寒冷地區(qū)超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)質量問題處置*

劉志茂,葉智武,吳自敏,劉衛(wèi)軍,李 成

(中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引 言

超低能耗建筑通過性能化設計方法確定外圍護結構熱工參數,并根據負荷適配相應的采暖和空調系統(tǒng)。外墻保溫系統(tǒng)是構成外圍護結構熱工性能的主要因素之一,系統(tǒng)功率與外墻保溫系統(tǒng)熱工性能耦合程度高,功能裕量小,因此,要求外墻保溫系統(tǒng)在服役期間保持熱工性能相對穩(wěn)定。當外墻保溫系統(tǒng)熱工性能劣化超過一定值時,將導致運行能耗超過標準要求或室內環(huán)境參數達不到設計指標。外墻保溫系統(tǒng)施工精細化程度高,在現有條件下,局部功能劣化難以通過翻修的方式恢復到原有熱工性能或翻修成本顯著提升[1]。上述特點決定了應重點關注外墻保溫系統(tǒng)的耐久性。

服役過程中避免雨水滲透或通過縫隙穿透面層進入保溫層是提升外墻保溫系統(tǒng)耐久性的重要方面[2-3]。超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)在常規(guī)節(jié)能建筑外保溫設計的基礎上,將暴露在雨水中的水平或傾斜建筑構件按屋面設計對待以提升其耐久性。如屋面防水層上翻至女兒墻頂板并采用蓋板設計、外窗下口部位保溫采用金屬窗臺板設計、挑檐和敞開式陽臺等外挑部位保溫層設置防水層等[4]。此外,超低能耗建筑節(jié)點設計還引入了大量降低熱橋效應的設計,如雨水管支架、穿外墻管道洞口等[5],在一定程度上重塑了原有外墻外保溫節(jié)點構造。

目前,對于建成的超低能耗建筑的研究主要集中在運行階段的能耗和室內環(huán)境參數分析[6-11],對于外保溫系統(tǒng)暴露出的問題較少提及。通過調研若干項目,發(fā)現超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)中存在共性的質量問題,分為外墻保溫系統(tǒng)與管線碰撞和外保溫系統(tǒng)面層開洞、開裂。后者在項目竣工時均未出現,而是在交付后一段時間才逐步出現。研究分析共性質量問題產生的原因和處置方法有利于增強工作的科學性和預見性。

1 管線與外墻外保溫系統(tǒng)碰撞

1.1 設計現狀

高熱阻的外墻保溫系統(tǒng)和對熱橋的控制是寒冷地區(qū)超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)的主要技術措施。高熱阻外墻保溫系統(tǒng)大幅度提升了保溫層的厚度,控制熱橋則通過增加保溫層的厚度和覆蓋面積來實現,如女兒墻和設備平臺等。保溫層厚度增加和覆蓋面積增大是其區(qū)別于常規(guī)節(jié)能建筑最大的表觀特征。

1.2 問題的提出

通過項目調研,發(fā)現管線與外保溫系統(tǒng)的保溫層碰撞具有普遍性,典型碰撞如圖1所示。管線與保溫層碰撞切開了對保溫層有物理防護和防水作用的面層抗裂砂漿。大部分碰撞問題均在施工過程中暴露并在現場僅實施簡單的補救工作,如在保溫層面層砂漿與管道交接處加密封膠。外墻外保溫系統(tǒng)的設計壽命為25年,而相應的密封措施屬于計劃外的工作,未經系統(tǒng)設計,處理后仍為相對薄弱位置,易開裂并引起滲水。

圖1 各類管線與保溫層碰撞現場Fig.1 Collision between various pipelines and insulation layer

1.3 成因分析

管線與外保溫系統(tǒng)碰撞是設計缺陷,需從設計端入手。設計人員未能識別超低能耗建筑技術實施帶來的設計條件變化,沿用適用于常規(guī)節(jié)能建筑的設計習慣。高頻碰撞部位及原因如表1所示。管線與外保溫系統(tǒng)碰撞更深層次原因如下。

表1 管道碰撞類型、位置及其原因Table 1 Type, location and causes of pipeline collision

1)具有實踐經驗的設計人員較少,且分布不均衡。超低能耗建筑在國內發(fā)展雖經歷10余年,但發(fā)展初期的建設總量仍較少,2013—2018年的總竣工面積僅16萬m2,具有實踐經驗的群體往往集中在少部分設計院,經驗總結提煉尚未達到能直接指導設計工作的程度。對于大多數設計工作者來說,實踐未達到,則認識達不到,對實踐過程中遇到的復雜場景難以做出正確判斷。

