木結(jié)構(gòu)保溫外墻板模塊化節(jié)能設(shè)計(jì)

■ 張穎璐 ZHANG Yinglu 滕曉昭 TENG Xiaozhao 王婉婷 WANG Wanting 尹 琴 YIN Qin

1 木結(jié)構(gòu)保溫外墻板概述

1.1 木結(jié)構(gòu)保溫外墻板模塊化概念

木結(jié)構(gòu)外墻板模塊化是指為了能夠得到更好的經(jīng)濟(jì)效益而設(shè)計(jì)的木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造體系，通過(guò)研究木結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)成，重新分解、組合木結(jié)構(gòu)建筑外墻的模塊系統(tǒng)，將木結(jié)構(gòu)建筑的外墻分為多個(gè)模塊加工成半成品，使得木結(jié)構(gòu)建筑外墻板模塊體系，能和結(jié)構(gòu)支撐體系、隔墻體系等共同組合成更加節(jié)能環(huán)保、施工便捷的木結(jié)構(gòu)建筑模塊化系統(tǒng)。

木結(jié)構(gòu)的建造有勞動(dòng)密集型的現(xiàn)場(chǎng)施工，也有資本密集型的工廠預(yù)制建筑構(gòu)造。資本密集型的工廠預(yù)制是關(guān)乎能否提高預(yù)制效率和品質(zhì)的關(guān)鍵，因此，有必要做大量的木結(jié)構(gòu)預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究，以構(gòu)建符合國(guó)情的預(yù)制木結(jié)構(gòu)建筑的工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線。

木結(jié)構(gòu)保溫外墻板模塊化節(jié)能設(shè)計(jì)，是在進(jìn)行木結(jié)構(gòu)建筑外墻模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，加入一定的保溫材料，使得木結(jié)構(gòu)建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)能夠減少熱量散失。有效的外墻保溫措施，有利于在木結(jié)構(gòu)建筑日后的使用過(guò)程中達(dá)到節(jié)能減排的目的。輕型木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系的外墻板，就是根據(jù)建筑所在地區(qū)氣候環(huán)境，選擇不同的保溫材料，并適度調(diào)整墻體厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑保溫。

1.2 我國(guó)木結(jié)構(gòu)保溫外墻板模塊化的發(fā)展現(xiàn)狀

由于森林資源匱乏以及木結(jié)構(gòu)技術(shù)的制約，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展較為緩慢，木結(jié)構(gòu)建筑模塊化的研究較少，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也較為滯后。

2009年，胡傳雙介紹了我國(guó)的工廠預(yù)制木結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀和一些國(guó)內(nèi)外預(yù)制木結(jié)構(gòu)案例[1]。

2010年，王曉歡等人研究了木結(jié)構(gòu)建筑的墻體組成，并且做了木結(jié)構(gòu)建筑墻體構(gòu)成介紹[2]。

2015年，孫菁芬、林正豪等人就清控人居科技示范樓項(xiàng)目采用了模塊化加裝配式的設(shè)計(jì)和建造方式，該項(xiàng)目進(jìn)程迅速，施工便利[3]。

2016年，袁廷閣測(cè)試了不同構(gòu)造的輕型木結(jié)構(gòu)墻體保溫性能的影響因素，并判定了墻體的熱工級(jí)別及適用地區(qū)[4]。

2017年1月10日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51233—2016），于2017年6月1日實(shí)施。

2 相關(guān)理念和研究方法

2.1 研究理論介紹

輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體應(yīng)用最為廣泛的板式組件預(yù)制，是通過(guò)模塊化方案的設(shè)計(jì)，將木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)分解成墻體長(zhǎng)寬固定、厚度相同，并且完成保溫節(jié)能設(shè)計(jì)的封閉式墻板組件。

現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)住宅墻體的基本構(gòu)造包括石膏板、PE膜、墻骨柱、保溫層、墻面板、防水透氣膜等，巖棉、玻璃纖維保溫棉是輕型木結(jié)構(gòu)建筑比較常用的墻體保溫材料。而SIPs墻體則是由兩片承重板材用結(jié)構(gòu)黏合劑膠合在硬質(zhì)泡沫板上，芯層為EPS膨脹聚苯乙烯泡沫保溫板，在硬質(zhì)泡沫保溫材料的兩面，粘貼結(jié)構(gòu)板材料，壓合在一起，形成形狀穩(wěn)定、能夠承受較大荷載、保溫隔熱效果非常良好的多功能板材，可直接作為房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫一體材料使用。

