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牧业商河牧场的绿色工业建筑设计

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摘要:“绿色工业建筑”是指从建筑的设计、施工、经营管理直到最后拆除的整个全寿命周期内,要尽可能地做到节约能源、保护环境,并且还要为工人生产生活提供安全、适用、高效的工业建筑。通过介绍绿色工业建筑设计在现代牧业商河牧场中的应用与实践,对现代牧业商河牧场建筑设计的研究与分析,总结绿色建筑工业设计在现代牧场中的应用规律与特点,以期能够指导今后我国“绿色牧场”的建设。

关键词:现代牧业;绿色工业建筑;绿色牧场;建筑节能

近年来,随着我国居民生活水平的不断提高以及二胎政策的逐渐开放,人们对于优质奶产品的需求量不断增加,因而中国乳业也将迎来一个快速发展时期。现代化牧场作为我国乳业健康快速发展的基础,其设计建设必须严格按照国家标准保质保量地完成。在环境污染严重、资源匮乏的今天,牧场设计建设应按照绿色工业建筑设计的原则,在满足牧场生产生活要求的同时,尽可能地节约能源,保护环境。现代牧业商河牧场(图1)是由现代牧业与KKR和鼎晖两家公司合资创办的,位于济南市商河县沙河乡苗家,占地166.7hm2,总投资超过10亿元,目前奶牛存栏20000头以上。作为现代牧业最新建设的牧场之一,商河牧场在设计、选址之初,就秉持着绿色、环保、节能的可持续发展的设计理念,同时也充分融合现代牧业十年来的大规模养殖和优质牛奶生产的经验,在设施布局、经营管理到能源循环利用模块方面已全面达到世界领先水平。现代牧业商河牧场的成功建设将为我国现代化绿色牧场的建设提供宝贵经验。

1牧场总体规划设计

牧场的总体规划遵循着以牛为本、因地制宜、节能环保、方便生产的规划理念,对场区进行布置。场区内功能分区明确,建筑流线布置,道路交通便捷,景观设计优美[1]。牧场主要分为办公生活区、生产区、粪污处理区、饲料区以及牧场内道路、绿化等(图2)。办公生活区以人们日常生活和办公为主,所以规划设计应尽可能为工作人员提供安静舒适优美的生活环境,整个办公生活区是与其他区域完全隔离开的,公寓楼、办公楼、食堂等建筑均按工作人员的工作流线布置,并且建筑前均建有绿地湖泊等景观,这样既能为工作人员创造一个舒适优美的生活环境,也能让工作人员在工作之余透过窗外欣赏美丽的风景,提高工作效率;生产区是牧场设计的重中之重,旨在为奶牛创造一个舒适的生活环境,提高牛奶的质量与产量,同时也要尽可能做到方便生产、方便管理。奶牛从出生后所在的犊牛岛到成年前后的后备青年牛舍、泌乳牛舍、干乳牛舍直至挤奶厅等建筑都是按牧场生产流程进行布置,方便挤奶,利于生产;粪污处理区与饲料区也是牧场的重要组成部分,粪污处理区的规划按照厌氧发酵工艺的流程进行布置,饲料区按照草料的种类分类安置。总之,牧场的总体规划设计的最终目标是以合理的资金投入建造优质的奶源基地,为人们提供高品质的奶产品。

2轻钢结构体系的应用

牧场内牛舍(图3)、加工车间、仓库等建筑的主要结构形式大都选用轻型门式刚架作为主要承重结构体系。在其结构的设计中,门式刚架的梁、柱多采用热轧轻型H型钢与薄壁钢管,刚架的梁柱构件节点多采用10.9级摩擦型高强螺栓连接与焊接;柱脚与基础为铰接,并且钢柱下与基础连接处均有150mm×150mm×150mm抗剪槽;墙体、屋面等结构采用彩色压型复合钢板;保温隔热材料采用玻璃丝棉。轻型钢结构与传统钢筋混凝土结构相比具有以下几个特点[2-9]。

1)柱网布置灵活,尺寸大。由于钢材强度高、韧性好的特性,柱网布置可以更加灵活,建筑的空间尺寸可以按照需要加大布置,柱距一般为6~12m,最大可达到18m。而传统钢筋混凝土结构形式的柱网布置往往受到很多限制,柱距大多为6m,当柱距超过6m以上时,往往需要设置托架和墙梁柱来支撑,这既增加了工程量又增加了工程造价。

2)结构自重轻。建筑物的质量越大,其所承受的地震作用越大。牧场内加工车间、仓库等钢结构建筑均采用的是高效轻型薄壁钢材,其承载力高,构件尺寸小,并且其围护结构采用的是彩色压型钢板、玻璃丝棉及冷弯薄壁型钢等轻质材料,因而其质量相对于钢筋混凝土结构轻盈很多,建筑重量约为钢筋混凝土建筑的一半。采用轻钢结构建筑可以大大减轻对地基的压力,这样可以把建筑的基础做得较小,从而降低了基础施工的土方开挖量和基础造价,地基的处理费用也相应降低。

