超低能耗装配式技术在住宅建筑中的融合应用

 1 工程概况

 

1.1 基本情况

 

本项目位于北京市朝阳区王四营乡，项目建设用地总面积32 742.572 m2，规划总建筑面积110 457.3 m2，地上新建7栋商品房住宅，1栋人才公租房住宅，1栋12班幼儿园及相关配套设施。

 

1.2 高标准商品住宅技术应用概况

 

本项目采用超低能耗、装配式建筑、绿色建筑、健康建筑、绿色建材、宜居技术、BIM信息化技术等绿色低碳技术进行设计与建造施工。

 

本项目住宅部分采用预制混凝土装配式剪力墙结构，装配率各楼栋均大于91 %，达到北京市地标AAA（BJ）级标准要求，预制构件分为外墙板、内墙板、外挂板、叠合楼板、空调板、阳台板、预制楼梯、预制女儿墙等8类构件，墙板采用半套筒灌浆连接。

 

本项目住宅部分全面实施超低能耗建筑并达到DB11/T 1665—2019《超低能耗居住建筑设计标准》规定的相关标准要求。

 

其中，1~8号住宅楼栋地上均为装配式混凝土剪力墙结构。装配式混凝土预制段采用混凝土夹芯保温系统，即混凝土内叶板+30 mm真空绝热板+60 mm聚氨酯保温板+混凝土外叶板。混凝土现浇段采用复合外保温系统，即混凝土结构墙体+30 mm真空绝热板+90 mm岩棉板保温层。

 

本项目外窗采用断热桥铝合金型材，内置中置电动遮阳，三玻两腔中空填充氩气玻璃，并采用耐久性良好的暖边间隔条。外窗整窗传热系数≤1.0 W/（m2·K），型材传热系数≤1.3 W/（m2·K），玻璃传热系数≤0.8 W/（m2·K），外窗气密性8级，水密性6级。

 

各住宅楼地下为钢筋混凝土剪力墙结构。地下被动区的外墙部分采用外保温系统，即混凝土结构墙体+200 mmXPS保温防水系统；地下隔墙部分采用砌体墙体+10 mm真空绝热板+20 mm憎水膨珠料保温浆料。本项目采用的超低能耗设计指标见表1、表2。

 

表1 建筑室内环境指标

 

 

表2  建筑能耗及建筑气密性指标

 

 

 

2 超低能耗装配式技术融合应用

 

技术体系集成和融合创新主要是装配式和超低能耗两项核心技术的融合，具体体现在设计方法、外围护应用、内装修应用、设备部品等方面，其中建筑外围护部分的技术融合最为突出，也是项目主要技术难点，包括外围护集成墙板、被动窗、预制挂板等方面。

 

2.1 高效保温技术与装配式外墙板集成技术

 

本项目外围护系统采用预制混凝土装配式三明治外墙体系，其构造层次依次为预制混凝土内叶墙板、夹心集成保温、预制混凝土外叶墙板、饰面层，以及板材之间的拉结件、预埋件等。

 

本项目在设计深化阶段形成了两种高性能的真空绝热板创新技术。在真空绝热板基础上研发双面复合水泥基保护材料，可使产品的抗刺穿、抗划伤能力大幅提高，有效避免产品在运输、施工过程中被破坏，降低了产品的破损率，提高了粘接强度和安装强度。本项目非预制部分采用此种材料与岩棉形成外围护的复合保温体系，满足超低能耗装配式建筑在底部加强区位置的高性能外保温要求。

 

此外，在真空绝热板基础上内、外双面复合硬泡聚氨酯保温板，形成完整的复合集成保温模块。这种一体化保温模块既可以有效保护真空绝热板免于被刺破和避免热损失，也极大地方便了生产和施工安装，标准化、模块化的设计为预制构件的标准化应用提供了更好的条件。本项目预制混凝土三明治外墙中的夹心保温采用这种保温集成技术。

