木结构保温外墙板模块化节能设计

■ 张颖璐 ZHANG Yinglu 滕晓昭 TENG Xiaozhao 王婉婷 WANG Wanting 尹 琴 YIN Qin

1 木结构保温外墙板概述

1.1 木结构保温外墙板模块化概念

木结构外墙板模块化是指为了能够得到更好的经济效益而设计的木结构建筑构造体系，通过研究木结构建筑的构成，重新分解、组合木结构建筑外墙的模块系统，将木结构建筑的外墙分为多个模块加工成半成品，使得木结构建筑外墙板模块体系，能和结构支撑体系、隔墙体系等共同组合成更加节能环保、施工便捷的木结构建筑模块化系统。

木结构的建造有劳动密集型的现场施工，也有资本密集型的工厂预制建筑构造。资本密集型的工厂预制是关乎能否提高预制效率和品质的关键，因此，有必要做大量的木结构预制标准化方面的研究，以构建符合国情的预制木结构建筑的工业化生产设备和生产线。

木结构保温外墙板模块化节能设计，是在进行木结构建筑外墙模块化设计时，加入一定的保温材料，使得木结构建筑的外维护结构能够减少热量散失。有效的外墙保温措施，有利于在木结构建筑日后的使用过程中达到节能减排的目的。轻型木结构建筑结构体系的外墙板，就是根据建筑所在地区气候环境，选择不同的保温材料，并适度调整墙体厚度来实现建筑保温。

1.2 我国木结构保温外墙板模块化的发展现状

由于森林资源匮乏以及木结构技术的制约，我国木结构建筑发展较为缓慢，木结构建筑模块化的研究较少，与发达国家相比也较为滞后。

2009年，胡传双介绍了我国的工厂预制木结构发展现状和一些国内外预制木结构案例[1]。

2010年，王晓欢等人研究了木结构建筑的墙体组成，并且做了木结构建筑墙体构成介绍[2]。

2015年，孙菁芬、林正豪等人就清控人居科技示范楼项目采用了模块化加装配式的设计和建造方式，该项目进程迅速，施工便利[3]。

2016年，袁廷阁测试了不同构造的轻型木结构墙体保温性能的影响因素，并判定了墙体的热工级别及适用地区[4]。

2017年1月10日，住房和城乡建设部发布国家标准《装配式木结构建筑技术标准》（GB/T51233—2016），于2017年6月1日实施。

2 相关理念和研究方法

2.1 研究理论介绍

轻型木结构建筑墙体应用最为广泛的板式组件预制，是通过模块化方案的设计，将木结构建筑墙体结构分解成墙体长宽固定、厚度相同，并且完成保温节能设计的封闭式墙板组件。

现代轻型木结构住宅墙体的基本构造包括石膏板、PE膜、墙骨柱、保温层、墙面板、防水透气膜等，岩棉、玻璃纤维保温棉是轻型木结构建筑比较常用的墙体保温材料。而SIPs墙体则是由两片承重板材用结构黏合剂胶合在硬质泡沫板上，芯层为EPS膨胀聚苯乙烯泡沫保温板，在硬质泡沫保温材料的两面，粘贴结构板材料，压合在一起，形成形状稳定、能够承受较大荷载、保温隔热效果非常良好的多功能板材，可直接作为房屋围护结构保温一体材料使用。

2.2 研究内容、研究方法

本文主要研究岩棉填充木结构墙体，玻璃纤维保温棉填充墙体，以及SIPs墙体板式组件预制的模块化方案保温节能设计。SIPs墙体，厚度设计保持原本的厚度300mm。岩棉、玻璃纤维棉填充墙体保温层，采用2×6规格（英制）墙骨柱（实际尺寸38mm×140mm）内填充保温材料的墙体结构设计，厚度为140mm。在尺寸设计上，采用定向刨花板的规格尺寸1 220mm×2 440mm为模块化墙体方案的基本尺寸。

笔者选取SIPs墙体、岩棉、玻璃纤维棉三种保温材料的模块化墙体方案，从木结构墙体的建造成本、导热系数、建造优势这三个方面，来比较木结构墙体模块化方案更节能性。

3 木结构保温外墙板选型

3.1 设计原则

不同的保温材料模块化墙体，对于木结构保温外墙板的节能效果是不同的。在同等厚度墙体条件下，通过变化其构造措施，采用不同的排列组合方案，选用不同的材料，变换局部材料的厚度大小，从而优选出保温效果好，建设成本低的墙体方案。

3.2 三组不同的木结构框架墙体外墙保温构造设计

3.2.1 SIPs墙体系统保温构造

SIPs墙体基本构造包括石膏板、墙面板及两片承重板材OSB板与芯层为EPS膨胀聚苯乙烯泡沫的保温板作为保温层。采用的石膏板干密度为1 050 kg/m2，聚苯乙烯泡沫塑料（白板）干密度为20 kg/m2（图1）。

3.2.2 岩棉填充木结构墙体保温构造

岩棉填充木结构墙体基本构造包括石膏板、防水透气膜、OSB板、墙骨柱、岩棉保温层、墙面板，采用的石膏板干密度为1 050 kg/m2，岩棉带干密度为80 ～120 kg/m2（图 2）。

