林正豪，詹嶠圣

引言

輕質(zhì)裝配式建筑特指采用輕型結(jié)構(gòu)形式與輕質(zhì)圍護(hù)系統(tǒng)的裝配式建筑，因其可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、品質(zhì)管控、快速裝配、空間適應(yīng)等可持續(xù)目標(biāo)，成為一種兼具研究與應(yīng)用潛力的新型技術(shù)體系[1]。然而，當(dāng)前輕質(zhì)裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)仍主要體現(xiàn)于建設(shè)效率的提升，其運(yùn)行節(jié)能潛力尚未被充分發(fā)掘：據(jù)統(tǒng)計(jì)，輕質(zhì)裝配式建筑超95%的碳排放集中于運(yùn)行階段[2]，且總量較重質(zhì)體系增加10%；另一方面，此類建筑在熱舒適性與氣候適應(yīng)性方面尚存在不足或缺陷[3]。這種“重建構(gòu)—輕能量”的應(yīng)用現(xiàn)狀，也導(dǎo)致輕質(zhì)裝配式體系往往僅能作為臨時(shí)建筑使用，其性能優(yōu)勢(shì)與潛力難以被充分發(fā)揮或發(fā)掘。

因此，在“雙碳”目標(biāo)愿景下，輕質(zhì)裝配式建筑如何在保持其高效建構(gòu)特征的同時(shí)，顯著提升建筑能效與環(huán)境性能，已然成為其發(fā)展突破的契機(jī)，但亦是其瓶頸與矛盾所在：該體系特殊的建構(gòu)特征，往往與源于傳統(tǒng)營建體系發(fā)展而來的節(jié)能技術(shù)相抵牾，形成“建構(gòu)—能量”矛盾，如以熱橋問題為代表的“裝配化-熱阻漏”矛盾。具體而言，輕質(zhì)裝配式建筑伴生大量的連接節(jié)點(diǎn)，往往成為圍護(hù)絕熱系統(tǒng)的“斷點(diǎn)”或“弱點(diǎn)”所在，進(jìn)而帶來熱滲漏與耐久性風(fēng)險(xiǎn)[4，5]，這無疑與先進(jìn)建筑節(jié)能體系所倡導(dǎo)的高保溫性能與無熱橋設(shè)計(jì)相沖突[6-8]。

圍繞輕質(zhì)裝配式建筑的熱橋痛點(diǎn)，研究一方面選取我國應(yīng)用廣泛的K型活動(dòng)板房作為輕質(zhì)裝配式建筑的典型樣本，另一方面則選取近零能耗建筑（nearly zero energy building）[9，10]作為高性能低能耗建筑的代表體系，提取前者四類關(guān)鍵熱橋節(jié)點(diǎn)作為優(yōu)化對(duì)象，后者則提供性能指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此為例，嘗試探索輕質(zhì)裝配式建筑與近零能耗體系的“建構(gòu)—能量”矛盾整合路徑，歸納提取輕質(zhì)裝配式建筑的無熱橋設(shè)計(jì)策略及其技術(shù)措施。

