鋼結(jié)構(gòu)建筑保溫屋面系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇

1、保溫隔熱屋面鋼結(jié)構(gòu)建筑保溫屋面系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇2衛(wèi)永梅1，（1.上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，上海200240；2.博思格建筑系統(tǒng)巴特勒(上海)有限公司，上海201613）摘要：建筑物合理選用保溫材料是重要的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，鋼結(jié)構(gòu)建筑常用的保溫材料有玻璃棉和巖棉兩類(lèi)，本文通過(guò)這兩類(lèi)保溫材料熱工性能的分析，結(jié)合其在巴特勒鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，其中包括適用于不同的氣候分區(qū)的單層保溫棉和雙層保溫棉兩大系統(tǒng)，為鋼結(jié)構(gòu)建筑保溫屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選用提供借鑒。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)建筑；屋面保溫；玻璃棉；巖棉文章編號(hào)：1007-497X（2012）-03-0044-05中圖分類(lèi)號(hào)：TU231；TU55文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼：BThermalRoofSystemDesignandChoiceforSteelBuilding2WeiYongmei1，（1.ShanghaiJiaoTongUniversity,DepartmentofAutomation,Shanghai200240,China;2.BlueScopeSteelButler(Shanghai)Inc.,Shanghai201613,China）Keywords:steelbuilding;thermalroof;glasswool;rockwool鋼結(jié)構(gòu)建筑由于具有可回收、循環(huán)再利用、質(zhì)量輕、節(jié)能、構(gòu)件加工和安裝過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染少的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的

3、混凝土結(jié)構(gòu)建筑及砌體結(jié)構(gòu)建筑相比較，具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)槠錈o(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑是國(guó)際建筑業(yè)的發(fā)展方向，有著廣闊的市場(chǎng)空間。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑正逐步從工業(yè)廠房、物流倉(cāng)收稿日期：2011-06-16儲(chǔ)發(fā)展到大型超市、會(huì)展中心等大型公共建筑，并不斷形成產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)化、多樣化。1問(wèn)題的提出鋼結(jié)構(gòu)建筑從節(jié)能考慮，一方面建筑最好是南北朝向，且重視體形設(shè)計(jì)，并減少外表面凹凸；另一方面從提高外墻和屋面的熱工性能著手，要控制外墻和屋面的熱惰性指標(biāo)，減少室溫的波動(dòng)。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑多采用與優(yōu)質(zhì)的保溫材料相結(jié)合的體系，來(lái)達(dá)到建筑保溫隔熱的功效。那么，在實(shí)際項(xiàng)目的操作過(guò)程中，如何選用合適的保溫材料，才能使建

4、筑物既達(dá)到保溫隔熱的效果，又符合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)？2建筑物熱工性能評(píng)價(jià)44CBW-RoofingEngineering保溫隔熱屋面建筑物的熱工特性參數(shù)，主要包括屋面隔熱情況、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻等。要改善建筑物的熱工性能，就必須分析研究這些參數(shù)對(duì)建筑物的影響。建筑物的熱工性能，主要體現(xiàn)在保溫和隔熱兩個(gè)保溫作用，以室內(nèi)為例，是指建筑材料和結(jié)構(gòu)在方面。冬季防止由室內(nèi)向室外傳熱，從而使室內(nèi)保持適當(dāng)溫度的能力；隔熱作用，以建筑物外墻、屋頂為例，是指建筑材料和結(jié)構(gòu)在夏季隔離太陽(yáng)輻射熱和室外高溫的影響，從而使室內(nèi)保持適當(dāng)溫度的能力。通常，保溫性能用傳熱系數(shù)值或傳熱阻值來(lái)評(píng)價(jià)；隔熱性能用夏季室外計(jì)算溫度條件下（即較熱天

5、氣）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度值來(lái)評(píng)價(jià)。材料傳熱系數(shù)K，是指單位時(shí)間內(nèi)，在溫度梯度W/（m2·K）。的方向，通過(guò)單位面積物體的熱量，單位：傳熱阻R，為傳熱系數(shù)K的倒數(shù)，單位：m2·K/W。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值愈小，或傳熱阻R值愈大，保溫性能愈好。導(dǎo)熱系數(shù)，是表征材料導(dǎo)熱特性的一個(gè)物理指標(biāo)，數(shù)值上等于熱流密度除以負(fù)溫度梯度，單位：W/（m·K）。減少建筑能耗，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量及改善其熱工性能，是建筑節(jié)能取得成效的關(guān)鍵。根據(jù)GB50189公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，整理得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值，見(jiàn)表1。表1不同氣候分區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值氣候分區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位屋面嚴(yán)寒地區(qū)