2.2 研究?jī)?nèi)容、研究方法

本文主要研究巖棉填充木結(jié)構(gòu)墻體，玻璃纖維保溫棉填充墻體，以及SIPs墻體板式組件預(yù)制的模塊化方案保溫節(jié)能設(shè)計(jì)。SIPs墻體，厚度設(shè)計(jì)保持原本的厚度300mm。巖棉、玻璃纖維棉填充墻體保溫層，采用2×6規(guī)格（英制）墻骨柱（實(shí)際尺寸38mm×140mm）內(nèi)填充保溫材料的墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，厚度為140mm。在尺寸設(shè)計(jì)上，采用定向刨花板的規(guī)格尺寸1 220mm×2 440mm為模塊化墻體方案的基本尺寸。

筆者選取SIPs墻體、巖棉、玻璃纖維棉三種保溫材料的模塊化墻體方案，從木結(jié)構(gòu)墻體的建造成本、導(dǎo)熱系數(shù)、建造優(yōu)勢(shì)這三個(gè)方面，來(lái)比較木結(jié)構(gòu)墻體模塊化方案更節(jié)能性。

3 木結(jié)構(gòu)保溫外墻板選型

3.1 設(shè)計(jì)原則

不同的保溫材料模塊化墻體，對(duì)于木結(jié)構(gòu)保溫外墻板的節(jié)能效果是不同的。在同等厚度墻體條件下，通過(guò)變化其構(gòu)造措施，采用不同的排列組合方案，選用不同的材料，變換局部材料的厚度大小，從而優(yōu)選出保溫效果好，建設(shè)成本低的墻體方案。

3.2 三組不同的木結(jié)構(gòu)框架墻體外墻保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.2.1 SIPs墻體系統(tǒng)保溫構(gòu)造

SIPs墻體基本構(gòu)造包括石膏板、墻面板及兩片承重板材OSB板與芯層為EPS膨脹聚苯乙烯泡沫的保溫板作為保溫層。采用的石膏板干密度為1 050 kg/m2，聚苯乙烯泡沫塑料（白板）干密度為20 kg/m2（圖1）。

3.2.2 巖棉填充木結(jié)構(gòu)墻體保溫構(gòu)造

巖棉填充木結(jié)構(gòu)墻體基本構(gòu)造包括石膏板、防水透氣膜、OSB板、墻骨柱、巖棉保溫層、墻面板，采用的石膏板干密度為1 050 kg/m2，巖棉帶干密度為80 ～120 kg/m2（圖 2）。

3.2.3 玻璃纖維保溫棉填充木結(jié)構(gòu)墻體保溫構(gòu)造

玻璃纖維保溫棉填充木結(jié)構(gòu)墻體基本構(gòu)造包括石膏板、防水透氣膜、OSB板、墻骨柱、玻璃纖維保溫棉保溫層、墻面板，采用的石膏板干密度為1 050 kg/m2，玻璃纖維保溫棉干密度小于40 kg/m2（圖3）。

為了模塊化方案在工廠預(yù)制的順利進(jìn)行，降低工廠預(yù)制的難度，模塊化方案只考慮到墻體結(jié)構(gòu)的模塊化，墻體外墻飾面抹灰或磚石等墻面裝飾不包含在模塊化方案的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，墻體飾面將在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

4 三組木結(jié)構(gòu)保溫外墻板模塊化方案比較

4.1 從建造成本方面分析

圖1 SIPs墻體系統(tǒng)保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)示意圖

圖2 巖棉填充木結(jié)構(gòu)墻體保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)示意圖

圖3 玻璃纖維保溫棉填充木結(jié)構(gòu)墻體保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)示意圖

表1 SIPs墻體材料價(jià)格表

表2 巖棉填充墻體材料價(jià)格表

表3 玻璃纖維保溫棉填充墻體材料價(jià)格表

根據(jù)表1～3，對(duì)建筑模塊的基本材料成本價(jià)格進(jìn)行估價(jià)，以建筑材料費(fèi)用一般占建筑總造價(jià)的70%為例，要建造規(guī)格尺寸為1 220mm×2 440mm基本建筑模塊的成本在1 200～1 500元，而傳統(tǒng)的重型井干式木建筑和輕型小框架木建筑單價(jià)分別約為 5 000 元/m2和4 000 元/m2，模塊方案在造價(jià)上遠(yuǎn)小于這兩種傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，與鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等類型的建筑相比，木結(jié)構(gòu)建筑模塊方案，在價(jià)格上具有競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)后還會(huì)在價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)（備注：文中涉及各類價(jià)格信息均借鑒各木結(jié)構(gòu)廠家報(bào)價(jià)，同時(shí)結(jié)合建材市場(chǎng)調(diào)研，以及參照淘寶網(wǎng)、阿里巴巴以及相關(guān)文獻(xiàn)資料確定）。

