CS板農(nóng)宅建筑體系在天津農(nóng)村的應(yīng)用

成莞莞，李志國，2，李硯波，2，戴自強(qiáng)，趙仲星，祝曉丹，張 津

(1.天津大學(xué) 土木工程系，天津300072;2.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;3.華聲(天津)國際企業(yè)有限公司，天津300204)

2012年，我國農(nóng)村現(xiàn)有人口約為6.4億人，占全國人口總數(shù)的47.43%[1]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和農(nóng)民生活水平的不斷提高，以及中國共產(chǎn)黨十六屆五中全會(huì)提出的建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的方針，農(nóng)村住宅建設(shè)已進(jìn)入了更新?lián)Q代的高峰期，2012年農(nóng)村新建住宅面積就達(dá)9.51億 m2。但是，農(nóng)村建筑普遍存在著許多問題，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱效果差、墻體材料能耗高和環(huán)境污染大等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，我國農(nóng)村建筑面積約為230億 m2，約占全國建筑總面積的50%，建筑能耗約占全國建筑總能耗的40%[2]。在農(nóng)村發(fā)展過程中，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)使其步入資源可持續(xù)型和環(huán)境友好型，已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展不可缺少的一部分。天津市建交委、天津市房建設(shè)計(jì)研究院、天津大學(xué)和華聲(天津)國際企業(yè)有限公司等，自2003年起，針對我國農(nóng)村住宅進(jìn)行CS板式建筑體系研究，取得了多方面的應(yīng)用研究成果。

1 農(nóng)村現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)形式及存在的問題

1.1 農(nóng)村現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)形式

目前，我國農(nóng)村住宅類型主要有土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)。其中，磚混砌體結(jié)構(gòu)居多，土木和磚木結(jié)構(gòu)相對較少[3]。近些年，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，農(nóng)民對住宅的舒適性要求也越來越高，寬敞的新建瓦房到處可見，甚至有一些富裕起來的農(nóng)戶建起了低層的樓房。但是，在經(jīng)濟(jì)相對落后的廣大西北、東北地區(qū)，農(nóng)村中還存在大量的土坯房[4]。

1.2 農(nóng)村建筑存在的問題

1.2.1 所用建筑材料能耗高、污染大

我國廣大農(nóng)村地區(qū)住宅建筑材料仍以實(shí)心黏土磚為主。2010年國務(wù)院辦公廳頒布了《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)墻體材料革新和推廣節(jié)能建筑的通知》，其中規(guī)定:2010年底，中國境內(nèi)的所有城市禁止使用實(shí)心黏土磚。但由于實(shí)心黏土磚技術(shù)要求低、制作工藝簡單、價(jià)格便宜等一直在農(nóng)村地區(qū)很受歡迎。以我國北方地區(qū)為例，其農(nóng)宅所用的墻體材料的情況如圖1所示，實(shí)心黏土磚的比例在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)分別為58%和68%[2]。實(shí)心黏土磚的生產(chǎn)需要優(yōu)質(zhì)的黏土，這樣會(huì)大大損耗耕地資源，而我國用僅占世界7%的耕地養(yǎng)育著世界22%的人口，土地資源十分稀缺和珍貴。黏土磚的使用不僅會(huì)毀壞大量耕地，生產(chǎn)過程中需要大量燃煤還會(huì)造成能源的大量浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)排放很多粉塵和二氧化碳，嚴(yán)重污染了環(huán)境。

圖1 北方地區(qū)農(nóng)宅墻體主要材料

1.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱效果差

農(nóng)村住宅主要由240 mm或370 mm厚的實(shí)心黏土磚外墻材料，和單層木門以及單層玻璃鋁合金窗或木窗組成，構(gòu)造較為簡單、密封性較差，造成了熱量大量從屋頂、窗縫、墻體等處散失，有效利用率很低。由我國能耗分布情況(如圖2所示)可知農(nóng)村住宅能耗高達(dá)39%[2]。盡管農(nóng)村的供暖能耗是城市的1.5倍～2倍，但農(nóng)村住宅的室內(nèi)溫度普遍低于城市建筑[5]。

