建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化在鐵路房屋中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
——以煙臺(tái)港西港區(qū)鐵路調(diào)度綜合樓為例

于 杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)

引言

在國(guó)家節(jié)能減排的大背景下，建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，外墻保溫是建筑節(jié)能的重要組成部分，而保溫材料是構(gòu)成墻體保溫系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。而保溫材料的多樣化、性能復(fù)雜化，導(dǎo)致很多保溫材料脫落、火災(zāi)事故等問(wèn)題，給工程質(zhì)量帶來(lái)安全隱患[1-2]。建筑保溫材料能否在耐火等級(jí)與保溫性能之間找到平衡點(diǎn)，同時(shí)滿足防火和節(jié)能要求至關(guān)重要[3-4]。對(duì)于鐵路沿線配套房屋來(lái)講，功能繁多，其建筑功能主要有鐵路旅客站房、生產(chǎn)設(shè)備房屋如調(diào)度樓、工業(yè)設(shè)備房屋如檢修庫(kù)、職工宿舍等，復(fù)雜程度幾乎涵蓋了建筑工程的全部領(lǐng)域。因其工期緊張、消防安全及耐久性要求高、投資受限、耗能量大等特點(diǎn)，故建設(shè)節(jié)能型鐵路房屋也是鐵路行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能與防火設(shè)計(jì)在其中肩負(fù)著重要責(zé)任[5]。

近年來(lái)，隨著建筑保溫節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展，建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為建筑節(jié)能發(fā)展的新方向[6-7]。保溫與結(jié)構(gòu)一體化同時(shí)關(guān)系到3個(gè)方面：一是建筑節(jié)能；二是消防安全；三是建筑工業(yè)化。2011年山東省住建廳相繼發(fā)布《山東省建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)消防安全論證會(huì)會(huì)議紀(jì)要》及《山東省建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)產(chǎn)品認(rèn)定條件的通知》(魯建節(jié)科字[2011]19號(hào))，鼓勵(lì)和引導(dǎo)一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用。這一技術(shù)不僅豐富建筑結(jié)構(gòu)體系，確保建筑節(jié)能工程質(zhì)量與消防安全，更重要的是有效解決了保溫系統(tǒng)與建筑墻體同壽命的關(guān)鍵問(wèn)題，縮短工期，節(jié)省費(fèi)用，對(duì)于加快鐵路房屋的高效快速建設(shè)、推動(dòng)建筑節(jié)能和綠色建筑健康發(fā)展具有十分重要的意義[8-11]。

1 項(xiàng)目背景

鐵路調(diào)度綜合樓建設(shè)基地位于煙臺(tái)港西港區(qū)專用鐵路場(chǎng)內(nèi)站西咽喉區(qū)?；啬蟼?cè)為港區(qū)擬建擋土墻，北低南高，高差約13.2 m。北側(cè)為擬建鐵路貨線，西側(cè)為擬建道路，東側(cè)為待建內(nèi)燃機(jī)車庫(kù)。根據(jù)煙臺(tái)港集團(tuán)的使用要求及場(chǎng)地情況，此綜合樓設(shè)計(jì)為一棟板式高層建筑，總建筑面積16777.11，建筑高度65.85 m，地下1層，地上16層，框剪結(jié)構(gòu)。綜合樓南側(cè)設(shè)置高架平臺(tái)，連接綜合樓四層及南側(cè)規(guī)劃道路。

綜合樓整體造型結(jié)合平面布局進(jìn)行融合處理，強(qiáng)調(diào)以使用功能為首要原則，合理設(shè)計(jì)建筑空間高度，建筑形體設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)約、利落的現(xiàn)代元素處理手法，體現(xiàn)高層建筑的大氣挺拔，建筑外立面材質(zhì)采用米紅色真石漆，外墻線腳采用干掛鋁板金屬幕墻，與港區(qū)環(huán)境協(xié)調(diào)融合；建筑形體方案以南北兩個(gè)方向、兩個(gè)高程的出入口為立面設(shè)計(jì)重心，追求建筑形體與場(chǎng)地的和諧統(tǒng)一(圖1)。該項(xiàng)目于2016年底開工建設(shè)，2018年初竣工并投產(chǎn)(圖2)。

圖1 綜合樓效果圖

圖2 綜合樓建成照片

港區(qū)內(nèi)鐵路專用線與龍煙鐵路接軌，由于龍煙鐵路預(yù)計(jì)2017年底開通運(yùn)營(yíng)，而綜合樓項(xiàng)目于2015年下半年啟動(dòng)，從設(shè)計(jì)前期到完成施工圖需要很長(zhǎng)時(shí)間，時(shí)間緊，任務(wù)重。綜合樓的主要功能為鐵路調(diào)度指揮，是確保鐵路部門運(yùn)行、鐵路行車安全指揮的必要條件。在保證工程質(zhì)量安全和滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的前提下，能否選擇合適的保溫形式對(duì)港區(qū)鐵路專用線的順利開通運(yùn)營(yíng)起到關(guān)鍵性作用[12-13]。