3)结构性能好。从抗震性能来看,由于轻型钢结构建筑的整体自重轻,属于柔性结构,其所受的地震作用会比较小,有利于抗震。对于地震活动频繁而强烈的区域大力推广应用钢结构建筑,必然可以大大减少地震所造成的损失与人员伤亡[3]。从抗风性能来看,虽然轻型钢结构建筑自重轻,但钢结构的整体刚度大,钢材强度高、抗变形能力好,因此轻钢结构建筑在遇到大风情况时,也能轻松抵御。据计算,一般轻钢结构建筑可以抵御50m/s的风速。即在飓风或台风来临的情况下,亦能确保建筑的稳定性,保障人员的生命安全。从耐久性来看,轻型钢结构的耐久性好,其结构体系大部分是由冷弯薄壁钢构件组成,并且在钢材的表面会电镀一层锌,这样可以有效避免钢材在施工和使用过程中受到腐蚀,增加了构件的使用年限。

4)环保施工。轻钢结构的所有构配件均在工厂内制作完成,现场采用干作业施工,噪声小,无污染,节约水资源,并且其质量也可以得到保证,现场安装方便快捷,除基础施工有湿作业外,钢结构安装基本都是干作业,并且不受环境季节的影响,可以大大缩短施工周期。

5)综合经济效益高。从建筑的全生命周期来看,轻型钢结构建筑的经济效益明显高于钢筋混凝土建筑。轻型钢结构建筑的施工周期短,可以提前进行使用,更早地获得效益;并且建筑本身自重轻,对基础的要求比钢筋混凝土建筑低,有的并不需要做桩基,可以有效降低造价;建筑的保温隔热材料采用玻璃丝棉,其保温、隔热等效果也比较好。由于目前我国轻钢结构的发展已初具规模,已具备产业化的优势,轻钢建筑的建造成本已大大降低。

3建筑节能设计

3.1结构体系的节能设计

牧场内牛舍、加工车间、仓库等建筑均采用轻钢结构为主要承重体系,钢结构是公认的绿色节能环保型材料。钢结构建筑可在很短时间内拆卸,并能100%回收利用,具有很高的可重复使用性与可循环性,节约环保,属于可再生能源,而所有这些都是目前钢筋混凝土建筑所没有的。

3.2外围护构件的节能设计

外墙是建筑最为重要的围护结构,在建筑外立面上占有很大比例,因此在外围护构件的设计中必须要选取保温隔热效果较好的材料以达到节能的要求,牧场内公寓楼、挤奶厅等框架结构建筑外围护构件采用的是陶粒混凝土砌块,它是由超轻页岩陶粒、水泥、掺合料以及外加剂等制成的一种轻质、保温的墙体材料。试验表明,其保温隔热效果很好,300mm陶粒砌块墙体(图4)相当于1m厚的红砖墙体的保温隔热效果,是框架结构建筑围护结构较为理想的墙体材料。

3.3门窗的节能设计

外门窗是建筑的重要组成部分,它起着采光、通风、连接室内外空间等作用,是建筑室内外能量交换的重要渠道。在整个建筑物中,外门窗是建筑能耗损失最严重的部位。因此,外门窗的保温隔热性能对整个建筑的节能来说是至关重要的。在牧场的门窗设计中,在保证室内采光、通风、不影响使用的前提下尽量减小窗洞口的面积,严格控制外墙的窗墙面积比,并且在施工过程中要保证门窗的气密性,减少能量消耗。在门窗的选材方面,办公楼、公寓楼、消毒室、实验室等生活办公类外门窗大都采用钢制保温防盗门和单框双玻塑钢窗,车间、仓库等生产类建筑外门窗大都采用钢制保温防盗门、保温推拉门以及红色铝合金单框双玻铝合金窗。由于塑钢窗与铝合金窗其自身的导热系数低,并且采用了多腔体结构,使得其保温性能大大提高,同时窗户与主体之间采用了弹性好、耐高温、不易老化的密封条进行密封,外窗玻璃选用双层中空玻璃,更加强了保温隔热效果;外门也采用了钢制保温防盗门、保温推拉门等保温性能好的门,通过这些设计可有效降低整个建筑的能耗损失。

3.4建筑照明的节能设计

建筑照明是建筑节能的重要构成部分,因而其节能设计显得尤为重要。牧场的建筑照明节能设计是本着经济、适用、节能的基本原则,在保证人们正常生产生活不受影响的前提之下,尽可能地减少电能的消耗。因此,提出以下几种具体的节能设计。

