夏热冬冷地区超低能耗建筑装配式外围护系统设计

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-匚■护系统设计本项目为苏州城亿绿建科技股份有限公司新建PC构件厂项目的配套综合研发楼，项目位于苏州市相城区望亭镇，新华村路南侧、姚凤桥路东侧。综合研发楼为4层建筑，建筑面积为9047.49平方米，其中地上建筑面积：5830.64平方米，地下室建筑面积：3216.85平方米。建筑高度为19.8米。一层为展览空间，二到四层为办公、会议空间，采用新型装配式组合结构体系。结构设计使用年限为50年。二匚二匚项目建设目标是实现超低能耗建筑、绿色建筑三星级、装配式建筑三星级，整体预制装配率达到90%以上，通过高度工业化的建造方式打造面向未来建筑业发展需求的绿色、健康、智慧、超低能耗的高品质建筑。、02外围护系统方案整体思路是从项目的需求出发， 整理市场产品并进行性能调研，进行整体对比并对适用部位进行分析，最终确定项目产品选型。1项目建筑性能要求作为一栋多层办公楼的外围护系统，首先要满足的是建筑功能方面的要求，即隔绝外部环境对内部使用人员、设备、活动的影响，具体包括建筑的保温、隔声、气密性以及抗震、抗风等方面的性能。在外窗的方面，要满足《近零能耗建筑技术标准》GBT51350-2019表6.1.5-2关于夏热冬冷地区外窗传热系数限值最低要求，外窗传热系数不能大于 2.2W/(•K)。《江苏省超低能耗居住建筑技术导则(试行)》中对于外窗的要求如下，即要求传热系数 K<1.6W/(•K)，各向外窗在夏季和冬季遮阳系数也做出了要求。考虑到本项目为多项技术集成示范工程，所以本项目外窗传热系数要求适当提高，参考已实施的《上海市超低能耗建筑技术导则》中关于对外窗传热系数的要求，外窗综合传热系数定为 1.8W/tf•K，同时采用可调节外遮阳控制遮阳系数，南向夏季遮阳系数 ＜0.20，冬季遮阳系数＞0.60，外窗可见光透过率＞0.50。在确定外墙体传热系数指标方面，结合4月份满足零能耗建筑目标的能耗模拟计算的边界条件设定值，设定的外墙平均传热系数要求为0.4W/（m2•K）。这一平均传热系数设定值满足《近零能耗建筑技术标准》GBT51350-2019、《江苏省超低能耗居住建筑技术导则（试行）》《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》的最低限值要求。零能耗建筑要求建筑必须具有完整连续的气密层，本项目的气密性能要求不低于《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106-2008所规定的8级。本工程为综合楼建筑，地上部分耐火等级为二级，保温材料的燃烧性能不应低于B2级。项目地区在苏州市，抗震设防烈度为7度，建筑抗震设防类别为标准设防类；苏州地区的基本风压为 0.45kN/m?。分别需要满足在地震、风荷载作用下的构件承载能力极限状态及正常使用极限状态验算。2市场产品调研目前根据构造类型，建筑装配式外围护墙板类构件一般可以按构造分为单一材料墙板、复合材料墙板、骨架类墙板；各自又可以根据是否带保温、装饰形成结构装饰保温中间两种或者三种一体墙板；根据是否采用吊挂连接件，可分为内嵌式或外挂式两种与主结构的安装方式。在单一材料墙板方面，目前市场上主要产品为蒸压加气混凝土墙板(ALC板)系统。该系统一般由ALC条板、背负钢框架和勾头螺栓构成，也可以选装保温层。自重一般为450〜550kg/m3，墙板本身导热系数为0.12W/(m・K),耐火时间为4个小时。比较常用的龙骨墙板为轻钢龙骨保温装饰一体化外墙板，由外叶装饰板、轻钢龙骨骨架、内叶防火板、保温层、剪力钉和连墙件组成。轻钢龙骨墙板轻质高强，自重最低可至120kg/根据需要可以做到十多米的板幅跨度。另一种龙骨墙板是木龙骨墙板，一般包括木龙骨骨架、OSB板、呼吸纸、外叶装饰面板、防虫网、顺水条、泛水板、保温层和底梁板、内叶防火板等部件。燃烧性能为难燃型 B1，自重最低可至60kg/m2o在复合墙板中应用比较广泛的是预制混凝土夹心保温墙板，该种墙板由连墙件、连接件、内叶混凝土板、外叶混凝土板、保温层构成，俗称三明治墙板，自重约为650kg/mo3外墙板构件选型根据项目超低能耗目标要求，外围护墙体的平均传热系数不超过0.4W/(m•K)，而木龙骨墙板因为结构骨架采用木料，只有金属龙骨导热系数的1/100左右，热工学性能非常优异。除此之外墙板的重量也是影响装配式建造效率的重要因素。初步根据材料特点进行评价如下：44温能保性量重㈠Q烧能燃性4本成1Q造率建敢阳墙*★-*+*+***+*€■★*+★★★★*★*1*★骨龙木a★**a***★+Q★*★-★★*P★★+初选预制外墙板性能评价分析根据以上初步各类墙板构件性能评价，结合项目的整体需求，优先选用木龙骨装饰保温一体化墙板，最容易达到超低能耗建筑的保温要求并且具有比较快捷方便的施工方式；建筑一层因为容易受潮气影响并且容易被虫蚁蛀蚀，故采用耐候性更好的预制混凝土夹心保温外墙板；考虑施工便利性，一层局部采用轻钢龙骨一体化外墙板。