2)設計單位在超低能耗建筑技術研究過程中參與深度不足。對超低能耗建筑的研究以技術開發(fā)為主,研究主體為科研院所,設計單位在研究過程中參與深度不足,不能從設計角度上分析超低能耗技術實施所帶來的設計條件變化。因社會分工不同,科研院所無法完全代替設計院進行設計條件的變化分析工作。

1.4 處置建議

項目在方案設計階段各專業(yè)識別超低能耗建筑技術帶來的變化,并在設計過程中予以考慮。最重要的是確認預留洞口與外保溫面層的位置關系。在諸多碰撞問題中,位于廚房外墻的新風管、排風管與設備平臺底板的碰撞有一定的復雜性。為降低噪聲對聲環(huán)境敏感房間的影響,超低能耗居住建筑新風空調一體機的室內機組置于廚房吊頂空間內,用于放置室外機組的設備平臺就近置于廚房外墻。廚房新風系統(tǒng)的進、排風管在吊頂空間內穿外墻,與設備平臺底板保溫層是否碰撞取決于建筑層高和吊頂高度、廚房面寬、設備平臺相對樓板高度、室外機組高度、廚房外窗下口高度,需進行綜合分析。以下有2種降低該部位碰撞的方法。

1)設備平臺與出外墻管道在水平方向上錯開(見圖2a),管道位于設備平臺垂直投影面之外。該方法受廚房面寬限制,面寬較小時難以實施。當廚房毗鄰非噪聲敏感的樓梯間或餐廳時可考慮將平臺置于樓梯間和餐廳外墻。

圖2 出外墻管道與挑板保溫層防碰撞Fig.2 Anti-collision between external wall pipe and flip board insulation layer

2)減小設備平臺底板保溫層厚度,如圖2b所示。減小設備平臺底板保溫層厚度會增加平臺線性熱橋,但超低能耗建筑減少了空調機組的數量,所需的設備平臺數量減少,在總量上線性熱橋帶來的能耗增加量仍較小,文獻[1]分析了該方法。

2 外墻窗臺板部位保溫面層開裂問題

2.1 設計現狀

室外側設置金屬窗臺板是超低能耗建筑外窗普遍采用的安裝形式,窗臺板有以下作用:①能有效保護窗下口外保溫系統(tǒng)免受物理沖擊破壞;②能有效減少窗下口外保溫系統(tǒng)面層與雨水接觸的總量和滯留時間;③能減少雨水對外保溫系統(tǒng)面層的沖擊。

2.2 問題的提出

通過調研多個項目,發(fā)現與窗臺板端部接觸的外保溫系統(tǒng)面層均存在開裂現象,如圖3所示。由圖3可知,窗角部位均有裂紋,且裂紋均從窗臺板與外保溫系統(tǒng)相交部位引出;裂紋為雨水進入外保溫系統(tǒng)提供了通道。

圖3 窗角部位外墻外保溫系統(tǒng)面層砂漿開裂Fig.3 Mortar cracking on the surface of external wall external insulation system at the window corner

2.3 成因分析

1)窗臺板嵌入外墻外保溫層后破壞了外保溫系統(tǒng)原有的面層抗裂設計。外墻外保溫系統(tǒng)面層在窗洞口部位應力集中有開裂的風險,JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術規(guī)程》規(guī)定在窗洞口部位設有分散應力作用的附加網格布以提升抗裂性,如圖4所示,附加網格布設置在外保溫轉角部位。16J 908—8《被動式低能耗建筑-嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑圖集》中窗臺板安裝如圖5所示,可看出窗臺板嵌入保溫層。對比圖4,5可知,窗臺板安裝位置與附加網格布重疊,附加網格布在窗臺板安裝過程中被切開,喪失了原有的抗裂功能。窗臺板安裝前后如圖6所示,窗臺板是在外墻外保溫抗裂面層完成后再切開安裝的。

圖4 外窗角部耐堿網格布分布Fig.4 Distribution of alkali resistant grid at the corner of outer window

圖5 窗臺板嵌入保溫層示意Fig.5 Window sill plate embedded in insulation layer

圖6 窗臺板安裝前后對比Fig.6 Comparison before and after installation of window sill plate

2)窗臺板受熱膨脹作用擠壓外墻保溫系統(tǒng)面層。窗臺板為金屬材質,熱膨脹系數大于面層砂漿。嵌入保溫層的金屬窗臺板夏季受熱膨脹時擠壓抹面層,擠壓效應對裂紋的形成和拓展有推動作用。保溫系統(tǒng)面層和窗臺板材料性能如表2所示。

