鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)式住宅技術(shù)和材料及工藝方面的選擇

張擴(kuò)忠，楊玉棟，劉海賓

(大同泰瑞集團(tuán)建設(shè)有限公司，山西 大同 037010)

云山府住宅項(xiàng)目坐落在山西省大同市云周街上，是一個(gè)集鋼結(jié)構(gòu)裝配式和近零能耗被動(dòng)式及綠色三星為一體的住宅項(xiàng)目。住宅總建筑面積28.7 萬m2，地上有22棟7層～18層被動(dòng)式住宅，7種戶型，從130 m2到320 m2，總計(jì)1 108套，單套面積為130 m2～320 m2，層數(shù)為7層～18層。另有公共服務(wù)配套建筑8座，面積為4 836 m2(項(xiàng)目概況見圖1)。云山府被動(dòng)房項(xiàng)目，是一個(gè)創(chuàng)新型項(xiàng)目，它首先采用全裝配鋼結(jié)構(gòu)，從豎向構(gòu)件的鋼管束到水平構(gòu)件的鋼梁和桁架樓承板及樓梯、陽臺(tái)板、空調(diào)板全部采用鋼結(jié)構(gòu)，裝配率達(dá)到70%；它還是一項(xiàng)近零能耗的被動(dòng)房項(xiàng)目，石墨聚苯板外保溫系統(tǒng)250 mm厚，被動(dòng)窗導(dǎo)熱系數(shù)低于0.85，具有熱交換功能的新風(fēng)系統(tǒng)，完整的氣密性設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的隔熱構(gòu)造措施，保證著室內(nèi)溫度始終在20 ℃～26 ℃之間，濕度保持在30 %～60%之間，室內(nèi)新風(fēng)量大于30 m3/(h·P)，氣密性N50<0.6。它同時(shí)也是一項(xiàng)綠色三星的示范性項(xiàng)目，其中的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，為小區(qū)提供了綠色清潔能源，滿足了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1 裝配式主體結(jié)構(gòu)的選擇

云山府項(xiàng)目是一個(gè)裝配式住宅項(xiàng)目。裝配式可以有兩種選擇，一是采用裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，另一種是采用鋼結(jié)構(gòu)體系。目前本地及周邊一定范圍內(nèi)，沒有完整的裝配鋼筋混凝土預(yù)制工廠，僅有的一家工廠只能加工水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件樓板和樓梯部件，不能滿足裝配率較高的住宅的要求。在這種情況下，只有選擇采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的選擇有鋼管混凝土束結(jié)構(gòu)、隱式鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等形式。在有多種形式可以選擇的情況下，這個(gè)項(xiàng)目選擇了鋼管混凝土束結(jié)構(gòu)，主要的原因是，本公司早在2016年就引進(jìn)了杭蕭鋼結(jié)構(gòu)的鋼管束的生產(chǎn)線，4.5 萬m2的車間建成3 a，受本地級(jí)周邊裝配形勢的影響，僅僅生產(chǎn)了5 萬m2鋼管束和桁架樓承板，本公司開發(fā)的項(xiàng)目自然應(yīng)該推廣和使用由自己工廠生產(chǎn)的裝配式部品部件，也是一種自救行為?？此撇坏靡讯鵀橹?，實(shí)際上鋼管混凝土束是一個(gè)非常好的結(jié)構(gòu)形式，一段時(shí)間內(nèi)，全國各地都在推廣使用鋼管束，從設(shè)計(jì)到施工已經(jīng)取得了成熟的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)項(xiàng)目選擇鋼管束結(jié)構(gòu)就成了必然。鋼管束是由鋼板按照設(shè)計(jì)要求在u型鋼冷彎成型設(shè)備上彎曲形成的鋼構(gòu)件，其基本單元如圖2所示，一般尺寸為200 mm×130 mm，依據(jù)設(shè)計(jì)還可以有其他規(guī)格。由鋼管束的基本單元組合焊接在一起形成鋼管束，共同承受剪力和彎矩，見圖3。由鋼管束和束內(nèi)混凝土組合而成的鋼管混凝土束，充分發(fā)揮了鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)良特性。鋼管束構(gòu)件墻面厚度和寬度依建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定，同樣條件下鋼管束結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土剪力墻的斷面要小，一般只有130 mm寬，房間的使用面積自然就會(huì)增大一些，可為用戶爭取出更多的建筑面積，重量輕，便于吊裝，安裝速度快，強(qiáng)度高、延性好、適合工廠化生產(chǎn)，同樣都是選擇鋼管束的理由[1-3]。

