裝配式超低能耗建筑外圍護設計研究*

文/中國建筑設計研究院有限公司 焦 楊 潘 悅 王凌云

0 引言

現階段，我國建筑能耗占社會總能耗的21%，其中高能耗建筑占比高達70%以上，并呈逐年上升趨勢，建筑行業進行節能減排、降低能源消耗與浪費成為當前迫切需要解決的問題。

建筑節能方式多種多樣，其中控制生產施工端的材料消耗和建設耗能以及控制建筑運行過程中的能源浪費是2個重要途徑。近年來，我國大力推廣的裝配式建筑和超低能耗建筑便是從以上2個途徑進行能耗控制和綠色節能的推廣。

“十三五”期間，我國各地相繼出臺建筑新政策，其中“穩步發展裝配式建筑，大力推廣超低能耗建筑”成為主流政策導向和定位。將超低能耗技術與裝配式建筑相結合，形成產業化、綠色低碳、節能環保、高質量的建筑產品，將對提高建筑舒適度、提升建筑節能水平、促進行業轉型升級等具有重要意義。

1 裝配式超低能耗建筑外圍護設計特點

裝配式超低能耗建筑既符合裝配式建筑的設計原則，又集成了超低能耗建筑的技術特點。其中，超低能耗建筑的特征主要包括高效保溫、良好的門窗性能、無熱橋設計、氣密性和熱回收新風系統，其中前4項均與建筑外圍護系統設計緊密相關。因此，裝配式超低能耗建筑的實施應從外圍護系統的設計和研究入手。

超低能耗技術與裝配式建筑相結合對建筑設計提出新的要求和挑戰，通過以往工程實踐經驗，在技術整合過程中問題集中出現在以下方面。

1）建筑保溫系統選型、組合方式及安裝方式。

2）超低能耗建筑外圍護系統一體化、集成化設計。

3）裝配式外圍護墻體如何保證超低能耗建筑對氣密性的要求。

4）符合超低能耗要求的門窗與裝配式預制外墻構件的連接設計。

本文選用某住房項目為研究對象，結合工程設計和理論研究對其外圍護系統進行探討。

2 結合項目的裝配式超低能耗外圍護設計

2.1 項目概況

該項目東西向及轉角單元樓棟采用裝配式和超低能耗相結合的技術進行設計。各樓棟采用裝配式混凝土剪力墻結構，預制構件包括預制外墻、預制內墻、預制疊合樓板、預制陽臺、預制空調板、預制樓梯等，同時需滿足外圍護保溫裝飾一體化設計要求。

項目在方案規劃階段提出“小街區、密路網、空間圍合、立面多樣化組合”的設計原則，以地塊為基本單元打造不同的外立面風格，豐富城市風貌，同時設置東西向及轉角住宅單元形成圍合空間，考慮該部分建筑朝向因素，采用常規建筑形式會帶來較大的能源消耗（東西向住宅單元耗熱量指標增大5%～10%），因此東西向及轉角住宅單元采用超低能耗技術，并與裝配式體系相結合，在降低能耗的同時，提升建筑品質，提高室內舒適度（見圖1）。

圖1 空間圍合的規劃形態與超低能耗住宅樓棟的選擇

2.2 外圍護技術原則與設計標準

2.2.1 外圍護技術原則

針對本項目超低能耗單元，在設計之初擬定預制夾心保溫外墻板和預制墻板幕墻組合式外圍護系統2套方案，考慮規劃層面對東西向住宅沿街立面風格多變的要求，項目組針對2種不同的外圍護系統構造形式進行設計論證和比選，外圍護系統的設計原則包括：①與超低能耗技術體系匹配；②與多樣化立面風格要求適應；③兼顧裝配式建筑產業化制造安裝與施工要求；④控制成本。

2.2.2 外圍護設計標準

本項目設計過程中參考DB11/T 1665—2019《北京市超低能耗居住建筑設計標準》，其中主要房間室內熱濕環境參考參數為冬季溫度不低于20℃，相對濕度≥30%；夏季溫度不高于26℃，相對濕度≤30%。

外圍護系統非透光位置平均傳熱系數K需滿足0.15～0.20W/（m2·K），透光部分應滿足平均傳熱系數K需滿足0.80～1.00W/（m2·K），同時太陽得熱系數冬季≥0.45，夏季≤0.30。

3 裝配式超低能耗建筑外圍護技術研究

3.1 保溫材料選型

對于住宅建筑，保溫材料的選用一方面決定了室內環境的舒適程度；另一方面保溫材料的厚度也直接關系到住宅套型面積指標。超低能耗建筑在加厚保溫層滿足節能指標的同時導致住宅得房率降低，這是業主單位和使用者擔心的問題，人們往往忽略采暖費的減免，對于同等面積下得房率的降低尤為敏感。

3.1.1 預制夾心保溫外墻板方案

方案1由于采用夾心外墻板（三明治板）構造，保溫材料選用B1級即可，在滿足外墻平均傳熱系數0.21W/(m2·K)時對比各類型保溫材料的厚度情況，如表1所示。

表1 預制夾心外墻板用B級外保溫材料超低能耗參數對比

針對夾心外墻板的構造特點和設計要求，優選保溫材料厚度小、質量輕、防火阻燃性能好、黏結能力強、憎水性能好、尺寸穩定性好、抗風性能好的材料，通過比選，采用各方面均有優勢的硬泡聚氨酯材料。

3.1.2 預制板幕墻組合式外墻方案

方案2采用預制混凝土外墻板結合幕墻的外圍護系統，保溫系統的技術重點在于控制外保溫厚度及確保保溫材料安裝方式的合理性。通過對比適合幕墻系統的各類主要A級外保溫材料產品，在滿足外墻平均傳熱系數0.21W/(m2·K)時各類型保溫材料的厚度情況如表2所示。

