預(yù)制混凝土節(jié)能外墻技術(shù)與工程應(yīng)用

  隨著各地建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，內(nèi)保溫、單一材料墻體自保溫和外抹漿料保溫等技術(shù)，在許多地區(qū)的應(yīng)用已受到很大制約，與此同時(shí)，墻體外保溫和夾芯保溫技術(shù)在全國(guó)范圍的推廣取得明顯成效。

  傳統(tǒng)預(yù)制外墻的保溫效果差，這主要是因?yàn)榛炷敛牧系膶?dǎo)熱系數(shù)大、高效保溫材料的復(fù)合效率低、墻板周邊及洞口的混凝土肋及金屬連接件等熱橋部位影響非常明顯，這部分造成墻體保溫效率下降可達(dá)50%～80%。因此，必須考慮提高預(yù)制混凝土外墻的復(fù)合保溫效率，盡量減少或避免預(yù)制外墻的熱橋影響。隨著建筑節(jié)能準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)采用混凝土肋復(fù)合保溫的預(yù)制混凝土外墻做法已無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，必須探索研究新型預(yù)制外墻保溫技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足新時(shí)期建筑節(jié)能的要求。

  1、預(yù)制混凝土外墻內(nèi)保溫技術(shù)與工程應(yīng)用

  針對(duì)外墻內(nèi)保溫梁、柱、樓板及洞口等部位容易產(chǎn)生熱橋，進(jìn)而影響系統(tǒng)保溫性能等問(wèn)題，預(yù)制混凝土外墻內(nèi)保溫技術(shù)采用外掛墻板的方式加以解決，如圖1所示。由于外掛板與主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)計(jì)要求保持30mm～50mm的間隙，在梁、柱等部位可采用噴涂或填塞防火保溫材料的方法來(lái)保證內(nèi)保溫的連續(xù)性，從而有效解決內(nèi)保溫的熱橋問(wèn)題。外掛板可采用反打工藝制作，以此保證外墻裝飾的耐久性。因此，預(yù)制混凝土外墻內(nèi)保溫構(gòu)造是一種非常合理的墻體節(jié)能保溫形式，可廣泛應(yīng)用于混凝土框架結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。

  日本的預(yù)制混凝土外墻大多采用內(nèi)保溫做法。預(yù)制混凝土外墻的內(nèi)保溫技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用較早，主要應(yīng)用于大型公共建筑中，如北京京城大廈、光大大廈、中日青年交流中心等。

  2、預(yù)制混凝土外墻外保溫技術(shù)與工程應(yīng)用

  預(yù)制混凝土外墻外保溫技術(shù)主要是針對(duì)傳統(tǒng)外墻外保溫技術(shù)存在的使用壽命短、裝飾效果單一等問(wèn)題而研究開(kāi)發(fā)的，主要適用于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)或框架填充墻結(jié)構(gòu)。該技術(shù)采用干掛裝飾混凝土飾面板作為外墻外保溫的面層，可有效克服外保溫面層裝飾性單一、耐久性和防火性差等缺點(diǎn)。具體做法是：采用預(yù)制帶飾面的鋼筋混凝土板作為裝飾外掛板，在剪力墻或砌體墻外側(cè)粘貼高效保溫材料，再外掛預(yù)制混凝土裝飾板。這種外掛板加保溫的構(gòu)造除連接件部位局部存在輕微熱橋外， 其他部位均可連續(xù)設(shè)置保溫層，能夠較好地滿(mǎn)足外墻的保溫隔熱要求。根據(jù)外墻裝飾要求可選擇密封防水構(gòu)造和明縫防水構(gòu)造兩種做法，見(jiàn)圖2。在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，可不用考慮外裝飾板的保溫效應(yīng)。該做法的缺點(diǎn)是：施工環(huán)節(jié)較多、施工效率較低，墻體造價(jià)較高；優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的構(gòu)造適應(yīng)性。

  預(yù)制混凝土裝飾板可采用反打技術(shù)實(shí)現(xiàn)面磚飾面、石材飾面、清水混凝土飾面及裝飾混凝土飾面等多種飾面效果，在滿(mǎn)足裝飾多樣化的同時(shí)，可從根本上解決外保溫面層的耐久性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能與主體結(jié)構(gòu)使用壽命的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

  該技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較普遍，也是我國(guó)未來(lái)大型公共建筑高性能外墻設(shè)計(jì)的理想選擇。目前國(guó)內(nèi)采用預(yù)制混凝土外墻外保溫技術(shù)的工程主要有北京奧運(yùn)會(huì)射擊館、大連軟件園IBM辦公樓、北京燕莎中心等。

