結構工程師在被動(dòng)房建設中的作用——朱曉麗 |
| 2017-09-15 |
朱曉麗
被動(dòng)式超低能耗建筑，上世紀90年代誕生于歐洲，目前已發(fā)展為全球發(fā)達國家的節能寵兒，現已大踏步地推開(kāi)國門(mén)，來(lái)到中國。被動(dòng)房建造過(guò)程，意味著(zhù)房屋粗放式建造方式被精細化建造方式所替代。
被動(dòng)房，不就是節能嗎？不就是外墻保溫加太陽(yáng)能加地熱嗎？這關(guān)結構工程師什么事呢？這是許多人心中的疑問(wèn)。 其實(shí)，在被動(dòng)房設計和建造的全過(guò)程中，每個(gè)環(huán)節都需結構工程師參與，不可或缺。
在被動(dòng)房的建設全過(guò)程中，結構工程師除了具備設計主體結構的專(zhuān)業(yè)知識和經(jīng)驗外，還應具備哪些被動(dòng)房相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識，才能勝任其工作呢?這就要求結構工程師首先要了解被動(dòng)房的節能特點(diǎn)及技術(shù)控制點(diǎn)，具備足夠的被動(dòng)房方面的專(zhuān)業(yè)知識儲備，才能勝任相應的工作需要。
下面就被動(dòng)房建設（設計、施工）各階段分別闡述結構工程師在被動(dòng)房精準設計，精心施工中的重要作用。
一、方案設計階段
在方案階段，普通建筑只要求結構工程師考慮上部結構的結構形式及結構主材，結構形式是框架結構還是砌體結構呢，結構主材是采用木、鋼、磚的呢，還是采用鋼筋混凝土的呢，但無(wú)需考慮房屋的基礎形式是天然淺基礎，還是樁基。因為在此階段，基礎形式的不同，對建筑師和暖通工程師來(lái)說(shuō)，根本與他們沒(méi)有關(guān)系。但被動(dòng)式建筑就大大不一樣了，被動(dòng)房一體化設計要求結構工程師早期參與建筑設計。在方案階段，就需要將基礎方案與供暖方案融合，對是否利用地熱應該做出決定。 結構師需要事先了解工程地質(zhì)條件，初步確定基礎方案，使供暖方案能與基礎方案有機結合。在項目的后期出現的許多狀況，往往是方案階段設計考慮不周造成的。
2010年上海世博會(huì )城市最佳實(shí)踐區內的漢堡之家，就是一個(gè)很好的案例。由于地面35米以下才是可承重的堅硬土層，故樁端需落至這一較深土層作為持力層，這正好給利用地熱較好地結合?；A共有100根鋼筋混凝土樁，其中利用了42根樁，在樁身中貫穿管道系統. 【1】將其與地下管網(wǎng)連接，以采集地熱。各層樓的采暖和制冷主要依靠各樓層的樓板埋管系統?！?】
二、施工圖設計階段
施工圖設計階段，如何避免結構性熱橋，是結構工程師需考慮的設計重點(diǎn)。什么是結構性熱橋？就是由于梁、柱、板等結構構件穿入保溫層而造成保溫層減薄或不連續所形成的熱橋。這種熱橋能量損失較大，可能會(huì )造成結露、發(fā)霉現象。
外凸陽(yáng)臺，普通建筑設計時(shí)常用懸挑結構。而在被動(dòng)式建筑中，結構工程師應該意識到，外凸陽(yáng)臺的結構構件（線(xiàn)性熱橋）會(huì )穿透保溫層，是結構熱橋的部位，是明顯的熱橋薄弱環(huán)節，應該在設計中盡可能避免。
