既有高层办公建筑外立面改造节能技术研究——以济南市历下政务大厦为例

崔艳秋，刘筱，魏瑞涵

(1.山东建筑大学 山东省建筑节能技术重点实验室，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东 济南 250101)

0 引言

山东省是能源消耗大省，既有民用建筑面积有10.6 亿m2，其中95%以上是非节能建筑，单位面积能耗比同气候条件下发达国家高2～3 倍［1］，其中既有建筑中办公建筑能耗巨大，是普通居民住宅的10～20 倍，且既有建筑中外围护结构的热工性能较差，通过外墙的热损失约占外围护结构总能耗的48%，因此做好既有高层建筑的节能改造，尤其是建筑外墙的节能改造，对推动建筑节能工作具有重大意义［2－3］。本文结合济南市历下政务大厦的立面改造工作，对既有高层办公建筑的外墙进行了相关节能改造技术研究和实践。

1 工程概况

济南市历下大厦为20 世纪90年代中期设计建设的高层办公建筑(图1)，总建筑面积为43655m2，地上26 层，地下2 层，总高为92.1m，建筑结构类型为框架剪力墙结构。历下大厦原外墙饰面三层以上主要是外墙涂料，经过十余年的使用发现，外墙已明显出现漆面褪色、掉色;漆皮起鼓开裂;甚至局部也已出现脱落，且脱落后露出底层水泥的颜色(图2)，与主体墙面的差异较明显，其立面效果十分影响政府办公建筑的形象和美观。因此，业主决定对其实施外立面更新改造。

图1 历下大厦原貌

图2 历下大厦外墙照片(局部脱落)

通过多次论证，历下大厦外立面的改造方案，在尊重原建筑的风格特点的基础上，进一步突出了立面高耸挺拔的外型特征，确定的改造方案为图3。其外立面实墙部分采用外挂铝板饰面，原窗部分改为可开启的玻璃幕墙，铝板与玻璃在同一立面上形成了组合幕墙，外观形式上突出了虚实对比，充分展现了办公建筑的庄重、大气，立面效果焕然一新。

图3 历下大厦新貌

2 外墙节能改造思路和方法

为贯彻《山东省公共机构节能管理办法》中关于“公共机构既有建筑进行改建、装修、加固时，必须同时考虑节能改造的内容，同步设计，同步施工”的规定，结合历下大厦的外饰面改造工作，探讨同步实施保温节能改造的思路和方法。不仅可美化建筑立面效果，同时也可进一步改善外墙的热工性能，减少建筑能耗，从而符合国家相关政策要求。

2.1 外墙节能现状分析

该建筑原外墙主体部位构造做法如图4，通过计算得知各部位传热系数见表1。从表1 可以看出，该工程外墙主体部分的传热系数为2.174 W/(m2·K)，远高于J1078—2006《公共建筑节能设计标准》中规定的外墙传热系数的标准限值0.60 W/(m2·K)，因此，通过外墙损失的能耗很大。

图4 建筑外墙主体部位构造做法

表1 外墙主体部分传热系数计算表

该墙体在外饰面改造的同时应同步进行保温节能的改造。

2.2 保温方式的选择

目前可选择的保温改造方式主要有内保温和外保温［4］。对于既有高层建筑来讲，选用内保温改造方式，将会占用室内的使用面积，不利于室内装修，给安装空调、电话及其他饰物带来不便;且在施工中会影响用户正常的办公使用;同时还会使内隔墙和楼板处的保温层出现断点、产生热桥，加大墙体热损失;此外局部墙体内表面温度较低，将影响房间的舒适度甚至会引起结露现象［5］;因此，对于该工程来说，为满足施工期间业主的正常办公需求，有效防止冬季外墙内表面潮湿、结露;并且不减少室内的使用面积，有利于房屋内部的装修以及设备的钉挂;还考虑到为实现该建筑立面效果，而采用的骨架装配式墙面改造系统的特点等问题，宜选择外保温方式对该外墙实施保温节能改造。

2.3 保温材料的选择

近几年，山东省常用的建筑外墙保温材料主要包括三大类，一类是无机保温材料，以岩棉、玻璃棉为主;保温性能良好，自身不存在防火安全问题。第二类是有机无机复合保温材料，以胶粉聚苯颗粒保温砂浆为主，胶粉聚苯颗粒在受热时，通常包含的聚苯颗粒会软化并熔化，但不会发生燃烧，通常认定为难燃性材料;第三类是有机保温材料，以热塑性聚苯乙烯泡沫塑料和热固性聚氨酯硬泡为主，聚苯乙烯由炭氢元素组成，极易燃烧;聚氨酯硬质泡沫内部发泡体本身的厚度较薄，切开后暴露在空气中的表面积相对较大，与密实材料相比，在受火状态下更容易分解并燃烧［6］。因此，基于历下大厦外立面选择的干挂铝塑板饰面，从构造上应避免采用第二类湿作业施工的保温材料，而可选用岩棉、玻璃丝棉及聚氨酯硬泡为保温材料。其主要技术性能比较参见表2。

