钢结构建筑保温屋面系统方案设计与选择

1、保温隔热屋面钢结构建筑保温屋面系统方案设计与选择2卫永梅1，（1.上海交通大学自动化系，上海200240；2.博思格建筑系统巴特勒(上海)有限公司，上海201613）摘要：建筑物合理选用保温材料是重要的技术指标和经济指标之一，钢结构建筑常用的保温材料有玻璃棉和岩棉两类，本文通过这两类保温材料热工性能的分析，结合其在巴特勒钢结构建筑系统中的典型应用，其中包括适用于不同的气候分区的单层保温棉和双层保温棉两大系统，为钢结构建筑保温屋面系统的设计与选用提供借鉴。关键词：钢结构建筑；屋面保温；玻璃棉；岩棉文章编号：1007-497X（2012）-03-0044-05中图分类号：TU231；TU55文献标

2、识码：BThermalRoofSystemDesignandChoiceforSteelBuilding2WeiYongmei1，（1.ShanghaiJiaoTongUniversity,DepartmentofAutomation,Shanghai200240,China;2.BlueScopeSteelButler(Shanghai)Inc.,Shanghai201613,China）Keywords:steelbuilding;thermalroof;glasswool;rockwool钢结构建筑由于具有可回收、循环再利用、质量轻、节能、构件加工和安装过程中对环境污染少的特点，与传统的

3、混凝土结构建筑及砌体结构建筑相比较，具有诸多方面的优势。正因为其无可比拟的优点，钢结构建筑是国际建筑业的发展方向，有着广阔的市场空间。目前，钢结构建筑正逐步从工业厂房、物流仓收稿日期：2011-06-16储发展到大型超市、会展中心等大型公共建筑，并不断形成产业化、系统化、多样化。1问题的提出钢结构建筑从节能考虑，一方面建筑最好是南北朝向，且重视体形设计，并减少外表面凹凸；另一方面从提高外墙和屋面的热工性能着手，要控制外墙和屋面的热惰性指标，减少室温的波动。目前，钢结构建筑多采用与优质的保温材料相结合的体系，来达到建筑保温隔热的功效。那么，在实际项目的操作过程中，如何选用合适的保温材料，才能使建

4、筑物既达到保温隔热的效果，又符合经济指标？2建筑物热工性能评价44CBW-RoofingEngineering保温隔热屋面建筑物的热工特性参数，主要包括屋面隔热情况、外围护结构的热阻等。要改善建筑物的热工性能，就必须分析研究这些参数对建筑物的影响。建筑物的热工性能，主要体现在保温和隔热两个保温作用，以室内为例，是指建筑材料和结构在方面。冬季防止由室内向室外传热，从而使室内保持适当温度的能力；隔热作用，以建筑物外墙、屋顶为例，是指建筑材料和结构在夏季隔离太阳辐射热和室外高温的影响，从而使室内保持适当温度的能力。通常，保温性能用传热系数值或传热阻值来评价；隔热性能用夏季室外计算温度条件下（即较热天

5、气）围护结构内表面最高温度值来评价。材料传热系数K，是指单位时间内，在温度梯度W/（m2·K）。的方向，通过单位面积物体的热量，单位：传热阻R，为传热系数K的倒数，单位：m2·K/W。围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R值愈大，保温性能愈好。导热系数，是表征材料导热特性的一个物理指标，数值上等于热流密度除以负温度梯度，单位：W/（m·K）。减少建筑能耗，降低围护结构的耗热量及改善其热工性能，是建筑节能取得成效的关键。根据GB50189公共建筑节能设计标准，整理得到围护结构传热系数的限值，见表1。表1不同气候分区围护结构传热系数限值气候分区围护结构部位屋面严寒地区

6、A区外墙屋面严寒地区B区外墙屋面寒冷地区外墙屋面夏热冬冷地区外墙屋面夏热冬暖地区外墙1.51.51.00.91.00.90.600.700.500.700.500.550.450.450.450.450.400.353钢结构常用保温材料及其热工性能一般来说，建筑物围护结构中保温材料的设计厚建度主要取决于以下几个方面：建筑物的体型系数、筑物墙面和屋面开窗面积、围护结构的热惰性指标、国家相关节能规范或标准对围护结构传热系数的限值、防结露计算得出的围护结构最小传热阻等。钢结构常用保温材料，有玻璃棉、岩棉、聚苯乙烯挤塑泡沫板等。这些材料在保温隔热性能、防火性能、稳定性、抗压强度、防水性能、隔音性能、有