圖2 2010年各類建筑的運(yùn)行能耗分布

以北方農(nóng)宅為例，大量的調(diào)研結(jié)果表明，其室內(nèi)比較適宜的溫度為15℃左右，而目前農(nóng)村的室內(nèi)溫度普遍都在12℃以下[2]。據(jù)有關(guān)資料測算表明:保持結(jié)構(gòu)不變，若要將農(nóng)村住宅的室內(nèi)溫度提高到14℃，其商品能耗將變成原來的2倍[6]。

1.2.3 整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能差

目前，農(nóng)村住宅一般不按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，房屋的綜合抗震能力較差。據(jù)記載，我國公元前2300年到公元2000年，大陸震級(jí)MS≥8的強(qiáng)地震共有16次。除了1976年發(fā)生在唐山的7.8級(jí)地震外，其它15次均發(fā)生在農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)。近十年來發(fā)生的破壞性地震也大都發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，2008年5月12日汶川發(fā)生8級(jí)強(qiáng)震，2010年4月14日青海玉樹縣發(fā)生7.1級(jí)地震等。農(nóng)村住宅主要結(jié)構(gòu)形式有磚混結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中磚木、土木結(jié)構(gòu)較其他兩種結(jié)構(gòu)形式較為脆弱，抗震性能更差[7]。地震災(zāi)害對農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成的損失中，農(nóng)村住宅的破壞損失約占總損失的80%以上[8]。農(nóng)村住宅抗震設(shè)防部分較為薄弱，建設(shè)管理上存在諸多問題，亟待加強(qiáng)和解決。

2 CS板農(nóng)宅建筑體系

目前，我國眾多的新型節(jié)能材料制品和各種保溫技術(shù)都不是很完善，存在著一些缺陷，如性能與價(jià)格、耐久性、防火性等往往不能兼得。因此，開發(fā)出一種適合廣大農(nóng)村地區(qū)的性能優(yōu)良、造價(jià)低廉的新型墻體保溫材料十分必要。CS板農(nóng)宅建筑體系是以CS承重內(nèi)外墻板、CS樓面板(或鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板)、CS屋面板為主要承重構(gòu)件并配以混凝土基礎(chǔ)、構(gòu)造柱和圈梁等現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件組成的“裝配整體式”空間結(jié)構(gòu)房屋。這種結(jié)構(gòu)可以替代農(nóng)村中普遍采用的黏土磚或砌體承重結(jié)構(gòu)，具有“四節(jié)一環(huán)?！?、輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)越[9]、施工方便快捷和能夠?qū)崿F(xiàn)房屋生產(chǎn)工廠化等優(yōu)點(diǎn)，是建設(shè)部重點(diǎn)推廣的新型結(jié)構(gòu)體系。華聲(天津)國際企業(yè)有限公司與中國天津大學(xué)近20年的合作研究，研制出了CS板系列建筑構(gòu)件并形成了完整的應(yīng)用技術(shù)體系，現(xiàn)已在天津、東北、西北和華北等地區(qū)300×104m2的建筑工程中得到了成功應(yīng)用。

2.1 CS板農(nóng)宅建筑體系墻體

CS墻板采用鍍鋅鋼絲和專有的焊接技術(shù)，中間填充阻燃型EPS(或巖棉)芯板在工廠制成符合設(shè)計(jì)要求和使用功能的結(jié)構(gòu)夾心墻板，運(yùn)往現(xiàn)場后在其表面噴射細(xì)石混凝土后形成CS承重墻板，如圖3所示。其集承重、保溫、隔音、圍護(hù)和防火于一體，其主要性能如表1所示。

圖3 CS墻板示意圖

表1 CS承重墻板主要性能

《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10](GB/T50824－2013)中規(guī)定，嚴(yán)寒地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值為0.50 W/m2·K，寒冷地區(qū)為0.65 W/m2·K。從表1中可以看出，可以根據(jù)農(nóng)村不同地區(qū)的節(jié)能要求選擇不同厚度的EPS夾心板。兩側(cè)均為55 mm的細(xì)石混凝土承重墻板耐火極限大于3 h，其耐火性能滿足工程設(shè)計(jì)，可以作為防火墻板使用[11]。CS墻板的傳熱系數(shù)較低，阻斷了墻體對熱的傳導(dǎo)，消除了“冷橋”對建筑物造成的危害，提高了保溫效果。因此，大大減少農(nóng)民冬季取暖費(fèi)的開支。此外，CS墻板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與建筑面積相同的框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)相比，耗能量降低了20% ～30%，單位建筑面積造價(jià)減少了6%，并且建筑使用面積增加了5% ～8%[12]。墻體的內(nèi)檐與外檐均可做各種裝飾、裝修處理。