2 裝配式水平構(gòu)件樓承板的選擇

為了達(dá)到裝配率50%甚至更高的標(biāo)準(zhǔn)，除主體結(jié)構(gòu)外，樓板必須采用裝配式。作為裝配式結(jié)構(gòu)，水平受力構(gòu)件樓承板的選擇可以有鋼筋混凝土疊合板和鋼筋桁架樓承板兩種。鋼筋混凝土疊合板又分為預(yù)應(yīng)力混凝土和普通混凝土兩種。普通鋼筋混凝土疊合板是由預(yù)制板和現(xiàn)澆鋼筋混凝土層疊合而成，預(yù)制部分在工廠加工，預(yù)制混凝土部分約有60 mm高，在相同跨度的情況下，它的總厚度要比鋼筋桁架樓承板多出20 mm以上。在住宅層高較小的情況下，20 mm高度設(shè)計(jì)師也是很計(jì)較的。再就是疊合板現(xiàn)澆部分高度相對(duì)較小，在管線施工中會(huì)增加許多困難，設(shè)計(jì)類型比較多、加工制作難度大、吊裝重量大，為了防止出現(xiàn)板間裂縫，還需要增加現(xiàn)澆板帶，這些都是它的不利因素。預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的底板僅有30 mm～40 mm高，但它的剛度較小，板下需要更多的支撐。尚且，本公司自己有裝配建筑部品部件生產(chǎn)園區(qū)，工廠內(nèi)有鋼筋桁架樓承板的成套生產(chǎn)設(shè)備，自然要選擇采用鋼筋桁架樓承板。

開始生產(chǎn)的鋼板桁架樓承板(如圖4所示)有可拆和不可拆兩種，底板為鍍鋅薄鋼板。不可拆桁架樓承板，后期需要用吊頂遮蓋，對(duì)層高產(chǎn)生較大影響?？刹鸢宀鹉：?，平整的混凝土面上，只需要處理一下卡扣痕跡，就可以直接刮膩?zhàn)映苫盍?，裝修效果也不錯(cuò)。于是，可拆板也就成了必然選擇，鍍鋅鋼板的底板理論上可以重復(fù)循環(huán)使用多次，也是選擇的一個(gè)理由。但在實(shí)際使用過程中，鍍鋅薄鋼板整修需要返廠進(jìn)行，循環(huán)使用費(fèi)工費(fèi)事，卡扣二次使用率不足1/4。在這種情況下，我們積極想辦法，先用竹膠板替代了鍍鋅鐵皮，如圖5所示。進(jìn)一步用鍍鋅鋼卡片作為支撐卡件，安裝方便，混凝土保護(hù)層控制準(zhǔn)確，底板支撐條件得到改善(見圖6)，竹膠板桁架樓承板可以反復(fù)使用多次，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，安全適用，經(jīng)濟(jì)和合理。

3 防火材料的選擇

鋼管混凝土束結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是鋼結(jié)構(gòu)的一種，不過是在鋼管內(nèi)灌了混凝土而已，鋼管束和鋼梁都需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火處理。本工程室內(nèi)地下部分鋼結(jié)構(gòu)采用外包混凝土的方法進(jìn)行防火，地上部分，采用防火涂料。防火涂料有兩種選擇，非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和膨脹型防火材料，根據(jù)設(shè)計(jì)耐火等級(jí)選擇。設(shè)計(jì)圖紙開始把防火等級(jí)確定為一級(jí),采用非膨脹型厚型防火涂料，那么，鋼管束墻體每側(cè)會(huì)至少增加35 mm，加上外抹灰等裝修層，就會(huì)占用50 mm以上。如此，鋼管束結(jié)構(gòu)斷面小可以增加使用面積的優(yōu)點(diǎn)就不復(fù)存在了。對(duì)于購房者來說，是比較注重這種優(yōu)點(diǎn)的。在深化設(shè)計(jì)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，云山府項(xiàng)目為18層以下鋼結(jié)構(gòu)和多層鋼結(jié)構(gòu)，按照防火規(guī)范要求，此類建筑應(yīng)屬于二類高層和多層建筑，耐火等級(jí)可以定為二級(jí)。耐火等級(jí)得到糾正之后耐火極限重新確定為墻體2 h、柱為2.5 h、梁為1.5 h。

