結(jié)構(gòu)工程師在被動房建設(shè)中的作用——朱曉麗 |
| 2017-09-15 |
朱曉麗
被動式超低能耗建筑，上世紀(jì)90年代誕生于歐洲，目前已發(fā)展為全球發(fā)達國家的節(jié)能寵兒，現(xiàn)已大踏步地推開國門，來到中國。被動房建造過程，意味著房屋粗放式建造方式被精細(xì)化建造方式所替代。
被動房，不就是節(jié)能嗎？不就是外墻保溫加太陽能加地?zé)釂幔窟@關(guān)結(jié)構(gòu)工程師什么事呢？這是許多人心中的疑問。 其實，在被動房設(shè)計和建造的全過程中，每個環(huán)節(jié)都需結(jié)構(gòu)工程師參與，不可或缺。
在被動房的建設(shè)全過程中，結(jié)構(gòu)工程師除了具備設(shè)計主體結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識和經(jīng)驗外，還應(yīng)具備哪些被動房相關(guān)的專業(yè)知識，才能勝任其工作呢?這就要求結(jié)構(gòu)工程師首先要了解被動房的節(jié)能特點及技術(shù)控制點，具備足夠的被動房方面的專業(yè)知識儲備，才能勝任相應(yīng)的工作需要。
下面就被動房建設(shè)（設(shè)計、施工）各階段分別闡述結(jié)構(gòu)工程師在被動房精準(zhǔn)設(shè)計，精心施工中的重要作用。
一、方案設(shè)計階段
在方案階段，普通建筑只要求結(jié)構(gòu)工程師考慮上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)主材，結(jié)構(gòu)形式是框架結(jié)構(gòu)還是砌體結(jié)構(gòu)呢，結(jié)構(gòu)主材是采用木、鋼、磚的呢，還是采用鋼筋混凝土的呢，但無需考慮房屋的基礎(chǔ)形式是天然淺基礎(chǔ)，還是樁基。因為在此階段，基礎(chǔ)形式的不同，對建筑師和暖通工程師來說，根本與他們沒有關(guān)系。但被動式建筑就大大不一樣了，被動房一體化設(shè)計要求結(jié)構(gòu)工程師早期參與建筑設(shè)計。在方案階段，就需要將基礎(chǔ)方案與供暖方案融合，對是否利用地?zé)釕?yīng)該做出決定。 結(jié)構(gòu)師需要事先了解工程地質(zhì)條件，初步確定基礎(chǔ)方案，使供暖方案能與基礎(chǔ)方案有機結(jié)合。在項目的后期出現(xiàn)的許多狀況，往往是方案階段設(shè)計考慮不周造成的。
2010年上海世博會城市最佳實踐區(qū)內(nèi)的漢堡之家，就是一個很好的案例。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?zé)彷^好地結(jié)合?；A(chǔ)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(tǒng). 【1】將其與地下管網(wǎng)連接，以采集地?zé)?。各層樓的采暖和制冷主要依靠各樓層的樓板埋管系統(tǒng)?！?】
二、施工圖設(shè)計階段
施工圖設(shè)計階段，如何避免結(jié)構(gòu)性熱橋，是結(jié)構(gòu)工程師需考慮的設(shè)計重點。什么是結(jié)構(gòu)性熱橋？就是由于梁、柱、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件穿入保溫層而造成保溫層減薄或不連續(xù)所形成的熱橋。這種熱橋能量損失較大，可能會造成結(jié)露、發(fā)霉現(xiàn)象。
外凸陽臺，普通建筑設(shè)計時常用懸挑結(jié)構(gòu)。而在被動式建筑中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該意識到，外凸陽臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（線性熱橋）會穿透保溫層，是結(jié)構(gòu)熱橋的部位，是明顯的熱橋薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該在設(shè)計中盡可能避免。