2 建筑外墻保溫方案研究與比選

鐵路調(diào)度綜合樓為一類高層公共建筑，按照現(xiàn)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等進(jìn)行防火節(jié)能設(shè)計(jì)。綜合樓以鐵路調(diào)度指揮為核心功能，且距離鐵路線路較近，為保證鐵路行車安全以及專用線的正常運(yùn)營(yíng)，綜合樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻保溫設(shè)計(jì)、消防安全、耐久性顯得尤為重要。目前，外墻保溫形式主要有外墻外保溫、內(nèi)保溫、夾心保溫和自保溫4種形式。為了加快工程進(jìn)度，減少人工和材料消耗，降低建筑成本，使綜合樓更高效快速安全投入使用，本項(xiàng)目采用兩種不同的保溫方案進(jìn)行比選。

2.1 建筑外墻外保溫方案

隨著建筑節(jié)能技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，傳統(tǒng)的外墻外保溫技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的保溫技術(shù)。其形式主要有：聚苯板薄抹灰外墻外保溫、膠粉聚苯顆粒外墻外保溫、聚苯板現(xiàn)澆混凝土外保溫系統(tǒng)。它們具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。

(1)保溫材料置于外墻外側(cè)，將各部位的冷、熱橋影響降到最低，保溫效果好。

(2)提高主體結(jié)構(gòu)的耐久性。

(3)適用范圍廣、技術(shù)成熟。

外墻外保溫技術(shù)使人們的居住環(huán)境、生活質(zhì)量得到了明顯提高與改善，但是通過(guò)國(guó)內(nèi)近些年的實(shí)踐證明，這種保溫形式具有多項(xiàng)先天弊病，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。

(1)墻體保溫與建筑主體不同壽命。

(2)墻體保溫與安全防火不能兼顧。

(3)保溫材料長(zhǎng)期接觸大氣，施工后空鼓、開裂、脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，后期需經(jīng)常維護(hù)。

對(duì)于鐵路沿線的特殊配套用房來(lái)講，比如信號(hào)樓、指揮中心等，其出現(xiàn)火災(zāi)隱患、外墻保溫脫落等問(wèn)題時(shí)須及時(shí)維修，經(jīng)常維修外墻面導(dǎo)致后期出現(xiàn)大量的建筑垃圾，加大投資，且影響房屋的正常使用，對(duì)鐵路調(diào)度指揮產(chǎn)生干擾，阻礙鐵路行車的正常運(yùn)營(yíng)[14-15]。

2.2 建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)

建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，通俗地講，就是不再給建筑“套棉衣”，而是通過(guò)采取一定的技術(shù)措施，采用相應(yīng)的墻體材料及配套產(chǎn)品，使墻體本身的熱工性能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)集保溫隔熱與圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能于一體的建筑節(jié)能技術(shù)。目前山東省已有成功案例，比如煙臺(tái)高新區(qū)北航科技園、東方威斯頓工程等。通過(guò)調(diào)查了解，與傳統(tǒng)的外墻外保溫技術(shù)相比，一體化技術(shù)具有五大突出優(yōu)點(diǎn)[16-17]。

(1)保溫與建筑物整體同壽命。外圍護(hù)墻體填充自保溫砌塊，梁、柱、剪力墻等熱橋部位采用FS外模板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆注成型，實(shí)現(xiàn)建筑物保溫與結(jié)構(gòu)整體同壽命的目的。

(2)優(yōu)良的防火性能。一體化技術(shù)與傳統(tǒng)外墻外保溫防火性能對(duì)比見表1。

表1 一體化技術(shù)與傳統(tǒng)外墻外保溫防火性能對(duì)比

(3)具有良好的保溫隔熱性能，滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范與綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)施工工藝簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。FS外模板與自保溫砌塊生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已成熟，靠自身即可滿足建筑節(jié)能要求，無(wú)需做輔助保溫處理。

(5)降低工程造價(jià)，減少人工和材料消耗，節(jié)約成本，具有較好的綜合效益，一體化技術(shù)與薄抹灰系統(tǒng)(XPS)造價(jià)分析見表2、表3。

表2 一體化技術(shù)造價(jià)分析

表3 薄抹灰系統(tǒng)(XPS)造價(jià)分析

注：表中梁柱剪力墻及非承重墻造價(jià)包含保溫做法。其中，梁柱剪力墻在整個(gè)外墻面占比為41.11%，非承重墻占比為36.23%(包括防火隔離帶)，窗戶占比為22.66%。

