轻型建筑围护系统的热物理设计——新芽轻钢复合建造系统的项目案例.pdf

轻型建筑围护系统的热物理 设计 新芽轻钢复合建造系统的项目案例 【夏珩】x i a h e n g 【朱竞翔】z h uj i n g x i a n g 作者单位 香港中文大学建筑学院 收稿日期 2 0 1 3 门2 3 0 1 h e 衄a ld e s 连r no f l i g l 脚，e i g h tb u 埘i n ge n v e l 叩e b u i hc a s e so fn e w b u d l i g h tg a u g ec o m p o s i t e db u i l d i n g $ 咖 摘要 探讨使轻型建筑获得良好室内舒适性的方法，指 出在围护系统的热物理设计中应采用“稳定室 内气候”的被动设计策略，构造需要运用“绝 热”“蓄热”原则和建筑材料不同的“热阻”与“热 容”能力，设计目标还包含控制湿度、优化自然 采光以及组织室内通风等其它方面。这一方法于 2 0 。9 2 0 1 3 年间在新芽轻钢复合建造系统项目中 得到连续应用与验证，其有效性通过直观评价与 量化测试的方式得到了验证。 关键词 轻型建筑；围护系统；热物理；新芽轻钢复合建 造系统项目；稳定室内气候；绝热；蓄热；材料 性能；室内舒适性；测试验证 1 现象 在2 0 0 8 年“5 1 2 ”汶川大地震之后。约有价值数十亿的活动板 房用于过渡时期的周转”。，作为灾区群众的临时居住，教学场所等。 以此为基础，若以3 0 0 元m 2 的造价推算，在灾区兴建的活动板房 面积可能接近1 0 0 0 万m 2 。不过关于它的负面报道却不少见。比 如在夏季，在这些临时教室中的学生不时出现中暑甚至晕倒的极 端情况瞄1 。虽然这些临建的使用寿命能够以年为单位计算。但随着安 置房的陆续建成，它们在短短几个月的时间后就被当地百姓大量空 置、甚至弃用。随之而来的是，这些废弃的板房要么成为垃圾。要 么需要专业力量进行回收。不难想像仅建材的损耗，人力重复调 配就消耗了大量的社会资源，还暂且不论回收效率的高低( 图1 ) 。 这一现象折射出这一建造系统的两面。一方面，它具有的重型 系统不可比拟的优势，可快速装配低廉的价格、安全抗震、可多 次拆装、节约人力，这完全满足应急阶段构筑物的需求；另一方面 它的室内热物理性能表现令人无法忍受。典型的“夏热冬冷”。室内 外气候仅存在有无风雨的差异。其它缺陷本文暂不展开，如符号化 的蓝顶白墙外观。它与“工棚”及较低的社会地位关联等。对于终 b s t r a c t t h ea r t i c l es u m m a r i z e st h e r m a id e s i g ns t r a t e g i e sa n d t h e j rr e a ie e c u t i o no fi i g h t w e i g h tb u i d i n ge n v e i o p e a ne x c e e n tp a s s j v ed e s i g nw i t ha t a r g e to f 弋t a b i i i z i n g i n d o o rc m a t e ”c a nb ea c h i e v e db yah y b r i du s eo ft h e c o n t i n u e si n s u i a t i o na n dp r o p o r t i o n a it h e r m a im a s s ， w h i c ha r ei n d i c a t e dr e s p e c t i v e i yf r o mt h erv a l u ea n d t h e r m a ic a p a c i t yo fu s e dm a t e r a | s h i g h e r b u j i d i n g c o m f o r tcanb er e a c h e db yd a y i i g h tu s e ，v e n t i | a t i o n o p t i m i z a t j o na n dh u m i d i t yc o n t r oj t h ed e s j g nm e t h o d w e r ea p p | i e dj nas er i e sb u i i tp r o j e c t sa p p i y j n gn e