表2 材料的性能Table 2 Properties of materials

3)窗臺板偶然受力撓度大。金屬窗臺板一側固定在窗框另一側懸挑,窗臺板偶然受力時下彎擠壓與窗臺板相接觸的外保溫面層砂漿,導致開裂。

2.4 處置建議

窗臺板可不嵌入外墻外保溫系統(tǒng)面層,板下口保溫面層設計成一定坡度后能實現設計初衷,理由如下。

1)窗臺板防護作用旨在規(guī)避一定尺寸以上物體直接碰撞外保溫系統(tǒng)面層,窗臺板無需完整覆蓋板下保溫,與側口保溫可留出一定間隙。

2)常規(guī)節(jié)能建筑外窗下口保溫系統(tǒng)設置了一定坡度以實現導水作用,該設計方法經過了長時間的檢驗,設計可靠;常規(guī)節(jié)能建筑的坡度設計可以保留。

3)外墻外保溫具有很強的系統(tǒng)性,面層的連續(xù)性被打破后難以通過其他路徑補足其防水性能。

3 雨水管支架穿外墻外保溫系統(tǒng)面層出現大孔

3.1 設計現狀

雨水管支架是穿外保溫系統(tǒng)面層頻次較高的輔材。為降低支架點狀熱橋效應,超低能耗建筑采用延長傳熱路徑和減小高導熱系數支架與墻體直接接觸面積的方式,即采用“幾”字形扁鐵代替螺栓式支架,扁鐵與墻體間墊有隔熱墊塊,如圖7所示。

圖7 雨水管支架Fig.7 Rainwater pipe support

3.2 問題的提出

某建成7年和建成0.5年的項目雨水管支架如圖8所示。由圖8可知,雨水管支架出外墻外保溫面層出現大孔,已知兩項目竣工交付時外墻外保溫系統(tǒng)面層完好。大孔為雨水進入外墻保溫系統(tǒng)提供了通道,且雨水會支架的導流作用下增加進入外保溫系統(tǒng)的總量。

圖8 雨水管支架Fig.8 Rainwater pipe support

3.3 成因分析

1)支架長度增加,撓度增大。因超低能耗建筑外墻外保溫層厚大大增加,雨水管支架懸挑長度有較大增量,在雨水管重力作用下有較大撓度,對外保溫面層砂漿產生切割作用。雨水管支架對外保溫面層的切割作用呈重力方向的垂直狀(見圖8)。

2)隔熱墊片服役過程中受擠壓縮?，F有標準體系對隔熱墊片的材料性能沒有明確要求,施工過程中通常就地取材,采用易切割的擠塑聚苯板或普通橡膠,此類材料彈性模量通常較小。與支架接觸部位的隔熱墊片在服役過程中受壓產生壓縮,支架對壓縮效應有放大作用,對外保溫面層砂漿產生切割形成大孔。

3.4 處置建議

1)水平方向安裝的雨水管支架改為豎向安裝。豎向安裝的雨水管支架底座增大了有效受力面積,減少了隔熱墊片的壓縮量,降低雨水管支架對外保溫系統(tǒng)面層的切割作用。

2)增大雨水管支架截面慣性矩。采用增大雨水管支架尺寸或改變雨水管支架截面形式,增大截面慣性矩,減少撓度。其中增大雨水管支架尺寸會增加雨水管安裝的點狀熱橋效應,需進行綜合權衡。

3)明確隔熱墊片的彈性模量。當前標準體系對隔熱墊片提出了定性導熱系數低的要求,建議增加彈性模量的要求,規(guī)避現場采用擠塑聚苯板等低彈性模量材料作為隔熱墊片。高分子材料彈性模量與導熱系數呈負相關,采用高分子材料為隔熱墊片時,需進行綜合判斷。

4 結語

為提升設計效率,常規(guī)節(jié)能建筑在常規(guī)節(jié)能建筑標準體系的基礎上固化了設計方法,對常規(guī)節(jié)能建筑有很好的滿足性。超低能耗建筑技術實施后,對原有設計方法產生了新的設計約束條件,不能根據新的設計約束條件作出改變時將產生設計問題。本文所述的管線與外墻保溫系統(tǒng)碰撞的根本原因即源于此。識別超低能耗建筑外保溫系統(tǒng)增厚和覆蓋面積增大的特點并有針對性地改變管線位置能有效減少碰撞問題。