綜合以上分析可以得出：一體化技術(shù)綜合造價(jià)低，比薄抹灰系統(tǒng)(XPS)平均每平方米節(jié)省74.23元。

(6)減少施工工序，縮短工期。一體化技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的外墻外保溫系統(tǒng)減少外墻保溫板固定或粘貼這一工序，對(duì)于綜合樓來(lái)講，施工工期至少縮短1個(gè)月以上，為西港區(qū)鐵路專用線的順利開通提供時(shí)間保障。

2.3 方案比選

結(jié)論：經(jīng)過(guò)上述兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，針對(duì)綜合樓工期緊張、消防安全及耐久性要求高、投資受限等特點(diǎn)，最終決定采用建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)作為實(shí)施方案。

通過(guò)借鑒成功案例的寶貴經(jīng)驗(yàn)，綜合樓將FS外模板+自保溫砌塊進(jìn)行組合，即在梁、柱、剪力墻等熱橋部位采用FS外模板進(jìn)行支模澆筑混凝土，在填充墻部位采用自保溫砌塊，以這兩種結(jié)構(gòu)組成建筑外框架，形成獨(dú)特的保溫體系。

3 一體化技術(shù)的防火節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 防火設(shè)計(jì)

綜合樓選用的FS外模板由界面砂漿、保溫層、增強(qiáng)層組成，經(jīng)工廠化制作復(fù)合，具有良好的保溫與耐久性，在施工期間起到澆筑模板的作用，后期作為外墻的保溫體系，無(wú)需拆除。具體做法由內(nèi)向外依次為：4 mm厚保溫過(guò)渡層、35 mm厚擠塑聚苯板、11 mm厚保溫過(guò)渡層、20 mm厚玻化微珠保溫漿料，外模板外部相應(yīng)設(shè)置抹面層、耐堿玻纖網(wǎng)和飾面層(圖3)。保溫材料外側(cè)具有足夠厚度的防護(hù)層[(11+20+5+6+9) mm>50 mm的不燃材料]，其燃燒性能達(dá)到A級(jí)，滿足現(xiàn)行防火規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

圖3 FS外模板構(gòu)造

綜合樓自保溫砌塊型號(hào)選用390 mm×260 mm×190 mm (長(zhǎng)×厚×高)，內(nèi)置140 mm厚擠塑聚苯板，兩側(cè)為60 mm厚輕集料混凝土塊體，通過(guò)多個(gè)交叉貫穿的加固連接件提高該砌塊的整體性(圖4)。自保溫砌塊芯材的燃燒性能為B1級(jí)(XPS板)，兩側(cè)的墻體為不燃材料且厚度均不小于50 mm，其整體的燃燒性能達(dá)到A級(jí)，耐火極限≥1 h，滿足現(xiàn)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2014)第6.7.3條的相關(guān)規(guī)定“建筑外墻采用保溫材料與兩側(cè)墻體構(gòu)成無(wú)空腔復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)體時(shí)，該結(jié)構(gòu)體的耐火極限應(yīng)符合本規(guī)范的有關(guān)規(guī)定：當(dāng)保溫材料的燃燒性能為B1、B2級(jí)時(shí)，保溫材料兩側(cè)的墻體應(yīng)采用不燃材料且厚度均應(yīng)不小于50 mm[18]”。

圖4 自保溫砌塊構(gòu)造

3.2 節(jié)能設(shè)計(jì)

FS外模板與自保溫砌塊復(fù)合外墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)需綜合考慮，并應(yīng)滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的相關(guān)要求，本工程中FS外模板與自保溫砌塊的熱阻均按照各材料層的熱阻之和計(jì)算確定[19-20]。兩者的傳熱系數(shù)分別為0.56，0.38 W/(m2·K)，進(jìn)行組合的復(fù)合外墻體平均傳熱系數(shù)為0.50 W/(m2·K)，現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范規(guī)定：“當(dāng)建筑類型為甲類且體形系數(shù)≤0.30時(shí)，外墻(包括非透明幕墻外墻)的平均傳熱系數(shù)應(yīng)≤0.50 W/(m2·K)[21]”。

綜上所述，F(xiàn)S外模板與自保溫砌塊復(fù)合外墻體符合現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的相關(guān)要求。