w b u d l j g h tg a u g ec o m p o s i t e db u i i d l n gs y s t e md ur j n g2 0 0 9 2 0 1 3 t h e i ra c t u a ip e r f o r m a n c ew e r ee v aj u a t e db vt h e s u b j e c t i v ee v a l u a t i d 而a n dq u a n t i t a t i v et e s t i n g k e yw o r d s i i g h t w e j g h tb u j i d i n g ：e n v e i o p e ；t h e r m a ip e r f o r m a n c e ； n e w b u d | i g h tg a u g ec o m p o s i t e db u i i d i n gs y s t e m i s t a b i i i z i n gi n d o o rc i i m a t e ；i n s u i a t i o n ；t h e r m a im a s s ； m a t e r i a lp r o p e r t y ；i n d o o rc o m f o 巾t e s ta n de v a i u a t i o n 极用户而言，房屋的舒适性议题比建造过程远为重要。 2 分析 活动板房的这一矛盾其实一直存在。震后重建只是将这一问题 放大，使其进入大众的视野。早在2 0 0 2 年，笔者之一朱竞翔教授就 已经关注轻型结构建造系统，并于2 0 0 5 2 0 0 7 年间指导研究生对其 中一种类型做了深入的调查与资料整理工作p 1 。它以c 型薄壁轻钢 为骨架，以夹心泡沫板作为填充结构，产业界将此称为“k 型房”( 于 1 9 7 0 年代由日本东海株式会社发明) 。 团队的后续研究就以此系统为起点，从围护结构的热物理设计 切入。以提升它的热舒适性能为目标。分析认为，导致“k 型房”出 现“夏热冬冷”特性的原因可分为3 个层次表面上是围护结构构 造设计的缺陷，背后是策略设计的偏差，更本质的则是国内产业界 对轻型建筑建造系统的热物理性能缺乏系统性认知。 在2 0 0 6 2 0 0 7 年，瑞士苏黎世高工( 日h ) 的建筑热物理教授布鲁 诺凯勒( b k e i l e r ) 曾经提出重型结构的围护系统设计策略州。这一策 略在中国多地的朗诗国际m o m a 等住宅项目中得到应用与验证。经 1 d 6 i 建筑学报1 4 们j 氅a h 黑基紧撬怒穗勰：熙。胁利删。州一。 万方数据 万方数据 - 厂l 泌 内外能量交换，利用空间分布优化室内采 光均匀度( 图5 ) 。 3 1 - 一6 个面连续的绝热”围护结构 多层构造 围护结构的空间6 个表面都具有连续的 绝热层。冷热桥被彻底杜绝：将薄金属夹心 泡沫板替换成木质填充板构件，并使用另一 种木质板材在外部将结构钢骨包裹，这两种 木质板材互相搭接。此外，在地面以下增设 绝热层，以此形成钢木复合的新型建造系统 不再外露围护面上的任何钢骨，就如穿上了 一件厚厚的棉衣( 图6 ) a 同时，围护结构还需应对紫外线冰雪、 雨水等破坏作用。所以设计师采用“多层构 造”的策略。以分层次地应对外部气候：从 外至内依次是外立面层、空腔层、防蒸汽层、 木质板材层、防火层与内饰面层。外立面层 主要起到营造外观、抵抗紫外线的作用，还 可以根据项目需要灵活使用木材金属，水 泥板等不同的建筑材料。以形成丰富的建筑 外观感染力，从而摆脱“板房”的低劣形象； 一一一 1 。_ 一i f 一一 工j 空腔层利用微弱的对流排走围护结构上累积 的潮气；防蒸汽层具有真正的防水作用；木 质板材层提供绝热与部分结构作用；防火层 保护钢结构提升耐火性能( 图7 ) 。 3 2 热容的利用蓄热体的分布 重质材料被特意分布在地面和隔墙位置。 因为这些空间位置远离太阳直接辐射，受到 外部温度作用的几率小，利于稳定室内气候。 在夏季，它们也不易直接吸收外界的热量而 造成对室内空间的热辐射( 图8 ) 。高热容材料 的进入使得新芽系统围护结构的重量比“k 型 房”增加近一倍，达到了4 0 - 6 0 k 耵。 3 3 高性能的窗户“小而分散”的开 口布局 围护结构的窗设计分为两个层次。首先， 开口采用“，j 、而分散”的方式，减少单个开 口的尺寸。