于 杰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

引言

在國家節(jié)能減排的大背景下，建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重點領域，外墻保溫是建筑節(jié)能的重要組成部分，而保溫材料是構成墻體保溫系統(tǒng)的重要基礎。而保溫材料的多樣化、性能復雜化，導致很多保溫材料脫落、火災事故等問題，給工程質量帶來安全隱患[1-2]。建筑保溫材料能否在耐火等級與保溫性能之間找到平衡點，同時滿足防火和節(jié)能要求至關重要[3-4]。對于鐵路沿線配套房屋來講，功能繁多，其建筑功能主要有鐵路旅客站房、生產設備房屋如調度樓、工業(yè)設備房屋如檢修庫、職工宿舍等，復雜程度幾乎涵蓋了建筑工程的全部領域。因其工期緊張、消防安全及耐久性要求高、投資受限、耗能量大等特點，故建設節(jié)能型鐵路房屋也是鐵路行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，建筑外圍護結構的節(jié)能與防火設計在其中肩負著重要責任[5]。

近年來，隨著建筑保溫節(jié)能技術不斷發(fā)展，建筑保溫與結構一體化技術應運而生，成為建筑節(jié)能發(fā)展的新方向[6-7]。保溫與結構一體化同時關系到3個方面：一是建筑節(jié)能；二是消防安全；三是建筑工業(yè)化。2011年山東省住建廳相繼發(fā)布《山東省建筑節(jié)能與結構一體化技術消防安全論證會會議紀要》及《山東省建筑節(jié)能與結構一體化技術產品認定條件的通知》(魯建節(jié)科字[2011]19號)，鼓勵和引導一體化技術的推廣和應用。這一技術不僅豐富建筑結構體系，確保建筑節(jié)能工程質量與消防安全，更重要的是有效解決了保溫系統(tǒng)與建筑墻體同壽命的關鍵問題，縮短工期，節(jié)省費用，對于加快鐵路房屋的高效快速建設、推動建筑節(jié)能和綠色建筑健康發(fā)展具有十分重要的意義[8-11]。

1 項目背景

鐵路調度綜合樓建設基地位于煙臺港西港區(qū)專用鐵路場內站西咽喉區(qū)?；啬蟼葹楦蹍^(qū)擬建擋土墻，北低南高，高差約13.2 m。北側為擬建鐵路貨線，西側為擬建道路，東側為待建內燃機車庫。根據(jù)煙臺港集團的使用要求及場地情況，此綜合樓設計為一棟板式高層建筑，總建筑面積16777.11，建筑高度65.85 m，地下1層，地上16層，框剪結構。綜合樓南側設置高架平臺，連接綜合樓四層及南側規(guī)劃道路。

綜合樓整體造型結合平面布局進行融合處理，強調以使用功能為首要原則，合理設計建筑空間高度，建筑形體設計采用簡約、利落的現(xiàn)代元素處理手法，體現(xiàn)高層建筑的大氣挺拔，建筑外立面材質采用米紅色真石漆，外墻線腳采用干掛鋁板金屬幕墻，與港區(qū)環(huán)境協(xié)調融合；建筑形體方案以南北兩個方向、兩個高程的出入口為立面設計重心，追求建筑形體與場地的和諧統(tǒng)一(圖1)。該項目于2016年底開工建設，2018年初竣工并投產(圖2)。

圖1 綜合樓效果圖

圖2 綜合樓建成照片

港區(qū)內鐵路專用線與龍煙鐵路接軌，由于龍煙鐵路預計2017年底開通運營，而綜合樓項目于2015年下半年啟動，從設計前期到完成施工圖需要很長時間，時間緊，任務重。綜合樓的主要功能為鐵路調度指揮，是確保鐵路部門運行、鐵路行車安全指揮的必要條件。在保證工程質量安全和滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的前提下，能否選擇合適的保溫形式對港區(qū)鐵路專用線的順利開通運營起到關鍵性作用[12-13]。