1 K型活動(dòng)板房系統(tǒng)的熱橋問題

K型活動(dòng)板房原型為日本東海租賃會(huì)社所發(fā)明，由20世紀(jì)80年代末引入并發(fā)展成熟[11]，呈現(xiàn)跨地域、氣候與文化的廣泛分布：如工地宿舍、市政管理、勘探作業(yè)、應(yīng)急救災(zāi)等臨時(shí)用途用房。從建構(gòu)層面來看，K型活動(dòng)板房以標(biāo)準(zhǔn)化小截面鋼框架為承重結(jié)構(gòu)，夾嵌金屬面夾芯保溫板塊進(jìn)行圍護(hù)加勁，最終通過交叉鋼索拉結(jié)形成整體受力（圖1）。其通過標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)（進(jìn)深K與高度P）約束結(jié)構(gòu)、圍護(hù)等系統(tǒng)，確保構(gòu)件、部品可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與開源性互換，進(jìn)而通過全干式節(jié)點(diǎn)連接，提升現(xiàn)場裝配效率，降低施工難度與成本，如50m2的K型活動(dòng)板房可由3位工人在2天時(shí)間內(nèi)即可徒手搭建[12]。然而，上述面向標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、快速建造、多次拆裝目標(biāo)服務(wù)的建構(gòu)特征，背后往往隱含著性能層面的犧牲與讓步。根據(jù)筆者對(duì)北京某工地K型活動(dòng)房宿舍冬季夜間實(shí)測(cè)1）與現(xiàn)場調(diào)研（圖2）可知：其一，活動(dòng)板房立面夾芯墻板嵌裝于C型鋼柱之間形成自保溫體系，帶來大量的結(jié)構(gòu)熱橋僅做簡易搭接，其檐口部位絕熱與氣密層均中斷，表面溫度可超出室外氣溫5℃；其三，建筑圍護(hù)板厚受制于C型鋼槽口尺寸而僅有50mm與75mm規(guī)格可選，即便是無熱橋的圍護(hù)平壁部位，傳熱系數(shù)也高達(dá)0.63-0.92W/(m2·K)，遠(yuǎn)超現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求2）而制約其在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用；其四，基礎(chǔ)與地面部位多為混凝土現(xiàn)澆而不設(shè)置保溫，加之鋼地梁貫穿立面保溫而成為熱量逸散的通道。不難發(fā)現(xiàn)，K型活動(dòng)板房的性能痛點(diǎn)集中體現(xiàn)為系統(tǒng)熱橋。

圖1 K型活動(dòng)板房的建構(gòu)體系與裝配方式分析

圖2 K型活動(dòng)板房熱成像拍攝與數(shù)據(jù)分析

對(duì)此，學(xué)界與業(yè)界持續(xù)開展研究探索：趙夢(mèng)宇等為實(shí)現(xiàn)K型活動(dòng)板房在嚴(yán)寒地區(qū)的低能耗應(yīng)用，提出采用PVC-EPS套扣構(gòu)件提升墻柱、墻角柱、梁板柱等熱橋節(jié)點(diǎn)的保溫性能并通過傳熱模擬加以驗(yàn)證與優(yōu)化[13]；周超針對(duì)K型活動(dòng)板房典型墻柱熱橋問題，提出通過木龍骨夾芯墻板對(duì)雙C鋼柱進(jìn)行“偏心”夾嵌與包覆，而將自保溫體系轉(zhuǎn)化為完全的內(nèi)或外保溫體系的設(shè)計(jì)構(gòu)想[11]；朱競翔等建構(gòu)“新芽”輕量系統(tǒng)，創(chuàng)造性地引入木框架夾芯板條從外側(cè)包裹雙C鋼柱以杜絕結(jié)構(gòu)熱橋，并與鋼柱兩側(cè)的保溫夾芯墻板連接而形成水平連續(xù)的保溫絕熱層，更可取代交叉鋼索完成對(duì)整體結(jié)構(gòu)拉結(jié)加勁，該系統(tǒng)在冬季實(shí)測(cè)中也展現(xiàn)出保溫性能的顯著提升[14，15]。盡管相關(guān)研究已然可為K型活動(dòng)板房提供優(yōu)化指引，但也仍存在一定局限：其一，多數(shù)研究僅關(guān)注于活動(dòng)板房的局部熱橋痛點(diǎn)（如墻柱節(jié)點(diǎn)等），缺乏針對(duì)系統(tǒng)的熱橋診斷分析，難以形成體系化的高性能保溫圍護(hù)設(shè)計(jì)策略；其二，對(duì)熱橋節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不明確，未能對(duì)標(biāo)具體建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；其三，對(duì)熱橋部位性能優(yōu)化與系統(tǒng)裝配建構(gòu)效率的矛盾認(rèn)知尚未深入，未能形成兼顧“能量-建構(gòu)”需求平衡的整合設(shè)計(jì)策略或集成技術(shù)措施?；趯?shí)測(cè)調(diào)研與文獻(xiàn)研究，本研究從裝配方式與傳熱特征角度將K型活動(dòng)板房典型熱橋節(jié)點(diǎn)分類為水平類與豎向類，前者可細(xì)分為平壁墻柱節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)角墻柱節(jié)點(diǎn)，后者則包含檐口連接節(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)，并以此作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)對(duì)象（圖3）。

