建筑技術(shù)丨基于預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻板的超低能耗建筑設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著GB/T?51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布實(shí)施，超低能耗、近零能耗建筑逐漸成為推動(dòng)建筑節(jié)能減排、提升建筑室內(nèi)環(huán)境水平、調(diào)整建筑能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手，也明確了建筑節(jié)能向高質(zhì)量發(fā)展的方向。我國裝配式建筑已進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)展裝配式建筑已成為實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化和建筑工業(yè)化的重要途徑。由于“工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝”的特性，導(dǎo)致裝配式建筑存在節(jié)點(diǎn)連接穩(wěn)固、板縫拼接密實(shí)、連接件分布合理等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。而超低能耗建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，高效保溫圍護(hù)系統(tǒng)、極佳的氣密性、無熱橋設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑的關(guān)鍵。兩種技術(shù)的結(jié)合存在多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。本文探索研究裝配式超低能耗技術(shù)，結(jié)合某項(xiàng)目的工程實(shí)踐，闡述預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻板在超低能耗建筑中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。1、工程概況安新縣征遷安置工作指揮辦公室多功能廳（圖1）位于河北省安新縣大王鎮(zhèn)，為臨時(shí)性辦公建筑。多功能廳為單層建筑，建筑面積54?㎡，平面設(shè)計(jì)為單一空間（圖2）。圖1?多功能廳外觀圖2?多功能廳平面由于該多功能廳為臨時(shí)性建筑，因此優(yōu)先選用鋼結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)體系，以便征遷安置工作結(jié)束后移除，基礎(chǔ)采用地上混凝土滿堂基礎(chǔ)。多功能廳建筑體形系數(shù)為0.67，各朝向窗墻面積比分別為東向0.26，西向0.18，南向和北向均為0。多功能廳暖通空調(diào)采用毛細(xì)管空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)，將毛細(xì)管埋置于地面砂漿層內(nèi)，冬季通過毛細(xì)管將熱量存儲(chǔ)于地面混凝土層內(nèi)，通過地面輻射和對流換熱使室內(nèi)溫度上升。由于地面混凝土層是較大的蓄熱體，該系統(tǒng)可使本建筑具有非常好的熱穩(wěn)定性。新風(fēng)系統(tǒng)采用全熱回收設(shè)備，機(jī)組分三檔變頻控制，新風(fēng)由室內(nèi)PM?2.5濃度和CO2濃度自動(dòng)控制啟停，即二者有一項(xiàng)超標(biāo)即開啟新風(fēng)系統(tǒng)，至二者同時(shí)達(dá)標(biāo)后關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T?51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，寒冷地區(qū)超低能耗建筑屋面及外墻的傳熱系數(shù)應(yīng)為0.1~0.3?W/（㎡·K）；地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)為0.25~0.4?W/（㎡·K）；門窗傳熱系數(shù)應(yīng)≤1.5?W/（㎡·K），氣密性不低于8級(jí)；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性應(yīng)≤1.0h–1。由于本建筑體形系數(shù)較大，因此按圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)≤0.13?W/（㎡·K），氣密性≤0.6h–1進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能設(shè)計(jì)。2.1?