3.4.1采用高效节能的光源和照明灯具及电器配件根据牧场厂房结构高、空间大、灯具悬挂高、数量多等特点,牛舍、车间、库房、挤奶厅等建筑选用的是飞利浦陶瓷金卤灯并配备了带反射罩的密闭型灯具,灯具效率一般在70%以上。陶瓷金卤灯相比于传统石英金卤灯具有更高的光效、更高的显色性以及更长的寿命等优点,属于高效节能的气体放电光源,也是目前工厂建筑主要推广的节能电光源之一。同时,由于气体放电光源的功率都比较低,因而牧场内的电光源都配备了节能型电子镇流器来进行功率补偿,补偿后的气体放电灯单灯功率因数不小于0.95。这样既提高了光源的发光效率又节约了能耗,可谓是一举两得。众所周知,照明节能的评价指标采用照明功率密度值(LPD)进行判定,现以泌乳牛舍为例,分析飞利浦陶瓷金卤灯与传统石英金卤灯对比的节能效果。在满足相同照度的情况下,陶瓷金卤灯的照明功率密度值远小于传统石英金卤灯,降幅比例达50%,节能高达49%,节能效果尤其显著。

3.4.2选择经济合理的照明方式对于不同的建筑应该根据具体的使用要求选择合适的照明方式。在牛舍的照明设计中,由于建筑四周没有围护结构,而且屋顶中间是敞开的,白天阳光照射进来就已经满足照明要求,因而只需考虑夜间照明。但在挤奶厅、车间、仓库等一些建筑中,建筑四周均有围护结构,在白天,虽然四周均有窗户可以使得阳光照射进来,但由于建筑跨度大,阳光只能照亮窗户附近区域,还远远不能满足使用,因而需要补光。在这种白天需要补光,夜间也需要照明的建筑中应采用混合照明的方式,既节约了电能,又满足了使用要求,是最经济合理的照明方式。

3.4.3良好的后期维修保养照明的后期维修保养是指在照明设备使用一段时间后对光源、灯具等设备进行检查维修保养,以保证照明设备正常使用,不至于影响生产工作。具体措施有:1)定期检查照明设备,更换老旧部件;2)定期清洁灯具,保证良好的照明质量。照明设备拥有良好的后期维修保养,降低了由于照明设备的损坏而造成牧场经济损失的风险,这将对牧场的正常运营起到重要作用。

4生物能源循环利用

由于牧场拥有超过两万头奶牛,奶牛每天要排出大量的粪便尿液,为此牧场建设了一套完整的粪污处理系统(图5)。该系统运用的是世界上先进的推流式厌氧发酵工艺(PFR),PFR适合于高悬浮固体原料,尤其适用于牛粪,并且其有着池形结构简单,不需要搅拌,能耗低的优点,因而是奶牛场首选的发酵工艺。通过PFR发酵工艺,实现了对粪污的高效利用,保护了牧场环境,并且发酵产生的沼气经过脱硫脱水净化后可以用于发电、产热供牧场使用,发酵后剩余的粪污经过固液分离后,沼渣用于牛卧床的回填材料,沼液除一部分用于冲洗粪道外,其他可用作农田的有机肥料。通过这套完整的粪污处理系统,不仅很好地保护了牧场的环境,而且还实现了物质能源的循环利用,这些都大大降低了牧场运行的能耗,基本能实现能源自足,真正实现了牧场可持续发展的绿色牧场设计理念。

5结束语

乳业是我国的重要产业,优质牧场的建设是保证我国乳业健康、快速发展的基础。在资源匮乏、环境恶化的今天,现代化优质牧场的建设应严格秉持着绿色工业建筑的设计理念,在为牧场的生产发展提供安全、健康、适用、高效的使用空间的同时,也尽可能地节约资源、保护环境,将牧场建设成为环境友好型、资源节约型和生态观光型的绿色牧场,这样才能真正为我国乳业的快速发展保驾护航。

参考文献

[1]李荣.轻型钢在工业建筑结构设计中应用探讨[J].智能城市,2016(4):295.

[2]翟林美.轻型门式刚架厂房结构设计探讨[J].建筑技术开发,2016,43(3):43,47.

[3]邹欢.轻型钢结构建筑[J].动感(生态城市与绿色建筑),2015(增刊):40-41.

[4]宋仕俊,刘佳,乐嘉龙.曹妃甸环保产业园区的绿色工业建筑设计[J].工业建筑,2012,42(10):9-13.

[5]赵学英,耿宝钢.绿色节能工业建筑设计研究[J].工业建筑,2010,40(增刊):1-4.

[6]刘增清,陈金利,于化英,等.绿色草原牧场转变发展方式、建设现代奶牛业的几点做法[J].黑龙江畜牧兽医,2012(10):15-16.

[7]袁锦华.浅谈工业厂房照明设计的节能措施与工艺[J].广东科技,2010,19(8):125-127.

作者:冯占均1;周昌昊2;冯丽娜3 单位:1.河北工程大学,2.中国建筑上海设计研究院有限公司,3.沧州市市政工程股份有限公司

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