結構工程師在被動房建設中的作用——朱曉麗 |
| 2017-09-15 |
朱曉麗
被動式超低能耗建筑，上世紀90年代誕生于歐洲，目前已發展為全球發達國家的節能寵兒，現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化建造方式所替代。
被動房，不就是節能嗎？不就是外墻保溫加太陽能加地熱嗎？這關結構工程師什么事呢？這是許多人心中的疑問。 其實，在被動房設計和建造的全過程中，每個環節都需結構工程師參與，不可或缺。
在被動房的建設全過程中，結構工程師除了具備設計主體結構的專業知識和經驗外，還應具備哪些被動房相關的專業知識，才能勝任其工作呢?這就要求結構工程師首先要了解被動房的節能特點及技術控制點，具備足夠的被動房方面的專業知識儲備，才能勝任相應的工作需要。
下面就被動房建設（設計、施工）各階段分別闡述結構工程師在被動房精準設計，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說，根本與他們沒有關系。但被動式建筑就大大不一樣了，被動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年上海世博會城市最佳實踐區內的漢堡之家，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，這正好給利用地熱較好地結合。基礎共有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。【2】
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。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，可能會造成結露、發霉現象。
外凸陽臺，普通建筑設計時常用懸挑結構。而在被動式建筑中，結構工程師應該意識到，外凸陽臺的結構構件（線性熱橋）會穿透保溫層，是結構熱橋的部位，是明顯的熱橋薄弱環節，應該在設計中盡可能避免。
歐洲國家被動房設計中，往往采用無熱橋的陽臺專用構件。該構件由高性能的保溫材料和高強度水泥板構成，通過高強度鋼筋聯結安裝在室內地板與陽臺板之間，從而有效阻斷陽臺熱橋。陽臺的設計應遵循了“最節能”原則。陽臺與建筑連接部分越長越易導熱，德國用阻斷熱橋方式連接。由于目前無法完全引進該產品和施工工藝，且考慮到國內建筑設計規范的限制，目前國內已建被動房項目采用了一些折中的構造設計。如被動房項目秦皇島“在水一方”C區，陽臺板與主體結構斷開，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，成功完成此處無熱橋設計。
由于建筑結構原因，在合理造價范圍無法完全避免熱橋，此時應告知建筑師，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，有待進一步研究及實踐。
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的或大空洞的砌塊。
三、建造階段參與項目管理
目前國家關于被動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。這就更需要有被動房設計及被動房項目管理方面有成功經驗的設計公司，在被動房建造的全過程中提供盡可能多的技術支持。
被動房的建造過程就是設計圖紙正確落實的過程，施工單位必須編寫建設工序。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，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大等質量問題。
設計公司委派現場參與土建建造全過程的通常是結構工程師。參考國內外的技術資料，結構工程師在參與項目管理時，具體可結合維護結構保溫、氣密性、無熱橋施工、噪音消除等方面進行質量控制，確保被動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，應及時采用保溫材料封堵，可用保溫板塞縫，或用發泡膠封堵。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。【3】外墻保溫板為雙層時，板上下左右優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。【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。構件穿透保溫層時，必須進行密封處理，可采用預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。【2】
3.1.2 透明外圍護結構
透明外圍護結構，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、和抗風性能、外門窗規格、分格形式及玻璃規格。
（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U值，玻璃的太陽能得熱系數g值，外門窗框型材是木材的或塑料的，其傳熱系數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K值。
（3）、外門窗至少應采用三道耐久性良好的密封材料密封，每扇窗至少兩個鎖點。【2】
3.1.2.2 安裝構造：
（1）、被動房窗戶是安裝在主體外墻外側，以實現更好的隔熱效果。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，形成無熱橋的構造。
（2）、檢查實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 檢查外墻門窗洞口密封材料的連接：
（1）薄膜一邊有效地粘結在門窗框上（或副框上），另一邊通過兼容性強的專用膠粘劑粘結在墻體上，薄膜應褶皺地（非緊繃狀態）覆蓋在墻體和門窗框上，薄膜之間的搭接寬度應不少于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壓膨脹密封帶，在門窗框出廠前就預先粘好，預壓膨脹密封帶應與窗框同時安裝，膨脹后的預壓密封帶應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。室內側采用防水隔汽密封布，室外側使用防水透氣密封布。這類密封布應具有不變形、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，再通過專用粘結劑粘結在墻體上。窗臺設置金屬擋水板。窗臺板應有滴水線構造。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條。這是一種由密封條和網格布構成的材料，安裝后實現柔性防水連接，保證構造無裂紋。
（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件氣密性節點處理不正確。因為我們不希望出現空氣交換量不斷波動，空氣流動方向不斷變化。寒冷的冬季，進風量加大，換氣次數會增加，才能使新風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、窗戶安裝，必須向后續工種交待次序的重要性。
施工質量控制關鍵點：
（1）、砌體和混凝土砌塊等實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）、門窗的氣密性，首先要求洞口尺寸準確，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，用聚氨酯發泡膠填充密實，然后內外刮抗裂砂漿并壓入網格布。對衛生間、廚房通風道、排水管穿樓板處進行發泡填塞密實處理，對通風道的通風口邊緣用膠密封。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.位于現澆混凝土墻體上的開關、插座線盒，應直接預埋澆筑；
b.位于砌體墻體上的開關、插座線盒，應在砌筑墻體時預留孔位，安裝線盒時應先用石膏灰 漿封堵孔位，再將線盒底座嵌入孔位內，使其密封；
c.在墻體內預埋套管時，接口處應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.套管內穿線完畢后，應使用密封膠封堵開關、插座等的管口。
3.3 無熱橋施工
檢查窗戶節點是否與設計一致；窗戶是否位于保溫層內，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泡劑，然后安裝錨固件。驗收時采用紅外成像法克幫助發現薄弱環節。
3.4 管道關鍵節點構造
樓內管道應包覆保溫材料。通風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。
3.5 新風系統
檢查新風主機、新風風管連接的噪音隔離，防止固體傳聲。檢查過濾器，檢查新風吸入口、排風口。
四、結語
被動房質量保證的前提是精準設計，精心施工。結構工程師在被動房建設的各個階段，即方案設計階段、施工圖設計階段、被動房建造階段，都必須參與進來。結構工程師不可或缺的專業知識是被動房多級質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】河北省工程建設標準《被動式低能耗居住建筑節能設計標準 DB13(J)/T177-2015》
【4】《德國被動房設計和施工指南》[德] 貝特霍爾德·考夫曼 [德[ 沃爾夫岡 ·費斯特 著 徐智勇 譯 中國建筑工業出版社
【5】《被動房“綠色”引擎》 中國建材報 2015-12-2
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