地面在滿堂基礎(chǔ)上方鋪設(shè)地面保溫層，采用三層擠塑聚苯板錯(cuò)縫鋪設(shè)，保溫板共厚260?mm，傳熱系數(shù)0.13?W/（㎡·K），保溫層下鋪防潮膜以隔絕地下潮氣，建筑周邊鋪?zhàn)哉撤浪聿暮弯摻z網(wǎng)并上翻至墻面，以實(shí)現(xiàn)防水和防鼠功能。保溫層上澆筑60?mm厚細(xì)石混凝土墊層，上鋪瓷磚飾面。2.2?外墻本建筑外墻采用預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻體（圖3），以輕鋼龍骨及覆面板作為墻體結(jié)構(gòu)，通過螺栓式斷熱橋保溫錨栓將保溫板錨固于墻體結(jié)構(gòu)上，在輕鋼龍骨的間隙澆筑輕質(zhì)混凝土，形成可在工廠生產(chǎn)的預(yù)制保溫結(jié)構(gòu)一體化外墻部品。（a）

（b）圖3?預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻板（a）EPS保溫板；（b）巖棉保溫板預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻板基本構(gòu)造如圖4所示。墻體構(gòu)造層次為：①石膏板；②纖維增強(qiáng)水泥板；③輕質(zhì)混凝土；④幾字形輕鋼次龍骨；⑤保溫板；⑥外保溫抹灰飾面；⑦螺栓式斷熱橋保溫錨栓；⑧C90冷彎薄壁型鋼龍骨。（a）（b）圖4?預(yù)制輕鋼輕混凝土復(fù)合外保溫墻板基本構(gòu)造（a）橫剖面；（b）縱剖面本項(xiàng)目預(yù)制墻體輕鋼龍骨采用C?90鍍鋅冷彎薄壁型鋼，鍍鋅鋼帶強(qiáng)度等級(jí)為Q?550，厚0.75?mm。輕鋼龍骨室外側(cè)錨固幾字形鍍鋅輕鋼次龍骨，次龍骨間距600?mm，并通過螺栓連接式斷熱橋錨栓錨固180?mm厚聚氨酯保溫板，在輕鋼龍骨的空隙間澆筑A級(jí)防火輕質(zhì)混凝土漿料形成預(yù)制墻體。室內(nèi)側(cè)以O(shè)SB結(jié)構(gòu)板帶為基層，錨固6?mm厚水泥板和10?mm厚石膏板。外墻聚氨酯板外側(cè)施以20?mm厚膠粉聚苯顆粒漿料形成外墻保溫厚抹灰系統(tǒng)。外墻總厚度（含內(nèi)裝修）為360?mm，傳熱系數(shù)為0.13?W/（㎡·K）。2.3?外門窗外門窗框采用纖維增強(qiáng)聚氨酯型材，該型材兼具低導(dǎo)熱系數(shù)和高抗彎強(qiáng)度的優(yōu)異性能，其外窗型材截面尺寸比塑鋼窗和鋁包木窗顯著減小，在同等外窗尺寸條件下增大了透光部分的面積。玻璃為三玻雙Low–e充氬氣暖邊構(gòu)造，外門窗傳熱系數(shù)0.8?W/（㎡·K），氣密性8級(jí)。外門窗采用外掛方式安裝，通過L型角碼連接件將外窗外掛安裝于墻體輕鋼龍骨洞口外側(cè)，并粘貼氣密膜，以外保溫壓窗框20?mm厚。2.4?屋面屋面采用輕鋼結(jié)構(gòu)外保溫技術(shù)體系，結(jié)構(gòu)找坡坡度5%。輕鋼屋架采用C90鍍鋅輕鋼龍骨，在屋架上方滿鋪10?mm厚OSB板，其上滿粘隔汽層，鋪100?mm厚聚氨酯板和200?mm厚石墨聚苯板做外保溫。保溫層間采用發(fā)泡聚氨酯粘結(jié)，防水層為一道自粘防水卷材和一道板巖防水。屋面輕鋼骨架下方吊掛6?mm厚纖維增強(qiáng)水泥板和10?mm厚石膏板。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.12?W/（㎡·K）。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖5所示。圖5?圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面3、圍護(hù)結(jié)構(gòu)無熱橋設(shè)計(jì)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，保溫隔熱性能薄弱的區(qū)域稱為熱橋，熱橋區(qū)域的熱流相對密集，傳熱系數(shù)高，成為熱量流失的主要橋梁。超低/近零能耗建筑對熱橋的控制目標(biāo)為盡量做到無熱橋，因此本工程進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)無熱橋設(shè)計(jì)。3.1?點(diǎn)狀熱橋控制考慮到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)狀熱橋主要為固定保溫板的錨栓，為減少錨栓對保溫系統(tǒng)的傳熱增加值，采用螺栓式斷熱橋保溫錨栓。螺栓式斷熱橋保溫錨栓（圖6）是用聚丙烯內(nèi)嵌增強(qiáng)纖維材料筋FRP的塑包筋結(jié)構(gòu)，可與國標(biāo)螺母配套使用。錨栓由復(fù)合纖維材料筋提供抗剪切力，由聚丙烯螺紋與螺母提供抗拉拔力。經(jīng)檢測，斷熱橋錨栓的抗拉拔力≥1.0?kN，抗剪切力≥4.0?kN，且錨栓對保溫系統(tǒng)的傳熱附加值極低，經(jīng)計(jì)算單支錨栓對系統(tǒng)的傳熱增加值僅為0.0007?W/（㎡·K）。圖6?