被動超低能耗裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

李紀偉，郭娟利，張苓芝

（1.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 30072；3.北京天鴻圓方建筑有限責任公司，北京 100062）

1 研究背景

隨著我國對環(huán)境保護的日益重視，為了應(yīng)對環(huán)境問題，裝配式建筑和被動式超低能耗建筑成為我國建筑行業(yè)的主要發(fā)展方向。我國最新頒布的“十三五”規(guī)劃將“綠色建筑和建筑工業(yè)化”作為重點專項進行研究[1]，同時，住建部也提出了要在全國不同氣候分區(qū)積極開展被動超低能耗建筑建設(shè)示范活動的要求[2]，這也對裝配式建筑的節(jié)能問題提出了新的要求。目前，裝配式建筑和被動超低能耗建筑一般是分開進行研究，但是作為未來的發(fā)展方向，二者必將進行結(jié)合，形成被動超低能耗裝配式建筑。我國裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計大多采用現(xiàn)行的節(jié)能標準進行，適用性較差，很難滿足未來發(fā)展的需求，需要對裝配式建筑進行被動超低能耗方面的研究，而圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑節(jié)能的重點，因此有必要對被動超低能耗裝配式建筑的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計展開研究。

2 被動式超低能耗建筑特點分析

被動式超低能耗建筑是由瑞典隆德大學(xué)的Bo Adamson教授和德國被動建筑研究所的Wolfgang Feist博士共同提出的一種建筑理念。其主要目標是通過使用被動技術(shù)，依靠太陽能、人體熱量、電氣熱量、自然通風技術(shù)等使建筑不依靠采暖和制冷設(shè)備，將室內(nèi)溫度控制在20～26℃之間[3]。被動超低能耗建筑主要在地域氣候環(huán)境處理、圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱系統(tǒng)、門窗系統(tǒng)、新風熱回收系統(tǒng)以及無熱橋設(shè)計和氣密性方面與傳統(tǒng)建筑由較大的區(qū)別[4]。

2.1 地域氣候條件

地域氣候條件是限制建筑形式與構(gòu)造方式的重要條件，而相對于傳統(tǒng)建筑而言，被動超低能耗建筑需要對地域氣候條件進行更為細致和嚴格的氣候條件分析，這是由于被動超低能耗建筑主要依靠被動技術(shù)手段而非人工技術(shù)對建筑內(nèi)部的物理環(huán)境進行控制，達到人體舒適度需求，地域條件的不同會限制不同被動技術(shù)措施的使用。因此，需要對地域氣候條件進行詳細分析，使室內(nèi)微氣候達到相應(yīng)的要求。

2.2 高性能外圍護結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)

被動超低能耗建筑的圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱系統(tǒng)要比傳統(tǒng)建筑要求更高，在使用EPS作為保溫材料時，保溫層厚度能夠達到200～300mm，而傳統(tǒng)建筑通常只有50～100mm[5]。這種厚度的保溫層為圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計帶來了很大的難度，尤其是裝配式建筑的圍護結(jié)構(gòu)需要進行現(xiàn)場吊裝，如何能夠保護好保溫層是一個較難解決的問題。

2.3 高效節(jié)能的門窗系統(tǒng)

傳統(tǒng)門窗系統(tǒng)通常采用雙玻塑鋼窗或斷橋鋁合金窗，傳熱系數(shù)通常約為1.6W/(m2·K)，而被動超低能耗建筑的門窗傳熱系數(shù)通常要求不高于0.8W/(m2·K)[6]，傳統(tǒng)門窗技術(shù)很難達到這個要求。因此，目前一般選用三玻兩腔或四玻三腔的塑鋼門窗或木框門窗，玻璃中間填充惰性氣體，框材腔體中間填充保溫材料，通過這種復(fù)雜的技術(shù)手段達到減少能耗流失的要求。

2.4 無熱橋的構(gòu)造設(shè)計

在傳統(tǒng)建筑中圍護結(jié)構(gòu)的熱橋是一個較難解決的技術(shù)問題，熱橋會帶來熱量的流失甚至產(chǎn)生結(jié)露造成墻體發(fā)霉，對建筑造成損害，不利于人體健康。研究表明熱橋部位單位面積的熱損失遠遠高于其他部位，因此超低能耗建筑要求做到圍護結(jié)構(gòu)無熱橋。

2.5 氣密性要求

超低能耗建筑對于建筑的氣密性也遠高于傳統(tǒng)建筑，氣密性主要是指來自于建筑門窗縫隙、圍護結(jié)構(gòu)孔洞的空氣滲透。建筑門窗的氣密性分為8級，主要通過單位時間單位縫隙的空氣滲透量來決定，等級越高空氣滲透量越少。傳統(tǒng)建筑達到4級左右就可以了，而超低能耗建筑的氣密等級要求達到7級以上。

