被動式建筑關(guān)鍵圍護結(jié)構(gòu)設計與施工研究

姬江峰

（中鐵三局勘測設計分公司， 山西 太原 030001）

應對氣候變化已經(jīng)成為全球面臨的最嚴重的挑戰(zhàn)之一。據(jù)統(tǒng)計，全球建筑領域蘊含著70%左右的碳減排潛力。因此，綠色建筑理念不斷被越來越多的國家重視。被動式建筑起源于德國，是綠色建筑的重要分支，目前在世界各國中發(fā)展迅猛。在歐洲，被動式建筑正在以每年8%的速度遞增，2020 年歐盟27 個國家將實現(xiàn)被動式建筑標準建設全覆蓋。發(fā)展綠色低碳的被動式建筑也是我國建筑節(jié)能發(fā)展的必由之路。但是目前我國被動式建筑還處于起步階段，在設計、施工和運營中也存在著諸多問題。本文就是結(jié)合實際經(jīng)驗從被動式建筑在設計施工過程的遇到的問題入手，在被動式建筑的窗戶、墻體、熱橋等關(guān)鍵圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)細節(jié)方面進行研究。

1 被動式建筑的概念

1.1 被動式建筑的定義

被動式建筑的概念首先起源于德國，主要是通過對建筑物自身的朝向、布局、外圍護結(jié)構(gòu)進行設計以及可再生能源利用等技術(shù)手段來實現(xiàn)建筑室溫常年維持在20-26℃，濕度維持在40%-60%，實現(xiàn)“恒溫、恒氧、恒濕、低噪”的建筑，建筑節(jié)能率能夠達到92%以上，能耗僅為普通住宅的1/10[1]。

1.2 被動式建筑的技術(shù)實現(xiàn)手段

被動式建筑一方面通過對建筑朝向、遮陽條件、建筑圍護結(jié)構(gòu)等保溫隔熱條件進行設計，另一方面在采暖和制冷過程中不使用或者盡量少使用石油、煤炭等傳統(tǒng)化石能源，而是充分利用地熱能、太陽能、電器廢熱、人體散熱等能源，并盡可能采用自然采光和通風等方式，進而大幅降低建筑能耗[2]。

圖1 被動式建筑技術(shù)手段示意圖

2 被動式建筑關(guān)鍵圍護結(jié)構(gòu)的設計施工要點

被動式建筑建設的核心在于細致的設計施工，施工過程中形成的即使是微熱橋都可能會損壞建筑的良好的氣密性和隔熱性能。因此，被動式建筑的外圍護結(jié)構(gòu)設計施工是建筑節(jié)能的關(guān)鍵[3]。

被動式建筑的技術(shù)思路關(guān)鍵在于保證其氣密性和保溫隔熱性能。第一，確保建筑的高氣密性。被動式建筑作為一個相對獨立和最大限度不受外界干擾的密閉環(huán)境系統(tǒng)，其外圍護結(jié)構(gòu)必須能夠隔絕室外對室內(nèi)環(huán)境的影響。第二，通過優(yōu)化建筑窗戶、門、外墻等位置的密閉性進一步確保外圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。所以，被動式建筑需要對建筑施工關(guān)鍵部位的質(zhì)量進行嚴格控制，進而實現(xiàn)其良好的保溫隔熱性能和氣密性能，主要包括建筑氣密性處理、墻體處理、門窗處理、熱橋處理等方面。

2.1 氣密性處理

在建筑外圍護結(jié)構(gòu)設計施工過程中，應提早確定并設計建筑氣密層，確保外圍護結(jié)構(gòu)可以完整包圍住建筑。按照經(jīng)驗，建筑氣密層通常設置在墻內(nèi)側(cè)，同時起到隔汽的作用。另外，墻內(nèi)管線穿透處是氣密性防護的最薄弱環(huán)節(jié)，因此在設計階段必須盡可能減少構(gòu)件及管線穿透墻體的數(shù)量。如果不能滿足這一條件，必須精細化設計并確保施工質(zhì)量。按照經(jīng)驗，通常做法為：墻內(nèi)線路盡可能捆綁在一起安裝，同時禁止在外墻上安裝插座等部件。如果必須安裝的話，應采用埋入式插座盒，并完全埋在石膏泥中，否則一旦中斷會出現(xiàn)漏電情況。

