超低能耗建筑裝配式夾芯保溫板一體化施工技術(shù)

王大祿 張創(chuàng)業(yè) 秦一飛 顧 杰 郭云賀

1 研究的必要性

為了有效解決全球變暖、環(huán)境污染、高能耗等問題，節(jié)能減排已成為世界各國的普遍策略。工業(yè)生產(chǎn)、交通、建筑業(yè)是我國能源消耗的主體，根據(jù)國際能源組織的統(tǒng)計，我國建筑能耗占全球能源消費的32%[1]。

本項目擬針對我國各區(qū)域的氣候特點，充分發(fā)揮當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的優(yōu)勢，采用不透光的高保溫和高強度的窗戶、無熱橋的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的氣密性、高效的新風(fēng)熱回收等措施，最大限度減少建筑的冷熱負荷，盡可能利用可再生能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。同時，對外墻圍護結(jié)構(gòu)提出無熱橋、高保溫、低熱負荷的要求，以便節(jié)約資源，獲得更加健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。其中，無熱橋設(shè)計，可以最大限度抑制周邊保護結(jié)構(gòu)節(jié)點處的集中熱流對建筑的導(dǎo)熱作用，也是目前國內(nèi)外研究的熱點和難點問題。

在施工過程中，拼裝結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量好、工期短、節(jié)能環(huán)保及造價低等特點。被動式超低能耗技術(shù)與裝配式技術(shù)相組合，能夠充分發(fā)揮2 者的技術(shù)特性，從而達到技術(shù)集成、優(yōu)勢互補的目的。另外，以預(yù)制構(gòu)件為圍護結(jié)構(gòu)，具備高密閉的氣密性、舒適的室內(nèi)環(huán)境以及保溫隔熱效果良好等優(yōu)點[2]。將被動超低能耗建筑與裝配式建筑技術(shù)相結(jié)合，亟須解決裝配式和超厚型隔熱材料這2 大難題。由于建筑外墻所產(chǎn)生的能量在建筑能耗中所占比重超過85%，因此如何提高外墻的保溫性能是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。

2 裝配式夾芯保溫板一體化技術(shù)的研究

2.1 基本理論

在組裝式建筑墻體技術(shù)的開發(fā)中，其所涉及的保溫分項工程都在廠家進行?；A(chǔ)墻體要具備一定的承載能力，擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板（Extruded Polysty Panel，XPS）板 用來增加墻體的保溫隔熱性，防火系統(tǒng)用來預(yù)防保溫系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，自清潔涂料用來清潔墻體表面并防止雨水侵襲，柔性飾面板用來改善外觀，將以上多種功能進行統(tǒng)一化，便形成了一體化墻板[3]。

裝配式建筑預(yù)制混凝土夾心保溫墻外飾面采用調(diào)制好的光面混凝土，其與石材、鋁板、真石漆等外飾面材料相比，具有較強的價格優(yōu)勢和施工優(yōu)勢，能夠極大的降低建筑的建造成本。在水泥中加入適量的添加劑和細骨料，能夠使混凝土擁有多種顏色。利用反模等模具，能夠讓混凝土立面的紋理呈現(xiàn)出多樣化。作為建筑師，應(yīng)該從審美的角度設(shè)計立面墻板，充分體現(xiàn)建筑立面的多樣性，提升混凝土夾心保溫墻的保溫效果。

2.2 建筑外保溫組合結(jié)構(gòu)

預(yù)制外墻夾心保溫墻板為“三明治”結(jié)構(gòu)，由里向外分別為內(nèi)葉墻、夾心保溫層和外葉墻。預(yù)制的內(nèi)葉墻和夾心保溫層不能單獨發(fā)揮作用，而是通過連接件形成一個整體。夾心保溫層一般由XPS、泡沫聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯板等組成。

在進行預(yù)制夾心保溫墻板施工時，提前將夾心保溫材料填充到內(nèi)外葉墻體之間，形成一套高效的圍護結(jié)構(gòu)保溫體系。這種施工方式可以極大的提升外墻的安裝效率，達到節(jié)約成本的目的[4]。

2.3 集成裝飾、防火、防水、自凈技術(shù)的組合建筑外墻

在集成式墻體系統(tǒng)中，塊狀墻體板的設(shè)計主要依靠XPS 板分倉的消防系統(tǒng)來實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，需要對塊狀墻體板周邊采用防火帶進行加強。在基于XPS 面板與阻火條構(gòu)造的分倉消防系統(tǒng)中，可利用XPS 面板有效分割空間。一旦失火，XPS 電路板就能起到密封作用，控制火勢，將CO2阻擋在外，起到自動撲滅的作用。

為了改善墻壁的美觀，采用膠粘法進行柔性裝飾，該涂層具有良好的防水、裝飾和清潔性能。自清潔涂層的組成比較復(fù)雜，包含苯丙乳液、硬脂酸鹽等，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，在不同工序中所表現(xiàn)出來的顏色及裝飾效果也存在較大差異。