6、A區(qū)外墻屋面嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)外墻屋面寒冷地區(qū)外墻屋面夏熱冬冷地區(qū)外墻屋面夏熱冬暖地區(qū)外墻1.51.51.00.91.00.90.600.700.500.700.500.550.450.450.450.450.400.353鋼結(jié)構(gòu)常用保溫材料及其熱工性能一般來(lái)說(shuō)，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫材料的設(shè)計(jì)厚建度主要取決于以下幾個(gè)方面：建筑物的體型系數(shù)、筑物墻面和屋面開(kāi)窗面積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)、國(guó)家相關(guān)節(jié)能規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值、防結(jié)露計(jì)算得出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小傳熱阻等。鋼結(jié)構(gòu)常用保溫材料，有玻璃棉、巖棉、聚苯乙烯擠塑泡沫板等。這些材料在保溫隔熱性能、防火性能、穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度、防水性能、隔音性能、有

7、害物質(zhì)含量等方面，存在較大差異。在選擇建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料時(shí)，除保溫材料本身外，應(yīng)結(jié)合考慮建筑物的用途、地理位置及建筑的形狀、大小、朝向等因素。3.1建筑絕熱用玻璃棉建筑絕熱用玻璃棉，已成為金屬結(jié)構(gòu)建筑普遍采用的保溫隔熱材料。它通過(guò)縱橫交叉的玻璃纖維把單位體積的空氣分割成無(wú)數(shù)的小氣室，從而阻礙空氣的保溫玻璃棉除了出眾的保溫對(duì)流以達(dá)到保溫的目的。性能外，還具有隔熱、隔音、防潮、輕質(zhì)、高彈性、抗壓、安裝方便、成本低等特點(diǎn)。建筑上選用的保溫玻璃棉，產(chǎn)品性能應(yīng)滿足建筑絕熱用玻璃棉制品（GB/T17795）要求，其燃燒性能不低于建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)（GB8624）中的A2級(jí)；其24平均溫度下的導(dǎo)熱

8、系數(shù)見(jiàn)不同厚度所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)見(jiàn)表3。表2，表2保溫玻璃棉24下不同容重所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)容重（/kg/m3）材料導(dǎo)熱系數(shù)/W/（m·K）120.043140.040160.03920240.350.3表3保溫玻璃棉24下不同厚度所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)K/W/（m·K）保溫玻璃棉厚度/mm5075100150容重（/kg/m3）由上可見(jiàn)，保溫玻璃棉的熱工性能具有如下特點(diǎn)：20123屋面工程保溫隔熱屋面1）保溫材料的厚度對(duì)保溫效果的貢獻(xiàn)比較直接，接近正比關(guān)系。保溫玻璃棉厚度增加，熱阻值明顯提高，而成本增加不多。2）保溫材料容重越大，材料的傳熱系數(shù)越小。保溫玻璃棉容重提高，可以提高熱阻

9、值，但不明顯，而成本增加很快。3）保溫玻璃棉的極限溫度較低。達(dá)到538時(shí)，保溫玻璃棉就會(huì)軟化，因此保溫玻璃棉不適用于有防火極限要求的建筑。另外，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（GB50062006）條文解釋中明確指出：二級(jí)耐火等級(jí)廠房的屋頂承重構(gòu)件可采用無(wú)保護(hù)層的金屬構(gòu)件。條文解釋為保溫玻璃棉的廣泛使用提供了法律依據(jù)。3.2建筑用巖棉、礦渣棉某些建筑有特殊要求，如防火極限，建議在金屬結(jié)構(gòu)建筑中采用建筑絕熱用巖棉作為保溫隔熱材料。這種材料具有隔熱、隔音、輕質(zhì)、高彈性、抗壓性、安裝成本低、抗老化、耐候性好等特點(diǎn)。方便、針對(duì)此類(lèi)要求，應(yīng)選用品牌巖棉，產(chǎn)品性能應(yīng)滿足建筑用巖棉、礦渣棉絕熱制品（GB/T19686）的

10、有關(guān)規(guī)定，燃燒性能達(dá)到建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)（GB8624）中的A級(jí)。巖棉保溫材料24平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表4，不同厚度巖棉氈24時(shí)的傳熱系數(shù)見(jiàn)表5，不同厚度巖棉板24時(shí)的傳熱系數(shù)見(jiàn)表6。表4巖棉保溫材料24下不同容重對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)項(xiàng)目容重（/kg/m3）50巖棉氈60801004050巖棉板6080100120表5巖棉氈保溫材料24下不同厚度對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)2K/W/（m·K）容重（/kg/m3）巖棉氈厚度/mm50305075100150表6巖棉板保溫材料24下不同厚度對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)2K/W/（m·K）容重（/kg/m3）巖棉板厚度/mm50305075100150

