被動超低能耗裝配式建筑圍護結構設計方法研究

李紀偉，郭娟利，張苓芝

（1.河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002；2.天津大學建筑學院，天津 30072；3.北京天鴻圓方建筑有限責任公司，北京 100062）

1 研究背景

隨著我國對環境保護的日益重視，為了應對環境問題，裝配式建筑和被動式超低能耗建筑成為我國建筑行業的主要發展方向。我國最新頒布的“十三五”規劃將“綠色建筑和建筑工業化”作為重點專項進行研究[1]，同時，住建部也提出了要在全國不同氣候分區積極開展被動超低能耗建筑建設示范活動的要求[2]，這也對裝配式建筑的節能問題提出了新的要求。目前，裝配式建筑和被動超低能耗建筑一般是分開進行研究，但是作為未來的發展方向，二者必將進行結合，形成被動超低能耗裝配式建筑。我國裝配式建筑圍護結構的節能設計大多采用現行的節能標準進行，適用性較差，很難滿足未來發展的需求，需要對裝配式建筑進行被動超低能耗方面的研究，而圍護結構設計是建筑節能的重點，因此有必要對被動超低能耗裝配式建筑的圍護結構節能設計展開研究。

2 被動式超低能耗建筑特點分析

被動式超低能耗建筑是由瑞典隆德大學的Bo Adamson教授和德國被動建筑研究所的Wolfgang Feist博士共同提出的一種建筑理念。其主要目標是通過使用被動技術，依靠太陽能、人體熱量、電氣熱量、自然通風技術等使建筑不依靠采暖和制冷設備，將室內溫度控制在20～26℃之間[3]。被動超低能耗建筑主要在地域氣候環境處理、圍護結構保溫隔熱系統、門窗系統、新風熱回收系統以及無熱橋設計和氣密性方面與傳統建筑由較大的區別[4]。

2.1 地域氣候條件

地域氣候條件是限制建筑形式與構造方式的重要條件，而相對于傳統建筑而言，被動超低能耗建筑需要對地域氣候條件進行更為細致和嚴格的氣候條件分析，這是由于被動超低能耗建筑主要依靠被動技術手段而非人工技術對建筑內部的物理環境進行控制，達到人體舒適度需求，地域條件的不同會限制不同被動技術措施的使用。因此，需要對地域氣候條件進行詳細分析，使室內微氣候達到相應的要求。

2.2 高性能外圍護結構保溫技術

被動超低能耗建筑的圍護結構保溫隔熱系統要比傳統建筑要求更高，在使用EPS作為保溫材料時，保溫層厚度能夠達到200～300mm，而傳統建筑通常只有50～100mm[5]。這種厚度的保溫層為圍護結構的構造設計帶來了很大的難度，尤其是裝配式建筑的圍護結構需要進行現場吊裝，如何能夠保護好保溫層是一個較難解決的問題。

2.3 高效節能的門窗系統

傳統門窗系統通常采用雙玻塑鋼窗或斷橋鋁合金窗，傳熱系數通常約為1.6W/(m2·K)，而被動超低能耗建筑的門窗傳熱系數通常要求不高于0.8W/(m2·K)[6]，傳統門窗技術很難達到這個要求。因此，目前一般選用三玻兩腔或四玻三腔的塑鋼門窗或木框門窗，玻璃中間填充惰性氣體，框材腔體中間填充保溫材料，通過這種復雜的技術手段達到減少能耗流失的要求。

2.4 無熱橋的構造設計

在傳統建筑中圍護結構的熱橋是一個較難解決的技術問題，熱橋會帶來熱量的流失甚至產生結露造成墻體發霉，對建筑造成損害，不利于人體健康。研究表明熱橋部位單位面積的熱損失遠遠高于其他部位，因此超低能耗建筑要求做到圍護結構無熱橋。

2.5 氣密性要求

超低能耗建筑對于建筑的氣密性也遠高于傳統建筑，氣密性主要是指來自于建筑門窗縫隙、圍護結構孔洞的空氣滲透。建筑門窗的氣密性分為8級，主要通過單位時間單位縫隙的空氣滲透量來決定，等級越高空氣滲透量越少。傳統建筑達到4級左右就可以了，而超低能耗建筑的氣密等級要求達到7級以上。