 

复合集成保温模块在工厂拼接，并与硬泡聚氨酯保温板复合，预制形成标准化的集成大板块保温产品，随后运送至构件厂进行大板块的拼板安装。

 

这种方法可实现保温板块标准化设计、模块化拼装，精确地控制预制构件的精度、质量，并实现构件的快速周转生产，同时也极大地降低了真空绝热板的损耗，有效地提高了项目的整体效率。

 

在预制构件工厂通过快速、标准化的生产，将预留预埋、预留洞口以及相关构造措施预留到位，形成符合超低能耗装配式建筑的标准化构件板块。

 

2.2 被动窗与装配式外墙连接技术

 

本项目超低能耗外窗安装结合了装配式预制构件的特点，在设计、深化、生产、施工方面领先于我国其他构件。

 

对被动窗的构造进行研究，结合预制构件的预留预埋、断桥和气密性的设计方案以及性能化计算进行验证。

 

常规超低能耗被动外窗多采用外挂式安装方式，但装配式三明治外墙系统下超低能耗外窗的外挂式安装与构件的设计产生了冲突，工程一次成型后没有被动窗外挂的构造空间和操作空间，相应的构造位置无法满足高性能保温连续和气密性要求。

 

因此，本项目在设计阶段尝试从结构计算、构件设计、能效分析、节点设计等多方面统筹考虑，经多方案对比，最终选择在预制构件外窗洞口四周预留合理的尺寸空间，设计满足被动窗外挂连接件、气密性构造的安装预留空间，并预埋相应的连接件，设计一种集成的后塞保温模块，在工厂预制生产，施工现场安装并固定被动窗，做好气密性处理后，直接安装后塞保温模块。

 

对装配式预制混凝土外墙板的创新设计有效解决了被动外窗位置的保温、防水、防火、气密性等问题，同时也减少了现场施工步骤，降低了人为因素的干扰，提高了施工精度和施工效率。

 

外窗节点深化图（纵剖）如图1所示。

 

 

（a）

 

 

（b）

图1 外窗节点深化图（纵剖）示意

（a）深化图1；（b）深化图2

 

2.3 超低能耗装配式外墙连接件布置方式创新

 

在本项目设计阶段，针对超低能耗建筑的严格要求，采用了多专业协同设计的方法。该方法通过充分整合传热计算、构件受力分析、装配式构件深化、建筑构造设计等多项技术手段，全面优化了预制混凝土三明治外墙的设计方案。

 

本项目采用的拉结件包括支撑拉结件、限位拉结件，支撑拉结件抵抗面内各种工况下的力，限位拉结件抵抗面外的力，拉结件的布置需要避开实现超低能耗功效的真空绝热板，故只能采用片状或针状的拉结件，从真空绝热板板缝之间穿过。

 

具体而言，设计团队通过性能化设计等量化计算来精确选择保温材料、优化保温板块的排布方式，并结合标准化设计方法与结构设计要求确定了预制构件拉结件的数量、位置以及热桥对传热性能的影响，应用复合集成保温模块进行协调设计，最终确定预制构件连接件的排布数量与位置。

 

2.4 预制三明治外墙挂板连接技术

 

考虑本项目户型及地下空间使用需求，主楼的阳台部位若按剪力墙设计无法落到基础，地上部分阳台需要通过预制水平阳台板及预制轻质混凝土挂板来实现（图2）。设计阶段针对预制混凝土三明治外墙挂板的拆分及与主体结构的连接设计提出了多方案比选。

 

 

图2 预制外挂阳台拆板方案设计示意

 

方案一：采用金属连接件与主体结构进行连接。

 

本作法连接节点均为干式作法，符合装配式建筑和绿色建筑中减少湿作业的理念。既满足建筑效果和功能的要求，又满足不参与主体结构受力但随主体结构变形而变形的要求，还满足施工便捷性的要求。方案一深化图与连接件如图3所示。