2 建筑外墻保溫方案研究與比選

鐵路調度綜合樓為一類高層公共建筑，按照現(xiàn)行《建筑設計防火規(guī)范》《公共建筑節(jié)能設計標準》等進行防火節(jié)能設計。綜合樓以鐵路調度指揮為核心功能，且距離鐵路線路較近，為保證鐵路行車安全以及專用線的正常運營，綜合樓外圍護結構的外墻保溫設計、消防安全、耐久性顯得尤為重要。目前，外墻保溫形式主要有外墻外保溫、內保溫、夾心保溫和自保溫4種形式。為了加快工程進度，減少人工和材料消耗，降低建筑成本，使綜合樓更高效快速安全投入使用，本項目采用兩種不同的保溫方案進行比選。

2.1 建筑外墻外保溫方案

隨著建筑節(jié)能技術的不斷完善和發(fā)展，傳統(tǒng)的外墻外保溫技術是目前應用最廣泛的保溫技術。其形式主要有：聚苯板薄抹灰外墻外保溫、膠粉聚苯顆粒外墻外保溫、聚苯板現(xiàn)澆混凝土外保溫系統(tǒng)。它們具有以下幾方面優(yōu)勢。

(1)保溫材料置于外墻外側，將各部位的冷、熱橋影響降到最低，保溫效果好。

(2)提高主體結構的耐久性。

(3)適用范圍廣、技術成熟。

外墻外保溫技術使人們的居住環(huán)境、生活質量得到了明顯提高與改善，但是通過國內近些年的實踐證明，這種保溫形式具有多項先天弊病，歸納起來主要有以下幾點。

(1)墻體保溫與建筑主體不同壽命。

(2)墻體保溫與安全防火不能兼顧。

(3)保溫材料長期接觸大氣，施工后空鼓、開裂、脫落現(xiàn)象嚴重，后期需經(jīng)常維護。

對于鐵路沿線的特殊配套用房來講，比如信號樓、指揮中心等，其出現(xiàn)火災隱患、外墻保溫脫落等問題時須及時維修，經(jīng)常維修外墻面導致后期出現(xiàn)大量的建筑垃圾，加大投資，且影響房屋的正常使用，對鐵路調度指揮產生干擾，阻礙鐵路行車的正常運營[14-15]。

2.2 建筑節(jié)能與結構一體化技術

建筑節(jié)能與結構一體化技術，通俗地講，就是不再給建筑“套棉衣”，而是通過采取一定的技術措施，采用相應的墻體材料及配套產品，使墻體本身的熱工性能達到節(jié)能標準要求，實現(xiàn)集保溫隔熱與圍護結構功能于一體的建筑節(jié)能技術。目前山東省已有成功案例，比如煙臺高新區(qū)北航科技園、東方威斯頓工程等。通過調查了解，與傳統(tǒng)的外墻外保溫技術相比，一體化技術具有五大突出優(yōu)點[16-17]。

(1)保溫與建筑物整體同壽命。外圍護墻體填充自保溫砌塊，梁、柱、剪力墻等熱橋部位采用FS外模板進行現(xiàn)場澆注成型，實現(xiàn)建筑物保溫與結構整體同壽命的目的。

(2)優(yōu)良的防火性能。一體化技術與傳統(tǒng)外墻外保溫防火性能對比見表1。

表1 一體化技術與傳統(tǒng)外墻外保溫防火性能對比

(3)具有良好的保溫隔熱性能，滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范與綠色建筑標準要求。

(4)施工工藝簡單，易于推廣應用。FS外模板與自保溫砌塊生產、設計、施工、標準規(guī)范已成熟，靠自身即可滿足建筑節(jié)能要求，無需做輔助保溫處理。

(5)降低工程造價，減少人工和材料消耗，節(jié)約成本，具有較好的綜合效益，一體化技術與薄抹灰系統(tǒng)(XPS)造價分析見表2、表3。

表2 一體化技術造價分析

表3 薄抹灰系統(tǒng)(XPS)造價分析

注：表中梁柱剪力墻及非承重墻造價包含保溫做法。其中，梁柱剪力墻在整個外墻面占比為41.11%，非承重墻占比為36.23%(包括防火隔離帶)，窗戶占比為22.66%。