表2 幕墻用A級外保溫材料超低能耗參數對比

對比可見，單一保溫材料普遍厚度較大、安裝困難、占用構造空間和使用面積較多。項目組嘗試進行保溫材料的復合設計，通過計算，采用幕墻體系常用的巖棉外保溫125mm與25mm真空絕熱板相結合可滿足節能計算要求，同時可保證與方案1的外保溫厚度一致。

3.2 外圍護系統一體化集成設計

3.2.1 預制夾心保溫外墻板方案

方案1超低能耗單元外圍護體系采用200mm厚預制混凝土剪力墻內葉板+150mm厚硬泡聚氨酯+70mm厚預制混凝土外葉板（含20mm厚反打瓷板）組成的外圍護構造系統，如圖2所示。

圖2 方案1超低能耗住宅樓外墻典型墻身構造

3.2.2 預制板幕墻組合式外墻方案

方案2超低能耗單元外圍護體系由200mm厚預制混凝土剪力墻內葉板+25mm厚VIP真空絕熱板+125mm厚憎水巖棉板+瓷板幕墻裝飾掛板的外圍護構造層次組合而成，如圖3所示。

圖3 方案2超低能耗住宅樓外墻典型墻身構造

3.2.3 氣密層設計

超低能耗建筑應形成包圍整個外圍護結構的完整且連續的氣密層，本項目采用預制混凝土結構，通過預制混凝土構件內葉板和構件之間現澆剪力墻段的連接，形成完整連續的混凝土外圍護層，作為超低能耗建筑的有效氣密層（見圖4）。

圖4 超低能耗住宅樓預制外墻及氣密層平面布置

3.3 保溫板的復合與安裝

VIP真空絕熱板不能裁切和破壞，必須提前考慮所有異形板，排板與安裝難度較大，另外應考慮施工過程中的保溫板材損耗。為便于施工安裝，VIP真空絕熱板在生產時需在每塊板四角切圓角后預留4個1/4的倒角以形成安裝時可貫通錨栓的孔洞，如圖5所示。

圖5 VIP真空絕熱板拼接方式

施工現場將2種材料用黏結砂漿粘貼牢固，形成VIP真空絕熱板與巖棉板的復合保溫板，如圖6所示。安裝步驟為：使用定位機器人在錨栓處進行定位→在基層墻體錨栓處打眼、插入預留鋼筋條→粘貼VIP真空絕熱板→巖棉打眼、粘貼巖棉→去除鋼筋條→第1遍抹灰掛網→打入膨脹螺栓→第2遍抹灰掛網。

圖6 VIP真空絕熱板與巖棉保溫板復合構造方式

在預制外墻制作前，需對VIP真空絕熱板布置進行精細排板，排板時要充分考慮連接件、洞口、幕墻龍骨的位置。

3.3.1 VIP真空絕熱板排布原則

1）由于標準層層高為3000mm，因此控制常規VIP真空絕熱板高度為600mm，每層由5塊常規保溫板疊加組成。

2）VIP真空絕熱板尺寸分為3種尺寸，分別為：600mm×100mm，600mm×200mm，600mm×500mm。

3）部分區域因門窗影響，VIP真空絕熱板高度需進行單獨調控。

4）部分區域受到整體面寬影響，使用600mm×100mm與600mm×200mmVIP真空絕熱板進行調控。

5）部分區域受排風口、補風口、冷凝水口、陽臺挑梁及欄桿影響，需進行單獨處理。

3.3.2 巖棉板排布原則

1）常規巖棉板高度為600mm，由于每層層高為3000mm，因此每層由5塊常規巖棉板組成。

2）部分區域因受門窗影響，需使用不同高度的巖棉板進行拼接處理。

3）部分區域受到面寬影響，需使用不同寬度的巖棉板進行調控。

4）由于轉角處錯縫處理，故內部需使用窄巖棉板對整體面寬進行調控。

5）外挑梁及排煙口等位置巖棉板按照常規布置，需現場剔槽。

3.4 超低能耗外窗安裝及處理

現澆結構的超低能耗建筑，為保證無熱橋和氣密性達標，被動窗均采用外掛式安裝，利用L形連接件將窗體和結構墻體連接后，再采用保溫材料包裹外掛被動窗。

而裝配式剪力墻結構的外墻通常為“三明治”構造，即內外葉板夾著保溫層，導致在“三明治”構件澆筑成型后無法在內葉板外側固定用來連接被動窗的連接件，更無法按常規的外掛式做法安裝被動窗。因此需要對預制構件和被動窗進行統一創新設計，解決裝配式結構“三明治”構造的被動窗安裝難題。

經過討論與嘗試，最終確定預制混凝土外墻板上被動窗的安裝順序如圖7所示。

圖7 被動窗安裝流程

4 結語

裝配式超低能耗建筑既發揮了產業化建筑的優勢和特點，又兼顧被動式建筑低能耗的優勢，研究發現，此類建筑在設計中應重點關注外圍護系統的選型和設計，通過合理的保溫材料選型、有效的外圍護系統一體化集成設計、兼顧施工安裝實際特點的構造設計，可有效進行技術體系整合。

裝配式超低能耗建筑近年來逐步由理論走向實際工程，隨著工程經驗的積累和技術的更迭發展，對產業化和綠色節能提出更高要求的高標準住宅也逐漸擺脫傳統設計的約束和限值。現階該類建筑仍然存在生產加工靈活性不夠、施工安裝經驗及細部構造節點不夠優化、成本較高等現實問題。因此，在政策的大力支持下，不斷創新發展、加強行業內部交流、強調技術的延續性和實用性是現階段不斷努力的方向。