圖3 K型活動(dòng)板房4類典型熱橋 (a)平壁墻柱節(jié)點(diǎn) (b)轉(zhuǎn)角墻柱節(jié)點(diǎn) (c)屋面檐口節(jié)點(diǎn) (d)地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)

2 研究方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于4類關(guān)鍵熱橋節(jié)點(diǎn)提取，研究進(jìn)一步采用二維穩(wěn)態(tài)有限元傳熱模擬軟件THERM3），建立綜合性的圍護(hù)熱橋評(píng)價(jià)體系，以此鏈接近零能耗體系指標(biāo)要求，對(duì)熱橋節(jié)點(diǎn)部位開展構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬對(duì)比。

2.1 模擬參數(shù)與邊界條件

模擬以北京作為寒冷地區(qū)代表城市，根據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》與《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱系數(shù)取值為8.7W/(m2·K)與23.0W/(m2·K)，而其內(nèi)外環(huán)境的空氣計(jì)算溫度取值為-7℃與20℃。在邊界條件方面，將存在對(duì)流加熱或冷卻的圍護(hù)內(nèi)外表面定義為第三類邊界條件，將其他斷面設(shè)置為不存在熱傳遞現(xiàn)象的絕熱邊界（Adiabatic），即第二類邊界條件。鑒于其冬季室外計(jì)算溫度低于0.9℃，需對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面進(jìn)行結(jié)露驗(yàn)算。

2.2 評(píng)價(jià)體系與指標(biāo)參數(shù)

為比對(duì)熱橋部位不同構(gòu)造優(yōu)化措施的優(yōu)劣，建立以平均傳熱系數(shù)K2D與結(jié)構(gòu)性熱橋線傳熱系數(shù)ψ作為核心指標(biāo)，以圍護(hù)內(nèi)表面最低溫度Tmin作為輔助指標(biāo)的性能綜合評(píng)價(jià)體系，分別表征熱橋節(jié)點(diǎn)的真實(shí)保溫表現(xiàn)、附加傳熱量以及結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。其中，平均傳熱系數(shù)K2D與內(nèi)表面最低溫度Tmin可通過THERM軟件直接模擬得到，而線傳熱系數(shù)ψ則可以通過公式1.1與公式1.2的聯(lián)立計(jì)算（式1.3），而直接由值進(jìn)行計(jì)算與表達(dá)。該方法的提出，一方面可以彌補(bǔ)Ptemp、PTDA等軟件難以直接計(jì)算異形圍護(hù)部位的問題[16，17]，可適應(yīng)更復(fù)雜的造型與構(gòu)造形式，全面涵蓋墻體、屋蓋與基礎(chǔ)等熱橋部位；另一方面，基于THERM二維傳熱模擬平均傳熱系數(shù)并轉(zhuǎn)化為熱橋線傳熱系數(shù)的方法更為簡捷，可避免ANSYS等軟件繁瑣的建模、統(tǒng)計(jì)與換算而更容易被建筑師所理解與應(yīng)用[18]，有助于設(shè)計(jì)前段管控?zé)針騿栴}。

式中：ψ——結(jié)構(gòu)性熱橋線傳熱系數(shù)，單位：W/(m·K)； Q2D——通過二維傳熱計(jì)算得出流過一塊包含熱橋的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，單位：W；

K2D——通過二維傳熱計(jì)算得出流過一塊包含熱橋的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，單位：W/(m2·K)

K——外圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[19]，單位：W/(m2·K)；

A——計(jì)算Q2D或K2D的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，單位：m2；A=l·C；

l ——計(jì)算Q2D或K2D的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長度，熱橋沿該長度均勻分布，單位：m；

C——計(jì)算Q2D或K2D的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的寬度，單位：m；C宜≥1m；

ti——外圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)側(cè)空氣溫度，單位：℃，模擬中取20℃；

te——外圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外側(cè)空氣溫度，單位：℃，模擬中取-7℃；