歐洲國家被動房設(shè)計中，往往采用無熱橋的陽臺專用構(gòu)件。該構(gòu)件由高性能的保溫材料和高強度水泥板構(gòu)成，通過高強度鋼筋聯(lián)結(jié)安裝在室內(nèi)地板與陽臺板之間，從而有效阻斷陽臺熱橋。陽臺的設(shè)計應(yīng)遵循了“最節(jié)能”原則。陽臺與建筑連接部分越長越易導(dǎo)熱，德國用阻斷熱橋方式連接。由于目前無法完全引進該產(chǎn)品和施工工藝，且考慮到國內(nèi)建筑設(shè)計規(guī)范的限制，目前國內(nèi)已建被動房項目采用了一些折中的構(gòu)造設(shè)計。如被動房項目秦皇島“在水一方”C區(qū)，陽臺板與主體結(jié)構(gòu)斷開，中間縫隙填充保溫板填滿阻斷熱橋，陽臺板靠挑梁支撐，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臺，則設(shè)計為獨立的鋼結(jié)構(gòu)，在外立面（外保溫）的前面，成功完成此處無熱橋設(shè)計。
由于建筑結(jié)構(gòu)原因，在合理造價范圍無法完全避免熱橋，此時應(yīng)告知建筑師，需在其他部位增加保溫厚度予以彌補。
結(jié)構(gòu)斷橋的應(yīng)用在國外低層被動式建筑中是一種常用的手法，但這種處理手法與我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)規(guī)范尚有沖突，有待進一步研究及實踐。
此外，外墻材料的選擇也很需慎重，框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)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)于被動房的施工和驗收標(biāo)準(zhǔn)還未出臺，許多監(jiān)理單位、施工單位對被動房材料、施工工法、最終應(yīng)達到的成果要求不了解、不熟悉。這就更需要有被動房設(shè)計及被動房項目管理方面有成功經(jīng)驗的設(shè)計公司，在被動房建造的全過程中提供盡可能多的技術(shù)支持。
被動房的建造過程就是設(shè)計圖紙正確落實的過程，施工單位必須編寫建設(shè)工序。因為對于某些工法中，施工順序起決定性作用。例如，在實心墻體內(nèi)側(cè)，抹灰層作為氣密層必須一直連續(xù)做到樓板上，而這只有在做地坪前才有可能。因為被動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(xì)致、更嚴(yán)格。如外墻保溫板施工時，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(xiàn)通縫、裂縫或板材之間縫隙過大等質(zhì)量問題。
設(shè)計公司委派現(xiàn)場參與土建建造全過程的通常是結(jié)構(gòu)工程師。參考國內(nèi)外的技術(shù)資料，結(jié)構(gòu)工程師在參與項目管理時，具體可結(jié)合維護結(jié)構(gòu)保溫、氣密性、無熱橋施工、噪音消除等方面進行質(zhì)量控制，確保被動房建成后檢測結(jié)果達到圖紙要求。
3.1 圍護結(jié)構(gòu)保溫
3.1.1 非透明外圍護結(jié)構(gòu)
非透明外圍護結(jié)構(gòu)，即屋面、外墻、地面或不采暖地下室的頂板。
保溫層應(yīng)連續(xù)完整，嚴(yán)禁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋，應(yīng)采用外保溫系，外保溫系統(tǒng)的連接錨栓應(yīng)采取阻斷熱橋措施。外保溫體系應(yīng)該干凈均勻的黏貼在平整的基墻上。禁止在保溫層內(nèi)出現(xiàn)4mm以上的縫隙。因為穿透性的接縫非常容易引起結(jié)露，對建筑造成傷害。保溫層如有較大空腔，應(yīng)及時采用保溫材料封堵，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，應(yīng)分兩層錯縫鋪裝，層與層之間嚴(yán)禁出現(xiàn)通縫。第一層保溫板鋪裝完成后的厚度應(yīng)與突出墻面的窗框的厚度一致?！?】外墻保溫板為雙層時，板上下左右優(yōu)先采用榫槽連接方式；內(nèi)、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。【5】
