既有高層辦公建筑外立面改造節(jié)能技術(shù)研究——以濟(jì)南市歷下政務(wù)大廈為例

崔艷秋，劉筱，魏瑞涵

(1.山東建筑大學(xué) 山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

山東省是能源消耗大省，既有民用建筑面積有10.6 億m2，其中95%以上是非節(jié)能建筑，單位面積能耗比同氣候條件下發(fā)達(dá)國(guó)家高2～3 倍［1］，其中既有建筑中辦公建筑能耗巨大，是普通居民住宅的10～20 倍，且既有建筑中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，通過(guò)外墻的熱損失約占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的48%，因此做好既有高層建筑的節(jié)能改造，尤其是建筑外墻的節(jié)能改造，對(duì)推動(dòng)建筑節(jié)能工作具有重大意義［2－3］。本文結(jié)合濟(jì)南市歷下政務(wù)大廈的立面改造工作，對(duì)既有高層辦公建筑的外墻進(jìn)行了相關(guān)節(jié)能改造技術(shù)研究和實(shí)踐。

1 工程概況

濟(jì)南市歷下大廈為20 世紀(jì)90年代中期設(shè)計(jì)建設(shè)的高層辦公建筑(圖1)，總建筑面積為43655m2，地上26 層，地下2 層，總高為92.1m，建筑結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。歷下大廈原外墻飾面三層以上主要是外墻涂料，經(jīng)過(guò)十余年的使用發(fā)現(xiàn)，外墻已明顯出現(xiàn)漆面褪色、掉色;漆皮起鼓開(kāi)裂;甚至局部也已出現(xiàn)脫落，且脫落后露出底層水泥的顏色(圖2)，與主體墻面的差異較明顯，其立面效果十分影響政府辦公建筑的形象和美觀。因此，業(yè)主決定對(duì)其實(shí)施外立面更新改造。

圖1 歷下大廈原貌

圖2 歷下大廈外墻照片(局部脫落)

通過(guò)多次論證，歷下大廈外立面的改造方案，在尊重原建筑的風(fēng)格特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突出了立面高聳挺拔的外型特征，確定的改造方案為圖3。其外立面實(shí)墻部分采用外掛鋁板飾面，原窗部分改為可開(kāi)啟的玻璃幕墻，鋁板與玻璃在同一立面上形成了組合幕墻，外觀形式上突出了虛實(shí)對(duì)比，充分展現(xiàn)了辦公建筑的莊重、大氣，立面效果煥然一新。

圖3 歷下大廈新貌

2 外墻節(jié)能改造思路和方法

為貫徹《山東省公共機(jī)構(gòu)節(jié)能管理辦法》中關(guān)于“公共機(jī)構(gòu)既有建筑進(jìn)行改建、裝修、加固時(shí)，必須同時(shí)考慮節(jié)能改造的內(nèi)容，同步設(shè)計(jì)，同步施工”的規(guī)定，結(jié)合歷下大廈的外飾面改造工作，探討同步實(shí)施保溫節(jié)能改造的思路和方法。不僅可美化建筑立面效果，同時(shí)也可進(jìn)一步改善外墻的熱工性能，減少建筑能耗，從而符合國(guó)家相關(guān)政策要求。

2.1 外墻節(jié)能現(xiàn)狀分析

該建筑原外墻主體部位構(gòu)造做法如圖4，通過(guò)計(jì)算得知各部位傳熱系數(shù)見(jiàn)表1。從表1 可以看出，該工程外墻主體部分的傳熱系數(shù)為2.174 W/(m2·K)，遠(yuǎn)高于J1078—2006《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的外墻傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)限值0.60 W/(m2·K)，因此，通過(guò)外墻損失的能耗很大。

圖4 建筑外墻主體部位構(gòu)造做法

表1 外墻主體部分傳熱系數(shù)計(jì)算表

該墻體在外飾面改造的同時(shí)應(yīng)同步進(jìn)行保溫節(jié)能的改造。

2.2 保溫方式的選擇

目前可選擇的保溫改造方式主要有內(nèi)保溫和外保溫［4］。對(duì)于既有高層建筑來(lái)講，選用內(nèi)保溫改造方式，將會(huì)占用室內(nèi)的使用面積，不利于室內(nèi)裝修，給安裝空調(diào)、電話及其他飾物帶來(lái)不便;且在施工中會(huì)影響用戶正常的辦公使用;同時(shí)還會(huì)使內(nèi)隔墻和樓板處的保溫層出現(xiàn)斷點(diǎn)、產(chǎn)生熱橋，加大墻體熱損失;此外局部墻體內(nèi)表面溫度較低，將影響房間的舒適度甚至?xí)鸾Y(jié)露現(xiàn)象［5］;因此，對(duì)于該工程來(lái)說(shuō)，為滿足施工期間業(yè)主的正常辦公需求，有效防止冬季外墻內(nèi)表面潮濕、結(jié)露;并且不減少室內(nèi)的使用面積，有利于房屋內(nèi)部的裝修以及設(shè)備的釘掛;還考慮到為實(shí)現(xiàn)該建筑立面效果，而采用的骨架裝配式墻面改造系統(tǒng)的特點(diǎn)等問(wèn)題，宜選擇外保溫方式對(duì)該外墻實(shí)施保溫節(jié)能改造。

