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装配式被动房气密性研究之设计要点

杨倩苗 孙志中 邹苒 孔黎遥

一 设计要点

目前工程中常用的被动房装配式外墙有轻型木结构墙体、预制三明治混凝土外墙、轻钢结构墙体和砌块填充墙体。轻型木结构墙体广泛应用于欧美被动房住宅,研究和实践的焦点是预制墙板设计。经过大量的设计研发和工程实践,轻型木结构墙体被动房的气密性设计已经较为成熟和完善。预制三明治混凝土外墙在国内被动房项目中被探索和实践,设计遵循国内预制混凝土构件相关技术规范,水平、垂直拼接缝的密封构造是设计的重难点。轻钢结构墙体适用的被动房建筑类型和结构类型更加广泛,气密层材料一般选用专用气密膜,预制墙板设计和薄弱节点构造设计也更加灵活和多样化。砌块墙体常用于钢结构、预制混凝土框架结构被动房的填充墙,其气密性设计与普通被动房一致。

以工厂预制和现场组装的方式建造被动房,其气密性设计主要包括气密层位置、气密层材料、预制墙板设计和薄弱节点构造设计。除气密层位置外的其他三个设计内容均与外墙的装配式结构方式密切相关,其中,气密层材料主要根据预制墙体结构骨架材料选择,而预制墙板设计和薄弱节点构造设计根据结构类型不同各有侧重。

1 气密层位置

被动房首先要确定气密层位置:一是气密层在建筑平、剖面图中的位置,以限定建筑气密空间的范围;二是在建筑构造详图中气密层的位置。通常使用“红线”来标定气密层位置,建筑平、剖面图中的气密红线是连续、闭合的。高层建筑的消防楼梯间、公共建筑大型空调系统进排风设备间、餐饮建筑厨房等有进排风功能的房间,以及屋顶设备间、起坡闷顶等非采暖空间,一般均被限定在气密“红线”之外,以保证主要功能房间的气密性。被动房气密层是唯一的,禁止叠加多道构造层次以充当气密层;气密层同时也承担着隔汽层的作用,防止冬季室内水蒸气向保温层渗透,因此,构造详图中气密层一般位于保温层的高温一侧。

2 气密层材料类型

[5]

[4]

根据德国被动房屋研究所(Passive House Institute,PHI)的规定,在室内外压差为50Pa时,空气渗透量≤0.1[m³/(hm²)]的表面密封类产品(surfaceairsealing)可以作为被动房气密层材料[5]。工程中常用的气密层主要有四类:专用气密膜、气密板、混凝土层、抹灰处理的砌块层[4]9。根据建筑预制墙体结构类型和构造做法选择建筑气密层材料:首先,优先考虑墙体原有构造层次气密性的提升,提升后的构造层次兼做气密层;在没有可提升构造层次的情况下,附加气密膜作为专用气密层。

[6]

[7]

轻型木结构装配式被动房多选用胶合板、密度板和定向结构刨花板(Oriented Strand Board,OSB板)等硬质木板兼做气密层。有研究表明,市场上的硬质木板仅有部分满足气密性要求[6],因此被动房项目中硬质木板须测试达标后方能作为气密层使用。预制混凝土墙板被动房可直接利用振捣密实的混凝土兼做气密层。普通框架结构砌块填充墙室内侧多采用5mm厚水泥砂浆找平层,框架与砌块连接处压入钢丝网或玻璃纤维网格布,防止面层开裂。普通砌块墙体的气密性不高,不能满足PHI的气密性要求,只有抹灰层厚度大于15mm[7]的砌块墙体才能充当气密层。抹灰层应分层操作,防止由于厚度过大引起的空鼓、脱落;此外在工程实践中,砖缝会使抹灰层开裂,降低其气密性,因此一般采用满墙压入玻璃纤维网格布等抗裂材料的方式②。轻钢结构墙体本身没有能作为气密层的构造层次,因此须使用附加的专用气密膜作为气密层,如聚乙烯类膜。

3 预制墙板设计

预制墙板涉及建筑美学、结构力学、建筑构造、加工制造等多个学科门类,因被动房在气密性方面的要求,其预制墙板设计在装配程度、墙板尺寸两方面有特殊要求。

(1)装配程度理论上墙体所有构造层次都可以在工厂预制,但受立面设计、节点构造设计、工厂生产条件、运输及现场起重条件等限制,预制墙板装配程度通常根据需求自主设计。在保证墙板相对完整、便于吊装的前提下,预制墙板核心部分一般以结构构件作为骨架,集成保温材料、抗剪构件、覆面板材或薄膜;在此基础上根据需求,进一步集成墙体的构造层次。为减少气密层现场施工的难度,工程实践中一般将专用气密膜、气密板集成到预制墙板中。预制墙板的纵横拼缝影响建筑立面效果,一般强调线条的立面造型,可以将外饰面集成到预制墙板上,板缝与立面线条统一设计。