樓面保溫材料的厚度宜大于30mm,厚度超過60mm的保溫板宜分兩層錯縫鋪裝。構(gòu)件穿透保溫層時，必須進行密封處理，可采用預(yù)壓膨脹密封膠帶將縫隙填實。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(jié)構(gòu)
透明外圍護結(jié)構(gòu)，即外墻門窗。
3.1.2.1 原材料檢查：
（1）、檢查外墻門窗氣密等級、水密等級、和抗風(fēng)性能、外門窗規(guī)格、分格形式及玻璃規(guī)格。
（2）、檢查外門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(shù)U值，玻璃的太陽能得熱系數(shù)g值，外門窗框型材是木材的或塑料的，其傳熱系數(shù)K值，外門窗的玻璃間隔條，耐久性良好的暖邊間隔條。外門窗的傳熱系數(shù)K值。
（3）、外門窗至少應(yīng)采用三道耐久性良好的密封材料密封，每扇窗至少兩個鎖點?！?】
3.1.2.2 安裝構(gòu)造：
（1）、被動房窗戶是安裝在主體外墻外側(cè)，以實現(xiàn)更好的隔熱效果。外窗借助于角鋼或小鋼板固定，整個窗框的2/3被包裹在保溫層里，形成無熱橋的構(gòu)造。
（2）、檢查實際供應(yīng)的暖邊間隔條的窗與洞口間采用隔熱處理連接件; 窗戶兩側(cè)和上部的窗框應(yīng)盡可能多地用保溫材料覆蓋。除預(yù)留紗窗、遮陽裝置等設(shè)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 檢查外墻門窗洞口密封材料的連接：
（1）薄膜一邊有效地粘結(jié)在門窗框上（或副框上），另一邊通過兼容性強的專用膠粘劑粘結(jié)在墻體上，薄膜應(yīng)褶皺地（非緊繃狀態(tài)）覆蓋在墻體和門窗框上，薄膜之間的搭接寬度應(yīng)不少于15mm;
（2）外墻門窗洞口處，門窗框與外墻表面，外墻窗與洞口間隙采用自粘性的預(yù)壓膨脹密封帶，在門窗框出廠前就預(yù)先粘好，預(yù)壓膨脹密封帶應(yīng)與窗框同時安裝，膨脹后的預(yù)壓密封帶應(yīng)將門窗框與外墻之間的縫隙填實。
（3）窗框與外墻連接處采用防水膜密封系統(tǒng)。室內(nèi)側(cè)采用防水隔汽密封布，室外側(cè)使用防水透氣密封布。這類密封布應(yīng)具有不變形、抗氧化、延展性好、不透水、壽命長等特點。密封布含自粘膠帶，能有效粘接在窗框或副框上，再通過專用粘結(jié)劑粘結(jié)在墻體上。窗臺設(shè)置金屬擋水板。窗臺板應(yīng)有滴水線構(gòu)造。窗臺板的作用是保護保溫層不受紫外線照射老化材料，而不是普通的鋁合金間隔條。
（4）外窗安裝后應(yīng)與外墻保溫層在同一垂直面，導(dǎo)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(tǒng)間安裝塑料連接線條。這是一種由密封條和網(wǎng)格布構(gòu)成的材料，安裝后實現(xiàn)柔性防水連接，保證構(gòu)造無裂紋。
（5）外窗洞口上邊沿部位安裝塑料滴水線條。這種塑料線條帶加強網(wǎng)布和滴水線條，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
最常見缺陷是外部構(gòu)件氣密性節(jié)點處理不正確。因為我們不希望出現(xiàn)空氣交換量不斷波動，空氣流動方向不斷變化。寒冷的冬季，進風(fēng)量加大，換氣次數(shù)會增加，才能使新風(fēng)系統(tǒng)保證新鮮空氣的供應(yīng)，保證房屋的濕度平衡。按設(shè)計好的施工工序施工非常重要，參與各工種：抹灰、木結(jié)構(gòu)安裝、窗戶安裝，必須向后續(xù)工種交待次序的重要性。
施工質(zhì)量控制關(guān)鍵點：
