钢结构被动式住宅技术和材料及工艺方面的选择

张扩忠，杨玉栋，刘海宾

(大同泰瑞集团建设有限公司，山西 大同 037010)

云山府住宅项目坐落在山西省大同市云周街上，是一个集钢结构装配式和近零能耗被动式及绿色三星为一体的住宅项目。住宅总建筑面积28.7 万m2，地上有22栋7层～18层被动式住宅，7种户型，从130 m2到320 m2，总计1 108套，单套面积为130 m2～320 m2，层数为7层～18层。另有公共服务配套建筑8座，面积为4 836 m2(项目概况见图1)。云山府被动房项目，是一个创新型项目，它首先采用全装配钢结构，从竖向构件的钢管束到水平构件的钢梁和桁架楼承板及楼梯、阳台板、空调板全部采用钢结构，装配率达到70%；它还是一项近零能耗的被动房项目，石墨聚苯板外保温系统250 mm厚，被动窗导热系数低于0.85，具有热交换功能的新风系统，完整的气密性设计和优秀的隔热构造措施，保证着室内温度始终在20 ℃～26 ℃之间，湿度保持在30 %～60%之间，室内新风量大于30 m3/(h·P)，气密性N50<0.6。它同时也是一项绿色三星的示范性项目，其中的屋顶光伏发电系统，为小区提供了绿色清洁能源，满足了《绿色建筑评价标准》的要求。

1 装配式主体结构的选择

云山府项目是一个装配式住宅项目。装配式可以有两种选择，一是采用装配式钢筋混凝土剪力墙结构体系，另一种是采用钢结构体系。目前本地及周边一定范围内，没有完整的装配钢筋混凝土预制工厂，仅有的一家工厂只能加工水平结构构件楼板和楼梯部件，不能满足装配率较高的住宅的要求。在这种情况下，只有选择采用钢结构。钢结构的选择有钢管混凝土束结构、隐式钢框架结构、钢管混凝土结构等形式。在有多种形式可以选择的情况下，这个项目选择了钢管混凝土束结构，主要的原因是，本公司早在2016年就引进了杭萧钢结构的钢管束的生产线，4.5 万m2的车间建成3 a，受本地级周边装配形势的影响，仅仅生产了5 万m2钢管束和桁架楼承板，本公司开发的项目自然应该推广和使用由自己工厂生产的装配式部品部件，也是一种自救行为。看似不得已而为之，实际上钢管混凝土束是一个非常好的结构形式，一段时间内，全国各地都在推广使用钢管束，从设计到施工已经取得了成熟的经验，这个项目选择钢管束结构就成了必然。钢管束是由钢板按照设计要求在u型钢冷弯成型设备上弯曲形成的钢构件，其基本单元如图2所示，一般尺寸为200 mm×130 mm，依据设计还可以有其他规格。由钢管束的基本单元组合焊接在一起形成钢管束，共同承受剪力和弯矩，见图3。由钢管束和束内混凝土组合而成的钢管混凝土束，充分发挥了钢和混凝土两种材料的优良特性。钢管束构件墙面厚度和宽度依建筑结构设计而定，同样条件下钢管束结构比钢筋混凝土剪力墙的断面要小，一般只有130 mm宽，房间的使用面积自然就会增大一些，可为用户争取出更多的建筑面积，重量轻，便于吊装，安装速度快，强度高、延性好、适合工厂化生产，同样都是选择钢管束的理由[1-3]。

2 装配式水平构件楼承板的选择

为了达到装配率50%甚至更高的标准，除主体结构外，楼板必须采用装配式。作为装配式结构，水平受力构件楼承板的选择可以有钢筋混凝土叠合板和钢筋桁架楼承板两种。钢筋混凝土叠合板又分为预应力混凝土和普通混凝土两种。普通钢筋混凝土叠合板是由预制板和现浇钢筋混凝土层叠合而成，预制部分在工厂加工，预制混凝土部分约有60 mm高，在相同跨度的情况下，它的总厚度要比钢筋桁架楼承板多出20 mm以上。在住宅层高较小的情况下，20 mm高度设计师也是很计较的。再就是叠合板现浇部分高度相对较小，在管线施工中会增加许多困难，设计类型比较多、加工制作难度大、吊装重量大，为了防止出现板间裂缝，还需要增加现浇板带，这些都是它的不利因素。预应力混凝土叠合板的底板仅有30 mm～40 mm高，但它的刚度较小，板下需要更多的支撑。尚且，本公司自己有装配建筑部品部件生产园区，工厂内有钢筋桁架楼承板的成套生产设备，自然要选择采用钢筋桁架楼承板。

