冷彎薄壁型鋼被動式裝配建筑的新進展

張建偉 周建安 廖建文

（1. 中國被動式集成建筑材料產業聯盟 北京 100024；2. 通道侗族自治縣建設工程質量安全監督站 懷化 418500；3. 溆浦縣建設工程質量安全監督站 懷化 419300）

0 引言

從2010年世博會的第一棟被動式建筑“德國場館漢堡之家”，我國被動式建筑的發展已有10多年歷史。目前，我國大多數省份都出臺了被動式建筑的鼓勵政策，尤其是河北省預計2025年被動式建筑產業達到萬億級產值，江蘇省要求2025年新建建筑均為被動式建筑。隨著碳達峰碳中和的進一步深化實施，我國被動式建筑將步入快速發展之路。

1 被動式建筑介紹

上世紀80年代，瑞典隆德大學Adamson.Bo教授提出被動房概念。1991年，德國物理學家Wolfgang Feist建造了全世界第一個具有現代意義的被動房。各種不同功能類型建筑如居住、辦公、學校、養老院、工廠、超市、賓館等，以及不同結構類型建筑，如混凝土結構、磚混結構、鋼結構、輕鋼結構、木結構等都可以按照被動式建筑標準進行建造。

按照歐盟委員會支持的歐洲被動式建筑促進項目（Promotion of European Passive Houses）中對被動式建筑的定義，被動式建筑是指不通過傳統的采暖方式和主動的制冷空調形式來實現舒適的冬季和夏季室內環境的建筑。其最大特點在于通過被動式設計，使得建筑對采暖和制冷的需求最小化。被動式建筑的研究與實踐始于德國，根據德國的氣候條件，歐洲被動房建筑的技術措施重點解決冬季采暖需求的最小化。被動式建筑適合于世界上各個不同氣候區，根據不同氣候區進行不同設計，達到同樣的能效和室內舒適度。圖1為1991年世界上第一座被動房建筑。

圖1 1991年世界上第一座被動房建筑

被動式建筑是建筑節能理念和各種技術產品的集大成者，是通過高保溫隔熱、隔音、強密封性的建筑外墻和可再生能源得以實現。被動式建筑在寒冷地區的采暖需求是15 kWh/（m2·a），相對于我國北方的節能標準是非常低的。被動式建筑不使用傳統采暖設施，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熱就能滿足冬季室內不低于20 ℃。被動式建筑不僅提供了舒適的室內環境，還最大限度地降低對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構（LGS）住宅體系，屬于裝配式建筑，在我國的發展已有20多年的歷史。據不完全統計，2020年我國有10萬棟該類型新建建筑，并且每年都超過10%的增長速度。

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑是一種新型建筑應用理念。所謂裝配式建筑是指把傳統建造方式中的大量現場作業轉移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構件和配件（例如樓板、墻板、樓梯、陽臺），運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成。圖2為冷彎薄壁型鋼骨架。裝配式建筑降低了建筑設備應用過程中的運輸成本，能夠實現工業建筑材料應用的多樣化發展。

圖2 冷彎薄壁型鋼骨架

目前，我國正在大力發展裝配式鋼結構建筑，冷彎薄壁型鋼結構建筑的優點有：用鋼量低、自重輕、裝配效率高、人工投入少，生產和施工過程均為干作業，噪聲、粉塵和建筑垃圾排放小，且房屋品質易保證。

冷彎薄壁輕鋼結構可應用于1～6層建筑，在國外多項實體建筑中，輕鋼結構已達到最高12層，并通過了地震模擬、消防等安全驗收，輕鋼建筑體系可以在設計階段進行管線碰撞檢查，保證結構產品一次性滿足實體建筑需求，避免了由于施工過程中的變更所帶來的不必要的損失。

冷彎薄壁型鋼結構骨架與內外圍護板材通過鍍鋁鋅自攻螺釘連接，形成非常堅固的“密肋式結構體系”。這種結構體系有著更優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，有效避免鋼構件在使用過程中的銹蝕，具有超強的抗腐蝕能力。這種結構體系是以鋼構件為基本結構骨架、以新型結構板材為圍護體系，配以其他保溫裝飾材料，經工廠集成生產和現場裝配而成的房屋建筑體系。該系統具有截面尺寸小、自重輕等特點，比傳統建筑的使用面積提高了5%～10%，大大降低基礎造價，獨特的墻體承重體系使建筑造型富于輕靈動感，提高了室內布局的靈活性，低碳環保型建筑材料使建筑耐久性更好、結構更安全，具有良好的抗震、防火、熱工、隔聲性能。

