冷彎薄壁型鋼被動(dòng)式裝配建筑的新進(jìn)展

張建偉 周建安 廖建文

（1. 中國被動(dòng)式集成建筑材料產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 北京 100024；2. 通道侗族自治縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 懷化 418500；3. 溆浦縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 懷化 419300）

0 引言

從2010年世博會(huì)的第一棟被動(dòng)式建筑“德國場(chǎng)館漢堡之家”，我國被動(dòng)式建筑的發(fā)展已有10多年歷史。目前，我國大多數(shù)省份都出臺(tái)了被動(dòng)式建筑的鼓勵(lì)政策，尤其是河北省預(yù)計(jì)2025年被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)達(dá)到萬億級(jí)產(chǎn)值，江蘇省要求2025年新建建筑均為被動(dòng)式建筑。隨著碳達(dá)峰碳中和的進(jìn)一步深化實(shí)施，我國被動(dòng)式建筑將步入快速發(fā)展之路。

1 被動(dòng)式建筑介紹

上世紀(jì)80年代，瑞典隆德大學(xué)Adamson.Bo教授提出被動(dòng)房概念。1991年，德國物理學(xué)家Wolfgang Feist建造了全世界第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的被動(dòng)房。各種不同功能類型建筑如居住、辦公、學(xué)校、養(yǎng)老院、工廠、超市、賓館等，以及不同結(jié)構(gòu)類型建筑，如混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等都可以按照被動(dòng)式建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造。

按照歐盟委員會(huì)支持的歐洲被動(dòng)式建筑促進(jìn)項(xiàng)目（Promotion of European Passive Houses）中對(duì)被動(dòng)式建筑的定義，被動(dòng)式建筑是指不通過傳統(tǒng)的采暖方式和主動(dòng)的制冷空調(diào)形式來實(shí)現(xiàn)舒適的冬季和夏季室內(nèi)環(huán)境的建筑。其最大特點(diǎn)在于通過被動(dòng)式設(shè)計(jì)，使得建筑對(duì)采暖和制冷的需求最小化。被動(dòng)式建筑的研究與實(shí)踐始于德國，根據(jù)德國的氣候條件，歐洲被動(dòng)房建筑的技術(shù)措施重點(diǎn)解決冬季采暖需求的最小化。被動(dòng)式建筑適合于世界上各個(gè)不同氣候區(qū)，根據(jù)不同氣候區(qū)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)，達(dá)到同樣的能效和室內(nèi)舒適度。圖1為1991年世界上第一座被動(dòng)房建筑。

圖1 1991年世界上第一座被動(dòng)房建筑

被動(dòng)式建筑是建筑節(jié)能理念和各種技術(shù)產(chǎn)品的集大成者，是通過高保溫隔熱、隔音、強(qiáng)密封性的建筑外墻和可再生能源得以實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)式建筑在寒冷地區(qū)的采暖需求是15 kWh/（m2·a），相對(duì)于我國北方的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是非常低的。被動(dòng)式建筑不使用傳統(tǒng)采暖設(shè)施，依靠建筑自身的得熱，如燈光、家電、電腦、做飯以及人體本身的發(fā)熱就能滿足冬季室內(nèi)不低于20 ℃。被動(dòng)式建筑不僅提供了舒適的室內(nèi)環(huán)境，還最大限度地降低對(duì)冬天采暖和夏天制冷的依賴。

2 冷彎薄壁型鋼裝配式建筑

冷彎薄壁型鋼龍骨式結(jié)構(gòu)（LGS）住宅體系，屬于裝配式建筑，在我國的發(fā)展已有20多年的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年我國有10萬棟該類型新建建筑，并且每年都超過10%的增長(zhǎng)速度。

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑是一種新型建筑應(yīng)用理念。所謂裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，在工廠加工制作好建筑用構(gòu)件和配件（例如樓板、墻板、樓梯、陽臺(tái)），運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝而成。圖2為冷彎薄壁型鋼骨架。裝配式建筑降低了建筑設(shè)備應(yīng)用過程中的運(yùn)輸成本，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)建筑材料應(yīng)用的多樣化發(fā)展。

圖2 冷彎薄壁型鋼骨架

目前，我國正在大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點(diǎn)有：用鋼量低、自重輕、裝配效率高、人工投入少，生產(chǎn)和施工過程均為干作業(yè)，噪聲、粉塵和建筑垃圾排放小，且房屋品質(zhì)易保證。

冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于1～6層建筑，在國外多項(xiàng)實(shí)體建筑中，輕鋼結(jié)構(gòu)已達(dá)到最高12層，并通過了地震模擬、消防等安全驗(yàn)收，輕鋼建筑體系可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行管線碰撞檢查，保證結(jié)構(gòu)產(chǎn)品一次性滿足實(shí)體建筑需求，避免了由于施工過程中的變更所帶來的不必要的損失。