2.3 保溫材料的選擇

近幾年，山東省常用的建筑外墻保溫材料主要包括三大類，一類是無(wú)機(jī)保溫材料，以巖棉、玻璃棉為主;保溫性能良好，自身不存在防火安全問(wèn)題。第二類是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保溫材料，以膠粉聚苯顆粒保溫砂漿為主，膠粉聚苯顆粒在受熱時(shí)，通常包含的聚苯顆粒會(huì)軟化并熔化，但不會(huì)發(fā)生燃燒，通常認(rèn)定為難燃性材料;第三類是有機(jī)保溫材料，以熱塑性聚苯乙烯泡沫塑料和熱固性聚氨酯硬泡為主，聚苯乙烯由炭氫元素組成，極易燃燒;聚氨酯硬質(zhì)泡沫內(nèi)部發(fā)泡體本身的厚度較薄，切開(kāi)后暴露在空氣中的表面積相對(duì)較大，與密實(shí)材料相比，在受火狀態(tài)下更容易分解并燃燒［6］。因此，基于歷下大廈外立面選擇的干掛鋁塑板飾面，從構(gòu)造上應(yīng)避免采用第二類濕作業(yè)施工的保溫材料，而可選用巖棉、玻璃絲棉及聚氨酯硬泡為保溫材料。其主要技術(shù)性能比較參見(jiàn)表2。

表2 保溫材料技術(shù)性能對(duì)比表

由表2 可看出，三者的熱工性能指標(biāo)均較好，尤其聚氨酯硬泡的導(dǎo)熱系數(shù)最低，熱工性能最優(yōu)越。但鑒于近幾年，外墻外保溫工程引發(fā)的火災(zāi)頻繁，在外墻外保溫工程中大量使用的有機(jī)保溫材料，其遇火時(shí)使火災(zāi)迅速蔓延，同時(shí)釋放出大量的煙、毒氣和熱量，將嚴(yán)重危害人們的健康和生命安全，如在北京、上海、沈陽(yáng)等城市曾造成重大事故。而對(duì)于既有建筑的改造工程中，往往是在室內(nèi)人們正常使用著的情況下進(jìn)行施工，一旦火災(zāi)發(fā)生，更會(huì)造成重大損失。在選擇本方案外墻外保溫材料時(shí)，其防火問(wèn)題是業(yè)主最為擔(dān)心和關(guān)注的。因此，從防火方面考慮，應(yīng)首選無(wú)機(jī)保溫材料，即可選用巖棉或玻璃絲棉，為A 級(jí)不燃材料。其在施工和使用過(guò)程中自身不存在防火安全問(wèn)題。另外，玻璃絲棉的纖維韌性大，且潮濕環(huán)境下穩(wěn)定性好，在施工過(guò)程中相對(duì)安全，且其性能上比巖棉容重低、渣球含量少、導(dǎo)熱系數(shù)低、使用年限長(zhǎng)，并且不產(chǎn)生有害氣體;且具有良好的抗老化性能、降噪性能，以及保溫隔熱性能，因此，綜合以上防火、施工及保溫性能等因素，該外墻選用了玻璃絲棉作為保溫材料。

總之，為保證改造效果，結(jié)合墻面改造方案及外墻熱工現(xiàn)狀，做好保溫方式、材料的選擇將成為滿足外墻節(jié)能要求的重要因素［7］。

3 外墻改造節(jié)能構(gòu)造技術(shù)研究

該建筑立面改造采用了骨架裝配式墻面系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由龍骨、鋁塑板及保溫材料等組成。為進(jìn)一步保證建筑效果以及外墻節(jié)能要求，做好該系統(tǒng)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵因素。