（1）、砌體和混凝土砌塊等實心墻的內(nèi)側(cè)抹灰粉刷，必須一直做到混凝土樓板，然后再做地坪；木結(jié)構(gòu)蓋板接縫必須用密封膠帶完全蓋住，然后再做內(nèi)裝修；木結(jié)構(gòu)建筑，要在建筑構(gòu)件內(nèi)裝修層的背后，使用一層薄膜仔細(xì)地貼在外部構(gòu)件的接縫上。
（2）、門窗的氣密性，首先要求洞口尺寸準(zhǔn)確，對洞口、墻面進行修整，洞口偏差控制在±5mm，外墻面垂直、平整度控制在0~5mm，然后再安裝門窗。門窗框邊與墻之間嵌入膨脹膠條，門窗與墻之間內(nèi)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，然后內(nèi)外刮抗裂砂漿并壓入網(wǎng)格布。對衛(wèi)生間、廚房通風(fēng)道、排水管穿樓板處進行發(fā)泡填塞密實處理，對通風(fēng)道的通風(fēng)口邊緣用膠密封。連通室外的強、弱電線管進行打膠封閉，墻面下線管、線盒先刮石膏，再加入線管、線盒。外墻插座最好采用氣密性空墻插座盒。
（4）構(gòu)件管線、套管（如電線套管）穿透墻體氣密層時必須進行密封處理。處理方法如下：
a.位于現(xiàn)澆混凝土墻體上的開關(guān)、插座線盒，應(yīng)直接預(yù)埋澆筑；
b.位于砌體墻體上的開關(guān)、插座線盒，應(yīng)在砌筑墻體時預(yù)留孔位，安裝線盒時應(yīng)先用石膏灰 漿封堵孔位，再將線盒底座嵌入孔位內(nèi)，使其密封；
c.在墻體內(nèi)預(yù)埋套管時，接口處應(yīng)使用專用密封膠帶密封，與線盒接口處同時用石膏灰漿封堵密實；
d.套管內(nèi)穿線完畢后，應(yīng)使用密封膠封堵開關(guān)、插座等的管口。
3.3 無熱橋施工
檢查窗戶節(jié)點是否與設(shè)計一致；窗戶是否位于保溫層內(nèi)，卷簾安裝是否能完全防止結(jié)露。墻腳與底板的熱橋效應(yīng)。燈具等安裝是否采用熱斷橋錨固件。安裝錨固件之前，應(yīng)先在保溫板由鉆頭形成的孔洞內(nèi)注入聚氨酯發(fā)泡劑，然后安裝錨固件。驗收時采用紅外成像法克幫助發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。
3.4 管道關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造
樓內(nèi)管道應(yīng)包覆保溫材料。通風(fēng)管道包裹保溫材料后的傳熱系數(shù)是否符合設(shè)計要求，下水管道應(yīng)包覆20mm厚的保溫隔聲墊。樓板結(jié)構(gòu)層表面應(yīng)設(shè)置厚度不小于50mm的隔聲墊。
金屬管道與安裝卡件之間應(yīng)用隔聲墊隔開。
3.5 新風(fēng)系統(tǒng)
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。檢查過濾器，檢查新風(fēng)吸入口、排風(fēng)口。
四、結(jié)語
被動房質(zhì)量保證的前提是精準(zhǔn)設(shè)計，精心施工。結(jié)構(gòu)工程師在被動房建設(shè)的各個階段，即方案設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段、被動房建造階段，都必須參與進來。結(jié)構(gòu)工程師不可或缺的專業(yè)知識是被動房多級質(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上海世博會漢堡之家 HAMBURG HOUSE,EXP2010 SHANGHAI》《世界建筑》2010/02
【3】河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) DB13(J)/T177-2015》
【4】《德國被動房設(shè)計和施工指南》[德] 貝特霍爾德·考夫曼 [德[ 沃爾夫?qū)?·費斯特 著 徐智勇 譯 中國建筑工業(yè)出版社
【5】《被動房“綠色”引擎》 中國建材報 2015-12-2
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