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国内钢结构装配式被动房设计实践

1 工程设计概况

1.1 项目介绍

本项目的特点是装配式与被动式的高效结合，这既是项目的亮点，也是项目的难点。

1.2技术指标

年供暖需求≤15kWh/(m²·a)

年制冷需求≤25kWh/(m²·a)

一次能源需求（包括采暖、制冷、除湿、热水、照明、设备辅助用电和电气设备用能）≤120kWh/(m²·a)

室内温度20℃~26℃

相对湿度40%~60%

CO2含量≤1000ppm

气密性n50≤0.6次/小时

新风要求≥30m3/(h·人)

表1本工程指标与公建节能标准比较

1.3 被动式建筑技术应用概况

1.3.1 外墙、屋顶、地面保温隔热技术

外墙保温采用200㎜厚B1级聚苯板和200㎜厚蒸汽加压混凝土条板，层间设岩棉防火隔离带处理；外墙综合传热系数0.14W/(m²·K)；屋顶、地面保温采用220㎜厚挤塑聚苯板，综合传热系数0.14W/(m²·K)。

1.3.2 节能门窗技术

外窗及外门采用传热系数不大于1.0W/(m²·K)的被动门窗，窗户玻璃采用Low-E玻璃三玻两中空（中空层充惰性气体），窗框采用塑料框料。

1.3.3 可调节外遮阳技术

西向设置可调节活动外遮阳卷帘，夏天把太阳辐射热挡在室外，冬天把外遮阳升起，太阳辐射热通过外窗得热；西向房间依据太阳光照强度自动控制外遮阳下落高度及角度。

1.3.4 建筑物自然通风技术

合理利用自然通风，在过渡季节或夏季夜间，自动打开中庭顶天窗，开启房间外窗，烟囱效应使建筑物内形成自然对流，利用自然通风达到室内舒适度要求。

1.3.5 无热桥处理技术

外墙、外窗、外门安装节点、进出建筑物的管道及遮阳构件安装采用无热桥处理，避免热损失，也防止建筑物内出现结露长霉现象。

1.3.6 气密处理技术

外墙、屋顶、地面室内侧设置一层连续的气密层，其中外窗、外门等安装节点、进出建筑物的管道及遮阳构件安装进行气密处理，以达到整个建筑的气密性指标。

1.3.7 新风系统高效热回收技术

采用清华同方带热回收内冷式双冷源新风机组，全热回收效率可达80%。

1.3.8 变频技术

制冷机组、水泵、冷却塔、新风机组均采用变频技术，空调末端采用温湿度独立控制系统，智能变流量运行，有效节约运行电能。

1.3.9 可再生能源利用

采用地源热泵作为本工程的冷热源，冬夏土壤冷热不平衡的部分通过冷却塔排入大气中；采用太阳能热水系统满足热水需求。

1.3.10 综合能耗监测技术

各系统实时能耗及累计能耗情况一目了然，且及时分析节能潜力区域，为运行节能管理提供依据。

1.3.11 室内空气质量实时监测及新风自动控制技术

会议室等人员不固定的公用活动区域，利用空气品质检测反馈信息，控制新风风量。

2 装配式优化深化设计

2.1 钢结构优化设计

原设计存在很多钢梁、钢柱偏心的情况即钢梁按照建筑墙体位置偏移，这样造成钢结构节点众多，不符合工业化建造要求。本次优化设计把钢梁、钢柱调整为居中设置，大大减少了钢结构节点的数量，同时考虑ALC内墙板贴着钢梁或者钢梁下安装。钢结构优化设计示例如图1所示。

图1钢结构优化设计示例

2.2 楼板方案比选

2.2.1 普通叠合板

特点：整体性好、节省模板、可实现工业化生产、施工速度较快。

构造：60mm厚钢筋桁架预制板+70mm厚现浇层=130mm厚普通叠合板。普通叠合板如图2所示。

2.2.2 PK 板

特点：整体性好、抗裂性好、节省模板、可实现工业化生产、施工速度较快。

构造：30mm厚带肋预应力预制板+100mm厚现浇层=130mm厚PK叠合板。PK叠合板如图3所示，普通叠合板与PK叠合板对比见表2。中建八局下属构件厂目前没有生产PK板设备，因此本项目最终实施楼板方案为普通叠合板方案。