开始生产的钢板桁架楼承板(如图4所示)有可拆和不可拆两种，底板为镀锌薄钢板。不可拆桁架楼承板，后期需要用吊顶遮盖，对层高产生较大影响。可拆板拆模后，平整的混凝土面上，只需要处理一下卡扣痕迹，就可以直接刮腻子成活了，装修效果也不错。于是，可拆板也就成了必然选择，镀锌钢板的底板理论上可以重复循环使用多次，也是选择的一个理由。但在实际使用过程中，镀锌薄钢板整修需要返厂进行，循环使用费工费事，卡扣二次使用率不足1/4。在这种情况下，我们积极想办法，先用竹胶板替代了镀锌铁皮，如图5所示。进一步用镀锌钢卡片作为支撑卡件，安装方便，混凝土保护层控制准确，底板支撑条件得到改善(见图6)，竹胶板桁架楼承板可以反复使用多次，标准化生产，安全适用，经济和合理。

3 防火材料的选择

钢管混凝土束结构，其实就是钢结构的一种，不过是在钢管内灌了混凝土而已，钢管束和钢梁都需要进行钢结构防火处理。本工程室内地下部分钢结构采用外包混凝土的方法进行防火，地上部分，采用防火涂料。防火涂料有两种选择，非膨胀型钢结构防火涂料和膨胀型防火材料，根据设计耐火等级选择。设计图纸开始把防火等级确定为一级,采用非膨胀型厚型防火涂料，那么，钢管束墙体每侧会至少增加35 mm，加上外抹灰等装修层，就会占用50 mm以上。如此，钢管束结构断面小可以增加使用面积的优点就不复存在了。对于购房者来说，是比较注重这种优点的。在深化设计的过程中，我们发现，云山府项目为18层以下钢结构和多层钢结构，按照防火规范要求，此类建筑应属于二类高层和多层建筑，耐火等级可以定为二级。耐火等级得到纠正之后耐火极限重新确定为墙体2 h、柱为2.5 h、梁为1.5 h。

对于钢管混凝土来说，钢管混凝土中的混凝土填充材料具有吸热及蓄热的作用，可以延缓管壁的升温过程，高温下的钢材机械性能发生软化时，柱承担的内力可以通过重分布，由温度较低的核心混凝土继续承载。由于钢管混凝土自身的耐火极限较高，采用非环氧类膨胀型防火涂料涂层作为防火保护措施的钢管混凝土柱，能够达到2.0 h以上耐火极限，因此膨胀型钢结构防火涂料及非膨胀钢结构型防火涂料均可使用。这样钢结构上即使是使用膨胀型防火涂料，也可以减少到25 mm。我们进一步研究发现，一种新型防火涂料，15 mm就可以达到2.0 h的耐火极限，甚至还有超薄型室内膨胀型防火涂料1.7 mm，可以达到耐火极限2 h。这样，我们一方面解决了防火涂料的问题，另一方面由于采用了较薄的防火涂料，可以保证达到用户期望的增加更多使用面积的愿望，也是保全了钢管束结构的一个显著的优点，使用户得到实实在在的好处。

