预制夹心保温墙板在建设工程中的节能设计研究

预制夹心保温墙板在建设工程中的节能设计研究

杜鹏

上海天华建筑设计有限公司

摘要：笔者从热工基础计算的角度入手，并概述在装配式项目中预制保温板的主要类型。重点探讨夹心保温结构的实际节能应用设计，包括布置连接件以及基础框架的连接思考。基于个人实践经验，分析具体项目的施工难点和设计应对策划。

关键词：夹心保温；节能设计；装配式；热工性能

一、绪论

现代建筑领域中，装配式结构已然是主要变革方向，起到降低各类资源消耗量、控制施工污染的作用，并具有优化建设成果与安全性的作用。近几年，劳动力费用逐渐上涨，预制安设能有效压缩建造团队规模。预制墙板为土建结构中的重要构成，墙体则是建筑传导热量的主要途径，需要对其进行保温处理。

二、建筑热工基础概述

夹心结构把保温材料添加在墙板内，构建一体化的保温体体系，能达到主体结构承重及保温的目的，并避免后续装饰项目对此部分的干扰，和主体框架的使用时间相同。

（一）热工节能计算

其一是热阻，此部分的热工计算分成单层与多层两种。前者的计算公式如下：

其中， 代表计算层的热阻，单位是 ； 对应单层的实际厚度，单位是米； 表示热导系数，单位是 。

而后者的围护部分热阻计算公式为：

其中的各项组成是对应不同板层的热阻，单位是 。

（二）传热阻的运算

具体核算公式为：

其中， 对应结构层的传热阻； 代表内表面，实际取值是 ； 对应外表面，具体取值是 ； 表示围墙结构的热阻。上述各计算要素的单位均是 。

（三）传热系数方面

围护框架的传热系数表示结构总体处于稳定态势时，其两个面接触的空气温度是单位温差，在单位时间中，借助单位面积范围的结构，能传输的热量^[1]。在夹心结构中，此种多层的传热系数运算需根据下文公式：

其中， 对应传热系数，单位是 ； 则对应多层材料的厚度及导热比例的和，其中 。其他计算要素在上文有提及，此处不进行重复阐述。

该指标表示围护框架的热量输送水平，其相对偏小，则说明传热效果相对偏差，继而保温及节能效果更优。

（四）热惰性的运算

此项指标同样分成单层和多层量两类。单层的计算公式为：

其中， 代表热惰性； 则表明结构的蓄热能力，单位是 。

多层框架的数据计算是：

其中，各部分代表对应结构层的热惰性数值。

通过计算该项指标，能了解围护框架会对温度波的削弱速度，如果其数值偏大，则表示对温度削弱的效率高，继而说明该结构的保温效果更好，提高建设结构的节能性^[2]。上述的所有指标，在我国的建筑行业中均有对应的规范数值，并考虑到现场存在变数，该设定修正系数。同时存在气候差异的区域的，对应的数值也有不同的设定。

三、预制墙板保温结构

当前国内的建设项目中，预制墙板主要有三类保温结构，即内外两种以及本文主要讲述的夹心结构，和常规的围护模式类似。在应用内保温的项目中，需把墙板按照外挂墙的方法，安设在基础结构上，需要和基础结构之间预留空间，大致在 之内，主要用作材料填充。同时在出现热桥现象的局部，额外增加保温材料，降低病害现象的发生概率，维持建筑主体内部的保温体系可以正常运转。而若运用外保温的形式，则需把材料依附于砌体墙、剪力墙向外的一边，而后在其表面继续增加一层钢筋砼的板面。该种结构基本能构建出有效覆盖面较大的保温层，但各组件之间的衔接位置会出现热桥情况，但总体的保温成效较佳，并有较好的节能作用。在现实建设项目的操作期间，内外保温的方式需要经过繁杂的建设过程，且处理效率偏低，并会大幅增加主体结构的厚度，所以，在当前的建设项目中，建设方更偏向于最后一类。简单而言，夹心结构如同夹心饼干，其分成内墙以及保温材料、外墙，三者借助零件连接。和前两类结构相比，可以在与之外墙的模板期间，实现材料填充，由此构建一体化的墙板结构，不仅可以促使保温结构更具集约化，还能够加快建设的速度，控制保温系统制作的造价。