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)骨架與內(nèi)外圍護(hù)板材通過鍍鋁鋅自攻螺釘連接，形成非常堅(jiān)固的“密肋式結(jié)構(gòu)體系”。這種結(jié)構(gòu)體系有著更優(yōu)越的抗地震和抵抗水平荷載的能力。冷彎薄壁型鋼全部采用耐久性鍍鋁鋅材質(zhì)，有效避免鋼構(gòu)件在使用過程中的銹蝕，具有超強(qiáng)的抗腐蝕能力。這種結(jié)構(gòu)體系是以鋼構(gòu)件為基本結(jié)構(gòu)骨架、以新型結(jié)構(gòu)板材為圍護(hù)體系，配以其他保溫裝飾材料，經(jīng)工廠集成生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)裝配而成的房屋建筑體系。該系統(tǒng)具有截面尺寸小、自重輕等特點(diǎn)，比傳統(tǒng)建筑的使用面積提高了5%～10%，大大降低基礎(chǔ)造價(jià)，獨(dú)特的墻體承重體系使建筑造型富于輕靈動(dòng)感，提高了室內(nèi)布局的靈活性，低碳環(huán)保型建筑材料使建筑耐久性更好、結(jié)構(gòu)更安全，具有良好的抗震、防火、熱工、隔聲性能。

3 冷彎薄壁型鋼被動(dòng)式建筑實(shí)踐

將冷彎薄壁型鋼龍骨結(jié)構(gòu)建筑和被動(dòng)式建筑相結(jié)合，國內(nèi)已經(jīng)有很多廠家在這方面付出了實(shí)踐。

冷彎薄壁型鋼龍骨結(jié)構(gòu)具有很好的靈活性，被動(dòng)式建筑的高能效和高舒適性，兩者能夠很好的融合，達(dá)到既有冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的靈活裝配式，又做到高品質(zhì)高能效的被動(dòng)式。介紹兩棟典型的結(jié)合到融合的案例，以期促進(jìn)輕鋼房屋向經(jīng)濟(jì)型高品質(zhì)建筑發(fā)展。

3.1 山東華建鋁業(yè)黃山招待中心

該項(xiàng)目為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房項(xiàng)目，是目前全球第一個(gè)通過PHI認(rèn)證的薄壁型鋼被動(dòng)式建筑項(xiàng)目。建筑面積3880 m2，其中6個(gè)接待廳是按照德國被動(dòng)房研究所（PHI）標(biāo)準(zhǔn)建造，由濰坊泰來鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司設(shè)計(jì)、加工、建造，由德國Jiang-PassivhausTechnik公司提供被動(dòng)房咨詢。該項(xiàng)目于2017年11月7日通過氣密性驗(yàn)收，2018年4月10日取得PHI被動(dòng)房認(rèn)證證書。

該項(xiàng)目位于山東省臨朐縣，屬寒冷地區(qū)。年平均氣溫12.4 ℃，1月份氣溫最低，月平均氣溫-3.3 ℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫26 ℃，氣溫年差29.3 ℃，極端天氣最高溫度40.5 ℃，最低溫度-23.8 ℃。年平均日照2578.6 h，日照率58%，年輻射量512.75 kJ/cm2。年平均相對(duì)濕度64%，最低濕度3、4月份平均55%、最高濕度8月份平均81%。

該項(xiàng)目保溫采用真空絕熱板和聚氨酯，氣密層采用瑞士SIGA公司生產(chǎn)的氣密膜和氣密膠帶，設(shè)置在墻體的中間，內(nèi)側(cè)為結(jié)構(gòu)層和裝飾層，外側(cè)為保溫層和防護(hù)層，既防止了人為的損壞，又增加了氣密膜的使用壽命。

被動(dòng)式門窗采用通過PHI認(rèn)證的米蘭之窗、易歐思門窗、華達(dá)門窗。米蘭之窗、華達(dá)門窗為鋁包木被動(dòng)窗，易歐思為鋁合金被動(dòng)窗。全部為三玻兩腔，兩層Low-E玻璃，開啟方式為平開內(nèi)導(dǎo)和平移推拉。

該項(xiàng)目選用森德新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)從潔凈區(qū)域的底部和頂部送入，污風(fēng)從衛(wèi)生間等位置排出，配有內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。這種通風(fēng)系統(tǒng)，是目前歐洲比較流行的空氣氣流組織方式，能夠讓室內(nèi)人員充分享受新風(fēng)，避免衛(wèi)生間串味等。在新風(fēng)系統(tǒng)中增加了智能接口，通過電腦、手機(jī)APP可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

