被动式建筑关键围护结构设计与施工研究

姬江峰

（中铁三局勘测设计分公司， 山西 太原 030001）

应对气候变化已经成为全球面临的最严重的挑战之一。据统计，全球建筑领域蕴含着70%左右的碳减排潜力。因此，绿色建筑理念不断被越来越多的国家重视。被动式建筑起源于德国，是绿色建筑的重要分支，目前在世界各国中发展迅猛。在欧洲，被动式建筑正在以每年8%的速度递增，2020 年欧盟27 个国家将实现被动式建筑标准建设全覆盖。发展绿色低碳的被动式建筑也是我国建筑节能发展的必由之路。但是目前我国被动式建筑还处于起步阶段，在设计、施工和运营中也存在着诸多问题。本文就是结合实际经验从被动式建筑在设计施工过程的遇到的问题入手，在被动式建筑的窗户、墙体、热桥等关键围护结构技术细节方面进行研究。

1 被动式建筑的概念

1.1 被动式建筑的定义

被动式建筑的概念首先起源于德国，主要是通过对建筑物自身的朝向、布局、外围护结构进行设计以及可再生能源利用等技术手段来实现建筑室温常年维持在20-26℃，湿度维持在40%-60%，实现“恒温、恒氧、恒湿、低噪”的建筑，建筑节能率能够达到92%以上，能耗仅为普通住宅的1/10[1]。

1.2 被动式建筑的技术实现手段

被动式建筑一方面通过对建筑朝向、遮阳条件、建筑围护结构等保温隔热条件进行设计，另一方面在采暖和制冷过程中不使用或者尽量少使用石油、煤炭等传统化石能源，而是充分利用地热能、太阳能、电器废热、人体散热等能源，并尽可能采用自然采光和通风等方式，进而大幅降低建筑能耗[2]。

图1 被动式建筑技术手段示意图

2 被动式建筑关键围护结构的设计施工要点

被动式建筑建设的核心在于细致的设计施工，施工过程中形成的即使是微热桥都可能会损坏建筑的良好的气密性和隔热性能。因此，被动式建筑的外围护结构设计施工是建筑节能的关键[3]。

被动式建筑的技术思路关键在于保证其气密性和保温隔热性能。第一，确保建筑的高气密性。被动式建筑作为一个相对独立和最大限度不受外界干扰的密闭环境系统，其外围护结构必须能够隔绝室外对室内环境的影响。第二，通过优化建筑窗户、门、外墙等位置的密闭性进一步确保外围护结构的保温隔热性能。所以，被动式建筑需要对建筑施工关键部位的质量进行严格控制，进而实现其良好的保温隔热性能和气密性能，主要包括建筑气密性处理、墙体处理、门窗处理、热桥处理等方面。

2.1 气密性处理

在建筑外围护结构设计施工过程中，应提早确定并设计建筑气密层，确保外围护结构可以完整包围住建筑。按照经验，建筑气密层通常设置在墙内侧，同时起到隔汽的作用。另外，墙内管线穿透处是气密性防护的最薄弱环节，因此在设计阶段必须尽可能减少构件及管线穿透墙体的数量。如果不能满足这一条件，必须精细化设计并确保施工质量。按照经验，通常做法为：墙内线路尽可能捆绑在一起安装，同时禁止在外墙上安装插座等部件。如果必须安装的话，应采用埋入式插座盒，并完全埋在石膏泥中，否则一旦中断会出现漏电情况。

同时，对于实心墙体来说，气密层通常也位于墙内侧，抹灰层具有气密层作用，墙体上不同构件的连接须保证建筑具有良好的气密性。另外，不同温度性能的构件由于热胀冷缩而产生不同程度的裂缝现象。因此构件与实心墙体连接处需要采用胶带及软管密闭连接，让其相对运动有圆滑的过渡。采用软管密封时，宽度不得超过10mm，且确保具有弹性，填缝处保持可视，以便于检修。

2.2 窗户处理

窗户始终是外围护结构中极易产生热损失的薄弱环节。因此，窗户构造合理与否对建筑节能效果会产生直接影响。窗户保温性能主要取决于窗框材料、窗户类型及玻璃的选择。

（1）加强窗框的保温性能

除窗户玻璃会产生热损失外，不具备保温结构的窗框的热损失也非常大，经试验，不具备保温结构的窗框热损失占窗体总热损的40%左右。常规窗框的传热系数为k=2W/m2·K 左右，是三玻保温窗的两倍多，因此，被动式建筑必须安装保温性能良好的窗框。