3 外墻保溫、隔熱系統(tǒng)的類別

3.1 外墻自保溫系統(tǒng)

外墻自保溫系統(tǒng)指的是由具有優(yōu)良保溫隔熱性能的單一材料構(gòu)成的墻體，目前應(yīng)用最廣泛的是加氣混凝土砌塊、多孔磚和輕集料混凝土砌塊等。這種墻體將維護與保溫融為一體，不需要附加額外的保溫隔熱材料，能夠同時滿足建筑和節(jié)能的需要。但是該類墻體的強度較低，僅能作為非承重構(gòu)件使用，且受限于材料的導(dǎo)熱性，其隔熱性能難以有效降低，無法大規(guī)模應(yīng)用。

建筑外墻采用內(nèi)襯保溫系統(tǒng)是建筑節(jié)能的一種常規(guī)方法，該方法簡單，成本較低，耐久性較好，施工方便，但在局部溫度較高的情況下，極易形成結(jié)露。裝配式外保溫通過在梁、柱等部位填充阻燃材料，保證內(nèi)部保溫層連續(xù)，有效解決梁板柱、洞口等部位易形成熱橋的難題，并通過對預(yù)制外掛板進行反向加壓處理，達到提高外保溫耐久性的目的[5]。

3.2 建筑外墻的內(nèi)襯隔熱系統(tǒng)

外墻的內(nèi)襯隔熱系統(tǒng)是指在建筑外墻的內(nèi)側(cè)采用聚乙烯泡沫板、保溫砂漿等保溫材料，以實現(xiàn)墻體的保溫隔熱。該系統(tǒng)的施工相對比較簡便，生產(chǎn)效率高，且因放置在室內(nèi)，因此不需要太高的技術(shù)指標(biāo)，例如防水、耐久性等。

但該系統(tǒng)對室內(nèi)空間的要求較高，梁柱部位未進行隔熱處理，易形成冷熱橋，冬天易出現(xiàn)結(jié)露、發(fā)霉等現(xiàn)象。同時，該系統(tǒng)將主體結(jié)構(gòu)直接暴露于自然條件下，易因長時間受力而產(chǎn)生裂紋，影響其耐久性。

3.3 外墻外保溫系統(tǒng)

外墻外保溫是指在建筑外墻貼上保溫材料，實現(xiàn)墻體的保溫隔熱。與其他系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)的優(yōu)點有如下3 個方面：第1，保護主體結(jié)構(gòu)，提高了建筑的使用壽命；第2，基本消除熱橋效應(yīng)，有利于維持室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性；第3，避免因裝修而損壞保溫材料，增大建筑的使用面積，同時也極易對已有建筑進行節(jié)能改造。

該系統(tǒng)對保溫材料的導(dǎo)熱率、耐久性、熱穩(wěn)定性和阻燃等方面提出了更高的要求，但是在我國部分建筑物中，因保溫材料的耐火能力差而導(dǎo)致火災(zāi)頻發(fā)，嚴重限制了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

3.4 外墻板夾心式隔熱系統(tǒng)

夾芯墻由內(nèi)葉墻、外葉墻、中間的保溫層以及連接三者的連接件組成。通常情況下，內(nèi)葉墻用作承重結(jié)構(gòu)，外葉墻用作維護結(jié)構(gòu)，夾芯墻是目前唯一的一種集承重、保溫、維護或裝飾為一體的新型墻體。該墻體的主體結(jié)構(gòu)位于隔熱層的內(nèi)側(cè)，能夠確保其耐久性。隔熱層位于外葉墻的內(nèi)側(cè)，能夠提升其防火性能。因此，應(yīng)大幅增加隔熱層的厚度，以達到超低能耗對外墻導(dǎo)熱系數(shù)的要求[6]。

3.5 夾芯隔熱系統(tǒng)

根據(jù)內(nèi)、外葉片混凝土板之間剪力的傳遞情況以及連接件的使用形式，將夾芯外掛板劃分為裝配式、非裝配式和部分裝配式3 個大類。

對非組合夾心墻板而言，外部葉片僅起到裝飾和保護的作用，并不與內(nèi)部葉片發(fā)生直接接觸，其自重主要通過連接件傳遞到內(nèi)部葉片，而內(nèi)部葉片則承擔(dān)了整個墻體的受力。為此，本項目以非組合夾心墻板為研究對象，將外葉片墻板作為外部裝飾層，其受力形態(tài)獨立，與內(nèi)葉片承重墻的聯(lián)系不大，二者互不干涉。而對于具有較高節(jié)能性能的組合式房屋，其絕熱性能將比常規(guī)房屋的絕熱性能更好。