綜合以上分析可以得出：一體化技術綜合造價低，比薄抹灰系統(tǒng)(XPS)平均每平方米節(jié)省74.23元。

(6)減少施工工序，縮短工期。一體化技術相對于傳統(tǒng)的外墻外保溫系統(tǒng)減少外墻保溫板固定或粘貼這一工序，對于綜合樓來講，施工工期至少縮短1個月以上，為西港區(qū)鐵路專用線的順利開通提供時間保障。

2.3 方案比選

結論：經(jīng)過上述兩種方案優(yōu)缺點對比，針對綜合樓工期緊張、消防安全及耐久性要求高、投資受限等特點，最終決定采用建筑節(jié)能與結構一體化技術作為實施方案。

通過借鑒成功案例的寶貴經(jīng)驗，綜合樓將FS外模板+自保溫砌塊進行組合，即在梁、柱、剪力墻等熱橋部位采用FS外模板進行支模澆筑混凝土，在填充墻部位采用自保溫砌塊，以這兩種結構組成建筑外框架，形成獨特的保溫體系。

3 一體化技術的防火節(jié)能設計

3.1 防火設計

綜合樓選用的FS外模板由界面砂漿、保溫層、增強層組成，經(jīng)工廠化制作復合，具有良好的保溫與耐久性，在施工期間起到澆筑模板的作用，后期作為外墻的保溫體系，無需拆除。具體做法由內向外依次為：4 mm厚保溫過渡層、35 mm厚擠塑聚苯板、11 mm厚保溫過渡層、20 mm厚?；⒅楸貪{料，外模板外部相應設置抹面層、耐堿玻纖網(wǎng)和飾面層(圖3)。保溫材料外側具有足夠厚度的防護層[(11+20+5+6+9) mm>50 mm的不燃材料]，其燃燒性能達到A級，滿足現(xiàn)行防火規(guī)范的相關規(guī)定。

圖3 FS外模板構造

綜合樓自保溫砌塊型號選用390 mm×260 mm×190 mm (長×厚×高)，內置140 mm厚擠塑聚苯板，兩側為60 mm厚輕集料混凝土塊體，通過多個交叉貫穿的加固連接件提高該砌塊的整體性(圖4)。自保溫砌塊芯材的燃燒性能為B1級(XPS板)，兩側的墻體為不燃材料且厚度均不小于50 mm，其整體的燃燒性能達到A級，耐火極限≥1 h，滿足現(xiàn)行《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016—2014)第6.7.3條的相關規(guī)定“建筑外墻采用保溫材料與兩側墻體構成無空腔復合保溫結構體時，該結構體的耐火極限應符合本規(guī)范的有關規(guī)定：當保溫材料的燃燒性能為B1、B2級時，保溫材料兩側的墻體應采用不燃材料且厚度均應不小于50 mm[18]”。

圖4 自保溫砌塊構造

3.2 節(jié)能設計

FS外模板與自保溫砌塊復合外墻體的節(jié)能設計需綜合考慮，并應滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的相關要求，本工程中FS外模板與自保溫砌塊的熱阻均按照各材料層的熱阻之和計算確定[19-20]。兩者的傳熱系數(shù)分別為0.56，0.38 W/(m2·K)，進行組合的復合外墻體平均傳熱系數(shù)為0.50 W/(m2·K)，現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范規(guī)定：“當建筑類型為甲類且體形系數(shù)≤0.30時，外墻(包括非透明幕墻外墻)的平均傳熱系數(shù)應≤0.50 W/(m2·K)[21]”。

綜上所述，F(xiàn)S外模板與自保溫砌塊復合外墻體符合現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的相關要求。

4 一體化技術的實際應用

綜合樓采用建筑節(jié)能與結構一體化技術，通俗來講就是在施工過程中，將FS外模板先進行支模(圖5)，然后在其內側澆筑混凝土，并通過連接件將FS外模板與混凝土牢固連接，外側做水泥砂漿抹面層和飾面層，抹面層僅需在薄弱位置使用加強網(wǎng)進行加固。在填充墻部位用專用砌筑砂漿砌筑自保溫砌塊(圖6)，兩者形成建筑主體框架，外側整體抹專用抹面砂漿后進行飾面層施工，使自身熱工性能滿足建筑節(jié)能設計標準，同時順應綠色建筑的相關要求，實現(xiàn)與建筑主體同壽命的保溫系統(tǒng)[22-23]。