7、害物质含量等方面，存在较大差异。在选择建筑围护结构保温材料时，除保温材料本身外，应结合考虑建筑物的用途、地理位置及建筑的形状、大小、朝向等因素。3.1建筑绝热用玻璃棉建筑绝热用玻璃棉，已成为金属结构建筑普遍采用的保温隔热材料。它通过纵横交叉的玻璃纤维把单位体积的空气分割成无数的小气室，从而阻碍空气的保温玻璃棉除了出众的保温对流以达到保温的目的。性能外，还具有隔热、隔音、防潮、轻质、高弹性、抗压、安装方便、成本低等特点。建筑上选用的保温玻璃棉，产品性能应满足建筑绝热用玻璃棉制品（GB/T17795）要求，其燃烧性能不低于建筑材料及制品燃烧性能分级（GB8624）中的A2级；其24平均温度下的导热

8、系数见不同厚度所对应的传热系数见表3。表2，表2保温玻璃棉24下不同容重所对应的导热系数容重（/kg/m3）材料导热系数/W/（m·K）120.043140.040160.03920240.350.3表3保温玻璃棉24下不同厚度所对应的传热系数K/W/（m·K）保温玻璃棉厚度/mm5075100150容重（/kg/m3）由上可见，保温玻璃棉的热工性能具有如下特点：20123屋面工程保温隔热屋面1）保温材料的厚度对保温效果的贡献比较直接，接近正比关系。保温玻璃棉厚度增加，热阻值明显提高，而成本增加不多。2）保温材料容重越大，材料的传热系数越小。保温玻璃棉容重提高，可以提高热阻

9、值，但不明显，而成本增加很快。3）保温玻璃棉的极限温度较低。达到538时，保温玻璃棉就会软化，因此保温玻璃棉不适用于有防火极限要求的建筑。另外，建筑设计防火规范（GB50062006）条文解释中明确指出：二级耐火等级厂房的屋顶承重构件可采用无保护层的金属构件。条文解释为保温玻璃棉的广泛使用提供了法律依据。3.2建筑用岩棉、矿渣棉某些建筑有特殊要求，如防火极限，建议在金属结构建筑中采用建筑绝热用岩棉作为保温隔热材料。这种材料具有隔热、隔音、轻质、高弹性、抗压性、安装成本低、抗老化、耐候性好等特点。方便、针对此类要求，应选用品牌岩棉，产品性能应满足建筑用岩棉、矿渣棉绝热制品（GB/T19686）的

10、有关规定，燃烧性能达到建筑材料及制品燃烧性能分级（GB8624）中的A级。岩棉保温材料24平均温度下的导热系数见表4，不同厚度岩棉毡24时的传热系数见表5，不同厚度岩棉板24时的传热系数见表6。表4岩棉保温材料24下不同容重对应的导热系数项目容重（/kg/m3）50岩棉毡60801004050岩棉板6080100120表5岩棉毡保温材料24下不同厚度对应的传热系数2K/W/（m·K）容重（/kg/m3）岩棉毡厚度/mm50305075100150表6岩棉板保温材料24下不同厚度对应的传热系数2K/W/（m·K）容重（/kg/m3）岩棉板厚度/mm50305075100150

11、图1是巴特勒钢结构建筑系统中比较典型的单层保温棉屋面系统，表7是该屋面系统对应的热阻系数，表8则是保温材料相应的传热系数。用表8中的公共建筑节能设计标准（GB50189）中传热系数与的传热限值进行比较，可以方便地确定保温方案适用的范围和地区。材料导热系数/W/（m·K）相对而言，岩棉保温材料比玻璃保温棉材料重，而且价格高，因此，采用岩棉保温材料的屋面系统造价更高。4典型的钢结构保温屋面系统及其应用4.1典型的钢结构保温屋面系统1）典型的单层保温棉屋面系统46CBW-RoofingEngineering保温隔热屋面表7典型的单层保温棉屋面系统及其热阻系数编号名称材料描述0.61.0mm

12、厚恒丽板或铝板50mm厚120kg/m3方案A1：岩棉方案A2：100mm厚120kg/m3岩棉方案B1：100mm厚12kg/m3玻璃保温棉方案B2：150mm厚12kg/m3玻璃保温棉隔汽层内衬板吸音板穿孔内衬板无纺布0.40.8mm金属板泡沫金属Rt=+0000保温要求，此时就必须加厚保温材料的厚度。但当超出安装附件的限值，如连接件钉子长度、强度等时，保温棉必须分层铺设。图2是巴特勒钢结构建筑系统中比较典型的双层保温棉屋面系统，表9是该屋面系统对应的热阻系数，表10则是保温材料相应的传热系数。同样，用表10中的传热系数与公共建筑节能设计标准（GB屋面板保温棉总热阻值/（m2·K

13、/W）1.35，2.70，1.35，2.70，总传热系数/Kt=1/RtW/（m2·K）应用范围岩棉适用于具有防火要求的钢结构建筑，如果有隔音要求，+是需要的。编号表9典型的双层保温棉屋面系统及其热阻系数名称材料描述0.61.0mm厚恒丽板或铝板方案A1：50mm厚120kg/m3岩棉方案A2：100mm厚120kg/m3岩棉方案B1：100mm厚12kg/m3玻璃保温棉方案B2：150mm厚12kg/m3玻璃保温棉保温棉隔汽层吸音板穿孔内衬板50mm厚12kg/m3玻璃保温棉无纺布泡沫金属Rt=+0.84000注：考虑到保温绝热材料在安装时的压缩以及冷桥现象等，玻璃棉材料的折减系数