在指標(biāo)限值方面，本研究借鑒德國被動(dòng)房（PHI）等先進(jìn)近零能耗體系要求，結(jié)合我國本土近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。對(duì)于非透光圍護(hù)的平均傳熱系數(shù)K2D，被動(dòng)房體系要求低于0.15W/(m2·K)，而我國近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)則要求寒冷地區(qū)居住建筑外墻與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.15～0.20W/(m2·K)，故將上限設(shè)為0.15W/(m2·K)；對(duì)于線傳熱系數(shù)ψ，我國現(xiàn)行規(guī)范僅給出計(jì)算方法而無具體限值[20]，故參考被動(dòng)房要求設(shè)置上限為0.01W/(m·K)，結(jié)合德國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)對(duì)圍護(hù)傳熱模擬標(biāo)準(zhǔn)（DIN EN ISO 102112018），模擬統(tǒng)一采用含熱橋圍護(hù)的外部尺寸（1m）進(jìn)行計(jì)算4）[21]，以確保各節(jié)點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)的有效性與橫向可比性；對(duì)于圍護(hù)內(nèi)表面最低溫度Tmin，根據(jù)我國近零能耗建筑要求，當(dāng)室內(nèi)氣溫與相對(duì)濕度分別為20℃與60%時(shí)，露點(diǎn)溫度為12℃。

3 關(guān)鍵熱橋部位的構(gòu)造優(yōu)化模擬

3.1 平壁墻柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

墻柱節(jié)點(diǎn)是K型活動(dòng)板房最為典型的結(jié)構(gòu)熱橋部位。為實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)絕熱，并盡可能維持原系統(tǒng)的裝配邏輯與建構(gòu)效率，本研究提出一種平壁墻柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化構(gòu)造，其將原保溫夾芯墻板承擔(dān)的結(jié)構(gòu)與保溫功能進(jìn)行分離，即：內(nèi)側(cè)木框架蒙皮板塊不填充保溫材料，僅承擔(dān)加勁主體鋼框架及固定外側(cè)保溫層之用；而外側(cè)金屬面夾芯板則可包裹鋼柱而形成連續(xù)外保溫絕熱層，且保溫厚度不再受限于鋼構(gòu)件選型，故其氣候適應(yīng)范圍得以大大提升（圖5）。對(duì)K型活動(dòng)房墻柱節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造與優(yōu)化構(gòu)造進(jìn)行模擬對(duì)比，前者的K2D與ψ值高達(dá)1.3與0.85，并在鋼柱內(nèi)表面錄得Tmin為5.1℃；而優(yōu)化構(gòu)造通過消除結(jié)構(gòu)熱橋，即便保持相同保溫厚度不變，其K2D值可大幅降低65%，ψ值趨近于零，消除熱橋與結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。而建構(gòu)層面來看，內(nèi)側(cè)木框架蒙皮板塊與外側(cè)金屬面夾心板均可在工廠預(yù)制，并提前一體化集成為標(biāo)準(zhǔn)化的立面圍護(hù)模塊，運(yùn)抵現(xiàn)場后可延續(xù)K型活動(dòng)板房圍護(hù)板塊的安裝方式，即利用C型鋼柱豎向通槽將立面圍護(hù)模塊逐塊滑嵌安裝，以保證快速建造。

圖4 各類熱橋節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化效果橫向比較

圖5 平壁墻柱節(jié)點(diǎn)熱橋構(gòu)造優(yōu)化

3.2 轉(zhuǎn)角墻柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)是輕質(zhì)裝配式體系的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與重點(diǎn)，也是結(jié)構(gòu)熱橋頻發(fā)的部位。從THERM模擬可知，常規(guī)轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)的K2D與ψ值分別高達(dá)1.7與1.26（圖4），Tmin值則僅為1.5℃。對(duì)此，本研究首先沿用平壁墻柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造優(yōu)化邏輯，通過立面圍護(hù)模塊L形對(duì)接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角鋼柱的絕熱包覆（圖6），使ψ值大幅下降86%至0.18，但鑒于保溫層仍被局部金屬蒙皮所貫穿，無法滿足近零能耗體系要求。但若在預(yù)制轉(zhuǎn)角板塊時(shí)，將其外側(cè)夾芯板端局部蒙皮去除（或更換為其他高熱阻材料）以阻斷熱橋，此時(shí)ψ值可進(jìn)一步降為負(fù)值。再從建構(gòu)層面來看，得益于立面圍護(hù)模塊結(jié)構(gòu)與保溫性能的分離，外側(cè)夾芯板蒙皮的局部改動(dòng)并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能與建造效率帶來過多干擾，僅需在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)端加以關(guān)注即可。