圖5 FS外模板支模現(xiàn)場

圖6 自保溫砌塊砌筑現(xiàn)場

一體化技術施工工序主要包括：確定FS外模板排版分格方案、彈線、FS外模板裁割、安裝連接件、綁扎鋼筋及墊塊、立內側模板、安裝FS外模板等十幾道工序。每一道工序都有其特殊的施工要點，需建設單位、監(jiān)理單位、設計單位、施工單位參建四方密切配合，才能確保建筑的工程質量，實現(xiàn)工程的最優(yōu)化。

5 施工過程中存在的問題與解決方案

以鐵路調度綜合樓為例，F(xiàn)S外模板與自保溫砌塊組成的建筑節(jié)能與結構一體化在施工中仍存在一些問題，在多次查閱資料、借鑒成功案例和不斷地摸索中，這些問題也得到了有效的解決。

(1)FS外模板與自保溫砌塊的豎向連接界面由于施工偏差影響會出現(xiàn)不在同一平面的問題，應采用保溫漿料抹平后統(tǒng)一做外飾面處理，見圖7。

圖7 FS外模板與自保溫砌塊連接處構造

(2)由于FS外模板質輕不承重，為避免自保溫砌塊外側的輕集料混凝土在長時間重力作用下壓壞模板，故在梁的端部設置凸出其外表面40 mm的挑耳，并在其外抹30 mm厚保溫漿料滿足節(jié)能要求，見圖8。

圖8 FS外模板挑耳構造

(3)由于該工程選用砌塊的保溫材料以及窗戶的固定方式均居中，為保證門窗連接件在墻體上可靠固定，不破壞保溫材料，自保溫砌塊門窗洞口位置需交錯使用特殊砌塊(保溫材料不居中)組砌(圖9)，門窗框與墻體之間的縫隙采用高效保溫材料填實，洞口周邊縫隙采用硅酮系列建筑密封膠密封，嚴禁采用普通水泥砂漿填縫。

圖9 門窗洞口砌塊組砌

(4)當自保溫砌塊砌筑長度較長時，需設置構造柱來提高建筑的整體性。構造柱位置采用FS外模板進行外部保溫，為保證施工完成后與兩側墻體在同一平面上，避免出現(xiàn)錯臺，設計人員在設計時需與結構專業(yè)認真核實并確認構造柱的尺寸及位置，提前預留出FS外模板寬度(圖10)。

圖10 構造柱位置預留FS外模板

仍需解決的問題：由于FS外模板廠家施工工藝的局限性，其在轉角處保溫材料一側裸露，熱橋作用顯著，易造成墻內轉角出現(xiàn)結露現(xiàn)象，在建筑節(jié)能與結構一體化技術中仍需不斷探索和改進。

6 結語

建筑節(jié)能與結構一體化技術兼顧保溫與防火，通過保溫材料與墻體結構的有機組合從根本上解決消防安全問題。其質量安全可靠、節(jié)省工期和造價，實現(xiàn)了建筑行業(yè)的四大轉變：建筑材料防火向建筑結構防火轉變、建筑保溫二次施工向同步施工轉變、建筑保溫壽命周期向全壽命周期轉變、工程現(xiàn)場濕作業(yè)向工廠化、產業(yè)化方向轉變。這一技術不僅為建筑行業(yè)的未來發(fā)展指明新方向[23-25]，也為工期緊張、投資受限、消防安全及耐久性要求高的鐵路房屋建設提供寶貴經(jīng)驗，從一定程度上保證了鐵路運營安全，促進鐵路事業(yè)的發(fā)展。雖然一體化技術生產、設計、施工技術日漸成熟，但仍存在某些細部節(jié)點如熱橋作用顯著的問題，影響節(jié)能效果，需在今后的工程中不斷探索和改進，使一體化技術更好地順應綠色建筑的發(fā)展。