3.2.3 玻璃纤维保温棉填充木结构墙体保温构造

玻璃纤维保温棉填充木结构墙体基本构造包括石膏板、防水透气膜、OSB板、墙骨柱、玻璃纤维保温棉保温层、墙面板，采用的石膏板干密度为1 050 kg/m2，玻璃纤维保温棉干密度小于40 kg/m2（图3）。

为了模块化方案在工厂预制的顺利进行，降低工厂预制的难度，模块化方案只考虑到墙体结构的模块化，墙体外墙饰面抹灰或砖石等墙面装饰不包含在模块化方案的设计范围内，墙体饰面将在施工现场进行。

4 三组木结构保温外墙板模块化方案比较

4.1 从建造成本方面分析

图1 SIPs墙体系统保温构造设计示意图

图2 岩棉填充木结构墙体保温构造设计示意图

图3 玻璃纤维保温棉填充木结构墙体保温构造设计示意图

表1 SIPs墙体材料价格表

表2 岩棉填充墙体材料价格表

表3 玻璃纤维保温棉填充墙体材料价格表

根据表1～3，对建筑模块的基本材料成本价格进行估价，以建筑材料费用一般占建筑总造价的70%为例，要建造规格尺寸为1 220mm×2 440mm基本建筑模块的成本在1 200～1 500元，而传统的重型井干式木建筑和轻型小框架木建筑单价分别约为 5 000 元/m2和4 000 元/m2，模块方案在造价上远小于这两种传统的木结构建筑，与钢结构、混凝土结构等类型的建筑相比，木结构建筑模块方案，在价格上具有竞争力，未来在实现大规模生产后还会在价格上具有优势（备注：文中涉及各类价格信息均借鉴各木结构厂家报价，同时结合建材市场调研，以及参照淘宝网、阿里巴巴以及相关文献资料确定）。

综上，SIPs墙体造价最高，岩棉填充墙体造价最便宜，玻璃纤维保温棉填充墙体次之。

4.2 从传热系数分析

根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176—2016）的计算公式和墙体模块化方案的设计，模块方案的墙体围护结构平壁传热系数的计算方法为：从规范和已发表的论文中查得各模块化墙体各材料的导热系数，计算围护结构平壁的热阻、传热阻，从而得出围护结构平壁的传热系数。

经计算，SIPs墙体传热系数计算值为0.14 W/(m2K)，岩棉填充墙体传热系数计算值为0.35W/(m2K)，玻璃纤维保温棉填充墙体传热系数0.28 W/(m2K)（备注：OSB板 的 导 热 系 数 取 值 为 0.11m2K/W[5]，保温材料导热系数的修正系数按南京（夏热冬冷地区）选用）。

夏热冬冷地区典型的墙体结构传热系数K值为0.474 W/(m2K)，SIPs墙体传热系数K值低于典型墙体结构K值0.334 W/(m2K)， 岩棉填充墙体传热系数K值低于典型墙体结构K值0.124 W/(m2K)，玻璃纤维棉填充墙体传热系数K值低于典型墙体结构K值0.149 W/(m2K)，三种墙体均能满足我国夏热冬冷地区对轻型木结构建筑外墙保温隔热性能的要求。其中，SIPs墙体传热系数K值最优，玻璃纤维保温棉填充墙体传热系数K值次之，岩棉填充墙体传热系数K值最高。

4.3 从建造优势方面分析

建筑部品由车间生产加工后运送现场装配作业，可以采用建筑、装修一体化设计，主体施工、室内装修施工同步进行。工厂化生产替代了大量现场施工，房屋质量控制由工地迁移到工厂，再加以计算机辅助，满足了严格的质量认证管理要求，保证了建筑构件的精确性。预制木架构模块化程度提升，带来了墙体设计标准化，减少了现场安装错误。随着生产效率越高，构件成本随之下降，配合工厂的数字化管理，整个装配式建筑的性价比也会越来越高。

相比较于原有现场施工，工厂预制木结构模块化墙体更为便捷，避免了因天气等不可抗逆因素带来的施工不便以及工期的延长，周期缩短更能适应不同的区域环境。模块化大批量购买和工厂生产，比传统的建造方式减少40%～100%的建筑垃圾。此外，建筑的施工精度与质量均有极大提高，失误率降低。同时，工厂预制减少了对施工现场周边环境的影响，降低现场施工作业带来的噪声、粉尘等污染，符合绿色建筑、节能环保的要求。

5 结语

通过三个模块化方案的对比分析，在成本价格上，基本建筑模块的成本在1 200～1 500元的价格区间内。岩棉填充墙体材料价格最低，与玻璃纤维保温棉填充墙体材料相近，SIPs墙体材料价格最高，模块化方案成本相对于轻型木结构建筑的现场施工成本有所降低。在传热系数方面，SIPs墙体传热系数K值最优，玻璃纤维保温棉填充墙体传热系数K值次之，岩棉填充墙体传热系数K值较差，三种墙体均能满足我国夏热冬冷地区的对轻型木结构建筑外墙保温隔热性能的要求。在设计模块化建筑的建造过程中，SIPs墙体使用材料及施工过程最为简单，岩棉、玻璃纤维棉填充墙体的装配、施工较为复杂，将给墙体的模块化过程带来难度，进而使得模块化方案设计成本提升。但是相较于原有现场施工，工厂预制木结构模块化墙体施工更为便捷，施工精度与质量均有极大提高，有利于降低施工过程中的失误率。