殷玉兵，方 坤，吳偉田，戚慧卉

（1.中建中原建筑設(shè)計(jì)院有限公司，鄭州 450000；2.中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000）

在全世界應(yīng)對氣候變化，積極推進(jìn)綠色低碳發(fā)展的大背景下，中國制定了2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。國家對建筑行業(yè)的節(jié)能低碳提出了更高的要求，制定了一系列規(guī)范和舉措。超低能耗建筑的研究與推廣更加迫在眉睫。超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣也成為一個(gè)熱點(diǎn)。雖然近10 年以來，超低能耗建筑技術(shù)已從探索走向成熟，經(jīng)歷了政策體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)體系、產(chǎn)品體系、工藝工法和工程實(shí)踐等全方位的發(fā)展，但是在具體工程項(xiàng)目、具體阻斷熱橋技術(shù)等方面還存在很多盲點(diǎn)、技術(shù)難題。目前，大多數(shù)阻斷熱橋技術(shù)的研究放在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋方面，對于外部懸挑、凸出部件、設(shè)備基礎(chǔ)等細(xì)部斷橋技術(shù)的研究尚不夠重視。研究這些看似不影響大局的盲點(diǎn)、缺陷從我國這種大規(guī)模建筑量的整體節(jié)能率來看也會對實(shí)現(xiàn)建筑碳排放目標(biāo)產(chǎn)生巨大影響。

1 相關(guān)概念

1.1 超低能耗建筑的概念

適應(yīng)氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過主動式技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境，且其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)，符合國家及地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其建筑能耗水平應(yīng)較現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)降低50%以上[1]。

1.2 熱橋

熱橋是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流強(qiáng)度顯著增大的部位[2]。具體指處在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、肋等部位。因這些部位傳熱能力強(qiáng)，熱流較密集，內(nèi)表面溫度較低，故稱為熱橋。

1.3 系統(tǒng)性熱橋

系統(tǒng)性熱橋是固定外保溫系統(tǒng)的錨栓、金屬連接件，以及固定各類設(shè)備、下水管的支架等[3]。本文主要研究內(nèi)容是系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的探討與創(chuàng)新。

1.4 系統(tǒng)性熱橋的部位和危害

本文分析研究的系統(tǒng)性熱橋的部位主要是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部豎向懸挑構(gòu)件、平面外部構(gòu)件和設(shè)備基礎(chǔ)等。外部豎向懸挑構(gòu)件包括玻璃（金屬、石材等）幕墻、外挑鋼結(jié)構(gòu)雨棚、廣告牌、空調(diào)支架、外遮陽、欄桿扶手、管道支架及小型金屬構(gòu)件設(shè)施等；平面外部構(gòu)件和設(shè)備基礎(chǔ)包括屋面（斜屋面）太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌、擦窗機(jī)軌道及屋面管道等設(shè)備、構(gòu)件。

熱橋除了會造成熱量損失、浪費(fèi)能源，在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，室內(nèi)外溫差大，熱橋部位對應(yīng)的內(nèi)墻面或屋頂內(nèi)表面低于露點(diǎn)溫度時(shí)，會形成水蒸氣凝結(jié)在內(nèi)表面，形成結(jié)露。結(jié)露沾染灰塵、吸附有毒氣體，一是墻體或頂棚形成霉斑、滋生細(xì)菌，對人體產(chǎn)生危害；二是會對吊頂或室內(nèi)電氣造成損壞，造成財(cái)產(chǎn)損失。熱橋密集、嚴(yán)重的地方甚至?xí)a(chǎn)生淌水，對使用者造成更大的麻煩，嚴(yán)重影響建筑物的使用[4]。

2 超低能耗建筑系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)分析

2.1 幕墻

由于玻璃幕墻通常為金屬預(yù)埋件埋設(shè)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，通過外部金屬構(gòu)件形成骨架，進(jìn)而安裝玻璃形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)。石材、鋁板等裝飾性幕墻，同樣也需要金屬預(yù)埋件埋設(shè)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，外挑金屬受力構(gòu)件從而形成幕墻。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與金屬構(gòu)件之間直接連接，金屬構(gòu)件向外部傳導(dǎo)熱量形成熱橋。

目前，相關(guān)研究技術(shù)改進(jìn)后，玻璃幕墻采用金屬鉚件（預(yù)埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件與鋼板之間、豎龍骨與干掛連接件之間增加高強(qiáng)度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖1 所示。石材（金屬板材）幕墻采用金屬鉚件（預(yù)埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件（彎板）與鋼板之間增加高強(qiáng)度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖2 所示。