小开口可以减少能量的交换；但 同时增加开口的数量，使得总的窗墙比满足 采光规范要求。具体的方法是每个结构开 间设置一个开口，相邻开间的开口具有不同 的窗台高度。如此4 个墙面的开口形成高 伽懈。t 熊：黜紧慧；蕊“黧黜二熙州删s e r e s 1 低错动的连续韵律以满足结构空间、采 光等多方面需求。在采光方面。高低开口其 实是对采光参数的进一步细分。高侧窗利于 改善房间进深处的采光：低窗台的开口利于 近窗处的自然光照明。两者联合之后使得室 内采光分布更加均匀。此外，开口的错动分 布为结构提供斜向的传力路径，也形成4 个 面连续包裹的空间体验( 图9 ) 。 其次，在窗构件层级，高低开口分别对 应固定、开启的构造方式，将采光与通风参 数进行了剥离。窗构件使用绝热性能良好的 木质窗框与双层中空玻璃。 值得一提的是，在联合其它方面的设计 优化之后，这一建造系统在逻辑上已经具备 优良的综合性能。它与市场上普通的轻钢建 造系统具有本质的差异。预期使用寿命至少 可达到2 0 年，那正好是乡村一代人需要重 新建房的时间间隔。 4 应用 在2 0 0 9 2 0 1 3 年间。此新型建造系统 衫扣孵箭*衙 万方数据 先后得到了5 次应用( 图1 0 ) 。它们是3 所 乡村小学和2 所自然保护区工作站，分布于 云南、四川两省，气候类型有典型的夏热冬 冷地区和高原寒冷地区。下文仅以第一次应 用四川下寺村新芽小学为例，介绍其围 护结构热工设计相关的内容。 在项目落地时，上述围护结构热工设计 原则被进一步作了当地化应用。在“绝热” 方面，废弃的救灾板房由于具有性能优良的 泡沫材料而被设置于课室的地面之下成为绝 热层，这一方式使得泡沫材料可以被就地消 化；在“蓄热”方面建筑师将原有校舍拆 卸下来的预制混凝土楼板用于地面的垫层 ( 位于绝热层之上) ；地坪表面的重型材质采 用回收的旧砖瓦、石料，并结合水磨工艺 创造出美感的效果，分布于不同的教室。教 室之间的隔墙也使用旧砖砌筑成清水墙面， 使用砖的肌理表达美感，为工业化的房屋提 供一种当地人熟悉的亲和力( 图11 ) 。 此外。良好的防潮设计也是保证室内卫 生、舒适的重要方面。与香港的“回南天” 类似，四川具有常年潮湿的气候。另外，下 寺村临江而建的村落选址使得当地房屋室内 的墙面、地面在雨季极易出现返潮现象。虽 然当地房屋使用很高的基座以试图克服潮湿 气候的作用。却是收效甚微。因为地基本身 运用水磨砖瓦、石材废料工艺的校舍地面 没有防潮构造，而混凝土本身具有吸水的毛 细作用。研究团队则是系统性地解决这一问 题，在处理地基时增加了防潮层措施，使用 当地价格低廉的农用薄膜。在室外一侧由 于墙体本身已经使用多层构造空气层可以 排走冷凝的湿气、且防蒸汽层阻隔了外界水 蒸汽的进入。在室内一侧，由于提供防火作 用的石膏板化学成分为c a s 0 。- 2 h 。o ，材 料具有一定的吸附水蒸汽的作用( 图1 2 ) 。 在窗设计方面，团队也对策略做了进一 步的发展在屋顶围护面上开设小而窄的天 窗采光带，以改善房间中部的照明。这一采 光带又与构造因素关联正好吸收了墙面板 材模数转为斜屋面时产生的碎尺寸。课室的 通风方式以自然交叉通风为主( 图1 3 ) 。 5 回访与温度测试 在建造过程中和建成之后。村民陆续注 意到新房屋的特殊之处，它的建设周期极短， 即使是茬雨天。室内地面也从无出现返潮现 象。冬天比较暖和。在5 年问的多次回访发 现校舍房屋外观并没有因为风雨的作用而 快速老化( 图1 4 ) 。此外笔者还观察到一 些村民也开始收集泡沫、在自建房的围护结 构上使用轻重材料相结合的构造方式。 同时，团队也开展了定量的测试以定性 研究它的热物理性能。由于是低密度的乡村 地区，且校舍临河，夏季表现主观评价不错， 故仅在2 0 10 年的冬季对下寺村小学校舍进行 了温度测试。它分为自然状态和主动采暖状 态两个实验( 皆为无人使用的条件) 。测试的 2 施工中的校舍基础 1 3 校舍的天窗 万方数据 4 临街课室图片对比2 0 0 9 年9 月建成( 左) 与2 0 1 3 年6 月回访( 右 土木房屋 标高1 层门层毕 体积7 2 o m l 板式活动房屋 标高第1 层，总高1 层 体积2 9 2 m 1 口 仪器h o b od a l a i o g g e r自动记录温度数据 布点房间中央离加热设备高24 m 温度侧试i 警孚 1 5 冬季自然状态下的校舍活动板房、当地土木房屋温度对比测试图表2 0 1 0 年 横向比较对象为，应用此新型建造系统的校 舍、当地新建的砖混结构、原有土木结构的 房屋和灾后遗留的板式活动房屋。