對(duì)于鋼管混凝土來說，鋼管混凝土中的混凝土填充材料具有吸熱及蓄熱的作用，可以延緩管壁的升溫過程，高溫下的鋼材機(jī)械性能發(fā)生軟化時(shí)，柱承擔(dān)的內(nèi)力可以通過重分布，由溫度較低的核心混凝土繼續(xù)承載。由于鋼管混凝土自身的耐火極限較高，采用非環(huán)氧類膨脹型防火涂料涂層作為防火保護(hù)措施的鋼管混凝土柱，能夠達(dá)到2.0 h以上耐火極限，因此膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料及非膨脹鋼結(jié)構(gòu)型防火涂料均可使用。這樣鋼結(jié)構(gòu)上即使是使用膨脹型防火涂料，也可以減少到25 mm。我們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一種新型防火涂料，15 mm就可以達(dá)到2.0 h的耐火極限，甚至還有超薄型室內(nèi)膨脹型防火涂料1.7 mm，可以達(dá)到耐火極限2 h。這樣，我們一方面解決了防火涂料的問題，另一方面由于采用了較薄的防火涂料，可以保證達(dá)到用戶期望的增加更多使用面積的愿望，也是保全了鋼管束結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，使用戶得到實(shí)實(shí)在在的好處。

4 被動(dòng)窗安裝方式的選擇

被動(dòng)房的建造不同于一般的住宅項(xiàng)目，對(duì)房屋的氣密性和保溫性的要求極高。為了追求恒溫、恒濕、恒靜、恒潔、恒氧等，在被動(dòng)房設(shè)計(jì)建造中，首先選擇了目前市面上最先進(jìn)的被動(dòng)式窗，三玻兩腔，內(nèi)充惰性氣體、Low-E膜層、鋁包木，這種窗戶導(dǎo)熱系數(shù)僅有0.8(普通斷橋鋁合金窗戶的導(dǎo)熱系數(shù)為3.0)。一般地，被動(dòng)式外門窗采用整體外掛安裝，門窗框內(nèi)表面與基層墻體外表面齊平，這樣門窗位于外墻外保溫層內(nèi)，省卻了阻斷熱橋的處理。按照要求在門窗框四周內(nèi)側(cè)面粘貼防水隔氣膜，外側(cè)粘貼防水透氣膜，涂抹氣密性砂漿之后，形成嚴(yán)密的氣密性保護(hù)。實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)整體外掛安裝，由于窗戶重量大需要起重設(shè)備配合，鋼結(jié)構(gòu)窗口上的梁為工字鋼梁，窗戶與之連接相對(duì)復(fù)雜，后期處理氣密性也存在不少問題。如何改變這種不利情況，能否采用內(nèi)嵌的方法進(jìn)行安裝，這也是我們對(duì)于被動(dòng)式窗戶安裝的一個(gè)新的選擇。

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們找到了保溫性能符合要求且強(qiáng)度高，可以支撐整個(gè)窗戶重量的高強(qiáng)石墨烯保溫材料，將窗戶置于窗洞口之內(nèi)并留出適當(dāng)?shù)陌惭b空隙，再把這種高強(qiáng)石墨烯材料安裝在窗戶四周，使被動(dòng)窗安裝形成內(nèi)嵌式。為了使外保溫與窗戶的保溫材料有效地貼合在一起，形成完整的保溫氣密層，將窗戶一部分?jǐn)嗝娣旁诖翱趦?nèi)，一部分放在窗口外，形成半內(nèi)嵌形式，更為符合氣密性要求，更趨合理。在現(xiàn)場嘗試做了幾個(gè)樣板，有平口的，也有企口的，實(shí)驗(yàn)證明，平口半內(nèi)嵌式比較適合被動(dòng)窗內(nèi)嵌安裝(見圖7)。因?yàn)閮?nèi)嵌或半內(nèi)嵌安裝，都需要在窗口兩邊安裝鋼結(jié)構(gòu)框柱或現(xiàn)澆鋼筋混凝土抱框柱，要使框柱形成企口形式，制作和安裝都比較困難，比較起來還是平口形式簡便易行。