3 冷彎薄壁型鋼被動式建筑實踐

將冷彎薄壁型鋼龍骨結構建筑和被動式建筑相結合，國內已經有很多廠家在這方面付出了實踐。

冷彎薄壁型鋼龍骨結構具有很好的靈活性，被動式建筑的高能效和高舒適性，兩者能夠很好的融合，達到既有冷彎薄壁型鋼結構的靈活裝配式，又做到高品質高能效的被動式。介紹兩棟典型的結合到融合的案例，以期促進輕鋼房屋向經濟型高品質建筑發展。

3.1 山東華建鋁業黃山招待中心

該項目為冷彎薄壁型鋼結構被動房項目，是目前全球第一個通過PHI認證的薄壁型鋼被動式建筑項目。建筑面積3880 m2，其中6個接待廳是按照德國被動房研究所（PHI）標準建造，由濰坊泰來鋼結構工程有限公司設計、加工、建造，由德國Jiang-PassivhausTechnik公司提供被動房咨詢。該項目于2017年11月7日通過氣密性驗收，2018年4月10日取得PHI被動房認證證書。

該項目位于山東省臨朐縣，屬寒冷地區。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公司生產的氣密膜和氣密膠帶，設置在墻體的中間，內側為結構層和裝飾層，外側為保溫層和防護層，既防止了人為的損壞，又增加了氣密膜的使用壽命。

被動式門窗采用通過PHI認證的米蘭之窗、易歐思門窗、華達門窗。米蘭之窗、華達門窗為鋁包木被動窗，易歐思為鋁合金被動窗。全部為三玻兩腔，兩層Low-E玻璃，開啟方式為平開內導和平移推拉。

該項目選用森德新風系統，新風從潔凈區域的底部和頂部送入，污風從衛生間等位置排出，配有內循環系統。這種通風系統，是目前歐洲比較流行的空氣氣流組織方式，能夠讓室內人員充分享受新風，避免衛生間串味等。在新風系統中增加了智能接口，通過電腦、手機APP可進行遠程控制。

該項目經過一個冬天的測試，冬天室外溫度-12 ℃時，室內溫度20～22 ℃。在2017年夏天持續高溫、室外溫度34～39 ℃時，室內溫度用餐前22～24 ℃，用餐后提高1～2 ℃，1～2 h后恢復到餐前溫度。經過一年的使用耗電27.35 kWh/m2。

3.2 宏聯眾輕鋼被動式專家公寓樓

被動式公寓樓項目建筑面積3057 m2，地下一層，地上三層，其中地上三層按照德國被動房研究所（PHI）標準建造，主體采用冷彎薄壁型鋼結構，由北京宏聯眾輕鋼結構房屋（集團）有限公司設計、加工、建造。

2021年1月通過氣密性驗收，預計2021年6月取得認證證書，是全球第一個通過PHI認證的多層薄壁輕鋼被動房公寓項目。

該項目位于唐山市玉田縣，屬寒冷地區。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%。

圍護結構保溫采用石墨聚苯板和巖棉，主結構外加設一層附加結構，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，內側為結構層和內裝飾層，外側為保溫層和防護層，既防止了人為的損壞又增加了氣密膜的使用壽命。

被動式門窗采用PHI認證的森鷹鋁包木被動窗，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導。同時，采用外遮陽設計。

新風系統和輔助制冷制熱：新風從潔凈區域的底部送入，污風從衛生間等位置排出，并配有內循環系統。這種通風系統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、避免衛生間串味等。特制的熱交換膜，能抑制細菌的滋生，并且可以水洗確保長效。水源熱泵符合節能標準，被德國PHI認可。送風機、排風機、壓縮機等采用全變頻部件，運行更節能。

專家公寓樓2020年12月投入使用，經歷了寒冷的冬天，使用效果達到了設計要求。冬天室外溫度-19 ℃時，室內溫度20～22 ℃。

4 結語

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系易于實現工業化生產、標準化生產與制作，被動式建筑標準確保高能效同時保證高舒適性。本文兩個案例都采用了巧妙的無熱橋結構設計，滿足被動式要求的保溫圍護體系，同時也考慮了嚴格的防火措施。門窗系統采用被動式門窗系統，全部為三玻兩腔，兩層Low-E玻璃，窗框包含了鋁包木、鋁合金兩種結構形式。被動式門窗用玻璃確保冬季窗戶凈得熱。氣密層設置對于冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系是非常關鍵的，兩個案例均選擇置于墻體的中間位置，防止室內裝修可能帶來的損壞。新風設備系統都根據冷彎薄壁型鋼裝配式建筑的特點，進行了巧妙的設計和施工。

冷彎薄壁型鋼裝配式建筑體系和被動式建筑的結合，使冷彎薄壁型鋼裝配式建筑的品質得到極大提升，同時也為我國未來工業化高品質建筑探索出了一條新的路徑。這對促進建筑行業科技進步，推動高能效被動式建筑產業化發展具有重大意義。隨著我國碳減排事業的深度進展，冷彎薄壁型鋼被動式裝配建筑在中國具有廣闊的應用前景。