螺栓式斷熱橋保溫錨栓螺栓連接式斷熱橋保溫錨栓以FRP材料替代傳統(tǒng)錨栓內(nèi)的金屬螺釘，降低了導(dǎo)熱系數(shù)，使其對保溫系統(tǒng)傳熱增加值極低。將傳統(tǒng)錨栓的膨脹式連接提升為螺栓式機(jī)械連接，操作快捷且可提高錨固強(qiáng)度。先錨固保溫板、后澆輕混凝土的施工方式將傳統(tǒng)后錨的隱蔽工程轉(zhuǎn)變?yōu)槁睹鞴こ蹋欣诒ＷC錨固質(zhì)量。3.2?線性熱橋控制本項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)線性熱橋的主要部位在外墻與屋面、外墻與地面、門窗與外墻、外墻與外墻之間的交接部位。為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的線性熱橋，屋面、墻面、地面的轉(zhuǎn)角部位均需保證外保溫層的連續(xù)性，且轉(zhuǎn)角處保溫層厚度與主體保溫層厚度一致，以降低各轉(zhuǎn)角部位的線傳熱系數(shù)。由于門窗洞口處的保溫層較薄，門窗框與洞口交接處成為常見的線性熱橋部位。解決外保溫墻體的斷熱橋的方案是將外窗外掛在墻體保溫層范圍內(nèi)，以降低門窗框與洞口交接處的線傳熱系數(shù)。本項(xiàng)目采用金屬角碼將外窗外掛安裝在輕鋼龍骨上，為降低輕鋼龍骨與外窗角碼連接處的熱橋，采用10?mm厚OSB板帶外包輕鋼龍骨進(jìn)行斷熱橋處理。3.3?結(jié)構(gòu)性熱橋控制結(jié)構(gòu)性熱橋是由建筑結(jié)構(gòu)帶來的熱橋部位，例如框架柱與基礎(chǔ)的連接處、懸挑陽臺(tái)板或空調(diào)板與主體結(jié)構(gòu)的連接處等。這些部位因受結(jié)構(gòu)力學(xué)和安全性限制，通常較難實(shí)現(xiàn)斷熱橋設(shè)計(jì)。由于本項(xiàng)目為臨時(shí)建筑，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，建筑自重及地面混凝土墊層的重量滿足抵抗風(fēng)荷載要求，因此鋼結(jié)構(gòu)框架與基礎(chǔ)之間未進(jìn)行結(jié)構(gòu)錨固設(shè)計(jì)，而是采用200?mm厚的防腐方木作為鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的斷熱橋結(jié)構(gòu)支撐。4、圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性設(shè)計(jì)由于本建筑采用鋼結(jié)構(gòu)體系和預(yù)制墻板，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)制部品和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的縫隙需采用干硬水泥砂漿捻縫，形成對構(gòu)件縫隙間的防火封堵，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氣密性設(shè)計(jì)。4.1?氣密層材料選擇建筑外墻與屋面采用6?mm厚纖維增強(qiáng)水泥板做氣密層，密度不小于1?400?kg/m3，作為輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)面板和裝修石膏板的基板，該板具有良好的氣密性；室內(nèi)地坪的細(xì)石混凝土墊層則可作為地面的氣密層。4.2?氣密層連續(xù)性設(shè)計(jì)為保證氣密層的連續(xù)性，在確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性材料后，需對不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密層接縫處進(jìn)行氣密性處理。本項(xiàng)目采用防水隔汽膜做縫隙氣密性材料，所有墻面、屋面的纖維增強(qiáng)水泥板及墻板水泥板與地面混凝土墊層的接縫處均粘貼防水隔汽膜，其寬度不小于100?mm，縫隙兩側(cè)采用滿粘的方式且粘結(jié)寬度不小于50?mm。4.3?特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)外墻中穿線管和開關(guān)盒處的縫隙采用石膏粉填實(shí)，所有穿透纖維增強(qiáng)水泥板氣密層的部位均用建筑膠封堵，并粘貼氣密膜。5、性能檢測本工程完成氣密層施工后即進(jìn)行了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性檢測，檢測結(jié)果表明，氣密性n50＝0.43?h-1，滿足超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)n50＜0.6?h–1的要求。課題組對該項(xiàng)目進(jìn)行采暖季室內(nèi)環(huán)境和建筑能耗監(jiān)測。采暖監(jiān)測期為2019年11月1日至2020年3月16日。監(jiān)測期內(nèi)，該