同時，對于實心墻體來說，氣密層通常也位于墻內(nèi)側(cè)，抹灰層具有氣密層作用，墻體上不同構(gòu)件的連接須保證建筑具有良好的氣密性。另外，不同溫度性能的構(gòu)件由于熱脹冷縮而產(chǎn)生不同程度的裂縫現(xiàn)象。因此構(gòu)件與實心墻體連接處需要采用膠帶及軟管密閉連接，讓其相對運動有圓滑的過渡。采用軟管密封時，寬度不得超過10mm，且確保具有彈性，填縫處保持可視，以便于檢修。

2.2 窗戶處理

窗戶始終是外圍護結(jié)構(gòu)中極易產(chǎn)生熱損失的薄弱環(huán)節(jié)。因此，窗戶構(gòu)造合理與否對建筑節(jié)能效果會產(chǎn)生直接影響。窗戶保溫性能主要取決于窗框材料、窗戶類型及玻璃的選擇。

（1）加強窗框的保溫性能

除窗戶玻璃會產(chǎn)生熱損失外，不具備保溫結(jié)構(gòu)的窗框的熱損失也非常大，經(jīng)試驗，不具備保溫結(jié)構(gòu)的窗框熱損失占窗體總熱損的40%左右。常規(guī)窗框的傳熱系數(shù)為k=2W/m2·K 左右，是三玻保溫窗的兩倍多，因此，被動式建筑必須安裝保溫性能良好的窗框。

由于金屬窗框傳熱系數(shù)較大，因此產(chǎn)生的熱損失較高，如果這種窗框在被動式建筑中使用，需要對其進行保溫處理。保溫性能良好的窗框有 “木+高強度聚氨酯+聚氨酯+高強度聚氨酯+木”和“木+軟木+木+軟木+木”等結(jié)構(gòu)。

（2）適當增加窗扇層數(shù)

通過采用三層充有稀有氣體的玻璃體，來降低窗體傳熱系數(shù)。單扇窗傳熱系數(shù)較大，而多層窗扇會在玻璃中間形成氣層，進而提高窗體的保溫性能。同時，應該注意到，當被動式建筑采用多層窗扇時，通常內(nèi)層設置嚴密，而外層窗扇和窗框之間則留有一定空隙，便于冬季水蒸氣經(jīng)由縫隙向室外擴散。相反，如果內(nèi)層不嚴密，外層相對嚴密，則大量水蒸氣會在窗戶中結(jié)露或者結(jié)霜，影響建筑的采光和美觀。

（3）確保窗體的氣密性

為了降低窗體的傳熱系數(shù)，要防止窗框與墻、窗體之間產(chǎn)生縫隙，進而有效降低由于室內(nèi)外空氣交換引起的熱損失。在實際施工過程中，保證窗體氣密性一般是采用密封性好、鑲嵌牢固的橡膠條和塑料條進行密封。

（4）玻璃窗體選取

玻璃的特性對建筑室內(nèi)的采光和采暖影響極大，因此被動式建筑應采用熱阻較高的兩層或三層中空玻璃窗。該玻璃窗由玻璃和空氣層組合而成，空氣間層內(nèi)部充入氬氣等稀有氣體，增加其熱阻，同時保溫隔熱和隔聲性也有了大幅提高?；蛘卟捎貌煌腻兡げＡШ推胀úＡЫM合使用，組合后的玻璃不僅有隔熱、隔音、美觀等優(yōu)點，而且降低了建筑采暖的能耗量。