5 新風(fēng)系統(tǒng)的選擇

新風(fēng)系統(tǒng)在被動(dòng)房中占有十分重要的地位。三玻兩腔充氬氣的被動(dòng)窗把陽光引進(jìn)室內(nèi)，把寒氣與熱浪擋在室外；石墨烯外保溫阻斷了極寒極熱天氣對(duì)外墻的侵?jǐn)_；隔氣膜透氣膜把材料之間的縫隙做到密不透風(fēng)；優(yōu)良的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造把隔熱功能做到既不把室內(nèi)熱空氣傳出，也不把室外的寒冷空氣導(dǎo)入，卓越的具有熱交換功能的新風(fēng)系統(tǒng)將新鮮空氣引入室內(nèi)，將污濁空氣排出。在保溫性、氣密性做的非常好的情況下，新風(fēng)系統(tǒng)成為被動(dòng)房與外界交換氣體的主要通道。如何選擇好的新風(fēng)系統(tǒng)，成為我們必須先行解決的問題。

為此，我們組織精干團(tuán)隊(duì)，去全國有被動(dòng)房項(xiàng)目的地方實(shí)地考察，了解和掌握新風(fēng)系統(tǒng)在被動(dòng)房應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，去設(shè)備廠家考察了解設(shè)備性能和生產(chǎn)情況，市場規(guī)模和供貨能力。去年冬天我們邀請(qǐng)7個(gè)企業(yè)，在樣板房內(nèi)組織了新風(fēng)系統(tǒng)的測試，要求每家都在145 m2同一戶型上，安排20 d時(shí)間，完成從裝機(jī)、運(yùn)行到拆機(jī)的全過程，記錄所有溫度、濕度、耗電量、噪聲、二氧化碳含量、PM2.5指標(biāo)等數(shù)據(jù)，最后截取室內(nèi)溫度從12 ℃升到22 ℃以上，比較完整的7 d(去掉兩頭不穩(wěn)定數(shù)據(jù))記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每天的能耗效率指標(biāo)都會(huì)計(jì)算出來的，用這個(gè)指標(biāo)去衡量各種設(shè)備的性能，綜合其他指標(biāo)，就容易得出結(jié)論了。這些數(shù)據(jù)都是在去年極寒冷的冬季產(chǎn)生的，今年我們又收集了炎熱的夏季的數(shù)據(jù)，這樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更加全面。新風(fēng)系統(tǒng)的能耗指標(biāo)是一個(gè)非常敏感的問題，住戶會(huì)非常在意，這也是近零能耗被動(dòng)房非常注重的一個(gè)指標(biāo)。我們處于嚴(yán)寒地區(qū)，在不接入集中供熱、沒有采取任何采暖措施的情況下，能夠?qū)⒛芎男手笜?biāo)控制在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，需要做好各個(gè)方面的工作。

被動(dòng)房也不是完全沒有能耗，而是通過設(shè)計(jì)，最大限度地利用復(fù)雜系統(tǒng)和不可再生能源來達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。通過大幅度提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和氣密性，利用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，將建筑供暖需求降低到最小，從而可以使建筑擺脫傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上通過可再生能源，近而實(shí)現(xiàn)超低能耗、近零能耗和零能耗的目標(biāo)。在多數(shù)氣候條件下，被動(dòng)房供暖需求很小，利用新風(fēng)系統(tǒng)就能滿足要求。通過加熱盤管預(yù)熱新鮮空氣的方式，足以滿足剩余供暖需求。即使是嚴(yán)寒地區(qū)也能使建筑物全年能耗指標(biāo)達(dá)到30 kWh/m2(超低能耗住宅)、18 kWh/m2(近零能耗住宅)的標(biāo)準(zhǔn)。

云山府住宅一共有1 108套，主力戶型為160 m2，共588套，130 m2～150 m2的有378套，200 m2以上的有152套。目前被動(dòng)房一般選用新風(fēng)一體機(jī)，也有個(gè)別較大戶型選用新風(fēng)加空調(diào)的多聯(lián)機(jī)。通過考察學(xué)習(xí)反復(fù)論證，認(rèn)為包括主力戶型160 m2及其以下戶型應(yīng)選擇新風(fēng)一體機(jī)比較合適，200 m2以上的戶型選擇多聯(lián)機(jī)合適，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)也有相同的認(rèn)識(shí)。但是，不管選擇哪種機(jī)型，必須符合近零能耗被動(dòng)房對(duì)于建筑物能耗指標(biāo)的要求，符合各種性能指標(biāo)參數(shù)的要求。實(shí)際操作中，我們首先要求產(chǎn)品通過被動(dòng)房機(jī)構(gòu)認(rèn)證，在大同地區(qū)必須考慮在-30 ℃情況下設(shè)備仍然能夠啟動(dòng)自如；一體機(jī)設(shè)備必須具備根據(jù)室內(nèi)二氧化碳濃度指標(biāo)探測自動(dòng)啟停新風(fēng)系統(tǒng)的功能，合理使用，節(jié)約能源；一體機(jī)還須具有與智能家居聯(lián)動(dòng)，調(diào)整排風(fēng)量的功能，用以滿足室內(nèi)各房間溫度的不同要求[4-6]。