圖6 轉(zhuǎn)角墻柱節(jié)點(diǎn)熱橋構(gòu)造優(yōu)化

3.3 屋面檐口節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

結(jié)合冬季熱成像拍攝與THERM模擬，可知K型活動(dòng)板房檐口熱橋成因有二：一方面，坡形屋面與立面板塊搭接形成夾角空腔而導(dǎo)致保溫層中斷；另一方面，屋面夾芯板底部蒙皮橫跨室內(nèi)外空間而形成熱流通道，故其K2D與ψ值高達(dá)2.0與1.6（圖4）。對(duì)此，本研究提出“適度定制”的兩步走策略（圖7）：第一步，墻體沿用立面圍護(hù)模塊，但對(duì)頂部模塊的金屬夾芯板進(jìn)行頂端斜切加工，使其與屋面夾芯板完全接合，此策略可使K2D與ψ值大幅下降63%與81%；第二步，對(duì)檐口屋面夾芯板進(jìn)行局部定制，去除其與立面模塊接觸部位的金屬蒙皮，兩側(cè)保留蒙皮則與立面圍護(hù)模塊拉結(jié)并與屋面梁架固定以承受屋面荷載，此舉可使K2D值進(jìn)一步下降39%，ψ值則直接降為負(fù)值而達(dá)標(biāo)，并消除局部結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 屋面檐口節(jié)點(diǎn)熱橋構(gòu)造優(yōu)化

3.4 地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

K型活動(dòng)板房通常不考慮基礎(chǔ)與地面保溫，加之鋼地梁貫穿墻體保溫，其地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)保溫性能差且熱橋嚴(yán)重，K2D與ψ值可達(dá)1.6與1.17（圖4），Tmin僅為1.8℃。參照被動(dòng)房等近零能耗體系地面基礎(chǔ)保溫做法要求，本研究對(duì)K型活動(dòng)板房展開保溫構(gòu)造優(yōu)化：其一，在基礎(chǔ)與地面下方鋪設(shè)連續(xù)硬質(zhì)發(fā)泡聚氨酯板（100mm），形成切斷建筑物與大地傳熱的絕熱屏障；其二，墻體沿用立面成圍護(hù)模塊，并將其外側(cè)保溫層與基礎(chǔ)外包保溫層進(jìn)行連續(xù)搭接（圖8）。由THERM模擬可知，此舉可使K2D大幅降低76%，ψ值降為負(fù)值，Tmin值提升至17.8℃。

圖8 地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)熱橋構(gòu)造優(yōu)化

3.5 圍護(hù)保溫厚度優(yōu)化

為便于與熱橋節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造對(duì)比，THERM模擬中僅將優(yōu)化構(gòu)造的保溫厚度設(shè)為50mm，平均傳熱系數(shù)K2D難以達(dá)到小于0.15W/(m2·K)的要求。對(duì)此，研究以保溫厚度為變量，對(duì)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)性能表現(xiàn)進(jìn)行二次模擬評(píng)估。以轉(zhuǎn)角墻柱節(jié)點(diǎn)為例（圖9），隨著保溫厚度增加，一方面，K2D穩(wěn)步下降并在厚度超過130mm后達(dá)標(biāo)，但厚度繼續(xù)增加則對(duì)K2D提升有限，應(yīng)綜合整體性能表現(xiàn)或經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行權(quán)衡判斷；另一方面，ψ值雖隨保溫厚度逐步提升，但其在前者超過110mm后迅速趨緩，這說明通過構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效抑制熱橋?qū)Ω咝阅鼙伢w系的額外影響作用5）。在對(duì)4類熱橋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化構(gòu)造進(jìn)行模擬計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬夾芯板塊保溫厚度達(dá)到160mm后6），其平均傳熱系數(shù)、熱橋線傳熱系數(shù)與內(nèi)表面最低溫度均可達(dá)到近零能耗體系的指標(biāo)要求（表1）。