表1 被動式建筑和節(jié)能65%普通建筑的窗戶配置對比

2.3 墻體處理

由于外墻外保溫方式具有提高外墻內(nèi)表面溫度，即使室內(nèi)溫度降低，也會有良好的室內(nèi)舒適度；同時外保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實體墻受到保護，使墻體溫度變化較為平緩，熱應力小，延長墻體壽命等優(yōu)勢，被動式建筑通常采用外墻保溫方式。窗戶、檐口等安裝節(jié)點和采暖地下室外墻外保溫實心墻體與樓板連接，除窗戶區(qū)域外，保溫層是相通的，不會出現(xiàn)明顯熱橋。通常情況下，外保溫墻體采用輕質(zhì)砌體和輔助保溫的實心墻體，大多數(shù)情況下，采用加氣混凝土、輕質(zhì)混凝土或者空心磚。因為此類材料導熱系數(shù)低，而抗壓強度較強，即在相同傳熱系數(shù)下，外墻外保溫厚度可減小。另外，也可采用保溫一體化大型預制構(gòu)件組成的實心墻體，車間粘貼好的外保溫鋼筋混凝土或輕質(zhì)混凝土墻板預制構(gòu)件在市場上被廣泛應

用，優(yōu)點是出廠前已經(jīng)檢測過重要節(jié)點的性能，施工中可以直接采用絕大多數(shù)細部節(jié)點構(gòu)造處理方式，降低施工難度[4]。

表2 被動式建筑外圍護結(jié)構(gòu)建材要求

2.4 防熱橋處理

建筑圍護結(jié)構(gòu)中熱損失較大的部位在于熱橋。當室內(nèi)外溫差較大時，熱橋部分就會產(chǎn)生熱流密度大等狀況，增加建筑內(nèi)部熱損。因此，在保證被動式建筑具備良好的保溫隔熱效果的前提下，盡量避免熱橋的產(chǎn)生。例如，在外墻穿管道的地方，應用保溫材料進行充分填堵；聯(lián)通內(nèi)外的結(jié)構(gòu)錨固處，要有阻斷熱橋的處理手段；窗戶連接處的熱橋可以沿著洞口在窗框上覆蓋完整的保溫層，將其包裹在保溫層內(nèi)，達到有效控制熱損的目的[5]。

3 結(jié)論

通過上文對被動式建筑圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點設計的分析，可以看出，被動式建筑并不是一種高新技術(shù)堆砌的建筑，其成功與否的核心在于精細化的設計與施工。因此，在被動式建筑施工過程中必須注意如下技術(shù)細節(jié)：

（1）高度重視抹灰對提高建筑密封性的重要作用，確保建筑基墻、門窗洞口進行連續(xù)抹灰處理；電配箱等在安裝前應進行抹灰，安裝后留存的縫隙和槽口應用灰漿填實；防止諸如電線管穿透等密封平面穿透現(xiàn)象，還需采用專門構(gòu)件連接和密封處理或設置專門的安裝平面。

（2）加強窗框的保溫性能，應采用熱阻較高的兩層或三層中空玻璃窗。在實際施工過程中，保證窗體氣密性一般是采用密封性好、鑲嵌牢固的橡膠條和塑料條進行密封；

（3）避免結(jié)構(gòu)性熱橋，建筑表面的突出構(gòu)件應采用保溫材料完全包裹或不同主體結(jié)構(gòu)之間隔斷并進行保溫隔熱處理，從而最大限度減小熱橋影響[6]；

（4）采用金屬構(gòu)件當做外墻設施的連接件時，禁止金屬支撐構(gòu)件直接穿透保溫層，設計前應事先預留金屬構(gòu)件的安裝部位。金建筑表面的突出構(gòu)件應采用保溫材料完全包裹或不同主體結(jié)構(gòu)之間隔斷并進行保溫隔熱處理，避免產(chǎn)生熱橋。