歐洲國家被動(dòng)房設計中，往往采用無(wú)熱橋的陽(yáng)臺專(zhuān)用構件。該構件由高性能的保溫材料和高強度水泥板構成，通過(guò)高強度鋼筋聯(lián)結安裝在室內地板與陽(yáng)臺板之間，從而有效阻斷陽(yáng)臺熱橋。陽(yáng)臺的設計應遵循了“最節能”原則。陽(yáng)臺與建筑連接部分越長(cháng)越易導熱，德國用阻斷熱橋方式連接。由于目前無(wú)法完全引進(jìn)該產(chǎn)品和施工工藝，且考慮到國內建筑設計規范的限制，目前國內已建被動(dòng)房項目采用了一些折中的構造設計。如被動(dòng)房項目秦皇島“在水一方”C區，陽(yáng)臺板與主體結構斷開(kāi)，中間縫隙填充保溫板填滿(mǎn)阻斷熱橋，陽(yáng)臺板靠挑梁支撐，保溫材料將挑梁整體包裹。而建學(xué)公司的國際合作項目—河北涿州新華玻璃幕墻公司辦公樓的宿舍外凸陽(yáng)臺，則設計為獨立的鋼結構，在外立面（外保溫）的前面，成功完成此處無(wú)熱橋設計。
由于建筑結構原因，在合理造價(jià)范圍無(wú)法完全避免熱橋，此時(shí)應告知建筑師，需在其他部位增加保溫厚度予以彌補。
結構斷橋的應用在國外低層被動(dòng)式建筑中是一種常用的手法，但這種處理手法與我國現行的結構規范尚有沖突，有待進(jìn)一步研究及實(shí)踐。
此外，外墻材料的選擇也很需慎重，框架結構、剪力墻結構的外墻填充墻，需選用熱惰性、氣密性等綜合性能較好的砌體，不宜選用密度小于500kg/m3的加氣混凝土砌塊、普通單排孔或雙排孔砌塊和其它輕質(zhì)的或大空洞的砌塊。
三、建造階段參與項目管理
目前國家關(guān)于被動(dòng)房的施工和驗收標準還未出臺，許多監理單位、施工單位對被動(dòng)房材料、施工工法、最終應達到的成果要求不了解、不熟悉。這就更需要有被動(dòng)房設計及被動(dòng)房項目管理方面有成功經(jīng)驗的設計公司，在被動(dòng)房建造的全過(guò)程中提供盡可能多的技術(shù)支持。
被動(dòng)房的建造過(guò)程就是設計圖紙正確落實(shí)的過(guò)程，施工單位必須編寫(xiě)建設工序。因為對于某些工法中，施工順序起決定性作用。例如，在實(shí)心墻體內側，抹灰層作為氣密層必須一直連續做到樓板上，而這只有在做地坪前才有可能。因為被動(dòng)房用材與普通房有很大差異，故施工方法也有很大差異，再加上施工要求比普通房更細致、更嚴格。如外墻保溫板施工時(shí)，施工人員必須按照正確的施工工藝和順序排板，計算和布置錨栓、連接、錨固板材，避免出現通縫、裂縫或板材之間縫隙過(guò)大等質(zhì)量問(wèn)題。
設計公司委派現場(chǎng)參與土建建造全過(guò)程的通常是結構工程師。參考國內外的技術(shù)資料，結構工程師在參與項目管理時(shí)，具體可結合維護結構保溫、氣密性、無(wú)熱橋施工、噪音消除等方面進(jìn)行質(zhì)量控制，確保被動(dòng)房建成后檢測結果達到圖紙要求。
3.1 圍護結構保溫
3.1.1 非透明外圍護結構
非透明外圍護結構，即屋面、外墻、地面或不采暖地下室的頂板。
保溫層應連續完整，嚴禁出現結構性熱橋，應采用外保溫系，外保溫系統的連接錨栓應采取阻斷熱橋措施。外保溫體系應該干凈均勻的黏貼在平整的基墻上。禁止在保溫層內出現4mm以上的縫隙。因為穿透性的接縫非常容易引起結露，對建筑造成傷害。保溫層如有較大空腔，應及時(shí)采用保溫材料封堵，可用保溫板塞縫，或用發(fā)泡膠封堵。保溫材料需充分遮擋，防止水、水泥、砂漿對保溫性能的影響，如玻璃棉吸水則喪失保溫性能。
外墻外保溫材料，地上通常采用EPS板、地下通常采用XPS板。保溫板厚度大于200mm時(shí)，應分兩層錯縫鋪裝，層與層之間嚴禁出現通縫。第一層保溫板鋪裝完成后的厚度應與突出墻面的窗框的厚度一致?！?】外墻保溫板為雙層時(shí)，板上下左右優(yōu)先采用榫槽連接方式；內、外層上下左右板塊均錯縫粘貼，以達到更好的保溫密封效果?！?】
樓面保溫材料的厚度宜大于30mm,厚度超過(guò)60mm的保溫板宜分兩層錯縫鋪裝。構件穿透保溫層時(shí)，必須進(jìn)行密封處理，可采用預壓膨脹密封膠帶將縫隙填實(shí)。樓板、墻體中的洞口，必須用10mm以上的水泥砂漿保護層覆蓋?！?】