常规的夹心结构，其架构两侧是 的钢筋砼，中部是 材料，厚度是 。根据热工计算可得出理论维度的数值为 。在忽略后续工程中，墙表的装饰物与构件可能带来的热工指数波动，和实地检测的 数值差别不大，表明计算方式可以应用。在实践项目中曾出现过一种夹心结构的保温层，未进行完全填充，而是选择局部填充，保温材料的布局相对零散，在墙板中心区域适量填充，其他部分都与钢筋砼衔接，如此设置方式，不能根据常规的计算方式确定热工指数，实践处理中也仅能进行大致估算。此种夹心设置中，在节能层面的最直观体现是减少填充材料的使用量。在该项目墙板中，有2/5的填充材料，厚度在 ，在保温层的两边是钢筋砼层，厚度是 ，夹心厚度同样是 ，其他空间使用常规的混凝土。若计算此种规格墙板的热工情况，可分出两个模块，而后结合计算即可^[3]。通过计算得出，保温板对应 的热工参数，而钢筋砼则为 ，二者合并计算得到保温系统整体的热工系数为

。为确保建设强度达到设计标准，保温层的厚度把控在 ，但实际保温及节能成效较低，与建设标准还有距离。现实建设中，应当考量建造期间的不足，以及引发的热桥波动，还有材料运送保存等，所以应合理添加保温举措，兼顾功能与节能。

四、预制夹心保温墙板的节能设计运用建议

（一）设计指标影响

其一，连接件插向。为验证该指标对保温层刚度有影响，可准备不同厚度规格的墙板，各自均分别使用直插及斜插处理，对比实际数据，得出结论。在设定荷载范畴中，使用斜插方式的墙板相对刚度更好，并且处于线弹性区间内，两种布设方式都可维持墙板的完整，所以，有较好的组合效果。在出现开裂的情况后，会使墙体整体的承载水平及组合效用不同程度地降低，并且两种插向下，结构刚度的波动幅度无明显差距，所以，布置手段使刚度形成的变化会受到墙板厚度干扰，厚度偏大的墙板，实际影响力会随之降低。其二，连接件的任何布置方式下， 厚结构的刚度会优于 厚的框架。其三，组合程度方面。若要针对该项指标进行试验分析，需从弹性与极限荷载两个角度考量，受到循环荷载的影响中，弹性环节组合程度表现均较好，而厚度相对偏小的墙板，组合程度更好。而处于极限荷载中，均能达到及格的程度。

（二）连接件的布置

在设置墙板的连接件期间，需考虑到建设主体框架的强度以及结构总体的位移因素，确保设计墙板的实际连接满足工程需要。在工程启动后，需借助前期的总体策划设计，确定该组件采用直插或斜插的方式能构建出的组合情况，实际建设的组合效果一般由连接件设置的距离及总体结构决定。根据资料分析与试验结果显示，结构的抗弯效果主要受到以板面宽度为方向的组件，其布设距离波动的影响，相对来看，以高度为方向的组件，对结构抗弯功能的干扰程度偏低。比如，夹心墙板的实际厚度是 ，则各连接组件的距离需以 的规格，进行总体布设。在正常荷载环境中，该结构的组合有效性能超过 。在单位平米的区域内需使用四个左右的连接件，平均分出直插与斜插两种连接形式的零件组^[4]。如果保温层设计成 的厚度，则各组件需根据 的距离进行布设，同样在设定荷载情况下，有效组合性能依旧达到 之上，各单位面积内使用组件数量增加到六个，分成三组。实践为项目中，施工方能基于组合效果的具体标准，合理设计连接件的布设方式，如果对组合程度要求更高，可适当缩短各组之间的距离。如果不是组合式的结构，需在确定框架安全的前提下，部分斜插可由直插形式代替。同时，结合相关试验现实，在各段区域布设更多的组件排数，和在 的位置添加额外的连接件，前者对增强抗弯效果以及组合程度方面，有相对明显的提升作用。另外，从风循环的荷载角度来看，预制板内外两侧的板材容易发生位移错位的问题，所以，在进行节能设计期间，需合理添加连接件，通过缩短设计的距离，提高局部的抗剪能力，借此降低板材出现分离情况的概率，优化预制夹心结构的组合效果，从而促使整体架构达到保温及节能要求的同时，可以保障主体结构的坚固性。