欧美被动房住宅多采用轻型木结构外墙板(图1)。基本款的预制轻型木墙板是将抗剪覆面板、结构层、保温层、兼做气密层的抗剪覆面板这几个层次在工厂预制,可称之为结构保温板(structural insulated panel,SIP);而装配程度更高的墙板是以SIP为核心,继续向两侧集成设备腔龙骨、防水透气层、通风间层龙骨、内饰面和外饰面中的一个或多个构造层次。纤维素等颗粒状保温材料因现场施工方便,一般在预制构件现场安装完毕后,灌注到保温腔体内。工程实践中通常有三种被动房预制木墙板,装配程度由低到高,如SIP板,在SIP基础上集成防水透气层和通风间层龙骨,以及除内外饰面外其他构造层次全部预制,门窗也在工厂安装的装配程度最高的预制木墙板(图2)。

图1轻型木结构被动房墙体基本构造层次

图2三种装配程度的被动房预制木墙板

a低装配程度

b中装配程度

c高装配程度

(2)墙板尺寸为保证建筑气密性,应尽量减少预制墙板的拼接板缝,因此预制墙板尺寸在运输、吊装条件允许的情况下,应尽可能大。工程中预制墙板的高度、宽度多采用建筑层高、建筑开间尺寸或其整数倍。常见三种规格尺寸的被动房预制墙板:其一为预制三明治墙板,中装配程度,中建科技成都研发中心办公楼设计中便采用了宽度3.6m(同开间)、高度同建筑层高的预制三明治墙板;其二为轻型木结构预制墙板,高装配程度,荷兰凯尔克拉德的“明日社区”被动房改造项目(The Existing Districtof Tomorrow)中应用的就是宽度2.8m(同开间)、高度5.2m(两层建筑层高)的此类墙板③;其三为轻钢结构预制墙板,美国康奈尔理工学院高层被动房公寓塔楼中应用的就是高度2.8m(同建筑层高)、宽度11.0m(三开间)的此类墙板(图3)。设计墙板时应注意使预制板拼缝避开建筑结构的梁、板、柱,并留出足够的密封板缝的施工空间。框架结构建筑平面转角部位的预制墙板拼缝常被柱、梁遮挡,不具备直接密封施工的条件,可以设计L形预制墙板,避免转角部位的拼缝。康奈尔理工学院高层被动房公寓塔楼的预制墙板安装,就是通过预埋件将墙板挂在出挑25cm的混凝土楼板上,墙板顶部高出楼板,墙板侧边错开钢柱,为后续的板缝密封施工留出了空间(图4)。

图3三类预制墙板尺寸

a宽、高同开间与层高

b板高为层高倍数

c板宽为开间倍数

图4为板缝密封预留施工空间

4 薄弱节点构造设计

装配式被动房墙板气密性薄弱节点有三处,预制板本身气密层的连接处、预制板间的拼缝和预制板与结构连接处。墙体结构类型和气密层材料类型不同,其薄弱节点的密封设计便有所不同。

[8]

轻钢结构的专用气密膜和轻型木结构的气密板的三处薄弱环节均使用专用气密性胶带进行密封,要求气密性胶带具有足够的抗拉、抗撕裂和耐久性能,能够抵抗相对位移1cm的错动而不开裂。由哈德逊河谷的被动式住宅预制墙板拼缝构造详图可知,这座建筑的OSB气密板板缝正是使用了专用胶带密封(图5a)[8]273。

图5预制墙板气密性薄弱节点密封设计

a气密性胶带密封OSB气密层

b后浇带连接密封混凝土气密层

c楼板砂浆找平层覆盖外墙条板与主体结构连接处

[9]

[10]

剪力墙结构、框架结构中的预制混凝土墙板本身无气密性薄弱点,拼板板缝多采用后浇带连接密封,板与结构连接处框架结构采用现浇层盖缝密封,剪力墙结构采用高强砂浆灌缝密封。根据《装配式混凝土结构技术规程JGJ1-2014》相关内容规定,装配式建筑外墙拼接缝宽度不应小于15mm[9],实际项目中通常设计为20mm。由于20mm的混凝土板拼缝很难进行气密性处理,因此一般采用扩大拼缝宽度、后浇混凝土构造柱,形成连续的混凝土气密层的方式。中建科技成都研发中心的预制三明治混凝土保温板的竖缝密封示意图上可以看到,混凝土内叶板是墙体气密层,拼装间隙400mm,预制板安装后现浇微膨胀混凝土[10]138,以避免现浇混凝土收缩产生裂缝,内叶板与后浇构造柱形成了水平方向连续的混凝土气密层(图5b)。

框架结构的砌块墙体的抹灰气密层是现场施工,本身的连续性不存在薄弱环节,但大型预制条板墙体是砌块墙体中的特例。条板与楼板之间的安装缝隙多采用现浇层盖缝处理。如山东建筑大学教学实验综合楼蒸汽加压混凝土条板与楼板连接处构造,便是楼板上用30mm厚砂浆找平层覆盖连接部位缝隙,与填充条板内侧15mm厚水泥砂浆抹灰层连接,共同形成连续、完整的抹灰气密层(图5c)。

本文来源:《新建筑》2021(4)

2021年以来,我国各地的超低能耗建筑相关政策达80余部。我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。可以预见,未来的几十年内,超低能耗建筑将一直会占据行业风口,PHI国际被动房设计师/咨询师仍然是行业稀缺人才。

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