3.1.2 透明外圍護結構
透明外圍護結構，即外墻門(mén)窗。
3.1.2.1 原材料檢查：
（1）、檢查外墻門(mén)窗氣密等級、水密等級、和抗風(fēng)性能、外門(mén)窗規格、分格形式及玻璃規格。
（2）、檢查外門(mén)窗的玻璃是透明材料Low-E中空玻璃還是真空玻璃，玻璃的傳熱系數U值，玻璃的太陽(yáng)能得熱系數g值，外門(mén)窗框型材是木材的或塑料的，其傳熱系數K值，外門(mén)窗的玻璃間隔條，耐久性良好的暖邊間隔條。外門(mén)窗的傳熱系數K值。
（3）、外門(mén)窗至少應采用三道耐久性良好的密封材料密封，每扇窗至少兩個(gè)鎖點(diǎn)?！?】
3.1.2.2 安裝構造：
（1）、被動(dòng)房窗戶(hù)是安裝在主體外墻外側，以實(shí)現更好的隔熱效果。外窗借助于角鋼或小鋼板固定，整個(gè)窗框的2/3被包裹在保溫層里，形成無(wú)熱橋的構造。
（2）、檢查實(shí)際供應的暖邊間隔條的窗與洞口間采用隔熱處理連接件; 窗戶(hù)兩側和上部的窗框應盡可能多地用保溫材料覆蓋。除預留紗窗、遮陽(yáng)裝置等設施的安裝空間外，外窗洞口保溫板的第二層宜盡量覆蓋窗框。
3.1.2.3 檢查外墻門(mén)窗洞口密封材料的連接：
（1）薄膜一邊有效地粘結在門(mén)窗框上（或副框上），另一邊通過(guò)兼容性強的專(zhuān)用膠粘劑粘結在墻體上，薄膜應褶皺地（非緊繃狀態(tài)）覆蓋在墻體和門(mén)窗框上，薄膜之間的搭接寬度應不少于15mm;
（2）外墻門(mén)窗洞口處，門(mén)窗框與外墻表面，外墻窗與洞口間隙采用自粘性的預壓膨脹密封帶，在門(mén)窗框出廠(chǎng)前就預先粘好，預壓膨脹密封帶應與窗框同時(shí)安裝，膨脹后的預壓密封帶應將門(mén)窗框與外墻之間的縫隙填實(shí)。
（3）窗框與外墻連接處采用防水膜密封系統。室內側采用防水隔汽密封布，室外側使用防水透氣密封布。這類(lèi)密封布應具有不變形、抗氧化、延展性好、不透水、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。密封布含自粘膠帶，能有效粘接在窗框或副框上，再通過(guò)專(zhuān)用粘結劑粘結在墻體上。窗臺設置金屬擋水板。窗臺板應有滴水線(xiàn)構造。窗臺板的作用是保護保溫層不受紫外線(xiàn)照射老化材料，而不是普通的鋁合金間隔條。
（4）外窗安裝后應與外墻保溫層在同一垂直面，導流雨水，避免雨水侵蝕和破壞保溫層，保持窗臺的干凈整潔。窗框與保溫系統間安裝塑料連接線(xiàn)條。這是一種由密封條和網(wǎng)格布構成的材料，安裝后實(shí)現柔性防水連接，保證構造無(wú)裂紋。
（5）外窗洞口上邊沿部位安裝塑料滴水線(xiàn)條。這種塑料線(xiàn)條帶加強網(wǎng)布和滴水線(xiàn)條，可以減少外墻立面污水流入屋檐部位或流到外窗表面。
3.2 氣密性
最常見(jiàn)缺陷是外部構件氣密性節點(diǎn)處理不正確。因為我們不希望出現空氣交換量不斷波動(dòng)，空氣流動(dòng)方向不斷變化。寒冷的冬季，進(jìn)風(fēng)量加大，換氣次數會(huì )增加，才能使新風(fēng)系統保證新鮮空氣的供應，保證房屋的濕度平衡。按設計好的施工工序施工非常重要，參與各工種：抹灰、木結構安裝、窗戶(hù)安裝，必須向后續工種交待次序的重要性。
施工質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)：
（1）、砌體和混凝土砌塊等實(shí)心墻的內側抹灰粉刷，必須一直做到混凝土樓板，然后再做地坪；木結構蓋板接縫必須用密封膠帶完全蓋住，然后再做內裝修；木結構建筑，要在建筑構件內裝修層的背后，使用一層薄膜仔細地貼在外部構件的接縫上。
