超低能耗建筑装配式夹芯保温板一体化施工技术

王大禄 张创业 秦一飞 顾 杰 郭云贺

1 研究的必要性

为了有效解决全球变暖、环境污染、高能耗等问题，节能减排已成为世界各国的普遍策略。工业生产、交通、建筑业是我国能源消耗的主体，根据国际能源组织的统计，我国建筑能耗占全球能源消费的32%[1]。

本项目拟针对我国各区域的气候特点，充分发挥当地自然资源的优势，采用不透光的高保温和高强度的窗户、无热桥的结构、优良的气密性、高效的新风热回收等措施，最大限度减少建筑的冷热负荷，尽可能利用可再生能源，实现节能降耗的目标。同时，对外墙围护结构提出无热桥、高保温、低热负荷的要求，以便节约资源，获得更加健康、舒适的室内环境。其中，无热桥设计，可以最大限度抑制周边保护结构节点处的集中热流对建筑的导热作用，也是目前国内外研究的热点和难点问题。

在施工过程中，拼装结构具有质量好、工期短、节能环保及造价低等特点。被动式超低能耗技术与装配式技术相组合，能够充分发挥2 者的技术特性，从而达到技术集成、优势互补的目的。另外，以预制构件为围护结构，具备高密闭的气密性、舒适的室内环境以及保温隔热效果良好等优点[2]。将被动超低能耗建筑与装配式建筑技术相结合，亟须解决装配式和超厚型隔热材料这2 大难题。由于建筑外墙所产生的能量在建筑能耗中所占比重超过85%，因此如何提高外墙的保温性能是建筑节能的关键。

2 装配式夹芯保温板一体化技术的研究

2.1 基本理论

在组装式建筑墙体技术的开发中，其所涉及的保温分项工程都在厂家进行。基础墙体要具备一定的承载能力，挤塑式聚苯乙烯隔热保温板（Extruded Polysty Panel，XPS）板 用来增加墙体的保温隔热性，防火系统用来预防保温系统发生火灾，自清洁涂料用来清洁墙体表面并防止雨水侵袭，柔性饰面板用来改善外观，将以上多种功能进行统一化，便形成了一体化墙板[3]。

装配式建筑预制混凝土夹心保温墙外饰面采用调制好的光面混凝土，其与石材、铝板、真石漆等外饰面材料相比，具有较强的价格优势和施工优势，能够极大的降低建筑的建造成本。在水泥中加入适量的添加剂和细骨料，能够使混凝土拥有多种颜色。利用反模等模具，能够让混凝土立面的纹理呈现出多样化。作为建筑师，应该从审美的角度设计立面墙板，充分体现建筑立面的多样性，提升混凝土夹心保温墙的保温效果。

2.2 建筑外保温组合结构

预制外墙夹心保温墙板为“三明治”结构，由里向外分别为内叶墙、夹心保温层和外叶墙。预制的内叶墙和夹心保温层不能单独发挥作用，而是通过连接件形成一个整体。夹心保温层一般由XPS、泡沫聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯板等组成。

在进行预制夹心保温墙板施工时，提前将夹心保温材料填充到内外叶墙体之间，形成一套高效的围护结构保温体系。这种施工方式可以极大的提升外墙的安装效率，达到节约成本的目的[4]。

2.3 集成装饰、防火、防水、自净技术的组合建筑外墙

在集成式墙体系统中，块状墙体板的设计主要依靠XPS 板分仓的消防系统来实现。在实际应用中，需要对块状墙体板周边采用防火带进行加强。在基于XPS 面板与阻火条构造的分仓消防系统中，可利用XPS 面板有效分割空间。一旦失火，XPS 电路板就能起到密封作用，控制火势，将CO2阻挡在外，起到自动扑灭的作用。

为了改善墙壁的美观，采用胶粘法进行柔性装饰，该涂层具有良好的防水、装饰和清洁性能。自清洁涂层的组成比较复杂，包含苯丙乳液、硬脂酸盐等，可广泛应用于工业生产，在不同工序中所表现出来的颜色及装饰效果也存在较大差异。

3 外墙保温、隔热系统的类别

3.1 外墙自保温系统

外墙自保温系统指的是由具有优良保温隔热性能的单一材料构成的墙体，目前应用最广泛的是加气混凝土砌块、多孔砖和轻集料混凝土砌块等。这种墙体将维护与保温融为一体，不需要附加额外的保温隔热材料，能够同时满足建筑和节能的需要。但是该类墙体的强度较低，仅能作为非承重构件使用，且受限于材料的导热性，其隔热性能难以有效降低，无法大规模应用。

建筑外墙采用内衬保温系统是建筑节能的一种常规方法，该方法简单，成本较低，耐久性较好，施工方便，但在局部温度较高的情况下，极易形成结露。装配式外保温通过在梁、柱等部位填充阻燃材料，保证内部保温层连续，有效解决梁板柱、洞口等部位易形成热桥的难题，并通过对预制外挂板进行反向加压处理，达到提高外保温耐久性的目的[5]。

3.2 建筑外墙的内衬隔热系统

外墙的内衬隔热系统是指在建筑外墙的内侧采用聚乙烯泡沫板、保温砂浆等保温材料，以实现墙体的保温隔热。该系统的施工相对比较简便，生产效率高，且因放置在室内，因此不需要太高的技术指标，例如防水、耐久性等。

但该系统对室内空间的要求较高，梁柱部位未进行隔热处理，易形成冷热桥，冬天易出现结露、发霉等现象。同时，该系统将主体结构直接暴露于自然条件下，易因长时间受力而产生裂纹，影响其耐久性。