图2　普通叠合板示意图

图3　PK 板示意图

表2普通叠合板与PK叠合板对比

2.3 桁架钢筋混凝土叠合板深化设计

优化叠合楼板布置，并进行桁架钢筋混凝土叠合板深化设计，如图4所示。

图4桁架钢筋混凝土叠合板深化设计示意图

2.4 预制钢筋混凝土楼梯深化设计

优化楼梯布置，统一梯段规格，减少构件种类，并进行预制钢筋混凝土楼梯深化设计，如图5所示。

图5 预制钢筋混凝土楼梯深化设计示意图

2.5 装配式节点设计

2.5.1 钢框架梁柱节点

钢梁与钢柱居中布置，便于连接节点标准化设计。钢框架梁柱节点如图6所示。

图6钢框架梁柱节点示意图

2.5.2 叠合板

叠合板如图7所示。

图7叠合板示意图

2.5.3 预制楼梯

楼梯上端采用固定铰支座如图8所示，下端采用滑动铰支座如图9所示。

图8 楼梯固定铰端安装节点大样

图9 楼梯滑动铰端安装节点大样

3 被动式优化深化设计

3.1 外墙、保温技术研究

3.1.1 原设计构造节点示意

存在问题：外墙挂板与结构采用钢筋灌浆连接，限制了挂板在地震作用下的变形，在地震作用下易破坏。原设计外墙构造节点如图10所示。

图10 原设计外墙构造节点示意

3.1.2 外保温+外挂墙板

采用上下可变位的转动连接、外保温，如图11所示。优化方案1如图12所示。

图11 外挂墙板采用上下可变位的转动连接

图12 气密层+混凝土外挂墙板+石墨聚苯板外保温

存在问题：外挂墙板存在意义不大，设计为可动，钢结构允许变形大，外保温存在脱落隐患。造价计算：海吉布（75元）+预制钢筋混凝土挂板（300元）+石墨聚苯板（92元）=467元/平方米。

3.1.3 外保温+ALC内嵌墙板

图13气密层+蒸压加气混凝土内嵌墙板+外保温

优化方案2如图13所示,由于外墙主要由保温层承担围护主要功能，用内嵌式ALC墙板就够用了。

造价计算：海吉布（75元）+加气混凝土内嵌板（160元）+石墨聚苯板（80元）=305元/平方米（以价格取胜）。

3.2 被动式建筑技术节点深化设计

被动式建筑技术节点深化设计如图14~图18所示。

图14 外门节点详图

图15 外窗节点详图

图16 自动外遮阳节点详图

图17 透气管出屋面节点图

图18 女儿墙节点图

3.3 平面优化

3.3.1 轴网优化

将结构柱与外墙分离，目的是为了统一模数，统一节点，便于被动房实施，便于气密层处理,外墙气密层设置如图19所示。

图19 外墙气密层设置示意图

3.3.2 管井保温优化

卫生间和新风机房竖井、排水立管、排油烟竖井增加保温、隔声、气密处理，如图20所示。

图20 管井保温优化示意图

3.3.3 雨水内外排优化

原设计北侧有四根雨水管,为不影响北侧立面，均为内排，增加了冷热桥。优化方案是取消北侧中间两根雨水立管，排至南侧中间两根雨水立管，南侧两根雨水立管改为DN150，北侧边上两根雨水立管分别从东、西侧外墙外排。优化后的雨水立管如图21所示。

图21 雨水立管优化后示意图

3.4 气密层处理

作为被动房设计，必须做到保证施工和未来使用过程中不破坏外围护结构保温的连续性及气密性。外围护结构保温及气密层设置如图22所示。

图22 外围护结构保温及气密层设置示意图

3.4.1 气密层优化设计

本次优化设计气密层采用不小于15mm水泥砂浆抹灰层（ALC与砂浆间设钢丝网做抗裂保证）+海吉布。海吉布纯天然无污染，耐酸碱腐蚀，不发霉，使用寿命长，耐火性能好，可以有效防止墙体开裂。海吉布及装修完成后的效果如图23所示。

图23 海吉布及其装修完成面效果图

3.4.2 气密层处理

本工程气密层处理的难点在钢结构梁、柱、ALC条板接合处、ALC条板与楼板接缝处。为更好地保证装配式建筑的气密性，外墙及外墙侧包梁、包柱s50板均做≥15mm厚砂浆作为气密层，并在外墙与地面交界处的地面上做15mm厚300宽砂浆翻边，在外墙（s50板）与顶板交界处做砂浆导角，导角边长为15mm。钢结构梁、ALC条板与楼板接缝处气密层节点如图24所示。