有效的空气屏障，您可以防止气流、降低水分积聚的风险并最大限度地减少室外污染物的进入。

水分管理

防止建筑围护结构内的水分积聚对于保持良好的室内空气质量至关重要。这涉及使用蒸汽屏障来控制水分迁移和适当的通风系统来管理室内湿度水平，从而降低霉菌生长、过敏原和其他室内空气污染物的风险。

支持可持续材料

低体现能量

采用低隐含能量（即提取、加工、运输和安装它们所需的能量）的材料可以帮助减少建筑围护结构对环境的整体影响。这可能包括当地采购的材料或使用节能工艺制造的材料。

回收内容和负责任的采购

使用含有回收成分的材料可以进一步促进建筑围护结构的可持续性。此外，考虑从优先考虑环境管理和公平劳动实践的负责任的供应商采购材料。

通过遵循这些设计原则，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建高性能的建筑围护结构，以优化能源效率、最大限度地提高耐用性、提高室内空气质量并支持可持续材料。这种整体方法确保建筑围护结构不仅满足居住者的需求，而且有助于营造更可持续的建筑环境。

建筑围护结构设计策略

为了创建高性能的建筑围护结构，建筑师、室内设计师和建筑公司可以结合被动设计、主动设计和集成设计策略。这些方法有助于保持舒适的室内环境、优化能源效率并提高整体建筑性能。

建筑围护结构设计策略#1：被动设计

建筑朝向

关键的被动设计策略之一是使建筑物在冬季最大限度地吸收太阳能，并在夏季最大限度地减少热量吸收。这可以通过有策略地放置窗户和开口并结合遮阳装置（例如悬垂物和遮阳篷）以防止过度阳光照射来实现。

自然通风

自然通风依靠空气的自然运动来调节室内温度和空气质量。这可以通过设计鼓励交叉通风的窗户和通风口、利用烟囱效应通风或结合促进气流的中庭和庭院等功能来实现。

热质量

在建筑围护结构中加入热质量有助于储存和释放热量，从而稳定室内温度。具有高热质量的材料，如混凝土、砖块和石头，可以在白天吸收热量并在晚上释放热量，从而最大限度地减少对机械加热和冷却系统的需求。

建筑围护结构设计策略#2：主动设计

高性能玻璃

积极的设计策略通常涉及将先进的材料和技术融入建筑围护结构。例如，高性能玻璃可以帮助减少热传递、控制太阳能增益并最大程度地减少眩光。这可能包括双层或三层玻璃窗、低辐射涂层和可根据不断变化的条件进行调整的动态玻璃。

节能 HVAC 系统

积极的设计策略，包括节能供暖、通风和空调 (HVAC) 系统，可以提高建筑围护结构的性能。这些系统可以设计为优化能源使用，提供充足的通风，并保持舒适的室内环境。

智能建筑控制

将智能建筑控制集成到设计中可以帮助监控和调整建筑围护结构性能以响应不断变化的条件。这可能涉及根据居住者需求、天气条件和建筑物占用情况控制照明、温度和通风的传感器和自动化系统。

建筑围护结构设计策略#3：集成设计

协作过程

集成设计是一种整体方法，考虑了建筑物的所有方面，包括其围护结构、系统和居住者。这个协作过程涉及建筑师、工程师、承包商和其他利益相关者从设计的早期阶段开始合作，以确保建筑围护结构针对能源效率、耐久性和居住舒适度进行优化。

性能建模

使用能源建模和采光分析等性能建模工具可以深入了解建筑物的潜在性能，从而帮助指导综合设计过程。这使设计师能够就材料、系统和策略做出明智的决策，以提高建筑围护结构的性能。

乘员参与

将居住者的反馈和需求纳入综合设计过程有助于确保建筑围护结构满足用户的需求。这可能涉及开展调查、研讨会或访谈，以收集有关居住者偏好、舒适度和满意度的意见。

通过结合被动式设计、主动式设计和综合设计策略，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建高性能的建筑围护结构，提供舒适、节能和持久的性能。

用于建筑围护结构设计的工具和软件

建筑师、室内设计师和建筑公司可以使用各种工具和软件程序来设计和分析高性能建筑围护结构。

这些工具有助于识别潜在问题，优化建筑围护结构性能，并确保设计满足能效、耐用性和居住舒适度目标。

能源建模软件

能源建模软件允许设计人员模拟和分析建筑物的能源性能，同时考虑绝缘、玻璃和建筑物方向等因素。这些计划可以帮助确定需要改进的领域、估算能源消耗，并为有关材料和设计策略的决策提供信息。