  3、預(yù)制混凝土外墻夾芯保溫技術(shù)與工程應(yīng)用

  我國(guó)從上世紀(jì)七八十年代就開(kāi)始研制復(fù)合保溫夾芯外墻板，由于當(dāng)時(shí)建筑節(jié)能要求較低，普遍采用帶混凝土肋和金屬連接件做法，預(yù)制外墻的綜合節(jié)能保溫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)未能充分體現(xiàn)， 加之當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制作及施工質(zhì)量等條件的限制，預(yù)制混凝土裝配式建筑很快盛極而衰。究其根源，在于復(fù)合外墻的性能和應(yīng)用技術(shù)缺乏持續(xù)研究和發(fā)展。

  預(yù)制混凝土外墻采用夾芯保溫技術(shù)是其最大的優(yōu)勢(shì)所在。在外墻板制作過(guò)程中，可以將保溫材料放在中間形成復(fù)合夾芯保溫三明治板。該技術(shù)不但可以提高外墻的施工速度，還可以集外墻的維護(hù)、保溫及裝飾效果等多種性能于一體，已成為世界各國(guó)致力研究的重點(diǎn)。如果將外墻板的結(jié)構(gòu)性能充分發(fā)揮，做成承重混凝土板，其效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。

  在過(guò)去帶肋保溫復(fù)合板的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)能保溫要求及外墻設(shè)計(jì)、施工、材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)是：探索研究開(kāi)發(fā)新一代斷橋夾芯保溫板，即將保溫材料復(fù)合在里外兩層鋼筋混凝土板中，制成帶外飾面的混凝土復(fù)合保溫外墻板。其關(guān)鍵是要研究連接里外兩層鋼筋混凝土板的連接構(gòu)造及其對(duì)保溫性能的影響。

  3.1 改進(jìn)方案之一：采用金屬連接件技術(shù)的夾芯保溫

  借鑒歐美地區(qū)預(yù)制夾芯保溫板的斷橋構(gòu)造方式，采用金屬連接件連接內(nèi)外層混凝土板，完全取消板及窗洞口周邊的混凝土肋，通過(guò)適當(dāng)加大保溫材料厚度來(lái)滿(mǎn)足外墻的保溫要求。對(duì)兩種60mm厚聚苯乙烯泡沫板夾芯混凝土復(fù)合墻板的保溫性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：由于鋼連接件存在熱橋，部分熱量通過(guò)鋼連接件傳遞，造成夾芯板的保溫性能顯著降低。分析得知，連接鋼筋可以使保溫性能降低10%～20%。由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)是保溫材料的1500倍左右，在計(jì)算夾芯板的熱阻值R時(shí)，應(yīng)充分考慮連接件所造成的熱損失。

  為了提高夾芯板的保溫性能，我國(guó)北方嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)的預(yù)制外墻必須采用取消板和窗周邊的混凝土肋的設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)盡量減少貫通保溫材料的抗剪鋼筋面積或增加保溫材料的厚度。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)分析得知，北京地區(qū)可采用在50mm厚外層混凝土板和90mm厚內(nèi)層混凝土板之間復(fù)合80mm厚發(fā)泡聚苯乙烯保溫夾芯的墻板來(lái)實(shí)現(xiàn)65%的節(jié)能要求。

  3.2 改進(jìn)方案之二：采用非金屬連接件技術(shù)的夾芯保溫

  試驗(yàn)表明，連接件改用非金屬材料會(huì)明顯降低連接件的熱橋效應(yīng)。目前，北京榆構(gòu)有限公司正在與澳大利亞Composite Systems Pty Ltd 公司合作開(kāi)發(fā)采用非金屬材料制成的剪力釘來(lái)連接兩層混凝土板的新型外墻技術(shù)———Thermomass 建筑絕熱系統(tǒng)。 這是一種新型預(yù)制混凝土墻體保溫系統(tǒng)，由復(fù)合增強(qiáng)纖維連接件和擠塑板保溫材料構(gòu)成，連接件兩端為鴿尾狀錨固端，中間為聚苯乙烯模套，使用時(shí)將兩端插入混凝土中錨固。國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心提供的檢測(cè)報(bào)告表明：該系統(tǒng)的物理力學(xué)性能達(dá)到并超過(guò)了纖維增強(qiáng)復(fù)合連接器在混凝土中錨固的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。非金屬連接件的構(gòu)造和施工見(jiàn)圖3、圖4。