14、为1.3；岩棉材料的折减系数为1.1。总传热系数可公共建筑节能设计标准（GB50189）中0.3<体型系数0.4列下与的传热系数进行比较。屋面板表8不同单层保温方案对应的传热系数及适用地区传热系数K/W/（m·K）2保温材料50mm厚120kg/m3单层岩棉100mm厚120kg/m3单层岩棉100mm厚12kg/m3单层玻璃棉150mm厚12kg/m3单层玻璃棉适用地区保温棉夏热冬暖地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区，寒冷地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区，寒冷地区单层保温棉屋面系统由于既能满足建筑的需求，符合国家相关规范，又较为经济，已成为大多数业主的首选

15、。2）典型的双层保温棉屋面系统当建筑内部环境高温高湿、容易结露时，如纺织车间以及寒冷地区的建筑，单层保温棉屋面无法满足总热阻值/（m2·K/W）2.55，3.90，2.19，3.54，总传热系数/Kt=1/RtW/（m2·K）应用范围岩棉适用于具有防火要求的钢结构建筑，如果有隔音要求，+是需要的。20123屋面工程保温隔热屋面表10不同双层保温方案对应的传热系数及适用地区保温材料传热系数K/（m2·K）W/3统。经过计算，该建筑的体型系数为0.31。该厂房屋面的保温方案比较，见表11。表11武汉地区某钢结构厂房屋面保温方案比选可选择的屋面保温系统A方案：75mm厚

16、16kg/m3玻璃保温棉B方案：50mm厚24kg/m3玻璃保温棉热阻值R/（m2·K/W）传热系数K/W/（m2·K）屋面每h耗热量Q/W520000720000适用地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区，寒冷地区，严寒地区B区，严寒地区A区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区，寒冷地区夏热冬暖地区，夏热冬冷地区，寒冷地区，严寒地区B区，严寒地区A区50mm厚120kg/m岩棉+50mm厚12kg/m3玻璃保温棉100mm厚120kg/m岩棉+50mm厚12kg/m3玻璃保温棉100mm厚12kg/m保温棉+50mm厚12kg/m3玻璃保温棉150mm厚12kg/

17、m保温棉+50mm厚12kg/m3玻璃保温棉3330.460.280.410.30表11中，屋面耗热量Q=T·A/R，其中假定室A为材料表面积，此处为厂房内外温差T为10；的屋面面积。在两种屋面系统的材料价格完全相同的前提下，B方案的每小时屋面耗热量比A由表11可以看出，方案高出近30%。因此，选用前者。5结语综上所述，金属结构建筑结合优质的保温材料,是很容易达到保温隔热的功能，满足国家对建筑物节能的要求。建筑文化的发展与进步来源于建筑理念的不断提升，建筑理念的表达离不开建筑技术的支撑，两者之间的关系相辅相成，建筑技术也同样具有创新性、逻辑性、趣味性等特质。对建筑技术、建筑构造与材料

18、的深入理解，有助于合理选用材料，为绿色建筑（围护结构及屋面）理念的发展提供动力。参考文献：1全国绝热材料标准化技术委员会.GB/T17795-2008建筑绝热用玻璃棉制品S.北京：中国标准出版社，2008.2全国绝热材料标准化技术委员会.GB/T19686-2005建筑用岩棉、矿渣棉绝热制品S.北京：中国标准出版社，2005.3中国建筑科学研究院,中国建筑业协会建筑节能专业委员中国会.GB50189-2005公共建筑节能设计标准S.北京：建筑工业出版社，2005.4中国建筑科学研究院.GB50176-1993民用建筑热工设计规范S.北京：中国标准出版社，1993.5聂玉强.从舒适性空调建筑围护结构热工性能看建筑节能J.建筑节能，2001（9）.50189）中的传热限值进行比较，可以方便地确定保温方案适用的范围和地区。双层保温棉屋面系统在单层保温棉系统的基础上，增加了保温材料的厚度，安装时可采用错缝铺设的方式，避免保温棉横向拼接时产生的冷桥，提高了保温隔热的效果。高温高湿环境的建筑，如纺织车间，选用双层保温棉屋面系统配合防渗膜，可以避免冷桥结露，还可以增设内衬板，从建筑的内部来看，美观大方，提高了建筑美感，是一些有较高要求的建筑常选的方案。4.2应用案例建于2005年的湖北武汉某公司生产车间，长443m，宽241m，高13.5m。该生产厂房采用钢结构体系，建筑面积约为9