（三）主体结构连接

结合预制结构的相关建筑要求，墙板和基础框架连接中，各节点需应用达标的承载水平，并能达到基础框架变形情景需要，综合来看，需要在连接处理区域设置柔性处理形式。比如，夹心保温板板采用框架结构与钢体系，墙板和主体结构采取纵向连接的形式，运用正打法，实际操作是根据设计的点位，把下部钢结构需要埋设的区域，镶嵌在内侧，在墙板整体安设期间，利用螺栓和埋设区域连接在一起，保证不同方向上的承载性能。另外，为让墙板出现变形期间，端部能随之调整，所以，安设操作时，需注意不可焊接成固定的形式。在上端连接区域设置纵向的孔洞，构建出垂直方向上的移动空间，而上拉结构的连接框架中，可布设碗状的垫片。在该种结构下，即使遇到地震，也能使保温系统的位移快速和基础框架的弹塑性移动性尽可能匹配。为提升连接部分的抗剪效果，可增加双重的保护，如使用具有极强抗剪能力的螺栓，并设置槽，通过嵌入的方式，使剪力可有效传递。在上述连接结构中，能增强各节点的抗剪能力，同时不会产生过大的额外空间应用，使建造安设的精确度得以提高。此外，为提高安装的便利性，可预埋 管。建筑主体处于常规应用情况时，外挂墙板需贡献出较佳的使用性能。即使遭遇地震，也可以保持基本的运用状态，所有组建均需在精细维修后，继续应用，并预先考量本地是否存在地震或级别较高的地震灾害，以免建筑投入使用后出现墙体整块脱落的问题^[5]。

（四）项目实例分析

以笔者层负责的项目为例，主要工作是建筑专业的内容。该工程的施工的基地面积达到 ，总建筑面积为 ，且容积率普遍不超过 。该区域内的建筑比例是 ，绿地占用面积比率至少达到 ，建筑物的高度不能超过五十米。该项目在立项启动后，为符合我国在装配式建筑方面的标准件，选择应用夹心保温外墙，并需考量建筑外部的美观性以及防水处理和节能标准，通过合理设计解决项目推进的难点。

首先，需先考量装配式工程的设计，要求满足对称性与整体性，尽可能消除各种外形轮廓上局部变化，以免影响主体结构纵向的刚度。笔者在了解装配式工程的初期，主要设计思考方向是达到装配式的建设标准，选择减少建筑外形轮廓的复杂性，导致立面比较死板。但在设计环节的不断尝试探究中，装配式的各类标准对建筑主体的立面局限性并未达到前期预计的程度，关键在于建设工程的实际定位和立面规划方案。其次，装配式建筑和面积之间的联系。以往的建筑外墙厚度是

，但装配式项目中该数值扩大到 ，继而造成策划方案的墙体厚度随之调整，使建筑面积受到影响，尤其是在选用 与夹心保温的项目中，面积波动幅度相对偏大。所以，在设计阶段中，需考量两个要点，一方面，在工程运行期间， 专业需适当尽可能提前介入的时间，以调整墙体的厚度，确保设计阶段能有效准确把控建筑面积，避免发生重复作业的情况。再次，明确装配式建筑对栏杆及百叶、窗框部分的技术标准，其中窗框尤为重要，通常会采取预埋窗框的方式，将其和墙板在同一时期加工制作，以降低工程现场的安设任务量，并提高各施工缝的密实度，以免出现渗漏的问题，同时也避免水体由窗框进入。而栏杆及百叶等组件的工序设计相对放宽，应根据工程实况，选择预埋或后装的模式，但在装配式项目中的预埋件，还需选择前者进行处理。设计期间，需将此部分的规划内容和装配的各节点进行有效对接。此项工作有别于常规建筑项目，并需确保门窗边框的防水效果，以保障建筑应用的舒适度。最后，便是节能设计中的关键点。在内外保温部分的设计与常规建筑结构标准相同。本项目位于上海，虽然主推使用夹心保温的设计方式，但若采用该种保温结构，在楼板区域会出现阻碍，不能进行保温处理，产生冷桥的效果，对此，需针对节能结构进行特殊设计，合理调整中间层填充材料的硬度条件，如果硬度偏低，势必会降低建筑墙面的平整度。考虑到此，笔者将整个夹心保温墙体划分出三个模块，使用厚度为 的预制组件，搭配厚度是 的 保温材料，以及厚度是 的墙板，借助扣件将三者连接起来。不仅能达到保温需要，同时也确保总体结构的刚度与可靠性。

结束语：预制夹心保温结构的成长速度较快，其能实现批量制作，保证尺寸精度。内外墙以及保温层能合成一体，保障保温层的使用周期。此外，通常不用开展后期维护，并降低施工难度，减少项目施工时长。

参考文献：

[1]赵志刚,吕安安,杨思忠,等.超低能耗预制混凝土夹心保温墙板拉结件热工性能分析[J].混凝土与水泥制品,2021,(02):87-90.

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[3]耿新路.预制混凝土夹心保温外墙板装配式建筑质量管控[J].建筑施工,2020,(03):356-358.

[4]徐桂明,陈旭东.预制混凝土夹心保温墙板热工性能试验研究与模拟分析[J].混凝土与水泥制品,2019,(09):79-83.

[5]江焕芝.基于钢-纤维复合连接件的预制混凝土夹心保温墙板性能研究[D].导师：郭正兴.东南大学,2019.