2.2 CS板農(nóng)宅建筑體系樓面

CS樓面板為預(yù)應(yīng)力疊合樓板，如圖4所示。它是以空間結(jié)構(gòu)夾芯板為主體，在芯板底部配置高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋，現(xiàn)場安裝后在其面層整體澆筑細(xì)石混凝土。板內(nèi)可以鋪設(shè)各種管線且可以采用地板取暖方式。

2.3 CS板農(nóng)宅建筑體系屋面

CS屋面板分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩種類型，結(jié)構(gòu)形式與CS墻板和樓板類似。在現(xiàn)場組裝后，澆筑(噴抹)板上細(xì)石混凝土和板下水泥砂漿面層，形成承重、保溫、隔熱、隔聲一體化的屋面。屋頂可采用平屋頂、坡屋頂以及配有采光窗的屋頂?shù)茸龇ā?/p>

圖4 CS預(yù)應(yīng)力疊合樓板

2.4 CS板農(nóng)宅建筑體系局部構(gòu)造

在CS板農(nóng)宅建筑體的實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中，按照砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造。在墻板和樓板的連接處設(shè)置鋼筋混凝土圈梁，在墻板的端頭、相交處和樓面梁搭接處設(shè)置構(gòu)造柱。圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震能力，同時(shí)也解決了其局部承壓能力較弱的問題。圈梁和構(gòu)造柱位置容易形成冷橋，對于節(jié)能要求較高的建筑，可將外墻構(gòu)造柱設(shè)計(jì)成扶壁柱。這樣阻斷了冷氣從構(gòu)造柱處進(jìn)入，消除了冷橋造成的熱損失。圈梁處做線條保溫，其外層貼保溫層或者涂抹保溫砂漿，降低此處的冷橋效應(yīng)。內(nèi)外墻交接處、CS屋面板與圈梁連接處和CS墻板與屋面板連接處等需要采用附加拉筋，如圖5和圖6所示，將其彎折與CS墻板或者樓板鋼筋綁扎牢固，增強(qiáng)薄弱節(jié)點(diǎn)處的連接。由于CS板內(nèi)填的是聚苯材料，結(jié)構(gòu)自重大大降低，有利于基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。CS板農(nóng)宅建筑體系更接近于砌體結(jié)構(gòu)，故該結(jié)構(gòu)宜采用條形基礎(chǔ)，并在基礎(chǔ)頂部甩筋，與墻體的豎向鋼筋連接。

農(nóng)村建筑實(shí)現(xiàn)節(jié)能后，將大大提高能源的利用率，生物質(zhì)能的利用率將由原來的30%提高到55%，煤炭利用率從40%提高到65%，也將降低農(nóng)村建筑的運(yùn)行能耗環(huán)境負(fù)荷[13]。農(nóng)村建筑抗震性能的提高，將造福于廣大農(nóng)村地區(qū)的人民，使得更多的農(nóng)民免受地震帶來的流離失所之苦。CS板農(nóng)宅建筑體系適合在我國廣大農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖5 CS屋面板與圈梁連接節(jié)點(diǎn)

圖6 CS墻板與屋面板連接節(jié)點(diǎn)

3 CS板農(nóng)宅建筑體系的應(yīng)用

CS板農(nóng)宅建筑體系已在天津農(nóng)村得到成功應(yīng)用。其中，薊縣郭家溝和寶坻尹家鋪兩處作為天津綠色農(nóng)民住房示范工程，體現(xiàn)了綠色、節(jié)能、環(huán)保和生態(tài)的理念，轉(zhuǎn)變了農(nóng)村住房的傳統(tǒng)觀念與習(xí)慣營造作法，提高了農(nóng)民住房文化品位，讓農(nóng)民享受先進(jìn)科技建筑帶來的安全、美觀、節(jié)能和適用的效果。