  非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，可大幅降低兩層混凝土板之間連接的熱傳導(dǎo)， 兩層板之間的保溫材料厚度減少到50mm（XPS） 就可以達(dá)到北京地區(qū)65%的節(jié)能要求。經(jīng)檢測(cè)，該系統(tǒng)的熱阻值R 可達(dá)到1.7㎡·K/W，傳熱系數(shù)K 可達(dá)到0.54W/（㎡·K）。

  采用Thermomass 建筑絕熱系統(tǒng)可以消除采用金屬連接件80%以上的熱損失， 表明該系統(tǒng)具有優(yōu)異的保溫性能，有效解決了金屬連接件的熱橋問(wèn)題，并且具有較好的耐火、耐高溫性能。該技術(shù)是我國(guó)未來(lái)復(fù)合保溫墻板的發(fā)展方向。

  目前，Thermomass 建筑絕熱系統(tǒng)已在天津東麗湖工業(yè)化住宅工程中應(yīng)用。該工程為三棟11 層工業(yè)化住宅，建筑總高為33.25m，采用框架結(jié)構(gòu)外掛板體系建造，總面積為1.8萬(wàn)㎡。外墻采用清水混凝土復(fù)合保溫板， 標(biāo)準(zhǔn)墻板的尺寸為2875mm （高）×3250mm（寬）。復(fù)合板總厚度為210mm，內(nèi)層為110mm 厚的鋼筋混凝土板，保溫層采用50mm 厚的擠塑聚苯板，外飾面層為50mm 厚的鋼筋混凝土板。內(nèi)層混凝土板通過(guò)使用Thermomass MS 系列玻璃纖維復(fù)合材料連接器承擔(dān)飾面層的荷載。該外墻板的構(gòu)造見(jiàn)圖5。

  3.3 改進(jìn)方案之三：采用預(yù)制混凝土外模板技術(shù)的夾芯保溫

  采用預(yù)制混凝土外層面板作為外模板，在預(yù)制板內(nèi)側(cè)放置保溫材料，通過(guò)拉結(jié)螺栓與內(nèi)模板連接，現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土剪力墻形成裝配整體式保溫板，見(jiàn)圖6。該技術(shù)適宜在抗震要求較高地區(qū)的高層建筑中應(yīng)用。目前，日本、香港等國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用較廣，在我國(guó)的應(yīng)用可追溯到1995年建成的北京國(guó)際俱樂(lè)部擴(kuò)建工程。

  3.4 改進(jìn)方案之四：采用預(yù)制混凝土夾芯保溫承重外墻板

  采用預(yù)制混凝土夾芯保溫承重外墻板，如圖7所示。墻板內(nèi)側(cè)以混凝土板作為承重結(jié)構(gòu)層，厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定，一般為160mm～200mm；保溫層及連接件可采用Thermomass 建筑絕熱系統(tǒng)；外層以混凝土板作為裝飾面層，通過(guò)連接件連接在結(jié)構(gòu)層上。該方案可以最大限度地實(shí)現(xiàn)預(yù)制混凝土外墻的承重、圍護(hù)、保溫、裝飾等性能的系統(tǒng)集成。在外墻板四周，可根據(jù)要求合理設(shè)置連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制外墻的整體性和抗震要求。該體系在北歐及日本的集合住宅中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。該體系研究已列入我國(guó)工業(yè)化住宅體系研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目， 并已建成北京萬(wàn)科工業(yè)化實(shí)驗(yàn)樓項(xiàng)目。

  4、結(jié)語(yǔ)

  本文述及的預(yù)制混凝土節(jié)能外墻新技術(shù)，主要是以普通混凝土為主，如果能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)輕骨料混凝土預(yù)制外墻產(chǎn)品， 其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。這是因?yàn)榛炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)取決于容重，采用輕骨料混凝土制作墻板，容重小，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之減小，熱阻值會(huì)增大。將相同厚度混凝土的容重從2400kg/m3 降到1800kg/m3，其熱阻值可增加10%左右。因此，預(yù)制混凝土外墻板宜采用輕骨料混凝土制作，減輕重量的同時(shí)還可以有效提高保溫性能。

  目前，外墻保溫技術(shù)是節(jié)能工作的重點(diǎn)，建筑節(jié)能必須以發(fā)展新型節(jié)能體系為前提。隨著我國(guó)建筑工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展，預(yù)制混凝土外墻保溫技術(shù)的優(yōu)越性日益凸顯，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)新型預(yù)制混凝土節(jié)能體系的研究開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用， 真正地實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化高效、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。