（2）、門(mén)窗的氣密性，首先要求洞口尺寸準確，對洞口、墻面進(jìn)行修整，洞口偏差控制在±5mm，外墻面垂直、平整度控制在0~5mm，然后再安裝門(mén)窗。門(mén)窗框邊與墻之間嵌入膨脹膠條，門(mén)窗與墻之間內外貼一道防水密封布，確保密閉防水效果。
（3）外墻穿墻管孔、模板拉桿孔，用聚氨酯發(fā)泡膠填充密實(shí)，然后內外刮抗裂砂漿并壓入網(wǎng)格布。對衛生間、廚房通風(fēng)道、排水管穿樓板處進(jìn)行發(fā)泡填塞密實(shí)處理，對通風(fēng)道的通風(fēng)口邊緣用膠密封。連通室外的強、弱電線(xiàn)管進(jìn)行打膠封閉，墻面下線(xiàn)管、線(xiàn)盒先刮石膏，再加入線(xiàn)管、線(xiàn)盒。外墻插座最好采用氣密性空墻插座盒。
（4）構件管線(xiàn)、套管（如電線(xiàn)套管）穿透墻體氣密層時(shí)必須進(jìn)行密封處理。處理方法如下：
a.位于現澆混凝土墻體上的開(kāi)關(guān)、插座線(xiàn)盒，應直接預埋澆筑；
b.位于砌體墻體上的開(kāi)關(guān)、插座線(xiàn)盒，應在砌筑墻體時(shí)預留孔位，安裝線(xiàn)盒時(shí)應先用石膏灰 漿封堵孔位，再將線(xiàn)盒底座嵌入孔位內，使其密封；
c.在墻體內預埋套管時(shí)，接口處應使用專(zhuān)用密封膠帶密封，與線(xiàn)盒接口處同時(shí)用石膏灰漿封堵密實(shí)；
d.套管內穿線(xiàn)完畢后，應使用密封膠封堵開(kāi)關(guān)、插座等的管口。
3.3 無(wú)熱橋施工
檢查窗戶(hù)節點(diǎn)是否與設計一致；窗戶(hù)是否位于保溫層內，卷簾安裝是否能完全防止結露。墻腳與底板的熱橋效應。燈具等安裝是否采用熱斷橋錨固件。安裝錨固件之前，應先在保溫板由鉆頭形成的孔洞內注入聚氨酯發(fā)泡劑，然后安裝錨固件。驗收時(shí)采用紅外成像法克幫助發(fā)現薄弱環(huán)節。
3.4 管道關(guān)鍵節點(diǎn)構造
樓內管道應包覆保溫材料。通風(fēng)管道包裹保溫材料后的傳熱系數是否符合設計要求，下水管道應包覆20mm厚的保溫隔聲墊。樓板結構層表面應設置厚度不小于50mm的隔聲墊。
金屬管道與安裝卡件之間應用隔聲墊隔開(kāi)。
3.5 新風(fēng)系統
檢查新風(fēng)主機、新風(fēng)風(fēng)管連接的噪音隔離，防止固體傳聲。檢查過(guò)濾器，檢查新風(fēng)吸入口、排風(fēng)口。
四、結語(yǔ)
被動(dòng)房質(zhì)量保證的前提是精準設計，精心施工。結構工程師在被動(dòng)房建設的各個(gè)階段，即方案設計階段、施工圖設計階段、被動(dòng)房建造階段，都必須參與進(jìn)來(lái)。結構工程師不可或缺的專(zhuān)業(yè)知識是被動(dòng)房多級質(zhì)量保證體系的重要要素之一。
參考文獻：
【1】《漢堡之家—隱形能源建筑》
【2】《2010上海世博會(huì )漢堡之家 HAMBURG HOUSE,EXP2010 SHANGHAI》《世界建筑》2010/02
【3】河北省工程建設標準《被動(dòng)式低能耗居住建筑節能設計標準 DB13(J)/T177-2015》
【4】《德國被動(dòng)房設計和施工指南》[德] 貝特霍爾德·考夫曼 [德[ 沃爾夫岡 ·費斯特 著(zhù) 徐智勇 譯 中國建筑工業(yè)出版社
【5】《被動(dòng)房“綠色”引擎》 中國建材報 2015-12-2
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