一些流行的能源建模软件程序包括：

EnergyPlus：由美国能源部开发的综合性开源能源建模软件。

eQUEST：一个用户友好的图形界面，用于详细的能源使用分析和建筑性能评估。

IES VE：一种集成的建筑性能分析软件，结合了能源建模、采光分析和 HVAC 系统模拟。

建筑信息模型 (BIM) 工具

建筑信息模型 (BIM) 工具创建建筑物的物理和功能特征的数字表示。这些工具有助于简化设计流程，促进团队成员之间的协作，并支持性能分析。

BIM 工具可以对建筑围护结构及其组件进行建模，使设计人员能够可视化设计、检测潜在冲突并优化其性能。一些广泛使用的 BIM 工具包括：

Autodesk Revit：一款功能强大的 BIM 软件，可对建筑组件进行 3D 建模、协调和分析。

ArchiCAD：专为建筑师设计的 BIM 工具，提供建筑设计、文档编制和可视化功能。

Vectorworks Architect：一款结合了 2D 制图、3D 建模和建筑信息建模功能的 BIM 软件。

热分析程序

热分析程序有助于评估建筑围护结构组件（如墙壁、屋顶和窗户）的热性能。这些工具可以模拟传热、评估冷凝风险并识别潜在的热损失或增益区域。

使用热分析程序，设计师可以就绝缘、空气和蒸汽屏障以及其他建筑围护结构元素做出明智的决定。一些流行的热分析程序包括：

THERM：劳伦斯伯克利国家实验室开发的二维传导传热分析软件。

WUFI：一系列用于模拟建筑组件中热量和水分传输的软件工具，允许设计师评估冷凝和霉菌风险。

HEAT3：是一款三维传热分析软件，可对复杂的建筑围护结构和材料进行建模。

总之，利用工具和软件程序进行建筑围护结构分析可以极大地帮助建筑师、室内设计师和建筑公司设计高性能建筑围护结构。这些工具支持数据驱动的决策制定，确保设计满足性能目标，并帮助在施工开始前识别潜在问题。

建筑围护结构设计的挑战和解决方案

设计高性能建筑围护结构涉及解决与热桥、空气泄漏和湿度控制相关的多项挑战。

通过了解这些挑战并实施有效的解决方案，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建具有最佳性能、舒适性和耐用性的建筑围护结构。

建筑围护结构设计挑战#1：热桥

连续绝缘

当热量通过立柱、托梁或横梁等结构元件传递时，会发生热桥接，从而降低建筑围护结构的热性能。为了最大限度地减少热桥，可以在建筑物的外部应用连续绝缘，有效地包裹整个结构并消除允许热传递的间隙。

热损坏的结构部件

结合耐热结构部件可以通过将导电材料与绝缘材料分开来帮助减少热桥接。示例包括热破窗框和门框，它们最大限度地减少了建筑物内部和外部之间的热传递。

细心的细节

在连接处、开口和其他建筑围护结构过渡处进行适当的细节处理对于最大程度地减少热桥至关重要。这可能涉及在这些关键点加入隔热材料，使用隔热材料进行结构连接，或设计减少热传递的定制细节。

建筑围护结构设计挑战 #2：空气泄漏

密封接头和接缝

空气泄漏会导致能量损失、潮湿问题和室内空气质量下降。正确密封建筑围护结构中的接缝、接缝和穿孔以防止漏气至关重要。这可以使用专为气密性设计的胶带、密封剂和垫圈的组合来实现。

空气屏障系统

有效的空气屏障系统有助于控制空气渗透和渗出，进一步减少空气泄漏。该系统应该是连续的、气密的和耐用的，并且可以根据项目的具体要求使用薄膜、护套或其他材料来实现。

建筑围护结构设计挑战 #3：湿度控制

蒸汽屏障放置

正确放置蒸汽屏障对于管理建筑围护结构中的水分至关重要。蒸汽屏障有助于控制水分迁移，防止冷凝和霉菌生长。根据建筑物的气候和建筑类型，蒸汽屏障可以放置在内部、外部或墙组件内。

充足的通风

在建筑物中保持足够的通风对于湿度控制至关重要。正确设计和安装的通风系统，例如排气扇和换气装置，有助于去除室内空间多余的水分，保持健康的室内环境。

有效的排水系统

有效的排水系统可防止水分积聚和相关问题，如发霉、腐烂和结构损坏。这可以包括适当倾斜的屋顶、排水沟、落水管和墙体组件中的排水平面，它们结合起来可以从建筑物及其地基中转移水。

通过应对这些挑战并实施适当的解决方案，建筑师、室内设计师和建筑公司可以设计出高性能的建筑围护结构，以保持热性能、控制空气泄漏和控制湿度，确保持久的耐用性和居住者的舒适度。

成功建筑围护结构设计的真实案例

世界各地的多座建筑展示了高性能建筑围护结构设计，包括西雅图的布利特中心、挪威的 Powerhouse Kjørbo 和加拿大的马尼托巴水电广场。这些示例展示了优化建筑围护结构以提高能效、耐久性和居住舒适度的好处。

