装配式超低能耗建筑外围护设计研究*

文/中国建筑设计研究院有限公司 焦 杨 潘 悦 王凌云

0 引言

现阶段，我国建筑能耗占社会总能耗的21%，其中高能耗建筑占比高达70%以上，并呈逐年上升趋势，建筑行业进行节能减排、降低能源消耗与浪费成为当前迫切需要解决的问题。

建筑节能方式多种多样，其中控制生产施工端的材料消耗和建设耗能以及控制建筑运行过程中的能源浪费是2个重要途径。近年来，我国大力推广的装配式建筑和超低能耗建筑便是从以上2个途径进行能耗控制和绿色节能的推广。

“十三五”期间，我国各地相继出台建筑新政策，其中“稳步发展装配式建筑，大力推广超低能耗建筑”成为主流政策导向和定位。将超低能耗技术与装配式建筑相结合，形成产业化、绿色低碳、节能环保、高质量的建筑产品，将对提高建筑舒适度、提升建筑节能水平、促进行业转型升级等具有重要意义。

1 装配式超低能耗建筑外围护设计特点

装配式超低能耗建筑既符合装配式建筑的设计原则，又集成了超低能耗建筑的技术特点。其中，超低能耗建筑的特征主要包括高效保温、良好的门窗性能、无热桥设计、气密性和热回收新风系统，其中前4项均与建筑外围护系统设计紧密相关。因此，装配式超低能耗建筑的实施应从外围护系统的设计和研究入手。

超低能耗技术与装配式建筑相结合对建筑设计提出新的要求和挑战，通过以往工程实践经验，在技术整合过程中问题集中出现在以下方面。

1）建筑保温系统选型、组合方式及安装方式。

2）超低能耗建筑外围护系统一体化、集成化设计。

3）装配式外围护墙体如何保证超低能耗建筑对气密性的要求。

4）符合超低能耗要求的门窗与装配式预制外墙构件的连接设计。

本文选用某住房项目为研究对象，结合工程设计和理论研究对其外围护系统进行探讨。

2 结合项目的装配式超低能耗外围护设计

2.1 项目概况

该项目东西向及转角单元楼栋采用装配式和超低能耗相结合的技术进行设计。各楼栋采用装配式混凝土剪力墙结构，预制构件包括预制外墙、预制内墙、预制叠合楼板、预制阳台、预制空调板、预制楼梯等，同时需满足外围护保温装饰一体化设计要求。

项目在方案规划阶段提出“小街区、密路网、空间围合、立面多样化组合”的设计原则，以地块为基本单元打造不同的外立面风格，丰富城市风貌，同时设置东西向及转角住宅单元形成围合空间，考虑该部分建筑朝向因素，采用常规建筑形式会带来较大的能源消耗（东西向住宅单元耗热量指标增大5%～10%），因此东西向及转角住宅单元采用超低能耗技术，并与装配式体系相结合，在降低能耗的同时，提升建筑品质，提高室内舒适度（见图1）。

图1 空间围合的规划形态与超低能耗住宅楼栋的选择

2.2 外围护技术原则与设计标准

2.2.1 外围护技术原则

针对本项目超低能耗单元，在设计之初拟定预制夹心保温外墙板和预制墙板幕墙组合式外围护系统2套方案，考虑规划层面对东西向住宅沿街立面风格多变的要求，项目组针对2种不同的外围护系统构造形式进行设计论证和比选，外围护系统的设计原则包括：①与超低能耗技术体系匹配；②与多样化立面风格要求适应；③兼顾装配式建筑产业化制造安装与施工要求；④控制成本。

2.2.2 外围护设计标准

本项目设计过程中参考DB11/T 1665—2019《北京市超低能耗居住建筑设计标准》，其中主要房间室内热湿环境参考参数为冬季温度不低于20℃，相对湿度≥30%；夏季温度不高于26℃，相对湿度≤30%。

外围护系统非透光位置平均传热系数K需满足0.15～0.20W/（m2·K），透光部分应满足平均传热系数K需满足0.80～1.00W/（m2·K），同时太阳得热系数冬季≥0.45，夏季≤0.30。

3 装配式超低能耗建筑外围护技术研究

3.1 保温材料选型

对于住宅建筑，保温材料的选用一方面决定了室内环境的舒适程度；另一方面保温材料的厚度也直接关系到住宅套型面积指标。超低能耗建筑在加厚保温层满足节能指标的同时导致住宅得房率降低，这是业主单位和使用者担心的问题，人们往往忽略采暖费的减免，对于同等面积下得房率的降低尤为敏感。

3.1.1 预制夹心保温外墙板方案

方案1由于采用夹心外墙板（三明治板）构造，保温材料选用B1级即可，在满足外墙平均传热系数0.21W/(m2·K)时对比各类型保温材料的厚度情况，如表1所示。

表1 预制夹心外墙板用B级外保温材料超低能耗参数对比

针对夹心外墙板的构造特点和设计要求，优选保温材料厚度小、质量轻、防火阻燃性能好、黏结能力强、憎水性能好、尺寸稳定性好、抗风性能好的材料，通过比选，采用各方面均有优势的硬泡聚氨酯材料。

3.1.2 预制板幕墙组合式外墙方案

方案2采用预制混凝土外墙板结合幕墙的外围护系统，保温系统的技术重点在于控制外保温厚度及确保保温材料安装方式的合理性。通过对比适合幕墙系统的各类主要A级外保温材料产品，在满足外墙平均传热系数0.21W/(m2·K)时各类型保温材料的厚度情况如表2所示。