圖9 圍護(hù)保溫厚度與對(duì)熱橋優(yōu)化構(gòu)造的影響

3.6 優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的逆向建構(gòu)評(píng)估

在對(duì)K型活動(dòng)板房4類關(guān)鍵熱橋節(jié)點(diǎn)開展以性能為導(dǎo)向的“正向”構(gòu)造優(yōu)化后，有必要引入“逆向”視角，各優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造變化還原于真實(shí)建造流程之中，對(duì)其建構(gòu)效率影響進(jìn)行全面的評(píng)估與驗(yàn)證（表1）：

表1 K型活動(dòng)板房熱橋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的性能與建構(gòu)指標(biāo)

（1）在系統(tǒng)建構(gòu)邏輯層面，熱橋節(jié)點(diǎn)的性能改良主要依賴于預(yù)制圍護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化（如立面與屋面圍護(hù)模塊等），因而原系統(tǒng)的建構(gòu)邏輯、結(jié)構(gòu)形式、建造流程等則得以最大程度保留，如“框—板”分離的組織邏輯、“框架—蒙皮”復(fù)合的受力形式，圍護(hù)模塊的滑嵌安裝方法等，以保證系統(tǒng)基礎(chǔ)效率的延續(xù)。

（2）在構(gòu)件本體預(yù)制層面，圍護(hù)模塊的升級(jí)加工主要集中于工廠階段，對(duì)現(xiàn)場裝配的流程與效率影響可控。同時(shí)，構(gòu)造優(yōu)化后的平壁、轉(zhuǎn)角與屋面圍護(hù)板塊，單位面積質(zhì)量僅為11.9～23.1kg/m2，遠(yuǎn)低于國際上對(duì)輕質(zhì)圍護(hù)判定標(biāo)準(zhǔn)（＜100kg/m2）[22]，故可保持“輕質(zhì)化”特征；此外，相較于K型活動(dòng)板房常規(guī)采用的金屬面夾芯圍護(hù)板，上述三類圍護(hù)模塊的單塊質(zhì)量雖分別提升至34.7kg、35.5kg與18.3kg，但同樣未超過單名專職工人的提舉與移動(dòng)質(zhì)量上限8）（＜35～40kg），故其“裝配化”特征得以維持。

（3）在空間適應(yīng)效率層面，熱橋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化未改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模數(shù)及其構(gòu)件組合邏輯，故不影響其空間拓展性與適應(yīng)性；而伴隨圍護(hù)絕熱層的增厚與外置，建筑室外氣候界面隨之外拓，室內(nèi)氣候界面則維持不變，以標(biāo)準(zhǔn)的3×4雙層活動(dòng)板房為例（圖1），熱橋優(yōu)化后建筑首層的占地新增面積僅占室內(nèi)使用面積的5.5%，而若考慮屋面的投影面積，則圍護(hù)輪廓外拓的影響可忽略不計(jì)。

（4）在材料經(jīng)濟(jì)成本層面，熱橋節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造優(yōu)化勢(shì)必帶來材料類別與用量的變化。通過對(duì)4類熱橋優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的單位表面積新增材料成本統(tǒng)計(jì)可知，屋面檐口節(jié)點(diǎn)優(yōu)化帶來的增量成本最低，僅為57.7元/m2，其余三類節(jié)點(diǎn)則可控制在74.8～82.4元/m2范圍內(nèi)。

4 輕質(zhì)裝配式建筑的熱橋優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

通過四類熱橋節(jié)點(diǎn)的對(duì)比模擬研究可知，合理的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在不過多干擾系統(tǒng)建構(gòu)效率的同時(shí)，有效消除熱橋效應(yīng)而提升圍護(hù)保溫性能，甚至得到額外熱增益，最終趨近于近零能耗體系要求。以此為例，研究試圖歸納探討近零能耗導(dǎo)向的輕質(zhì)裝配式建筑熱橋優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。