3 裝配式建筑特點及要求

裝配式建筑是指主要結(jié)構(gòu)件和部品在工廠中完成生產(chǎn)，運送到施工現(xiàn)場直接拼裝建造的建筑類型。裝配式建筑不進行或很少進行濕作業(yè)，具有工業(yè)化程度高、施工程序少、建造速度快、環(huán)境污染小等特點。裝配式建筑主要的部品和構(gòu)件是在工廠生產(chǎn)完成的，主要包括：梁、柱、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，外墻、門窗等圍護構(gòu)件，隔墻、陽臺、空調(diào)板等輔助構(gòu)件，這些構(gòu)件在工廠中生產(chǎn)完成能夠保證質(zhì)量和減少誤差。施工現(xiàn)場進行裝配作業(yè)，需要大量裝配機械，現(xiàn)澆作業(yè)大量減少，施工人員大幅減少，施工環(huán)境能夠得到較好的改善。在進行主體施工時，裝修工程也可以同步完成，極大的縮短了建設(shè)周期，更容易通過數(shù)字化進行管理，所有的構(gòu)配件信息都能夠較好的進行數(shù)字化，提高生產(chǎn)效率，成本會隨著規(guī)?；a(chǎn)逐步降低。

4 超低能耗裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計方法與原則

根據(jù)超低能耗建筑的特點和裝配式建筑自身的特點和要求，可以總結(jié)出超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計的具體方法和原則。

4.1 地域氣候要求

由于我國地域遼闊，氣候分區(qū)較多，不同的氣候分區(qū)對于建筑的圍護結(jié)構(gòu)要求各有不同。綜合考慮地區(qū)氣候是節(jié)能潛力最高的方法，我國一個有5個氣候分區(qū)，在進行被動超低能耗裝配式建筑節(jié)能設(shè)計時需要充分進行考慮。根據(jù)氣候條件設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，在炎熱地區(qū)構(gòu)造形式應(yīng)該以隔熱為主，而在寒冷地區(qū)構(gòu)造形式應(yīng)該以保溫為主。

4.2 便捷性要求

盡管超低能耗裝配式建筑的外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造比傳統(tǒng)建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造更為復(fù)雜，但是仍然需要遵循便捷性原則。保溫層、門窗等附屬構(gòu)件要與主體結(jié)構(gòu)進行便捷的連接，這對構(gòu)造設(shè)計提出了較高的要求。在構(gòu)造設(shè)計時要充分考慮保溫材料和門窗材料的易損壞性，減少安裝步驟，避免安裝過程中的損壞。

4.3 氣密性要求

由于裝配式建筑多由現(xiàn)場組裝而成，縫隙較多，容易影響建筑整體的氣密性，因此，在超低能耗裝配式建筑設(shè)計的初期就應(yīng)該確定氣密層構(gòu)造設(shè)計方案。氣密性構(gòu)造層很難通過預(yù)制生產(chǎn)現(xiàn)場裝配來實現(xiàn)，因此需要在現(xiàn)場進行施工。在設(shè)計時需要充分考慮這個因素，對外墻與樓面、門窗與外墻、外墻與屋面直接進行無斷點的構(gòu)造設(shè)計，進行密封處理，減少管線穿孔，形成完整的氣密性設(shè)計方案。

4.4 熱橋構(gòu)造處理

在進行熱橋部位構(gòu)造設(shè)計時需要先利用PHPP設(shè)計軟件，對建筑的熱平衡進行計算，在計算中需要充分考慮熱橋效應(yīng)。裝配式建筑的熱橋部位主要集中在不同部件相互連接的部位，如窗口、墻角、屋脊、檐口等部位。在這些部位要進行重點處理，如對窗口的處理方法是將窗戶安裝在保溫材料上部，窗框的外面要完整的包裹保溫材料，這樣才能達到避免熱橋的目的。對于其他熱橋部位，則需要通過加強保溫，減少外部附加構(gòu)件來實現(xiàn)。

4.5 門窗構(gòu)造設(shè)計

超低能耗建筑的門窗要選擇傳熱系數(shù)低的門窗，玻璃一般選擇Low-e玻璃，窗框在構(gòu)造設(shè)計時要進行多腔體設(shè)計，與墻體連接時尤其注意熱橋處理，預(yù)埋件應(yīng)采用非金屬構(gòu)件，安裝位置需要進行計算確定。

4.6 圍護結(jié)構(gòu)保溫層構(gòu)造設(shè)計

保溫材料一般結(jié)構(gòu)比較酥松，而且超低能耗建筑的保溫層較厚，碰撞后容易損壞，因此在裝配式建筑設(shè)計時要重點進行考慮。考慮到吊裝的特點和要求，保溫材料外部應(yīng)該設(shè)置保護層，保護層能承受吊裝時碰撞帶來的沖擊，保溫層內(nèi)部應(yīng)預(yù)埋掛件，便于與結(jié)構(gòu)部分進行安裝，掛件應(yīng)采用防熱橋處理，減少建成后的熱量損失。

5 結(jié)語

超低能耗裝配式建筑是建筑產(chǎn)業(yè)未來的一個重要方向，但是在發(fā)展過程有很多亟待解決的問題，本文通過分析超低能耗建筑的特點結(jié)合裝配式建筑的需求總結(jié)了超低能耗裝配式建筑在圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計時的原則與方法，為超低能耗裝配式建筑設(shè)計提供了一定的理論支持，但是未來仍然需要大量的理論研究和實踐才能真正推進這類建筑的發(fā)展。