【PC研究与实践】预制混凝土节能外墙技术与工程应用

随着各地建筑节能标准的不断提高，内保温、单一材料墙体自保温和外抹浆料保温等技术，在许多地区的应用已受到很大制约，与此同时，墙体外保温和夹芯保温技术在全国范围的推广取得明显成效。

传统预制外墙的保温效果差，这主要是因为混凝土材料的导热系数大、高效保温材料的复合效率低、墙板周边及洞口的混凝土肋及金属连接件等热桥部位影响非常明显，这部分造成墙体保温效率下降可达50%～80%。因此，必须考虑提高预制混凝土外墙的复合保温效率，尽量减少或避免预制外墙的热桥影响。随着建筑节能准的提高，传统采用混凝土肋复合保温的预制混凝土外墙做法已无法满足节能设计的要求，必须探索研究新型预制外墙保温技术来满足新时期建筑节能的要求。

1、预制混凝土外墙内保温技术与工程应用
针对外墙内保温梁、柱、楼板及洞口等部位容易产生热桥，进而影响系统保温性能等问题，预制混凝土外墙内保温技术采用外挂墙板的方式加以解决，如图1所示。由于外挂板与主体结构外侧设计要求保持30mm～50mm的间隙，在梁、柱等部位可采用喷涂或填塞防火保温材料的方法来保证内保温的连续性，从而有效解决内保温的热桥问题。外挂板可采用反打工艺制作，以此保证外墙装饰的耐久性。因此，预制混凝土外墙内保温构造是一种非常合理的墙体节能保温形式，可广泛应用于混凝土框架结构或钢结构的建筑外围护结构中。





日本的预制混凝土外墙大多采用内保温做法。预制混凝土外墙的内保温技术在我国应用较早，主要应用于大型公共建筑中，如北京京城大厦、光大大厦、中日青年交流中心等。


2、预制混凝土外墙外保温技术与工程应用
预制混凝土外墙外保温技术主要是针对传统外墙外保温技术存在的使用寿命短、装饰效果单一等问题而研究开发的，主要适用于混凝土剪力墙结构或框架填充墙结构。该技术采用干挂装饰混凝土饰面板作为外墙外保温的面层，可有效克服外保温面层装饰性单一、耐久性和防火性差等缺点。具体做法是：采用预制带饰面的钢筋混凝土板作为装饰外挂板，在剪力墙或砌体墙外侧粘贴高效保温材料，再外挂预制混凝土装饰板。这种外挂板加保温的构造除连接件部位局部存在轻微热桥外， 其他部位均可连续设置保温层，能够较好地满足外墙的保温隔热要求。根据外墙装饰要求可选择密封防水构造和明缝防水构造两种做法，见图2。在进行节能设计时，可不用考虑外装饰板的保温效应。该做法的缺点是：施工环节较多、施工效率较低，墙体造价较高；优点是：对于混凝土剪力墙结构具有较好的构造适应性。





预制混凝土装饰板可采用反打技术实现面砖饰面、石材饰面、清水混凝土饰面及装饰混凝土饰面等多种饰面效果，在满足装饰多样化的同时，可从根本上解决外保温面层的耐久性问题，实现保温节能与主体结构使用寿命的协调统一。


该技术在欧美等发达国家应用较普遍，也是我国未来大型公共建筑高性能外墙设计的理想选择。目前国内采用预制混凝土外墙外保温技术的工程主要有北京奥运会射击馆、大连软件园IBM办公楼、北京燕莎中心等。


3、预制混凝土外墙夹芯保温技术与工程应用
我国从上世纪七八十年代就开始研制复合保温夹芯外墙板，由于当时建筑节能要求较低，普遍采用带混凝土肋和金属连接件做法，预制外墙的综合节能保温的技术经济性优势未能充分体现， 加之当时设计、制作及施工质量等条件的限制，预制混凝土装配式建筑很快盛极而衰。究其根源，在于复合外墙的性能和应用技术缺乏持续研究和发展。


预制混凝土外墙采用夹芯保温技术是其最大的优势所在。在外墙板制作过程中，可以将保温材料放在中间形成复合夹芯保温三明治板。该技术不但可以提高外墙的施工速度，还可以集外墙的维护、保温及装饰效果等多种性能于一体，已成为世界各国致力研究的重点。如果将外墙板的结构性能充分发挥，做成承重混凝土板，其效率和技术经济性会更好。


在过去带肋保温复合板的基础上，根据节能保温要求及外墙设计、施工、材料技术的不断进步，预制混凝土夹芯保温外墙技术的研发重点是：探索研究开发新一代断桥夹芯保温板，即将保温材料复合在里外两层钢筋混凝土板中，制成带外饰面的混凝土复合保温外墙板。其关键是要研究连接里外两层钢筋混凝土板的连接构造及其对保温性能的影响。