4.1 “保溫—結(jié)構(gòu)”整合原則

于輕質(zhì)裝配式建筑而言，其熱橋問題多發(fā)于本體“保溫—結(jié)構(gòu)”關(guān)系混雜或失衡之處，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行整合重構(gòu)。一方面，從性能層面對(duì)保溫與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行明確分工規(guī)劃，確保在建成狀態(tài)下，前者可形成完整且連續(xù)的絕熱界面，后者則具備直接且明晰的荷載路徑，且兩者互不交叉或干擾；另一方面，應(yīng)根據(jù)輕質(zhì)裝配建構(gòu)需求，從物理層面對(duì)保溫與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行拆解與重組，轉(zhuǎn)化為工業(yè)化、輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化的建筑模塊、部品或構(gòu)件，如K型活動(dòng)板房的立面圍護(hù)模塊，其外側(cè)金屬夾芯板塊與內(nèi)側(cè)木框蒙皮板塊分別承擔(dān)保溫絕熱與支撐加勁之用，并作為整體參與到建造流程之中。

4.2 “正向—逆向”協(xié)同原則

從技術(shù)路徑來看，對(duì)輕質(zhì)裝配式建筑系統(tǒng)的關(guān)鍵熱橋節(jié)點(diǎn)既要進(jìn)行“正向”的構(gòu)造優(yōu)化，使其滿足近零能耗體系的性能目標(biāo)；更應(yīng)從“逆向”角度，動(dòng)態(tài)還原該構(gòu)造變化在工廠預(yù)制、物流運(yùn)輸與現(xiàn)場裝配等環(huán)節(jié)的真實(shí)狀態(tài)，評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)整體效率與流程的影響作用。換言之，除考慮熱工效能的提升外，熱橋構(gòu)造優(yōu)化應(yīng)在結(jié)構(gòu)合理性，裝配便利性與生產(chǎn)可行性三個(gè)層面加以落實(shí)，如K型活動(dòng)板房的立面圍護(hù)模塊，不僅便于在工廠中進(jìn)行集成預(yù)制，還繼承保留了原體系的結(jié)構(gòu)加勁作用與滑嵌裝配方式。

4.3 “定制—通用”平衡原則

從生產(chǎn)策略來看，通過“適度定制”可在盡可能維持輕質(zhì)裝配式建筑量產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)大幅提升其熱工品質(zhì)。首先，建筑主體仍大量采用通用化部品、構(gòu)件建造以保證整體效率，如K型活動(dòng)板房大量重復(fù)的立面或屋面圍護(hù)模塊等；其次，針對(duì)熱橋節(jié)點(diǎn)等敏感部位，通過局部的異化定制，如轉(zhuǎn)角圍護(hù)蒙皮局部去除或檐口模塊板端切斜等，可換得顯著的熱工性能收益；最后，保留定制潛力還可提升系統(tǒng)應(yīng)用的適應(yīng)性，如經(jīng)過熱橋優(yōu)化的K型活動(dòng)板房，其外保溫厚度可根據(jù)外部環(huán)境與內(nèi)部能耗需求進(jìn)行調(diào)整，從而擴(kuò)大建筑氣候適應(yīng)的范疇。