其中，校 舍的空间体积最大( 1 5 9 m ) ，而板房的体积最 小( 2 9 m 3 ) ，砖混结构和土木房屋居中汜r t 书。 5 1 冬季自然状态下的温度测试比较 测试条件：在自然状态下的测试时间 持续两天，温度记录间隔为0 5 h 。最后 得到的温度记录曲线如图所示横坐标为 时间轴。纵坐标为温度轴；蓝色为室外温 度、红色曲线为新校舍、绿色曲线为土木房 屋、黄色曲线为板房。从波峰、波谷的波动 范围比较。蓝色曲线的波动范围最大，在 7 。c 1 4 。c 之间；黄色曲线仅随其后，几乎 也在7 。c 1 4 。c 之间；红色曲线波动幅度排 温度。c 1 6 、 6一 毋歹毋穸 第三，在1o o c 1 2 。c 之间；绿色曲线波动 最小，仅为9 11 之间( 图1 5 ) 。 分析：1 ) 与活动板房相比，使用连续 6 个面的绝热构造使得新校舍的室内温度更 高。由于重型材料的恰当分布，室内温度的 波动也是更加稳定。2 ) 这表明，当地土木 房屋的室内气候最稳定，其次是新校舍而 板房的波动剧烈程度基本与室外气候相差无 几。其次虽然土木房屋的室内气候比新校 舍稳定但是它的温度要低于新校舍1 。c 左 右。结论：综合比较之下，新校舍的室内物 理性能更具优势。 5 2 冬季加热状态下的温度测试比较 测试条件：在主动采暖状态下的测试， 主要比较了新芽校舍和当地砖混结构的室 o 建筑学报，o ，i 要囊0 髦罴烹紧毳。嚣氅。嚣差怒是二弄恐：m 。佃。a 。叫。圳。n s 。m ；一z s圃燕 e p s 板房新芽课室当地土木民房 内热物理性能表现。砖混结构的空间体积 为校舍的一半。集中加热时间为2 h ( 1 8 ：1 5 2 0 ：1 5 ) ，选择在太阳落山之后进行以排除直 接辐射热的干扰。 整理得到的温度记录曲线如图所示，横、 纵坐标分别为时间轴和温度轴；蓝色曲线为 室外温度红色曲线为校舍温度、紫色虚线 为砖混结构温度。自温度记录开始，蓝色曲 线就急剧下降；红色曲线急剧上升至1 3 的 波峰，升幅达2 。c 之后回落又小幅攀升至 12 波峰然后在加热停止后开始一路下降； 紫色虚线急剧上升至1 0 8 u c 左右波峰。升幅 为1 左右。之后开始平缓地爬升至1 2 波峰， 然后开始一路下降。在波动过程中红色曲线 始终位于紫色虚线的上方( 图16 ) 。 一誓 b b 层价第惦 舍高积 _ = 校标瘁 万方数据 砖房 标高+ 第2 层总高2 层 体积8 64 m 1 h o ，1 二。 - ：_ 一o ： 豳目鬻j ；。f ? 辫曩。 “、。 。j 4。ll 1 ：“：、刊- o 辜 1 6 冬季加热状态下的校舍当地砖房温度对比测试图表2 0 1 0 年 分析：1 ) 到达第一个波峰之前的上升曲 线斜率大是由于空间中的空气首先被加热。 代表校舍的红色曲线比紫色虚线上升得多 持续时间长，这说明校舍内的热量损失得少 且慢。2 ) 之后上升紫色虚线的斜率变缓是由 于空气的热量向砖墙传递。被其吸收。红色 曲线在第一个波峰之后的下降是由于热量向 空间的传播或者是被墙体吸收之后的小幅 反弹是由于当环境温度下降到一定值时，校 舍墙面吸收的热量开始向外释放。3 ) 最后比 较热量损失完毕的时长，以起点温度画水平 参考线可知，它们与红色、紫色曲线的焦点 的横轴坐标值基本要相差1h 左右。这说明， 轻型校舍内热量的散失稍快于砖房。 应急抢险 一 一i i _ 轻型系统的快速重建 高效的重建途径 17 优化后的灾后重建阶段 温度。c 1 6 1 4 1 2 4时间 ? 芦 结论：通过分配重型材料进行改良之后的 校舍围护结构可以稳定室内的温度波动，且室 内温度较当地重型房屋更为宜人；它也可以存 储热量，并使得热量损失的时间延迟可接近 于重型的砖混结构。由此可以推测，围护结构 可以在冬天通过收集人体释放的热量加热室内 空间，并进行有效的存储。这一测试证明了在 轻钢建造系统的围护结构热工设计中联合运用 热阻和热容参数的有效性和必要性。 6 结论 在后续的系列项目中。“6 个面连续的 绝热”与“热容的利用”这两个原则一直得 到贯彻。而窗设计方面则是进一步随着气候 条件、功能需求的改变和认知的深化得到极 大的改进”1 。 这个系列试验表明，本研究从材料与构 造系统两个层级成功提升了轻钢预制建造系 统的室内舒适性能，极好地平衡了在建造速 度与舒适性能之间的矛盾。这也为相关的轻 型建造系统发展提供了一定的借鉴作用。这 一系统的直接应用价值具有多方面可能，比