圖1 玻璃幕墻阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖

圖2 石材幕墻阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖

存在問題：熱傳導(dǎo)路徑未徹底阻斷。從鋼筋混凝土構(gòu)件，膨脹螺栓（預(yù)埋件拉結(jié)筋），鋼板，干掛連接件，金屬連結(jié)螺栓，豎龍骨到幕墻框或玻璃（金屬、石材等），形成少量熱橋。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)雨棚

鋼結(jié)構(gòu)外挑雨棚阻斷熱橋做法一般有以下2 種。

做法一（普通節(jié)能建筑做法）：外挑鋼梁直接穿過保溫層，鋼梁與預(yù)埋件鋼板直接與結(jié)構(gòu)主體連接，形成熱橋，熱量損失嚴(yán)重，沒有有效阻斷熱橋。此做法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢靠，施工便捷，如圖3 所示。

圖3 鋼雨棚阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖一

做法二（超低能耗建筑做法）：采用金屬預(yù)埋件，預(yù)埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強(qiáng)度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接，如圖4 所示。此做法通過兩層連接鋼板之間增加高強(qiáng)度保溫材料阻斷了主要熱橋，但是存在地腳螺栓這些小構(gòu)件熱橋，依然沒有實(shí)現(xiàn)徹底阻斷的目標(biāo)。

圖4 鋼雨棚阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖二

對于類似雨棚、廣告牌、空調(diào)支架和外遮陽設(shè)施等建筑外墻面外挑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都存在類似問題。

2.3 屋面太陽能板（設(shè)備基礎(chǔ)等）

屋面太陽能板的安裝有多種方案。具體做法在國標(biāo)圖集16J908-5《建筑太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》中有詳細(xì)做法，本文參考該圖集選取平屋面常規(guī)做法增加阻斷熱橋措施進(jìn)行分析如下[5]。

1）預(yù)埋鋼板直接焊接支架。預(yù)埋件直接埋在屋面板中，通過預(yù)埋件鋼板和外部連接鋼板焊接。采取屋面保溫層加厚隔熱措施，如圖5 所示。優(yōu)點(diǎn)是直接連接屋面結(jié)構(gòu)，連接牢固。缺點(diǎn)是金屬支架與預(yù)埋鋼板形成嚴(yán)重?zé)針颍菝姹貙右雍?，防水層難以處理，造成滲漏隱患。

圖5 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖一

2）金屬預(yù)埋件加地腳螺栓。預(yù)埋件直接埋在屋面板中，通過預(yù)埋件鋼板和外部連接鋼板之間增加高強(qiáng)度保溫層實(shí)現(xiàn)阻斷熱橋，如圖6 所示。優(yōu)點(diǎn)是連接比較牢固，比圖1 阻斷了大截面金屬斷面主要熱橋。缺點(diǎn)是存在地腳螺栓熱橋現(xiàn)象，屋面保溫層要加厚，防水層在太陽能板支架結(jié)合處難以處理，造成滲漏隱患。

圖6 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖二

3）屋面鋼筋混凝土基礎(chǔ)上翻。屋面結(jié)構(gòu)板與上翻混凝土基礎(chǔ)為一體，上部預(yù)埋地腳螺栓，混凝土基礎(chǔ)與外部連接鋼板之間增加高強(qiáng)度保溫層阻斷熱橋，如圖7 所示。優(yōu)點(diǎn)是連接牢固，阻斷主要熱橋，防水層可靠。缺點(diǎn)是存在地腳螺栓熱橋現(xiàn)象。

圖7 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖三

4）屋面面層上做基礎(chǔ)支座。在屋面保溫層、防水層、保護(hù)層之上做混凝土支座基礎(chǔ)，通過預(yù)埋件連接太陽能支架等，如圖8 所示。優(yōu)點(diǎn)是基礎(chǔ)與鋼筋混凝土屋面通過屋面保溫層完全阻斷熱橋。缺點(diǎn)是需要大面積高強(qiáng)度保溫層，不能承載大重量設(shè)備，牢固性較差，不能抵抗較大風(fēng)力、地震力等，存在安全隱患。

圖8 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計(jì)示意圖四

對于屋面上安裝的太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌和擦窗機(jī)軌道等設(shè)備的安裝做法都有類似情況存在。

2.4 墻身小型金屬支架

建筑外墻常常需要安裝一些小型金屬支架，如外排式雨水管支架、室外應(yīng)急照明燈支座、建筑物質(zhì)量責(zé)任標(biāo)牌、指示牌、扶手及欄桿等。這些金屬支架與墻體連接時(shí)，常常采用金屬錨栓、膨脹螺栓等與墻體連接，直接穿透保溫層，形成熱橋。每個(gè)連接點(diǎn)熱橋熱量損失雖小，但是數(shù)量龐大，不可忽視[6]。下面就以下3 種做法進(jìn)行分析對比。