西雅图布利特中心

布利特中心位于华盛顿州西雅图，是一座六层的商业建筑，旨在成为世界上最环保、最节能的建筑之一。该建筑采用高性能围护结构，采用多种节能策略，例如：

带有隔热框架的三层玻璃窗可最大限度地减少热传递并最大限度地利用自然光。

连续绝缘和气密性，减少热桥和空气泄漏。

自然通风和被动冷却策略，包括可操作的窗户和遮阳设备。

这些设计特点有助于提高建筑物的能源效率，使其产生的能量超过屋顶太阳能电池板消耗的能量。

发电站 Kjørbo，挪威

位于挪威桑维卡的 Powerhouse Kjørbo 是一座办公楼，经过全面改造成为一座能源正结构。建筑围护结构在实现这一雄心勃勃的目标方面发挥着至关重要的作用，其中包含以下要素：

高度隔热的墙壁和屋顶，最大限度地减少热损失并提高热性能。

带有阳光控制涂层的三层玻璃窗减少了太阳热量的吸收并增强了采光。

气密的建筑围护结构，有效防止不必要的空气渗入和渗出。

结合可再生能源生产，这些设计策略让 Powerhouse Kjørbo 在其生命周期内生产的能源多于消耗的能源。

加拿大曼尼托巴水电广场

Manitoba Hydro Place 位于加拿大温尼伯，是一座 22 层的办公楼，旨在优化能源效率和居住舒适度。建筑围护结构采用了多种策略来实现这些目标，例如：

双层立面系统提供了更好的隔热、太阳能控制和自然通风。

带有低辐射涂层的高性能玻璃窗，可减少热传递并最大限度地利用日光。

集成空气屏障系统，防止空气泄漏并保持室内空气质量。

与传统办公建筑相比，这些建筑围护结构特征和其他可持续设计元素帮助 Manitoba Hydro Place 实现了高达 70% 的节能。

总之，布利特中心、Powerhouse Kjørbo 和 Manitoba Hydro Place 等现实世界的例子展示了高性能建筑围护结构设计的显着优势。建筑师、室内设计师和建筑公司可以通过优化建筑围护结构以提高能源效率、耐用性和居住舒适度，从而创造可持续、经济高效且舒适的建筑环境。

建筑围护结构设计：结论

设计高性能建筑围护结构对于可持续建筑和施工至关重要。通过结合正确的组件、设计原则和策略，建筑师、室内设计师和建筑公司可以创建经得起时间考验的节能、耐用和舒适的建筑。

精心设计的建筑围护结构有助于节约能源和成本，并提高整体建筑性能，包括室内空气质量和居住者的幸福感。该过程包括选择合适的绝缘、空气、蒸汽和天气屏障，并实施被动和主动设计策略以优化能源效率和舒适度。

此外，利用尖端工具和软件进行建筑围护结构分析，解决热桥、空气泄漏和湿度控制等挑战，并从高性能建筑围护结构的真实示例中学习，可以帮助专业人士创建可持续的高性能建筑建筑物。

随着对可持续建筑需求的增长，设计高性能建筑围护结构将变得越来越重要。通过理解和应用本文讨论的原则和策略，建筑师、室内设计师和建筑公司可以为子孙后代创造更绿色、更节能、更舒适的建筑环境。

建筑围护结构设计：常见问题解答

什么是高性能建筑围护结构？

高性能建筑围护结构是内部和外部环境之间的物理屏障，旨在优化能源效率、耐久性和室内空气质量。它包括绝缘、空气和蒸汽屏障以及天气屏障。

为什么设计高性能建筑围护结构很重要？

设计高性能建筑围护结构非常重要，因为它有助于降低能耗、提高居住者的舒适度并提高建筑的整体可持续性。它还有助于营造更健康的室内环境并延长结构的使用寿命。

高性能建筑围护结构的关键组成部分是什么？

高性能建筑围护结构的关键组成部分包括隔热层、空气屏障、蒸汽屏障和天气屏障。这些组件调节建筑物的温度、湿度和空气质量。

如何设计高性能建筑围护结构？

要设计高性能建筑围护结构，请考虑能效、耐久性、室内空气质量和可持续性等因素。利用被动和主动设计策略和集成方法来优化建筑围护结构性能。此外，使用能源建模软件、建筑信息建模 (BIM) 工具和热分析程序来分析和优化您的设计。

在设计高性能建筑围护结构时，我应该考虑哪些挑战？

在设计高性能建筑围护结构时，挑战包括热桥、空气泄漏和湿度控制。为应对这些挑战，请使用连续绝缘、热破结构部件、气密密封、适当的蒸汽屏障放置、充足的通风和有效的排水系统。

是否有高性能建筑围护结构的真实示例？

存在许多高性能建筑围护结构的真实示例，例如西雅图的 Bullitt 中心、挪威的 Powerhouse Kjørbo 和加拿大的马尼托巴水电广场。这些建筑展示了优化建筑围护结构以提高能效、耐久性和居住舒适度的好处。

如何将可持续材料融入高性能建筑围护结构？

将可持续材料融入高性能建筑围护结构可以减少对环境的影响并有助于整体建筑的可持续性。在选择绝缘、空气、蒸汽和天气屏障时，考虑使用低隐含能量、可回收成分以及来自负责任供应商的材料。

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