4 一體化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

綜合樓采用建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，通俗來(lái)講就是在施工過(guò)程中，將FS外模板先進(jìn)行支模(圖5)，然后在其內(nèi)側(cè)澆筑混凝土，并通過(guò)連接件將FS外模板與混凝土牢固連接，外側(cè)做水泥砂漿抹面層和飾面層，抹面層僅需在薄弱位置使用加強(qiáng)網(wǎng)進(jìn)行加固。在填充墻部位用專用砌筑砂漿砌筑自保溫砌塊(圖6)，兩者形成建筑主體框架，外側(cè)整體抹專用抹面砂漿后進(jìn)行飾面層施工，使自身熱工性能滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)順應(yīng)綠色建筑的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)與建筑主體同壽命的保溫系統(tǒng)[22-23]。

圖5 FS外模板支模現(xiàn)場(chǎng)

圖6 自保溫砌塊砌筑現(xiàn)場(chǎng)

一體化技術(shù)施工工序主要包括：確定FS外模板排版分格方案、彈線、FS外模板裁割、安裝連接件、綁扎鋼筋及墊塊、立內(nèi)側(cè)模板、安裝FS外模板等十幾道工序。每一道工序都有其特殊的施工要點(diǎn)，需建設(shè)單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位參建四方密切配合，才能確保建筑的工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工程的最優(yōu)化。

5 施工過(guò)程中存在的問(wèn)題與解決方案

以鐵路調(diào)度綜合樓為例，F(xiàn)S外模板與自保溫砌塊組成的建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化在施工中仍存在一些問(wèn)題，在多次查閱資料、借鑒成功案例和不斷地摸索中，這些問(wèn)題也得到了有效的解決。

(1)FS外模板與自保溫砌塊的豎向連接界面由于施工偏差影響會(huì)出現(xiàn)不在同一平面的問(wèn)題，應(yīng)采用保溫漿料抹平后統(tǒng)一做外飾面處理，見圖7。

圖7 FS外模板與自保溫砌塊連接處構(gòu)造

(2)由于FS外模板質(zhì)輕不承重，為避免自保溫砌塊外側(cè)的輕集料混凝土在長(zhǎng)時(shí)間重力作用下壓壞模板，故在梁的端部設(shè)置凸出其外表面40 mm的挑耳，并在其外抹30 mm厚保溫漿料滿足節(jié)能要求，見圖8。

圖8 FS外模板挑耳構(gòu)造

(3)由于該工程選用砌塊的保溫材料以及窗戶的固定方式均居中，為保證門窗連接件在墻體上可靠固定，不破壞保溫材料，自保溫砌塊門窗洞口位置需交錯(cuò)使用特殊砌塊(保溫材料不居中)組砌(圖9)，門窗框與墻體之間的縫隙采用高效保溫材料填實(shí)，洞口周邊縫隙采用硅酮系列建筑密封膠密封，嚴(yán)禁采用普通水泥砂漿填縫。

圖9 門窗洞口砌塊組砌

(4)當(dāng)自保溫砌塊砌筑長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，需設(shè)置構(gòu)造柱來(lái)提高建筑的整體性。構(gòu)造柱位置采用FS外模板進(jìn)行外部保溫，為保證施工完成后與兩側(cè)墻體在同一平面上，避免出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)需與結(jié)構(gòu)專業(yè)認(rèn)真核實(shí)并確認(rèn)構(gòu)造柱的尺寸及位置，提前預(yù)留出FS外模板寬度(圖10)。

圖10 構(gòu)造柱位置預(yù)留FS外模板

仍需解決的問(wèn)題：由于FS外模板廠家施工工藝的局限性，其在轉(zhuǎn)角處保溫材料一側(cè)裸露，熱橋作用顯著，易造成墻內(nèi)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，在建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)中仍需不斷探索和改進(jìn)。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)兼顧保溫與防火，通過(guò)保溫材料與墻體結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合從根本上解決消防安全問(wèn)題。其質(zhì)量安全可靠、節(jié)省工期和造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了建筑行業(yè)的四大轉(zhuǎn)變：建筑材料防火向建筑結(jié)構(gòu)防火轉(zhuǎn)變、建筑保溫二次施工向同步施工轉(zhuǎn)變、建筑保溫壽命周期向全壽命周期轉(zhuǎn)變、工程現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)向工廠化、產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)變。這一技術(shù)不僅為建筑行業(yè)的未來(lái)發(fā)展指明新方向[23-25]，也為工期緊張、投資受限、消防安全及耐久性要求高的鐵路房屋建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，從一定程度上保證了鐵路運(yùn)營(yíng)安全，促進(jìn)鐵路事業(yè)的發(fā)展。雖然一體化技術(shù)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)日漸成熟，但仍存在某些細(xì)部節(jié)點(diǎn)如熱橋作用顯著的問(wèn)題，影響節(jié)能效果，需在今后的工程中不斷探索和改進(jìn)，使一體化技術(shù)更好地順應(yīng)綠色建筑的發(fā)展。