1）常規(guī)做法是連接螺栓穿透外墻保溫層，直接破壞保溫層，形成熱橋。

2）國標(biāo)圖集16J908-8《被動式低能耗建筑——嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》做法，如圖9 所示。不銹鋼掛件與墻體之間增加隔熱墊塊，阻斷了大部分熱橋，仍有螺栓存在熱橋。

圖9 雨水管阻斷熱橋做法一

3）參考《墻材革新與建筑節(jié)能》2016.8 期《被動房外墻外保溫系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處理》中相關(guān)做法，如圖10 所示。該做法采用一種高密度（170 kg/m3）EPS 或PU 保溫塊，解決熱橋問題。其優(yōu)點(diǎn)是徹底阻斷了雨水管支架與外墻墻體之間的熱橋[6]。缺點(diǎn)是雨水管受力依靠夾在外墻保溫層中的高強(qiáng)度保溫塊與外墻保溫層的黏接力，與墻體沒有可靠的連接。如果外墻高度大、遇到大風(fēng)或者雨水管流通不暢造成雨水管重量異常增大，會造成松動或雨水管掉落的情況，留下安全隱患。

圖10 雨水管阻斷熱橋做法二

因此，此種做法雖然有一定的科學(xué)性，目前并未達(dá)到廣泛推廣應(yīng)用。

3 系統(tǒng)性熱橋阻斷熱橋技術(shù)創(chuàng)新

通過對以上系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的分析可知，不管是豎向外挑構(gòu)件還是屋面水平設(shè)備基礎(chǔ)，大部分阻斷技術(shù)都存在不能徹底阻斷熱橋的現(xiàn)象或者存在安全性問題，大部分只是削弱了熱橋而并非阻斷。其熱橋盲點(diǎn)是預(yù)埋件之間的連接螺栓、錨筋等，主要原因?yàn)轭A(yù)埋件是主體結(jié)構(gòu)與外部構(gòu)件受力傳導(dǎo)的關(guān)鍵部件，鋼筋與混凝土、鋼筋與金屬的直接受力傳遞才能保證受力安全。這是一直不能實(shí)現(xiàn)突破、徹底阻斷熱橋的主要原因。

那么通過以上分析解決方法有3 種，一是減少連接螺栓、錨筋的數(shù)量，增加隔熱墊塊避免預(yù)埋鋼板與結(jié)構(gòu)主體的直接接觸，更大程度削弱熱橋的存在；二是采用新材料、新技術(shù)改進(jìn)連接螺栓、錨筋的導(dǎo)熱性，如高強(qiáng)塑料或者高強(qiáng)塑料套筒等；三是采用斷熱型錨件，保溫層徹底包裹螺栓、錨筋、預(yù)埋鋼板，阻斷熱橋。

顯然，方法一仍然只是削弱，不能徹底阻斷熱橋。方法二有待進(jìn)一步研究，目前仍不能解決受力安全問題。方法三就是本文要研究的創(chuàng)新型阻斷熱橋錨件，且已獲得專利授權(quán)。

本文通過對預(yù)埋件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋件與建筑主體結(jié)構(gòu)的徹底分離，徹底阻斷了熱橋，其關(guān)鍵因素是將預(yù)埋鋼筋變成預(yù)埋鋼板加鋼筋，整個(gè)預(yù)埋件被保溫材料包裹，既能保證受力安全，又能徹底阻斷熱橋。實(shí)現(xiàn)真正意義的阻斷熱橋，同時(shí)由于采用高強(qiáng)度玻纖聚氨酯保溫材料，也不會增加預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)主體的受力可靠度。此預(yù)埋件為斷橋式預(yù)埋件，如圖11 所示。

圖11 預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新設(shè)計(jì)示意圖

圖11 中1，可采用金屬方鋼、圓鋼或者地腳螺栓。

圖11 中2，根據(jù)建筑單體的設(shè)計(jì)采用EPS、XPS、巖棉板等保溫材料。

圖11 中3，外部連接件鋼板，根據(jù)外部荷載確定厚度，一般在10~20 mm，與結(jié)構(gòu)主體內(nèi)預(yù)埋件對焊。

圖11 中4，斷橋式預(yù)埋件上層鋼板（厚10~20 mm），與外部連接鋼板焊接。

圖11 中5，高強(qiáng)度玻纖聚氨酯保溫層（最少20 mm），包裹整個(gè)斷橋式預(yù)埋件。

圖11 中6，斷橋式預(yù)埋件拉結(jié)筋，根據(jù)外部受力情況確定直徑大?。ㄒ话?0~30 mm），與上下層鋼板穿孔塞焊。

圖11 中7，斷橋式預(yù)埋件下層鋼板（厚10~20 mm），與拉結(jié)筋穿孔塞焊。

圖11 中8，屋面或外墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

斷橋式預(yù)埋件可用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件如幕墻、雨棚、廣告牌、空調(diào)支架和外遮陽設(shè)施等外挑鋼結(jié)構(gòu)的熱橋阻斷，也可用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平面屋面太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌和擦窗機(jī)軌道等設(shè)備的安裝，甚至可用于外墻、屋面的欄桿扶手、小型金屬構(gòu)件等處的熱橋阻斷。