4 被动窗安装方式的选择

被动房的建造不同于一般的住宅项目，对房屋的气密性和保温性的要求极高。为了追求恒温、恒湿、恒静、恒洁、恒氧等，在被动房设计建造中，首先选择了目前市面上最先进的被动式窗，三玻两腔，内充惰性气体、Low-E膜层、铝包木，这种窗户导热系数仅有0.8(普通断桥铝合金窗户的导热系数为3.0)。一般地，被动式外门窗采用整体外挂安装，门窗框内表面与基层墙体外表面齐平，这样门窗位于外墙外保温层内，省却了阻断热桥的处理。按照要求在门窗框四周内侧面粘贴防水隔气膜，外侧粘贴防水透气膜，涂抹气密性砂浆之后，形成严密的气密性保护。实践过程中，我们发现整体外挂安装，由于窗户重量大需要起重设备配合，钢结构窗口上的梁为工字钢梁，窗户与之连接相对复杂，后期处理气密性也存在不少问题。如何改变这种不利情况，能否采用内嵌的方法进行安装，这也是我们对于被动式窗户安装的一个新的选择。

通过反复实验，我们找到了保温性能符合要求且强度高，可以支撑整个窗户重量的高强石墨烯保温材料，将窗户置于窗洞口之内并留出适当的安装空隙，再把这种高强石墨烯材料安装在窗户四周，使被动窗安装形成内嵌式。为了使外保温与窗户的保温材料有效地贴合在一起，形成完整的保温气密层，将窗户一部分断面放在窗口内，一部分放在窗口外，形成半内嵌形式，更为符合气密性要求，更趋合理。在现场尝试做了几个样板，有平口的，也有企口的，实验证明，平口半内嵌式比较适合被动窗内嵌安装(见图7)。因为内嵌或半内嵌安装，都需要在窗口两边安装钢结构框柱或现浇钢筋混凝土抱框柱，要使框柱形成企口形式，制作和安装都比较困难，比较起来还是平口形式简便易行。

5 新风系统的选择

新风系统在被动房中占有十分重要的地位。三玻两腔充氩气的被动窗把阳光引进室内，把寒气与热浪挡在室外；石墨烯外保温阻断了极寒极热天气对外墙的侵扰；隔气膜透气膜把材料之间的缝隙做到密不透风；优良的节点构造把隔热功能做到既不把室内热空气传出，也不把室外的寒冷空气导入，卓越的具有热交换功能的新风系统将新鲜空气引入室内，将污浊空气排出。在保温性、气密性做的非常好的情况下，新风系统成为被动房与外界交换气体的主要通道。如何选择好的新风系统，成为我们必须先行解决的问题。

为此，我们组织精干团队，去全国有被动房项目的地方实地考察，了解和掌握新风系统在被动房应用方面的经验，去设备厂家考察了解设备性能和生产情况，市场规模和供货能力。去年冬天我们邀请7个企业，在样板房内组织了新风系统的测试，要求每家都在145 m2同一户型上，安排20 d时间，完成从装机、运行到拆机的全过程，记录所有温度、湿度、耗电量、噪声、二氧化碳含量、PM2.5指标等数据，最后截取室内温度从12 ℃升到22 ℃以上，比较完整的7 d(去掉两头不稳定数据)记录进行统计分析。每天的能耗效率指标都会计算出来的，用这个指标去衡量各种设备的性能，综合其他指标，就容易得出结论了。这些数据都是在去年极寒冷的冬季产生的，今年我们又收集了炎热的夏季的数据，这样统计数据更加全面。新风系统的能耗指标是一个非常敏感的问题，住户会非常在意，这也是近零能耗被动房非常注重的一个指标。我们处于严寒地区，在不接入集中供热、没有采取任何采暖措施的情况下，能够将能耗效率指标控制在国家标准范围之内，需要做好各个方面的工作。

被动房也不是完全没有能耗，而是通过设计，最大限度地利用复杂系统和不可再生能源来达到节能目标。通过大幅度提升围护结构热工性能和气密性，利用高效新风热回收技术，将建筑供暖需求降低到最小，从而可以使建筑摆脱传统的集中供热系统，在此基础上通过可再生能源，近而实现超低能耗、近零能耗和零能耗的目标。在多数气候条件下，被动房供暖需求很小，利用新风系统就能满足要求。通过加热盘管预热新鲜空气的方式，足以满足剩余供暖需求。即使是严寒地区也能使建筑物全年能耗指标达到30 kWh/m2(超低能耗住宅)、18 kWh/m2(近零能耗住宅)的标准。