3.1 系統(tǒng)的連接與固定

為了保證改造工作的結(jié)構(gòu)可靠性、安全性，增強(qiáng)系統(tǒng)中金屬件的耐蝕性、耐磨性、絕緣性、耐熱性，該系統(tǒng)選用的龍骨、支座和緊固件均經(jīng)過(guò)了鍍鋅處理，強(qiáng)度較高的自攻螺釘也經(jīng)過(guò)了陽(yáng)極化處理;在墻面保溫層的施工方式上，考慮到原墻表面局部已出現(xiàn)脫皮、裂縫等現(xiàn)狀，為盡量減少對(duì)原墻面的基層處理工序，采用了在原墻面與鋁塑板之間以錨固釘掛玻璃絲棉的構(gòu)造方式。另外，為了保證幕墻安裝的牢固性，首先在墻面上安裝輕鋼龍骨及其支撐體系，即用自攻釘將龍骨固定于建筑的圈梁上，然后在龍骨間固定保溫玻璃絲棉、鋁箔，再采用自攻螺釘將鋁塑板固定在輕鋼龍骨上作為飾面覆蓋層，構(gòu)造如圖5所示。另外鋁塑板之間全部采用了彈性材料耐候膠密封，安裝可靠、密封性能好、抗風(fēng)壓性能好，從而提高了墻面系統(tǒng)的保溫性、耐久性和整體性。

3.2 細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在歷下大廈的立面改造過(guò)程中，細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)是保證改造后建筑美觀、建筑安全的關(guān)鍵因素，也是保證節(jié)能效果的重點(diǎn)，其中外立面的陽(yáng)角、陰角、窗洞口、勒腳等部位均需進(jìn)行特殊處理。

圖5 保溫系統(tǒng)總體構(gòu)造層次

(1)由于保溫系統(tǒng)的陰、陽(yáng)角容易出現(xiàn)因保溫材料連接不當(dāng)造成的保溫漏洞，容易產(chǎn)生墻面熱橋的現(xiàn)象，所以在該建筑保溫系統(tǒng)施工過(guò)程中，陽(yáng)角和陰角處玻璃絲棉板應(yīng)采用如圖6a、圖6b 所示的拼裝方式，該部位在構(gòu)造上做到了整體包覆，消除了熱橋，轉(zhuǎn)角處的L 形一體板，不僅保證外墻面轉(zhuǎn)折處無(wú)縫隙，不易受損，同時(shí)也使立面效果更加美觀和堅(jiān)固。

(2)由于立面窗洞口處保溫材料需斷開(kāi)，為防止水分滲入，此處玻璃絲棉需要特殊的防水構(gòu)造設(shè)計(jì)(圖6c)，在窗洞口的終止處設(shè)計(jì)鋪設(shè)了防水密封材料及鋁箔加強(qiáng)保護(hù)層，從而保證建筑整體的保溫效果。

(3)在勒腳處的底部收口部位，為了避免保溫材料受潮，降低保溫性能，設(shè)置了網(wǎng)孔收口板(圖6d)，使進(jìn)入幕墻內(nèi)部的潮濕空氣能夠迅速地通過(guò)循環(huán)的對(duì)流空氣排出去，以保持外墻面的干燥，保證建筑整體的保溫效果。同時(shí)也可使金屬板裝飾內(nèi)外層實(shí)現(xiàn)等壓，減少了板面所承受的風(fēng)荷載壓力，使墻飾面系統(tǒng)更加美觀和堅(jiān)固。

圖6 細(xì)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖

4 結(jié)語(yǔ)

高層辦公建筑的外飾面改造的同時(shí)實(shí)施節(jié)能改造技術(shù)在山東省尚處于(探索)起步階段，目前尚存在許多空白和技術(shù)難點(diǎn)。本文以濟(jì)南市歷下大廈的外墻立面改造工程為例，綜合建筑的美觀要求以及節(jié)能要求，提出了高層辦公建筑外墻節(jié)能改造的思路和方法，根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇了合理的保溫系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了該保溫系統(tǒng)中陽(yáng)角、陰角、窗洞口及勒角這些關(guān)鍵部位的細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的構(gòu)造做法，并針對(duì)每個(gè)細(xì)部節(jié)點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了解決措施，從而保證了建筑整體的美觀及節(jié)能效果。本文為高層辦公建筑的外墻節(jié)能改造工作提供了技術(shù)參考。

［1］山東省墻體材料革新與建筑節(jié)能“十一五”發(fā)展規(guī)劃［R］.山東省建設(shè)廳，2007.

［2］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2010［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］楊杰.建筑外墻外保溫技術(shù)體系發(fā)展分析［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(1):70－73，84.

［4］馬保國(guó).蹇守衛(wèi)，鄒定華.外墻外保溫應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［5］張文江，馮謙.EPS 外墻外保溫結(jié)露隱患的分析及應(yīng)對(duì)策略［J］.建筑節(jié)能，2007，35(8):18－19.

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［7］張學(xué)恒，劉筱，趙成光.濟(jì)南EPS 板外保溫工程存在問(wèn)題及防治對(duì)策［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(5):468－471.