由于金属窗框传热系数较大，因此产生的热损失较高，如果这种窗框在被动式建筑中使用，需要对其进行保温处理。保温性能良好的窗框有 “木+高强度聚氨酯+聚氨酯+高强度聚氨酯+木”和“木+软木+木+软木+木”等结构。

（2）适当增加窗扇层数

通过采用三层充有稀有气体的玻璃体，来降低窗体传热系数。单扇窗传热系数较大，而多层窗扇会在玻璃中间形成气层，进而提高窗体的保温性能。同时，应该注意到，当被动式建筑采用多层窗扇时，通常内层设置严密，而外层窗扇和窗框之间则留有一定空隙，便于冬季水蒸气经由缝隙向室外扩散。相反，如果内层不严密，外层相对严密，则大量水蒸气会在窗户中结露或者结霜，影响建筑的采光和美观。

（3）确保窗体的气密性

为了降低窗体的传热系数，要防止窗框与墙、窗体之间产生缝隙，进而有效降低由于室内外空气交换引起的热损失。在实际施工过程中，保证窗体气密性一般是采用密封性好、镶嵌牢固的橡胶条和塑料条进行密封。

（4）玻璃窗体选取

玻璃的特性对建筑室内的采光和采暖影响极大，因此被动式建筑应采用热阻较高的两层或三层中空玻璃窗。该玻璃窗由玻璃和空气层组合而成，空气间层内部充入氩气等稀有气体，增加其热阻，同时保温隔热和隔声性也有了大幅提高。或者采用不同的镀膜玻璃和普通玻璃组合使用，组合后的玻璃不仅有隔热、隔音、美观等优点，而且降低了建筑采暖的能耗量。

表1 被动式建筑和节能65%普通建筑的窗户配置对比

2.3 墙体处理

由于外墙外保温方式具有提高外墙内表面温度，即使室内温度降低，也会有良好的室内舒适度；同时外保温结构内部的实体墙受到保护，使墙体温度变化较为平缓，热应力小，延长墙体寿命等优势，被动式建筑通常采用外墙保温方式。窗户、檐口等安装节点和采暖地下室外墙外保温实心墙体与楼板连接，除窗户区域外，保温层是相通的，不会出现明显热桥。通常情况下，外保温墙体采用轻质砌体和辅助保温的实心墙体，大多数情况下，采用加气混凝土、轻质混凝土或者空心砖。因为此类材料导热系数低，而抗压强度较强，即在相同传热系数下，外墙外保温厚度可减小。另外，也可采用保温一体化大型预制构件组成的实心墙体，车间粘贴好的外保温钢筋混凝土或轻质混凝土墙板预制构件在市场上被广泛应

用，优点是出厂前已经检测过重要节点的性能，施工中可以直接采用绝大多数细部节点构造处理方式，降低施工难度[4]。

表2 被动式建筑外围护结构建材要求

2.4 防热桥处理

建筑围护结构中热损失较大的部位在于热桥。当室内外温差较大时，热桥部分就会产生热流密度大等状况，增加建筑内部热损。因此，在保证被动式建筑具备良好的保温隔热效果的前提下，尽量避免热桥的产生。例如，在外墙穿管道的地方，应用保温材料进行充分填堵；联通内外的结构锚固处，要有阻断热桥的处理手段；窗户连接处的热桥可以沿着洞口在窗框上覆盖完整的保温层，将其包裹在保温层内，达到有效控制热损的目的[5]。

3 结论

通过上文对被动式建筑围护结构关键技术节点设计的分析，可以看出，被动式建筑并不是一种高新技术堆砌的建筑，其成功与否的核心在于精细化的设计与施工。因此，在被动式建筑施工过程中必须注意如下技术细节：

（1）高度重视抹灰对提高建筑密封性的重要作用，确保建筑基墙、门窗洞口进行连续抹灰处理；电配箱等在安装前应进行抹灰，安装后留存的缝隙和槽口应用灰浆填实；防止诸如电线管穿透等密封平面穿透现象，还需采用专门构件连接和密封处理或设置专门的安装平面。

（2）加强窗框的保温性能，应采用热阻较高的两层或三层中空玻璃窗。在实际施工过程中，保证窗体气密性一般是采用密封性好、镶嵌牢固的橡胶条和塑料条进行密封；

（3）避免结构性热桥，建筑表面的突出构件应采用保温材料完全包裹或不同主体结构之间隔断并进行保温隔热处理，从而最大限度减小热桥影响[6]；

（4）采用金属构件当做外墙设施的连接件时，禁止金属支撑构件直接穿透保温层，设计前应事先预留金属构件的安装部位。金建筑表面的突出构件应采用保温材料完全包裹或不同主体结构之间隔断并进行保温隔热处理，避免产生热桥。