根據(jù)斷橋式預(yù)埋件的原理，可根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合外部構(gòu)件或設(shè)備基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)主體材料、厚度等確定具體形狀、尺寸、錨筋數(shù)量等?？梢宰儞Q為類似以下形式預(yù)埋件，如圖12 所示，但是一定要保證預(yù)埋件完全被高強(qiáng)度保溫層包裹，不能存在空隙形成熱橋，否則不能完全阻斷熱橋。

圖12 其他形式預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新設(shè)計(jì)示意圖

4 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算分析

現(xiàn)結(jié)合外墻外掛雨棚的常規(guī)做法、改進(jìn)做法及預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新做法進(jìn)行熱量損失模擬計(jì)算分析。3種不同構(gòu)造做法如圖3、圖4、圖11 所示。

圖3，建筑外挑構(gòu)件與主體直接連接，鋼構(gòu)件直接穿透保溫層，形成熱橋，造成大量熱量損失。圖4，采用金屬預(yù)埋件，預(yù)埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強(qiáng)度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接。圖11，采用斷橋式預(yù)埋，完全阻斷主體與外掛構(gòu)件熱橋。

通過模擬計(jì)算形成對應(yīng)計(jì)算結(jié)果：鋼梁直接穿保溫層（圖13（a））、通過鋼板之間增加隔熱墊塊加金屬預(yù)埋件螺栓連接（圖13（b））、采用斷橋式預(yù)埋件連接（圖13（c））。其中計(jì)算數(shù)據(jù)選用：主體結(jié)構(gòu)采用100 mm 厚半硬質(zhì)巖（礦）棉板+200 mm 鋼筋混凝土，斷橋式預(yù)埋件保溫采用20 mm 厚高強(qiáng)度玻纖聚氨酯，鋼梁和地腳螺栓采用冷軋型鋼。半硬質(zhì)巖（礦）棉板導(dǎo)熱系數(shù)為0.048 W/（m2·K），高強(qiáng)度玻纖聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/（m2·K）。

圖13 模擬計(jì)算溫度分布圖

通過以上模擬計(jì)算分析可以看出，3 種不同構(gòu)造做法情況下，采用斷橋式預(yù)埋件連接的方式熱橋效應(yīng)最小，對主體結(jié)構(gòu)整體保溫性能影響最低，對熱橋的阻斷效應(yīng)最強(qiáng)，見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果對比表

通過分析可知，看似很細(xì)小的連接螺栓、鉚接鋼筋，其形成的熱橋效應(yīng)、對建筑的熱量損失、內(nèi)表面溫度等的影響也不容忽視。對于我國目前的建筑業(yè)態(tài)來講，外掛玻璃幕墻、鋼雨棚、廣告牌、屋面太陽能及空調(diào)設(shè)備等現(xiàn)象非常普遍，從單體到項(xiàng)目，再到全國巨大的建筑量，積少成多，這個(gè)熱量損失，能耗流失將是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)，不得不引起人們的重視。尤其是對于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑這種節(jié)能要求較高的建筑，更是應(yīng)該精益求精，不能放過任何細(xì)小的漏洞。

5 結(jié)束語

目前，大家對節(jié)能建筑熱阻斷橋技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)主要在建筑外維護(hù)的外墻、門窗、屋面、地面和陽臺等大的部位，對于系統(tǒng)性熱橋的阻斷技術(shù)關(guān)注度不高，采取的技術(shù)手段不強(qiáng)?；谑芰Ψ矫娴南拗?，目前系統(tǒng)性熱橋阻斷方法主要是削弱熱橋，沒有實(shí)現(xiàn)真正的阻斷。大多數(shù)研究者只是關(guān)注節(jié)能指標(biāo)達(dá)到超低能耗的總體要求，沒有從全國建筑總量考慮能量的損耗是多么龐大的數(shù)據(jù)，造成巨大的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。人們應(yīng)該認(rèn)識到，系統(tǒng)性熱橋的阻斷技術(shù)不僅關(guān)乎節(jié)能率，也是實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的不容忽視的必要手段。因此，系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的研究創(chuàng)新對于提高超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的節(jié)能效率也起到了非常關(guān)鍵的作用，對我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳總目標(biāo)作出的貢獻(xiàn)不可小覷。