3.3 外墙外保温系统

外墙外保温是指在建筑外墙贴上保温材料，实现墙体的保温隔热。与其他系统比较，该系统的优点有如下3 个方面：第1，保护主体结构，提高了建筑的使用寿命；第2，基本消除热桥效应，有利于维持室内环境的稳定性；第3，避免因装修而损坏保温材料，增大建筑的使用面积，同时也极易对已有建筑进行节能改造。

该系统对保温材料的导热率、耐久性、热稳定性和阻燃等方面提出了更高的要求，但是在我国部分建筑物中，因保温材料的耐火能力差而导致火灾频发，严重限制了该系统的推广应用。

3.4 外墙板夹心式隔热系统

夹芯墙由内叶墙、外叶墙、中间的保温层以及连接三者的连接件组成。通常情况下，内叶墙用作承重结构，外叶墙用作维护结构，夹芯墙是目前唯一的一种集承重、保温、维护或装饰为一体的新型墙体。该墙体的主体结构位于隔热层的内侧，能够确保其耐久性。隔热层位于外叶墙的内侧，能够提升其防火性能。因此，应大幅增加隔热层的厚度，以达到超低能耗对外墙导热系数的要求[6]。

3.5 夹芯隔热系统

根据内、外叶片混凝土板之间剪力的传递情况以及连接件的使用形式，将夹芯外挂板划分为装配式、非装配式和部分装配式3 个大类。

对非组合夹心墙板而言，外部叶片仅起到装饰和保护的作用，并不与内部叶片发生直接接触，其自重主要通过连接件传递到内部叶片，而内部叶片则承担了整个墙体的受力。为此，本项目以非组合夹心墙板为研究对象，将外叶片墙板作为外部装饰层，其受力形态独立，与内叶片承重墙的联系不大，二者互不干涉。而对于具有较高节能性能的组合式房屋，其绝热性能将比常规房屋的绝热性能更好。

以EPS 保温材料为例，常规建筑中该材料厚度一般为50 ～100 mm，而在极低能耗建筑中，该种材料的厚度需达到200 ～300 mm。因此，连接内、外叶片式墙板的节点，不仅要具备较高的抗拉、抗剪性能，还应具有较高的弹性、韧性。

3.6 连接件

连接件是夹芯式墙板节点的关键部件。在实际工程中，可以从外部叶片墙体所受的垂直力来判断墙体节点的剪切状态，而所受的水平力可归结为面外弯矩和节点的拉拔问题。因此，墙体连接处对内外叶片的约束能力的大小可直接反映出墙体结构的性能。常规的连接方式是将内、外叶片混凝土直接穿入绝缘层，在绝缘层上留有孔洞，破坏了绝缘层的连续性，产生了“冷热桥”效应。

从结构上看，节点对墙体的强度有一定的保障，但其节能效果也会受到一定程度的影响，进而影响墙体的保温节能效果。目前，在工程中使用最多的是2 种类型的连接―纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）连接、不锈钢连接。相对于不锈钢节点，FRP 节点强度更高、隔热性更好，热导率只有不锈钢节点的约1/3，可有效避免“冷热桥”现象，显著提高墙体的保温效果。

4 装配式夹芯保温板一体化建造工艺在工程中的应用

4.1 ALC条板在装配式建筑外保温中的应用

蒸压轻质混凝土（Autoclaved Lightweight Concrete，ALC）条板，结合保温装饰一体的外墙围护系统，具有保温性能优良、装饰丰富、耐久、防开裂及防水效果好、施工速度快等显著优势，是装配式钢结构住宅外围护系统中使用最广泛的一种。最常用的保温装饰一体板，通过粘锚结合的方法固定在条板上，并使用保温嵌缝材料进行补缝。

4.2 PC外挂板在装配式建筑外保温中的应用

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）外挂板使用夹芯保温外挂板，它的组成成分为内外叶墙板、夹心保温层、连接件及饰面层。PC 外挂板的保温层提前被整合在外墙板中，并在工厂进行装配。PC 外挂板对主体结构的安装精度和施工吊装设备的要求都比较高，它与主体结构之间采用柔性连接方式，连接节点具备足够的承载力和适应主体结构变形的能力。

4.3 SLK点连内置保温体系的应用

目前，在建筑减碳领域，被动式超低能耗建筑是世界上较为先进的节能建筑。利用高效气密系统、一体化保温系统、智能环境一体机系统、高性能超低能耗被动窗和被动门系统、外遮阳系统等高新技术，达到节能减排的效果。尤其是系统性集成技术，可以节约90%以上的能耗。

传统的超低能耗建筑隔热材料多采用两层式的粘锚法，不仅对施工管理提出了很高的要求，而且还存在脱落引发火灾等安全问题，长期制约着该产业的健康发展。为了消除隐患，SLK 点连内置保温体系（图1）省略了主体浇筑后还要进行双层保温施工，达到保温与结构一体化施工的目的，完全解决了传统超低能耗建筑外墙保温施工过程繁琐、速度慢、管理成本高、不适用于高层建筑、存在脱落着火等安全隐患的问题。SLK 点连式内保温系统模式是将保温材料的一面与镀锌丝焊接在一起，采用装配式的设计理念，在工厂进行构件预制。构件运至工地后，将钢丝网复合保温板放置在浇注主体的钢筋外部并进行搭接，再插入断桥接头，即可完成内保温墙的封模、浇注等工序。

图1 SLK 点连内置保温体系（来源：网络）

5 结语

超低能耗夹层墙体是一种集超低能耗与组合建筑于一体的新型墙体，具有安全、舒适、施工周期短、造价可控及施工过程对周边环境影响小等优点，能够适应国家节能减排的要求。在建筑减碳方面，超低能耗被动型建筑是当前国际上比较先进的一种建筑形式，其系统性的集成技术可以节约耗能90%以上。