6 太陽能光伏發(fā)電的選擇

被動(dòng)式住宅是以節(jié)能和舒適為目的的房子，是人們在基本的居住條件滿足之后，對(duì)更高品質(zhì)住房的追求。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，除了通過保溫和氣密性的設(shè)計(jì)來降低能源的消耗外，另一個(gè)重要的方法就是充分利用太陽能來替代部分化石能源的消耗，因?yàn)樘柲苁侨≈槐M用之不竭的無污染的清潔能源。太陽能的利用有兩種方式，一種是太陽能熱水方式；一種是太陽能光伏發(fā)電方式。無論是屋頂太陽能熱水系統(tǒng)還是太陽能發(fā)電系統(tǒng)，都非常簡便易行，利用住宅屋頂空間實(shí)現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)換，可以減少能源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

云山府項(xiàng)目最初的設(shè)計(jì)中，在利用再生能源的選項(xiàng)上，設(shè)計(jì)單位開始選定采用的是太陽能熱水系統(tǒng)。每一棟樓屋頂都安裝屋頂太陽能熱水系統(tǒng)。每一單元都在屋頂設(shè)置集中熱水箱，用來收集熱水，通過熱水管道送到每家每戶。為了保證熱水能夠隨時(shí)隨地地使用，設(shè)置有加壓循環(huán)系統(tǒng)，通過不停頓的運(yùn)轉(zhuǎn)來保證每家每戶適時(shí)用水。屋頂水箱間工程費(fèi)用和水箱設(shè)備的費(fèi)用及加壓循環(huán)系統(tǒng)的費(fèi)用，總共可以達(dá)到近千萬元。對(duì)于多層建筑來說，太陽能集熱器在屋頂上還可以安排得下，而對(duì)于高層建筑來說，集熱板在屋頂上就難以安排下來了[7]。

隨著太陽能光伏的大力發(fā)展，光伏板的市場價(jià)格逐漸回歸合理，太陽能光伏發(fā)電成本下降，目前光伏板衰減期為25 a，計(jì)算回收期為5 a，使得采用光伏發(fā)電成為可能。在屋頂上安裝太陽能光伏板，配置小型的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，如圖8所示，將每一棟樓頂?shù)墓夥逅l(fā)的電匯集起來，就近送往各家各戶使用，富余的電量可以饋送給大電網(wǎng)，也就是“自發(fā)自用余電上網(wǎng)”。這種分散式小型并網(wǎng)光伏工程，利用屋頂閑置空間，投資小建設(shè)快，符合產(chǎn)業(yè)政策，利用天然的太陽能清潔能源發(fā)電，減少了污染，又增加了工程的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)然是最好的選擇。通過專家論證，最終確定了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的選項(xiàng)。

7 結(jié)語

云山府鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房項(xiàng)目是本省第一個(gè)較大規(guī)模的裝配被動(dòng)式項(xiàng)目，裝配率達(dá)到近70%，現(xiàn)有各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)符合綠色三星建造評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，被動(dòng)房設(shè)計(jì)經(jīng)中國康居認(rèn)證中心評(píng)價(jià)符合近零能耗被動(dòng)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，目前工程主體基本完工，二次結(jié)構(gòu)、外保溫、氣密性工作及精裝修工程正在緊張進(jìn)行。鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房是一個(gè)嶄新的建筑形式，沒有很多成熟經(jīng)驗(yàn)可循，只有不斷摸索嘗試，不斷總結(jié)前行。以上一些問題的解決，僅是在實(shí)踐過程中遇到的問題的一部分，還有很多問題需要發(fā)現(xiàn)和解決，這也就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程，一個(gè)探索的過程。在關(guān)鍵的問題上做出了這樣或那樣的選擇，在當(dāng)時(shí)可能有它正確的一面，從長遠(yuǎn)和發(fā)展的眼光來看，也可能還存在一些這樣或那樣的問題。但只要堅(jiān)持不斷努力，就一定能夠把裝配式和被動(dòng)式的事情做的越來越好。鋼結(jié)構(gòu)、被動(dòng)式都是有非常好的前途的，鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房更會(huì)是一個(gè)完美的結(jié)合。