3.1 改进方案之一：采用金属连接件技术的夹芯保温
借鉴欧美地区预制夹芯保温板的断桥构造方式，采用金属连接件连接内外层混凝土板，完全取消板及窗洞口周边的混凝土肋，通过适当加大保温材料厚度来满足外墙的保温要求。对两种60mm厚聚苯乙烯泡沫板夹芯混凝土复合墙板的保温性能进行测试，结果表明：由于钢连接件存在热桥，部分热量通过钢连接件传递，造成夹芯板的保温性能显著降低。分析得知，连接钢筋可以使保温性能降低10%～20%。由于钢的导热系数是保温材料的1500倍左右，在计算夹芯板的热阻值R时，应充分考虑连接件所造成的热损失。


为了提高夹芯板的保温性能，我国北方严寒或寒冷地区的预制外墙必须采用取消板和窗周边的混凝土肋的设计方案，并应尽量减少贯通保温材料的抗剪钢筋面积或增加保温材料的厚度。经计算和试验分析得知，北京地区可采用在50mm厚外层混凝土板和90mm厚内层混凝土板之间复合80mm厚发泡聚苯乙烯保温夹芯的墙板来实现65%的节能要求。


3.2 改进方案之二：采用非金属连接件技术的夹芯保温
试验表明，连接件改用非金属材料会明显降低连接件的热桥效应。目前，北京榆构有限公司正在与澳大利亚Composite Systems Pty Ltd 公司合作开发采用非金属材料制成的剪力钉来连接两层混凝土板的新型外墙技术———Thermomass 建筑绝热系统。 这是一种新型预制混凝土墙体保温系统，由复合增强纤维连接件和挤塑板保温材料构成，连接件两端为鸽尾状锚固端，中间为聚苯乙烯模套，使用时将两端插入混凝土中锚固。国家建筑工程质量监督检验中心提供的检测报告表明：该系统的物理力学性能达到并超过了纤维增强复合连接器在混凝土中锚固的相关标准。非金属连接件的构造和施工见图3、图4。





非金属材料的导热系数非常小，可大幅降低两层混凝土板之间连接的热传导， 两层板之间的保温材料厚度减少到50mm（XPS） 就可以达到北京地区65%的节能要求。经检测，该系统的热阻值R 可达到1.7㎡·K/W，传热系数K 可达到0.54W/（㎡·K）。


采用Thermomass建筑绝热系统可以消除采用金属连接件80%以上的热损失， 表明该系统具有优异的保温性能，有效解决了金属连接件的热桥问题，并且具有较好的耐火、耐高温性能。该技术是我国未来复合保温墙板的发展方向。


目前，Thermomass建筑绝热系统已在天津东丽湖工业化住宅工程中应用。该工程为三栋11 层工业化住宅，建筑总高为33.25m，采用框架结构外挂板体系建造，总面积为1.8万㎡。外墙采用清水混凝土复合保温板， 标准墙板的尺寸为2875mm（高）×3250mm（宽）。复合板总厚度为210mm，内层为110mm 厚的钢筋混凝土板，保温层采用50mm 厚的挤塑聚苯板，外饰面层为50mm 厚的钢筋混凝土板。内层混凝土板通过使用Thermomass MS 系列玻璃纤维复合材料连接器承担饰面层的荷载。该外墙板的构造见图5。





3.3 改进方案之三：采用预制混凝土外模板技术的夹芯保温
采用预制混凝土外层面板作为外模板，在预制板内侧放置保温材料，通过拉结螺栓与内模板连接，现场浇注混凝土剪力墙形成装配整体式保温板，见图6。该技术适宜在抗震要求较高地区的高层建筑中应用。目前，日本、香港等国家和地区应用较广，在我国的应用可追溯到1995年建成的北京国际俱乐部扩建工程。



3.4 改进方案之四：采用预制混凝土夹芯保温承重外墙板
采用预制混凝土夹芯保温承重外墙板，如图7所示。墙板内侧以混凝土板作为承重结构层，厚度可根据结构设计要求来确定，一般为160mm～200mm；保温层及连接件可采用Thermomass 建筑绝热系统；外层以混凝土板作为装饰面层，通过连接件连接在结构层上。该方案可以最大限度地实现预制混凝土外墙的承重、围护、保温、装饰等性能的系统集成。在外墙板四周，可根据要求合理设置连接构造节点来实现预制外墙的整体性和抗震要求。该体系在北欧及日本的集合住宅中得到了广泛应用，取得了良好的技术经济效益。该体系研究已列入我国工业化住宅体系研究开发项目， 并已建成北京万科工业化实验楼项目。



4、结语
本文述及的预制混凝土节能外墙新技术，主要是以普通混凝土为主，如果能够进一步开发轻骨料混凝土预制外墙产品， 其技术经济性优势将会更加明显。这是因为混凝土的导热系数取决于容重，采用轻骨料混凝土制作墙板，容重小，导热系数也随之减小，热阻值会增大。将相同厚度混凝土的容重从2400kg/m? 降到1800kg/m?，其热阻值可增加10%左右。因此，预制混凝土外墙板宜采用轻骨料混凝土制作，减轻重量的同时还可以有效提高保温性能。

目前，外墙保温技术是节能工作的重点，建筑节能必须以发展新型节能体系为前提。随着我国建筑工业化技术的发展，预制混凝土外墙保温技术的优越性日益凸显，应进一步加强新型预制混凝土节能体系的研究开发和工程应用， 真正地实现建筑工业化高效、节能、环保的目标。