云山府住宅一共有1 108套，主力户型为160 m2，共588套，130 m2～150 m2的有378套，200 m2以上的有152套。目前被动房一般选用新风一体机，也有个别较大户型选用新风加空调的多联机。通过考察学习反复论证，认为包括主力户型160 m2及其以下户型应选择新风一体机比较合适，200 m2以上的户型选择多联机合适，第三方认证机构也有相同的认识。但是，不管选择哪种机型，必须符合近零能耗被动房对于建筑物能耗指标的要求，符合各种性能指标参数的要求。实际操作中，我们首先要求产品通过被动房机构认证，在大同地区必须考虑在-30 ℃情况下设备仍然能够启动自如；一体机设备必须具备根据室内二氧化碳浓度指标探测自动启停新风系统的功能，合理使用，节约能源；一体机还须具有与智能家居联动，调整排风量的功能，用以满足室内各房间温度的不同要求[4-6]。

6 太阳能光伏发电的选择

被动式住宅是以节能和舒适为目的的房子，是人们在基本的居住条件满足之后，对更高品质住房的追求。为了达到这个目标，除了通过保温和气密性的设计来降低能源的消耗外，另一个重要的方法就是充分利用太阳能来替代部分化石能源的消耗，因为太阳能是取之不尽用之不竭的无污染的清洁能源。太阳能的利用有两种方式，一种是太阳能热水方式；一种是太阳能光伏发电方式。无论是屋顶太阳能热水系统还是太阳能发电系统，都非常简便易行，利用住宅屋顶空间实现太阳能的转换，可以减少能源的消耗，实现节能的目的。

云山府项目最初的设计中，在利用再生能源的选项上，设计单位开始选定采用的是太阳能热水系统。每一栋楼屋顶都安装屋顶太阳能热水系统。每一单元都在屋顶设置集中热水箱，用来收集热水，通过热水管道送到每家每户。为了保证热水能够随时随地地使用，设置有加压循环系统，通过不停顿的运转来保证每家每户适时用水。屋顶水箱间工程费用和水箱设备的费用及加压循环系统的费用，总共可以达到近千万元。对于多层建筑来说，太阳能集热器在屋顶上还可以安排得下，而对于高层建筑来说，集热板在屋顶上就难以安排下来了[7]。

随着太阳能光伏的大力发展，光伏板的市场价格逐渐回归合理，太阳能光伏发电成本下降，目前光伏板衰减期为25 a，计算回收期为5 a，使得采用光伏发电成为可能。在屋顶上安装太阳能光伏板，配置小型的光伏发电供电系统，如图8所示，将每一栋楼顶的光伏板所发的电汇集起来，就近送往各家各户使用，富余的电量可以馈送给大电网，也就是“自发自用余电上网”。这种分散式小型并网光伏工程，利用屋顶闲置空间，投资小建设快，符合产业政策，利用天然的太阳能清洁能源发电，减少了污染，又增加了工程的经济效益，当然是最好的选择。通过专家论证，最终确定了太阳能光伏发电系统的选项。

7 结语

云山府钢结构被动房项目是本省第一个较大规模的装配被动式项目，装配率达到近70%，现有各项指标评价符合绿色三星建造评价标准，被动房设计经中国康居认证中心评价符合近零能耗被动房设计标准，目前工程主体基本完工，二次结构、外保温、气密性工作及精装修工程正在紧张进行。钢结构被动房是一个崭新的建筑形式，没有很多成熟经验可循，只有不断摸索尝试，不断总结前行。以上一些问题的解决，仅是在实践过程中遇到的问题的一部分，还有很多问题需要发现和解决，这也就是一个学习的过程，一个探索的过程。在关键的问题上做出了这样或那样的选择，在当时可能有它正确的一面，从长远和发展的眼光来看，也可能还存在一些这样或那样的问题。但只要坚持不断努力，就一定能够把装配式和被动式的事情做的越来越好。钢结构、被动式都是有非常好的前途的，钢结构被动房更会是一个完美的结合。