綜上，SIPs墻體造價(jià)最高，巖棉填充墻體造價(jià)最便宜，玻璃纖維保溫棉填充墻體次之。

4.2 從傳熱系數(shù)分析

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—2016）的計(jì)算公式和墻體模塊化方案的設(shè)計(jì)，模塊方案的墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁傳熱系數(shù)的計(jì)算方法為：從規(guī)范和已發(fā)表的論文中查得各模塊化墻體各材料的導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的熱阻、傳熱阻，從而得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的傳熱系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，SIPs墻體傳熱系數(shù)計(jì)算值為0.14 W/(m2K)，巖棉填充墻體傳熱系數(shù)計(jì)算值為0.35W/(m2K)，玻璃纖維保溫棉填充墻體傳熱系數(shù)0.28 W/(m2K)（備注：OSB板 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 取 值 為 0.11m2K/W[5]，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)按南京（夏熱冬冷地區(qū)）選用）。

夏熱冬冷地區(qū)典型的墻體結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K值為0.474 W/(m2K)，SIPs墻體傳熱系數(shù)K值低于典型墻體結(jié)構(gòu)K值0.334 W/(m2K)， 巖棉填充墻體傳熱系數(shù)K值低于典型墻體結(jié)構(gòu)K值0.124 W/(m2K)，玻璃纖維棉填充墻體傳熱系數(shù)K值低于典型墻體結(jié)構(gòu)K值0.149 W/(m2K)，三種墻體均能滿足我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫隔熱性能的要求。其中，SIPs墻體傳熱系數(shù)K值最優(yōu)，玻璃纖維保溫棉填充墻體傳熱系數(shù)K值次之，巖棉填充墻體傳熱系數(shù)K值最高。

4.3 從建造優(yōu)勢(shì)方面分析

建筑部品由車間生產(chǎn)加工后運(yùn)送現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)，可以采用建筑、裝修一體化設(shè)計(jì)，主體施工、室內(nèi)裝修施工同步進(jìn)行。工廠化生產(chǎn)替代了大量現(xiàn)場(chǎng)施工，房屋質(zhì)量控制由工地遷移到工廠，再加以計(jì)算機(jī)輔助，滿足了嚴(yán)格的質(zhì)量認(rèn)證管理要求，保證了建筑構(gòu)件的精確性。預(yù)制木架構(gòu)模塊化程度提升，帶來(lái)了墻體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝錯(cuò)誤。隨著生產(chǎn)效率越高，構(gòu)件成本隨之下降，配合工廠的數(shù)字化管理，整個(gè)裝配式建筑的性價(jià)比也會(huì)越來(lái)越高。

相比較于原有現(xiàn)場(chǎng)施工，工廠預(yù)制木結(jié)構(gòu)模塊化墻體更為便捷，避免了因天氣等不可抗逆因素帶來(lái)的施工不便以及工期的延長(zhǎng)，周期縮短更能適應(yīng)不同的區(qū)域環(huán)境。模塊化大批量購(gòu)買和工廠生產(chǎn)，比傳統(tǒng)的建造方式減少40%～100%的建筑垃圾。此外，建筑的施工精度與質(zhì)量均有極大提高，失誤率降低。同時(shí)，工廠預(yù)制減少了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境的影響，降低現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)帶來(lái)的噪聲、粉塵等污染，符合綠色建筑、節(jié)能環(huán)保的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三個(gè)模塊化方案的對(duì)比分析，在成本價(jià)格上，基本建筑模塊的成本在1 200～1 500元的價(jià)格區(qū)間內(nèi)。巖棉填充墻體材料價(jià)格最低，與玻璃纖維保溫棉填充墻體材料相近，SIPs墻體材料價(jià)格最高，模塊化方案成本相對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)場(chǎng)施工成本有所降低。在傳熱系數(shù)方面，SIPs墻體傳熱系數(shù)K值最優(yōu)，玻璃纖維保溫棉填充墻體傳熱系數(shù)K值次之，巖棉填充墻體傳熱系數(shù)K值較差，三種墻體均能滿足我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫隔熱性能的要求。在設(shè)計(jì)模塊化建筑的建造過(guò)程中，SIPs墻體使用材料及施工過(guò)程最為簡(jiǎn)單，巖棉、玻璃纖維棉填充墻體的裝配、施工較為復(fù)雜，將給墻體的模塊化過(guò)程帶來(lái)難度，進(jìn)而使得模塊化方案設(shè)計(jì)成本提升。但是相較于原有現(xiàn)場(chǎng)施工，工廠預(yù)制木結(jié)構(gòu)模塊化墻體施工更為便捷，施工精度與質(zhì)量均有極大提高，有利于降低施工過(guò)程中的失誤率。