表2 保温材料技术性能对比表

由表2 可看出，三者的热工性能指标均较好，尤其聚氨酯硬泡的导热系数最低，热工性能最优越。但鉴于近几年，外墙外保温工程引发的火灾频繁，在外墙外保温工程中大量使用的有机保温材料，其遇火时使火灾迅速蔓延，同时释放出大量的烟、毒气和热量，将严重危害人们的健康和生命安全，如在北京、上海、沈阳等城市曾造成重大事故。而对于既有建筑的改造工程中，往往是在室内人们正常使用着的情况下进行施工，一旦火灾发生，更会造成重大损失。在选择本方案外墙外保温材料时，其防火问题是业主最为担心和关注的。因此，从防火方面考虑，应首选无机保温材料，即可选用岩棉或玻璃丝棉，为A 级不燃材料。其在施工和使用过程中自身不存在防火安全问题。另外，玻璃丝棉的纤维韧性大，且潮湿环境下稳定性好，在施工过程中相对安全，且其性能上比岩棉容重低、渣球含量少、导热系数低、使用年限长，并且不产生有害气体;且具有良好的抗老化性能、降噪性能，以及保温隔热性能，因此，综合以上防火、施工及保温性能等因素，该外墙选用了玻璃丝棉作为保温材料。

总之，为保证改造效果，结合墙面改造方案及外墙热工现状，做好保温方式、材料的选择将成为满足外墙节能要求的重要因素［7］。

3 外墙改造节能构造技术研究

该建筑立面改造采用了骨架装配式墙面系统，该系统主要由龙骨、铝塑板及保温材料等组成。为进一步保证建筑效果以及外墙节能要求，做好该系统的细部构造设计成为关键因素。

3.1 系统的连接与固定

为了保证改造工作的结构可靠性、安全性，增强系统中金属件的耐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐热性，该系统选用的龙骨、支座和紧固件均经过了镀锌处理，强度较高的自攻螺钉也经过了阳极化处理;在墙面保温层的施工方式上，考虑到原墙表面局部已出现脱皮、裂缝等现状，为尽量减少对原墙面的基层处理工序，采用了在原墙面与铝塑板之间以锚固钉挂玻璃丝棉的构造方式。另外，为了保证幕墙安装的牢固性，首先在墙面上安装轻钢龙骨及其支撑体系，即用自攻钉将龙骨固定于建筑的圈梁上，然后在龙骨间固定保温玻璃丝棉、铝箔，再采用自攻螺钉将铝塑板固定在轻钢龙骨上作为饰面覆盖层，构造如图5所示。另外铝塑板之间全部采用了弹性材料耐候胶密封，安装可靠、密封性能好、抗风压性能好，从而提高了墙面系统的保温性、耐久性和整体性。

3.2 细部节点设计

在历下大厦的立面改造过程中，细部构造设计是保证改造后建筑美观、建筑安全的关键因素，也是保证节能效果的重点，其中外立面的阳角、阴角、窗洞口、勒脚等部位均需进行特殊处理。

图5 保温系统总体构造层次

(1)由于保温系统的阴、阳角容易出现因保温材料连接不当造成的保温漏洞，容易产生墙面热桥的现象，所以在该建筑保温系统施工过程中，阳角和阴角处玻璃丝棉板应采用如图6a、图6b 所示的拼装方式，该部位在构造上做到了整体包覆，消除了热桥，转角处的L 形一体板，不仅保证外墙面转折处无缝隙，不易受损，同时也使立面效果更加美观和坚固。

(2)由于立面窗洞口处保温材料需断开，为防止水分渗入，此处玻璃丝棉需要特殊的防水构造设计(图6c)，在窗洞口的终止处设计铺设了防水密封材料及铝箔加强保护层，从而保证建筑整体的保温效果。

(3)在勒脚处的底部收口部位，为了避免保温材料受潮，降低保温性能，设置了网孔收口板(图6d)，使进入幕墙内部的潮湿空气能够迅速地通过循环的对流空气排出去，以保持外墙面的干燥，保证建筑整体的保温效果。同时也可使金属板装饰内外层实现等压，减少了板面所承受的风荷载压力，使墙饰面系统更加美观和坚固。

图6 细部节点构造详图

4 结语

高层办公建筑的外饰面改造的同时实施节能改造技术在山东省尚处于(探索)起步阶段，目前尚存在许多空白和技术难点。本文以济南市历下大厦的外墙立面改造工程为例，综合建筑的美观要求以及节能要求，提出了高层办公建筑外墙节能改造的思路和方法，根据工程实际情况，选择了合理的保温系统，重点研究了该保温系统中阳角、阴角、窗洞口及勒角这些关键部位的细部节点设计方法的构造做法，并针对每个细部节点经常出现的问题，提出了解决措施，从而保证了建筑整体的美观及节能效果。本文为高层办公建筑的外墙节能改造工作提供了技术参考。

［1］山东省墙体材料革新与建筑节能“十一五”发展规划［R］.山东省建设厅，2007.

［2］清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］杨杰.建筑外墙外保温技术体系发展分析［J］.山东建筑大学学报，2010，25(1):70－73，84.

［4］马保国.蹇守卫，邹定华.外墙外保温应用技术［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［5］张文江，冯谦.EPS 外墙外保温结露隐患的分析及应对策略［J］.建筑节能，2007，35(8):18－19.

［6］JGJ144—2004，外墙外保温技术规程［S］.

［7］张学恒，刘筱，赵成光.济南EPS 板外保温工程存在问题及防治对策［J］.山东建筑大学学报，2009，24(5):468－471.