結(jié)語

本研究以K型活動(dòng)板房為例開展熱橋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，借此探索輕質(zhì)裝配式建筑與近零能耗體系實(shí)現(xiàn)“建構(gòu)—能量”整合的可能性與可行性。研究首先通過田野實(shí)測(cè)與調(diào)研，提取K型活動(dòng)板房的4類典型熱橋節(jié)點(diǎn)，包括平壁墻柱、轉(zhuǎn)角墻柱、屋面檐口、地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)；其次，系統(tǒng)整合國內(nèi)外近零能耗體系，建立輕質(zhì)裝配式建筑圍護(hù)熱橋評(píng)價(jià)體系及其3類性能指標(biāo)；再者，結(jié)合THERM模擬，提出一種可計(jì)算異型圍護(hù)構(gòu)件，且便于建筑師使用的熱橋指標(biāo)新計(jì)算方法；最終，通過TEHRM模擬對(duì)比，從性能層面對(duì)4類典型熱橋節(jié)點(diǎn)開展構(gòu)造優(yōu)化，進(jìn)而從系統(tǒng)建造邏輯、構(gòu)件本體預(yù)制、空間適應(yīng)效率、材料經(jīng)濟(jì)成本等多維角度，對(duì)其建構(gòu)效率影響開展評(píng)估與驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，依托精細(xì)化的本體設(shè)計(jì)與精益化的建造組織，輕質(zhì)裝配式建筑可在維持其高效建構(gòu)效率的同時(shí)，滿足近零能耗建筑體系的性能要求，最終實(shí)現(xiàn)無熱橋設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對(duì)此，本研究立意并非局限于K型活動(dòng)板房的“近零能耗化”，而是以此為原型，通過與近零能耗體系的交叉融合，提升輕質(zhì)裝配式建筑的應(yīng)用潛力與市場前景，以期為“雙碳”愿景下我國高性能低能耗新型裝配式建筑的發(fā)展路徑提供指引與借鑒，貢獻(xiàn)于我國建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。

圖、表來源

文中圖、表均為作者繪制。

注釋

1）實(shí)測(cè)采用熱成像相機(jī)拍攝K型活動(dòng)板房宿舍的西、北立面，拍攝期間供暖房間室內(nèi)溫度為24℃，室外氣溫為零下0.5℃。

2）根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ 26-2018)》規(guī)定，寒冷地區(qū)居住建筑（≤3層）外墻傳熱系數(shù)不應(yīng)大于0.35W/(m2·K)；而根據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51350-2019)》規(guī)定，寒冷地區(qū)居住建筑外墻平均傳熱系數(shù)應(yīng)在0.15～0.20W/(m2·K)范圍內(nèi)選取。

3）THERM是由美國勞倫斯—伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）專門針對(duì)建筑圍護(hù)系統(tǒng)二維穩(wěn)態(tài)傳熱開發(fā)的有限元軟件，其計(jì)算所用的公式和方法基于ISO 15099和ISO 10077，也是德國被動(dòng)房體系推薦采用的熱橋模擬軟件，能比較準(zhǔn)確的縫隙復(fù)雜截面的熱工性能。4）即便針對(duì)相同的圍護(hù)部位（尤其是轉(zhuǎn)角部位）選擇不同的計(jì)算界面會(huì)導(dǎo)致不同的值，可為正值或負(fù)值，對(duì)此德國被動(dòng)房統(tǒng)一選擇外部尺寸進(jìn)行計(jì)算。在本研究中，為方便討論與比較，對(duì)含熱橋圍護(hù)部位的模擬計(jì)算均采用外部尺寸，且總長度為1m。

5）通常而言，對(duì)于基礎(chǔ)保溫性能越好的建筑體系，熱橋部位的熱損耗效應(yīng)就越顯著。

6）參照成熟商用外保溫體系，對(duì)于直接釘裝至后方支撐結(jié)構(gòu)的金屬夾芯板，其最大允許厚度為230mm，最大推薦厚度為200mm。研究中立面與屋面圍護(hù)模塊選用160mm厚金屬夾芯板，故在構(gòu)造層面具備可行性。

7）出于經(jīng)濟(jì)性考慮，研究將地面基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)中用于包裹混凝土基礎(chǔ)與地面的聚氨酯板替換為硬質(zhì)擠塑板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.028W/(m·K)，經(jīng)計(jì)算材料厚度需達(dá)到230mm。

8）根據(jù)國際勞工組織公約，成年男性在沒有機(jī)械設(shè)備輔助下搬運(yùn)對(duì)象質(zhì)量上限為55kg。根據(jù)國標(biāo)《人類工效學(xué)（GB/T 31002.1-2014）》，手工操作中的提舉與移動(dòng)質(zhì)量上限為23kg，而對(duì)于受過專業(yè)培訓(xùn)的專職工作人員，其允許上限可提高至35～40kg。