3.1 薊縣郭家溝示范工程

天津薊縣郭家溝建設(shè)的農(nóng)民自住型住房，占地面積196 m2，建筑面積117 m2。改變了北方傳統(tǒng)平面布局，運(yùn)用城市單元設(shè)計(jì)理念，方便了生活起居，如圖7所示。使用CS板農(nóng)宅建筑體系，提高了房屋的節(jié)能保溫和抗震性能，集成應(yīng)用了八項(xiàng)使用技術(shù):CS板式建筑結(jié)構(gòu)體系(包括墻體保溫結(jié)構(gòu)和屋面保溫結(jié)構(gòu))、太陽能熱水系統(tǒng)、新型建筑防水系統(tǒng)、碳晶采暖技術(shù)、塑鋼中空玻璃保溫門窗、節(jié)能照明技術(shù)、生活污水處理技術(shù)。建成后的房屋整體效果，如圖8所示。

圖7 薊縣郭家溝農(nóng)民自住型住房

3.2 寶坻尹家鋪示范工程

寶坻尹家鋪建設(shè)了四棟不同房型的小型組團(tuán)，一棟兩戶，總建筑面積約1 200 m2。其包括兩代之家、三口之家和老人房三種家庭模式房型，單戶建筑面積為80 m2～220 m2，滿足了不同人群的居住要求。建成后的房屋整體效果，如圖9所示。

圖8 薊縣郭家溝農(nóng)民自住型住房竣工實(shí)景

圖9 寶坻尹家鋪?zhàn)》靠⒐?shí)景

此外，房屋還配備了污水處理系統(tǒng)、碳晶采暖技術(shù)、太陽能采暖技術(shù)等。

綜上，CS板農(nóng)宅建筑體系與京津冀等華北農(nóng)村地區(qū)廣泛采用的磚混結(jié)構(gòu)建筑體系主要性能對比，如表2所示。

表2 CS板農(nóng)宅建筑體系與磚混結(jié)構(gòu)建筑體系主要性能對比

磚混結(jié)構(gòu)建筑體系是一種脆性結(jié)構(gòu)體系，其抗拉和抗剪能力較低，而CS板農(nóng)宅建筑體系中的CS鋼絲網(wǎng)架焊點(diǎn)可以承受拉力，斜插絲焊點(diǎn)可以承受剪力，較普通的磚混結(jié)構(gòu)建筑的抗拉抗剪能力有顯著提高。由于CS板農(nóng)宅建筑體系保溫芯板置于了墻體內(nèi)部，墻體與保溫層一次成型，使得保溫層與主體結(jié)構(gòu)同壽命，保證了結(jié)構(gòu)的耐久性。而磚混結(jié)構(gòu)建筑墻體的裂縫問題已經(jīng)成為了一個(gè)較為普遍的問題，有的新建磚混結(jié)構(gòu)建筑使用時(shí)間不足20 a，甚至?xí)r間更短，就出現(xiàn)了影響使用的裂縫，導(dǎo)致建筑物的耐久性大大降低。

4 結(jié)論

(1)CS板農(nóng)宅建筑體系具有1足夠+3優(yōu)良+1優(yōu)越，即墻板材料強(qiáng)度足夠;防火性能優(yōu)良，保溫隔熱性能優(yōu)良，建筑結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)良;建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)越。該建筑體系地域限制性較小，是一種極具前途的在我國廣大農(nóng)村地區(qū)均宜推廣的新型建筑結(jié)構(gòu)體系。

(2)CS板農(nóng)宅建筑體系，可滿足建筑三步節(jié)能要求。在京津冀華北農(nóng)村地區(qū)與廣泛采用的磚混結(jié)構(gòu)相比，建造成本基本持平，耗能量降低了20% ～30%，建筑使用面積增加了8%左右。從材料－結(jié)構(gòu)－施工－性能綜合角度考慮，性價(jià)比較高。

(3)CS板農(nóng)宅建筑體系已在天津經(jīng)過了充分的研究論證，并在天津薊縣、寶坻等地區(qū)進(jìn)行了相關(guān)建筑的施工及性能測試。本研究綜合材料、施工、性價(jià)比及舒適性認(rèn)為，該建筑體系對我國廣大農(nóng)村地區(qū)的新農(nóng)村建設(shè)具有示范性意義和作用。尤其適用于在京津冀等廣大華北農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

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