 

 

（a）

 

 

（b）

 

 

（c）

图3 方案一深化图与连接件示意

（a）侧视图；（b）连接处节点；（c）连接件三维图

 

方案二：采用套筒灌浆作法。

 

该作法相对成熟，但现场工作量较大。悬挑外墙采用预制轻质混凝土复合保温外挂板；阳台水平部位采用带反檐预制阳台板，通过“三段式、湿式作业”灌浆套筒节点连接方法将阳台区域连接成一个气密性整体。既要保证构造设计安全可靠，又要满足超低能耗相关性能要求。方案二BIM如图4所示。

 

 

图4 方案二BIM示意

以上两种方案均在本项目中得到了实践。本项目对提升现场施工效率、保证安全性要求进行了大量的分析和技术对比，实践研究表明，这两种模式可推广至预制外挑阳台项目。在应用方面，依托本项目的实践研究形成了一整套技术方法和施工手段，具有一定的先进性，并可落地实现。

 

3 技术融合应用关键控制要素

 

本项目各阶段装配式技术与超低能耗技术融合的关键控制要素主要包括以下方面。

 

3.1 标准化设计

 

标准化设计是装配式产业化项目设计的基础，更是超低能耗技术与装配式技术结合的基本要求。合理的标准化设计可以形成标准化的技术融合模块，极大地提高项目的设计、生产、施工效率，优化成本，提升施工效率与项目质量。

 

3.2 传热性能计算

 

深入分析不同材料和构造形式对项目传热性能的影响，并对保温系统进行精准的热工计算，重点考虑真空绝热板拼缝以及复合集成保温模块拼接位置板缝造成的热损失隐患，在计算中增加相应的风险系数。

 

3.3 性能化设计与验算

 

综合分析建筑能效需求，进行严密的性能化设计，对各项参数进行详细的验算，并对建筑整体进行复核验算，确保设计满足超低能耗标准。

 

3.4 断桥设计

 

细化断桥设计，采用创新构造与产品，进一步提高保温系统的热工性能，减少热桥带来的能量损耗。

 

3.5 气密性设计

 

重视气密性的设计与施工，确保建筑在使用过程中实现高效的气密性能，从而达到优异的能效表现。

 

3.6 构件结构受力分析

 

充分考虑装配式预制构件的特殊要求，进行全面的构件受力计算与优化分析。

 

3.7 构件深化设计

 

在装配式构件的设计过程中，注重精细化深化，确保构件与连接件的兼容性和安装效率，重点控制集成保温模块与连接件、外墙洞口、构造措施之间的协调性。

 

3.8 建筑构造设计

 

结合建筑的整体功能需求，对预制构件外窗洞口交接位置、板缝进行系统的构造设计，强化气密性设计和防火性能的要求，针对防水透气膜、防水隔汽膜、板缝防火保温材料及密封胶等的位置、尺寸进行精细化设计，还考虑到施工安装过程中的振动，预留足够的尺寸和操作空间。

 

3.9 保温材料与排版设计

 

通过多轮计算与比对，选用最优的保温材料及板块排版方式，最大限度地提高了热工性能并减少了热桥影响。

 

3.10 机电管线集成设计

 

考虑到机电管线的布置与外墙设计的协调，进行管线集成优化设计，减少管道穿透对建筑外墙性能的影响，在必要的穿管位置强化气密性设计和断桥设计。

 

4 结束语

 

本项目采用多种技术体系，重点采用超低能耗技术与装配式技术形成了多种创新设计方法、技术手段和施工工艺，有效弥补了行业中装配式预制混凝土住宅建筑超低能耗技术体系融合应用的技术欠缺，形成的新材料、新工艺、新技术为未来高标准住宅的发展应用提供了参考。

 

 

摘自《建筑技术》2025年5月，焦杨，崔昭杰，王凌云，张莉莉，陈达非