3 裝配式建筑特點及要求

裝配式建筑是指主要結構件和部品在工廠中完成生產，運送到施工現場直接拼裝建造的建筑類型。裝配式建筑不進行或很少進行濕作業，具有工業化程度高、施工程序少、建造速度快、環境污染小等特點。裝配式建筑主要的部品和構件是在工廠生產完成的，主要包括：梁、柱、樓板等結構構件，外墻、門窗等圍護構件，隔墻、陽臺、空調板等輔助構件，這些構件在工廠中生產完成能夠保證質量和減少誤差。施工現場進行裝配作業，需要大量裝配機械，現澆作業大量減少，施工人員大幅減少，施工環境能夠得到較好的改善。在進行主體施工時，裝修工程也可以同步完成，極大的縮短了建設周期，更容易通過數字化進行管理，所有的構配件信息都能夠較好的進行數字化，提高生產效率，成本會隨著規模化生產逐步降低。

4 超低能耗裝配式建筑圍護結構構造設計方法與原則

根據超低能耗建筑的特點和裝配式建筑自身的特點和要求，可以總結出超低能耗建筑圍護結構構造設計的具體方法和原則。

4.1 地域氣候要求

由于我國地域遼闊，氣候分區較多，不同的氣候分區對于建筑的圍護結構要求各有不同。綜合考慮地區氣候是節能潛力最高的方法，我國一個有5個氣候分區，在進行被動超低能耗裝配式建筑節能設計時需要充分進行考慮。根據氣候條件設計圍護結構構造形式，在炎熱地區構造形式應該以隔熱為主，而在寒冷地區構造形式應該以保溫為主。

4.2 便捷性要求

盡管超低能耗裝配式建筑的外圍護結構構造比傳統建筑圍護結構構造更為復雜，但是仍然需要遵循便捷性原則。保溫層、門窗等附屬構件要與主體結構進行便捷的連接，這對構造設計提出了較高的要求。在構造設計時要充分考慮保溫材料和門窗材料的易損壞性，減少安裝步驟，避免安裝過程中的損壞。

4.3 氣密性要求

由于裝配式建筑多由現場組裝而成，縫隙較多，容易影響建筑整體的氣密性，因此，在超低能耗裝配式建筑設計的初期就應該確定氣密層構造設計方案。氣密性構造層很難通過預制生產現場裝配來實現，因此需要在現場進行施工。在設計時需要充分考慮這個因素，對外墻與樓面、門窗與外墻、外墻與屋面直接進行無斷點的構造設計，進行密封處理，減少管線穿孔，形成完整的氣密性設計方案。

4.4 熱橋構造處理

在進行熱橋部位構造設計時需要先利用PHPP設計軟件，對建筑的熱平衡進行計算，在計算中需要充分考慮熱橋效應。裝配式建筑的熱橋部位主要集中在不同部件相互連接的部位，如窗口、墻角、屋脊、檐口等部位。在這些部位要進行重點處理，如對窗口的處理方法是將窗戶安裝在保溫材料上部，窗框的外面要完整的包裹保溫材料，這樣才能達到避免熱橋的目的。對于其他熱橋部位，則需要通過加強保溫，減少外部附加構件來實現。

4.5 門窗構造設計

超低能耗建筑的門窗要選擇傳熱系數低的門窗，玻璃一般選擇Low-e玻璃，窗框在構造設計時要進行多腔體設計，與墻體連接時尤其注意熱橋處理，預埋件應采用非金屬構件，安裝位置需要進行計算確定。

4.6 圍護結構保溫層構造設計

保溫材料一般結構比較酥松，而且超低能耗建筑的保溫層較厚，碰撞后容易損壞，因此在裝配式建筑設計時要重點進行考慮。考慮到吊裝的特點和要求，保溫材料外部應該設置保護層，保護層能承受吊裝時碰撞帶來的沖擊，保溫層內部應預埋掛件，便于與結構部分進行安裝，掛件應采用防熱橋處理，減少建成后的熱量損失。

5 結語

超低能耗裝配式建筑是建筑產業未來的一個重要方向，但是在發展過程有很多亟待解決的問題，本文通過分析超低能耗建筑的特點結合裝配式建筑的需求總結了超低能耗裝配式建筑在圍護結構構造設計時的原則與方法，為超低能耗裝配式建筑設計提供了一定的理論支持，但是未來仍然需要大量的理論研究和實踐才能真正推進這類建筑的發展。