該項(xiàng)目經(jīng)過一個(gè)冬天的測(cè)試，冬天室外溫度-12 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度20～22 ℃。在2017年夏天持續(xù)高溫、室外溫度34～39 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度用餐前22～24 ℃，用餐后提高1～2 ℃，1～2 h后恢復(fù)到餐前溫度。經(jīng)過一年的使用耗電27.35 kWh/m2。

3.2 宏聯(lián)眾輕鋼被動(dòng)式專家公寓樓

被動(dòng)式公寓樓項(xiàng)目建筑面積3057 m2，地下一層，地上三層，其中地上三層按照德國被動(dòng)房研究所（PHI）標(biāo)準(zhǔn)建造，主體采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，由北京宏聯(lián)眾輕鋼結(jié)構(gòu)房屋（集團(tuán)）有限公司設(shè)計(jì)、加工、建造。

2021年1月通過氣密性驗(yàn)收，預(yù)計(jì)2021年6月取得認(rèn)證證書，是全球第一個(gè)通過PHI認(rèn)證的多層薄壁輕鋼被動(dòng)房公寓項(xiàng)目。

該項(xiàng)目位于唐山市玉田縣，屬寒冷地區(qū)。年平均氣溫11.1 ℃，1月份氣溫最低，月平均氣溫-5.7 ℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫25.8 ℃，氣溫年差31.5 ℃，極端天氣最高溫度40.4 ℃，最低溫度-22.9 ℃。年平均日照2415.18 h，日照率58%，年輻射量512.75 kJ/cm2。年平均相對(duì)濕度59%，最低濕度3、4月份平均45%、最高濕度8月份平均68%。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫采用石墨聚苯板和巖棉，主結(jié)構(gòu)外加設(shè)一層附加結(jié)構(gòu)，保溫填充其中，粘接固定；兩層輕鋼龍骨填充巖棉，這樣既解決了保溫固定問題，又解決了防火、斷橋的問題。

氣密層放在墻體的中間，內(nèi)側(cè)為結(jié)構(gòu)層和內(nèi)裝飾層，外側(cè)為保溫層和防護(hù)層，既防止了人為的損壞又增加了氣密膜的使用壽命。

被動(dòng)式門窗采用PHI認(rèn)證的森鷹鋁包木被動(dòng)窗，三玻兩腔，選裝兩層Low-E玻璃，無熱橋的安裝，開啟方式分為平開內(nèi)導(dǎo)。同時(shí)，采用外遮陽設(shè)計(jì)。

新風(fēng)系統(tǒng)和輔助制冷制熱：新風(fēng)從潔凈區(qū)域的底部送入，污風(fēng)從衛(wèi)生間等位置排出，并配有內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。這種通風(fēng)系統(tǒng)是目前歐洲比較流行的空氣氣流組織方式，能夠讓人員充分享受新風(fēng)、避免衛(wèi)生間串味等。特制的熱交換膜，能抑制細(xì)菌的滋生，并且可以水洗確保長(zhǎng)效。水源熱泵符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，被德國PHI認(rèn)可。送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等采用全變頻部件，運(yùn)行更節(jié)能。

專家公寓樓2020年12月投入使用，經(jīng)歷了寒冷的冬天，使用效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。冬天室外溫度-19 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度20～22 ℃。

4 結(jié)語

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與制作，被動(dòng)式建筑標(biāo)準(zhǔn)確保高能效同時(shí)保證高舒適性。本文兩個(gè)案例都采用了巧妙的無熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足被動(dòng)式要求的保溫圍護(hù)體系，同時(shí)也考慮了嚴(yán)格的防火措施。門窗系統(tǒng)采用被動(dòng)式門窗系統(tǒng)，全部為三玻兩腔，兩層Low-E玻璃，窗框包含了鋁包木、鋁合金兩種結(jié)構(gòu)形式。被動(dòng)式門窗用玻璃確保冬季窗戶凈得熱。氣密層設(shè)置對(duì)于冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系是非常關(guān)鍵的，兩個(gè)案例均選擇置于墻體的中間位置，防止室內(nèi)裝修可能帶來的損壞。新風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)都根據(jù)冷彎薄壁型鋼裝配式建筑的特點(diǎn)，進(jìn)行了巧妙的設(shè)計(jì)和施工。

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系和被動(dòng)式建筑的結(jié)合，使冷彎薄壁型鋼裝配式建筑的品質(zhì)得到極大提升，同時(shí)也為我國未來工業(yè)化高品質(zhì)建筑探索出了一條新的路徑。這對(duì)促進(jìn)建筑行業(yè)科技進(jìn)步，推動(dòng)高能效被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重大意義。隨著我國碳減排事業(yè)的深度進(jìn)展，冷彎薄壁型鋼被動(dòng)式裝配建筑在中國具有廣闊的應(yīng)用前景。