以EPS 保溫材料為例，常規(guī)建筑中該材料厚度一般為50 ～100 mm，而在極低能耗建筑中，該種材料的厚度需達到200 ～300 mm。因此，連接內(nèi)、外葉片式墻板的節(jié)點，不僅要具備較高的抗拉、抗剪性能，還應(yīng)具有較高的彈性、韌性。

3.6 連接件

連接件是夾芯式墻板節(jié)點的關(guān)鍵部件。在實際工程中，可以從外部葉片墻體所受的垂直力來判斷墻體節(jié)點的剪切狀態(tài)，而所受的水平力可歸結(jié)為面外彎矩和節(jié)點的拉拔問題。因此，墻體連接處對內(nèi)外葉片的約束能力的大小可直接反映出墻體結(jié)構(gòu)的性能。常規(guī)的連接方式是將內(nèi)、外葉片混凝土直接穿入絕緣層，在絕緣層上留有孔洞，破壞了絕緣層的連續(xù)性，產(chǎn)生了“冷熱橋”效應(yīng)。

從結(jié)構(gòu)上看，節(jié)點對墻體的強度有一定的保障，但其節(jié)能效果也會受到一定程度的影響，進而影響墻體的保溫節(jié)能效果。目前，在工程中使用最多的是2 種類型的連接―纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）連接、不銹鋼連接。相對于不銹鋼節(jié)點，F(xiàn)RP 節(jié)點強度更高、隔熱性更好，熱導(dǎo)率只有不銹鋼節(jié)點的約1/3，可有效避免“冷熱橋”現(xiàn)象，顯著提高墻體的保溫效果。

4 裝配式夾芯保溫板一體化建造工藝在工程中的應(yīng)用

4.1 ALC條板在裝配式建筑外保溫中的應(yīng)用

蒸壓輕質(zhì)混凝土（Autoclaved Lightweight Concrete，ALC）條板，結(jié)合保溫裝飾一體的外墻圍護系統(tǒng)，具有保溫性能優(yōu)良、裝飾豐富、耐久、防開裂及防水效果好、施工速度快等顯著優(yōu)勢，是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護系統(tǒng)中使用最廣泛的一種。最常用的保溫裝飾一體板，通過粘錨結(jié)合的方法固定在條板上，并使用保溫嵌縫材料進行補縫。

4.2 PC外掛板在裝配式建筑外保溫中的應(yīng)用

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）外掛板使用夾芯保溫外掛板，它的組成成分為內(nèi)外葉墻板、夾心保溫層、連接件及飾面層。PC 外掛板的保溫層提前被整合在外墻板中，并在工廠進行裝配。PC 外掛板對主體結(jié)構(gòu)的安裝精度和施工吊裝設(shè)備的要求都比較高，它與主體結(jié)構(gòu)之間采用柔性連接方式，連接節(jié)點具備足夠的承載力和適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形的能力。

4.3 SLK點連內(nèi)置保溫體系的應(yīng)用

目前，在建筑減碳領(lǐng)域，被動式超低能耗建筑是世界上較為先進的節(jié)能建筑。利用高效氣密系統(tǒng)、一體化保溫系統(tǒng)、智能環(huán)境一體機系統(tǒng)、高性能超低能耗被動窗和被動門系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)等高新技術(shù)，達到節(jié)能減排的效果。尤其是系統(tǒng)性集成技術(shù)，可以節(jié)約90%以上的能耗。

傳統(tǒng)的超低能耗建筑隔熱材料多采用兩層式的粘錨法，不僅對施工管理提出了很高的要求，而且還存在脫落引發(fā)火災(zāi)等安全問題，長期制約著該產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。為了消除隱患，SLK 點連內(nèi)置保溫體系（圖1）省略了主體澆筑后還要進行雙層保溫施工，達到保溫與結(jié)構(gòu)一體化施工的目的，完全解決了傳統(tǒng)超低能耗建筑外墻保溫施工過程繁瑣、速度慢、管理成本高、不適用于高層建筑、存在脫落著火等安全隱患的問題。SLK 點連式內(nèi)保溫系統(tǒng)模式是將保溫材料的一面與鍍鋅絲焊接在一起，采用裝配式的設(shè)計理念，在工廠進行構(gòu)件預(yù)制。構(gòu)件運至工地后，將鋼絲網(wǎng)復(fù)合保溫板放置在澆注主體的鋼筋外部并進行搭接，再插入斷橋接頭，即可完成內(nèi)保溫墻的封模、澆注等工序。

圖1 SLK 點連內(nèi)置保溫體系（來源：網(wǎng)絡(luò)）

5 結(jié)語

超低能耗夾層墻體是一種集超低能耗與組合建筑于一體的新型墻體，具有安全、舒適、施工周期短、造價可控及施工過程對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，能夠適應(yīng)國家節(jié)能減排的要求。在建筑減碳方面，超低能耗被動型建筑是當(dāng)前國際上比較先進的一種建筑形式，其系統(tǒng)性的集成技術(shù)可以節(jié)約耗能90%以上。