最终形成如下应用方案：南北立面外墙板应用方案m 东西立面外墙板应用方案m 东西立面外墙板应用方案木龙骨一悻化外堆槻03外围护构件设计一层预制混凝土夹心保温墙板为例，对装配式外围护构件设计03外围护构件设计一层预制混凝土夹心保温墙板为例，对装配式外围护构件设计进行说明。项目基本数据如下：一层墙板最大标高为5.4m，建筑地面粗糙度类别为B类，苏州地区基本风压0.45kN/皿抗震设防烈度为7度（0.10g）。1荷载计算预制混凝土夹心保温墙板系统由内叶混凝土板、外叶混凝土板、保温层（XPS）及连接件组成。墙板尺寸如图所示。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），外围护结构风荷载计算基本组合Ql=2.30kN/m2o墙板裂缝控制等级为二级，抗裂验算按照荷载标准组合计算效应设计值。由于墙板上部支座释放了竖直方向的位移，且墙板两侧均有拼缝，不考虑温度作用。标准组合下的荷载Q2=1.53kN/tfo2墙板主体设计墙体热工性能设计根据《近零能耗建筑技术标准》GBT51350-2019、《江苏省超低能耗居住建筑技术导则（试行）》《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》要求，外墙平均传热系数应不高于0.4W/（•K）。在此根据《民用建筑热工设计规范》 GB50176-2016对预制混凝土夹心保温墙板的平均传热系数进行计算。材料口厚度（LI）曰导热系数E（xKi2内叶混凝土0一聘1.*XPS0.0胸D.03外叶混凄土P0.知1.74^计算参数可以算出，预制混凝土夹心保温墙板的传热系数为0.342W/（tf•K），满足超低能耗建筑要求。因此，墙板尺寸确认为外叶板厚60mm，内叶板厚120mm，XPS保温层厚80mm。墙体力学性能设计（1）有限元分析本项目所使用的预制混凝土墙板为非组合夹心保温墙板，仅考虑内叶混凝土墙板单独承受水平荷载作用。本文使用MIDASGEN建立内叶混凝土墙板有限元模型，选取单元类型为板单元，材料为C30混凝土，板厚120mm。窗口部分板厚1mm，材料弹性模量为零，用于分配荷载。由弯矩计算结果可知，250mm宽板上最大弯矩为5.lkN・m,

剪力为4Q3kN。300mm宽板上最大弯矩值为5.58kNm,最大剪力为2.04kN。弯矩结果剪力结果W崛I-iMf+iF士h*]lKQKB^Ubmu^bp:弯矩结果剪力结果W崛I-iMf+iF士h*]lKQKB^Ubmu^bp::UI'XM-s-Wl£i"imi*-rt-i-IJiwt4-Kee：j2）墙板配筋由有限元分析结果可知，250mm宽板跨中及300mm宽板跨中为墙板的最不利位置。因此，需要对这两个位置进行配筋计算。由于250板和300板宽度较小，剪力作用较为明显，配筋计算时将其当做梁来考虑。剩余板块配双层双向钢筋网片^8@200，钢筋均为HRB400。3墙板转接件设计上部转接件采用长圆孔与预埋哈芬槽的方式释放 X、Y轴方向的位移，通过螺栓和垫片约束Z轴方向位移。根据计算假定得出上部支座节点在荷载下的沿Z轴方向反力为8.1kN。由有限元结果图可知最大应力值303MPa，小于钢材的抗拉抗压抗弯强度值305MPa。因此，转接件的尺寸设计满足要求。讷冬5■Figure2T^bfEquLjle-nt^n-Mis^f)QriUriHh-lB.T^n.2I求。讷冬5■Figure2T^bfEquLjle-nt^n-Mis^f)QriUriHh-lB.T^n.2I0011血価Mai2MS9M2副川個195113&7.745如翦ONhM归WiLfi15DJD应力结果、04连接拼缝设计本项目采用了三种不同的装饰保温一体化墙板。不同墙板间的拼接节点是重点与难点，拼缝的质量决定了外围护系统的性能。连接拼缝的设计是重中之重。由于预制混凝土夹心保温墙板仅仅在一层使用，上下并没有墙板与之相邻。因此，仅对竖向拼缝进行计算。综合考虑立面分格、温度变形、风荷载及地震作用下的接缝受力特点、接缝变形量、密封材料最大拉伸 -压缩变形量及施工安装误差等因素的影响，接缝宽度可按下式计算：研究、分析、设计过程的梳理，形成了整套工作流程及具体实施步骤，并获得了该类项目实施的一些经验：（1）丰富的产品库信息和对既有产品性能的掌握是装配式外围护设计的基础，在既有资料基础上进行综合评比分析，才能选择与项目需求最匹配的解决方案；（2）装配式外围护技术解决路线必然是从系统 -构件-节点这样一个逐步拆解的过程，系统的选型对于整体影响最大，构件的设计决定了生产及主要性能，而连接、拼缝节点不仅影响了安装效率，同时也是超低能耗这类有较高建筑要求建筑的最终性能成绩的关键一环；（3）检测是对建筑性能非常有效的后评估方法，并且通过合理的策划，可以反向指导设计工作，对于建筑项目设计效果的评估及更多项目性能的提升有着极大益处。本项目设定了检测的目标及分析计划，是推进建筑全生命周期管理和建设高品质建筑的有力手段。随着建筑工业化的发展，建筑业的产业链将更紧密的联系在一起，横向不同专业的配合以及前后不同环节的衔接也愈加重要。必须设定整体把控和系统设计，统筹考虑方设计方案、生产加工、施工建造、运维管理等各方面的影响因素并综合评估，才能选择对项目总体价值最高的技术路线和实施方案，这也是未来建筑业发展的核心价值点。数据说被动房【第