表2 幕墙用A级外保温材料超低能耗参数对比

对比可见，单一保温材料普遍厚度较大、安装困难、占用构造空间和使用面积较多。项目组尝试进行保温材料的复合设计，通过计算，采用幕墙体系常用的岩棉外保温125mm与25mm真空绝热板相结合可满足节能计算要求，同时可保证与方案1的外保温厚度一致。

3.2 外围护系统一体化集成设计

3.2.1 预制夹心保温外墙板方案

方案1超低能耗单元外围护体系采用200mm厚预制混凝土剪力墙内叶板+150mm厚硬泡聚氨酯+70mm厚预制混凝土外叶板（含20mm厚反打瓷板）组成的外围护构造系统，如图2所示。

图2 方案1超低能耗住宅楼外墙典型墙身构造

3.2.2 预制板幕墙组合式外墙方案

方案2超低能耗单元外围护体系由200mm厚预制混凝土剪力墙内叶板+25mm厚VIP真空绝热板+125mm厚憎水岩棉板+瓷板幕墙装饰挂板的外围护构造层次组合而成，如图3所示。

图3 方案2超低能耗住宅楼外墙典型墙身构造

3.2.3 气密层设计

超低能耗建筑应形成包围整个外围护结构的完整且连续的气密层，本项目采用预制混凝土结构，通过预制混凝土构件内叶板和构件之间现浇剪力墙段的连接，形成完整连续的混凝土外围护层，作为超低能耗建筑的有效气密层（见图4）。

图4 超低能耗住宅楼预制外墙及气密层平面布置

3.3 保温板的复合与安装

VIP真空绝热板不能裁切和破坏，必须提前考虑所有异形板，排板与安装难度较大，另外应考虑施工过程中的保温板材损耗。为便于施工安装，VIP真空绝热板在生产时需在每块板四角切圆角后预留4个1/4的倒角以形成安装时可贯通锚栓的孔洞，如图5所示。

图5 VIP真空绝热板拼接方式

施工现场将2种材料用黏结砂浆粘贴牢固，形成VIP真空绝热板与岩棉板的复合保温板，如图6所示。安装步骤为：使用定位机器人在锚栓处进行定位→在基层墙体锚栓处打眼、插入预留钢筋条→粘贴VIP真空绝热板→岩棉打眼、粘贴岩棉→去除钢筋条→第1遍抹灰挂网→打入膨胀螺栓→第2遍抹灰挂网。

图6 VIP真空绝热板与岩棉保温板复合构造方式

在预制外墙制作前，需对VIP真空绝热板布置进行精细排板，排板时要充分考虑连接件、洞口、幕墙龙骨的位置。

3.3.1 VIP真空绝热板排布原则

1）由于标准层层高为3000mm，因此控制常规VIP真空绝热板高度为600mm，每层由5块常规保温板叠加组成。

2）VIP真空绝热板尺寸分为3种尺寸，分别为：600mm×100mm，600mm×200mm，600mm×500mm。

3）部分区域因门窗影响，VIP真空绝热板高度需进行单独调控。

4）部分区域受到整体面宽影响，使用600mm×100mm与600mm×200mmVIP真空绝热板进行调控。

5）部分区域受排风口、补风口、冷凝水口、阳台挑梁及栏杆影响，需进行单独处理。

3.3.2 岩棉板排布原则

1）常规岩棉板高度为600mm，由于每层层高为3000mm，因此每层由5块常规岩棉板组成。

2）部分区域因受门窗影响，需使用不同高度的岩棉板进行拼接处理。

3）部分区域受到面宽影响，需使用不同宽度的岩棉板进行调控。

4）由于转角处错缝处理，故内部需使用窄岩棉板对整体面宽进行调控。

5）外挑梁及排烟口等位置岩棉板按照常规布置，需现场剔槽。

3.4 超低能耗外窗安装及处理

现浇结构的超低能耗建筑，为保证无热桥和气密性达标，被动窗均采用外挂式安装，利用L形连接件将窗体和结构墙体连接后，再采用保温材料包裹外挂被动窗。

而装配式剪力墙结构的外墙通常为“三明治”构造，即内外叶板夹着保温层，导致在“三明治”构件浇筑成型后无法在内叶板外侧固定用来连接被动窗的连接件，更无法按常规的外挂式做法安装被动窗。因此需要对预制构件和被动窗进行统一创新设计，解决装配式结构“三明治”构造的被动窗安装难题。

经过讨论与尝试，最终确定预制混凝土外墙板上被动窗的安装顺序如图7所示。

图7 被动窗安装流程

4 结语

装配式超低能耗建筑既发挥了产业化建筑的优势和特点，又兼顾被动式建筑低能耗的优势，研究发现，此类建筑在设计中应重点关注外围护系统的选型和设计，通过合理的保温材料选型、有效的外围护系统一体化集成设计、兼顾施工安装实际特点的构造设计，可有效进行技术体系整合。

装配式超低能耗建筑近年来逐步由理论走向实际工程，随着工程经验的积累和技术的更迭发展，对产业化和绿色节能提出更高要求的高标准住宅也逐渐摆脱传统设计的约束和限值。现阶该类建筑仍然存在生产加工灵活性不够、施工安装经验及细部构造节点不够优化、成本较高等现实问题。因此，在政策的大力支持下，不断创新发展、加强行业内部交流、强调技术的延续性和实用性是现阶段不断努力的方向。