11、圖1是巴特勒鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)中比較典型的單層保溫棉屋面系統(tǒng)，表7是該屋面系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱阻系數(shù)，表8則是保溫材料相應(yīng)的傳熱系數(shù)。用表8中的公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50189）中傳熱系數(shù)與的傳熱限值進(jìn)行比較，可以方便地確定保溫方案適用的范圍和地區(qū)。材料導(dǎo)熱系數(shù)/W/（m·K）相對(duì)而言，巖棉保溫材料比玻璃保溫棉材料重，而且價(jià)格高，因此，采用巖棉保溫材料的屋面系統(tǒng)造價(jià)更高。4典型的鋼結(jié)構(gòu)保溫屋面系統(tǒng)及其應(yīng)用4.1典型的鋼結(jié)構(gòu)保溫屋面系統(tǒng)1）典型的單層保溫棉屋面系統(tǒng)46CBW-RoofingEngineering保溫隔熱屋面表7典型的單層保溫棉屋面系統(tǒng)及其熱阻系數(shù)編號(hào)名稱(chēng)材料描述0.61.0mm

12、厚恒麗板或鋁板50mm厚120kg/m3方案A1：巖棉方案A2：100mm厚120kg/m3巖棉方案B1：100mm厚12kg/m3玻璃保溫棉方案B2：150mm厚12kg/m3玻璃保溫棉隔汽層內(nèi)襯板吸音板穿孔內(nèi)襯板無(wú)紡布0.40.8mm金屬板泡沫金屬Rt=+0000保溫要求，此時(shí)就必須加厚保溫材料的厚度。但當(dāng)超出安裝附件的限值，如連接件釘子長(zhǎng)度、強(qiáng)度等時(shí)，保溫棉必須分層鋪設(shè)。圖2是巴特勒鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)中比較典型的雙層保溫棉屋面系統(tǒng)，表9是該屋面系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱阻系數(shù)，表10則是保溫材料相應(yīng)的傳熱系數(shù)。同樣，用表10中的傳熱系數(shù)與公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB屋面板保溫棉總熱阻值/（m2·K

13、/W）1.35，2.70，1.35，2.70，總傳熱系數(shù)/Kt=1/RtW/（m2·K）應(yīng)用范圍巖棉適用于具有防火要求的鋼結(jié)構(gòu)建筑，如果有隔音要求，+是需要的。編號(hào)表9典型的雙層保溫棉屋面系統(tǒng)及其熱阻系數(shù)名稱(chēng)材料描述0.61.0mm厚恒麗板或鋁板方案A1：50mm厚120kg/m3巖棉方案A2：100mm厚120kg/m3巖棉方案B1：100mm厚12kg/m3玻璃保溫棉方案B2：150mm厚12kg/m3玻璃保溫棉保溫棉隔汽層吸音板穿孔內(nèi)襯板50mm厚12kg/m3玻璃保溫棉無(wú)紡布泡沫金屬Rt=+0.84000注：考慮到保溫絕熱材料在安裝時(shí)的壓縮以及冷橋現(xiàn)象等，玻璃棉材料的折減系數(shù)

14、為1.3；巖棉材料的折減系數(shù)為1.1。總傳熱系數(shù)可公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50189）中0.3<體型系數(shù)0.4列下與的傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。屋面板表8不同單層保溫方案對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)及適用地區(qū)傳熱系數(shù)K/W/（m·K）2保溫材料50mm厚120kg/m3單層巖棉100mm厚120kg/m3單層巖棉100mm厚12kg/m3單層玻璃棉150mm厚12kg/m3單層玻璃棉適用地區(qū)保溫棉夏熱冬暖地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)單層保溫棉屋面系統(tǒng)由于既能滿足建筑的需求，符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范，又較為經(jīng)濟(jì)，已成為大多數(shù)業(yè)主的首選

15、。2）典型的雙層保溫棉屋面系統(tǒng)當(dāng)建筑內(nèi)部環(huán)境高溫高濕、容易結(jié)露時(shí)，如紡織車(chē)間以及寒冷地區(qū)的建筑，單層保溫棉屋面無(wú)法滿足總熱阻值/（m2·K/W）2.55，3.90，2.19，3.54，總傳熱系數(shù)/Kt=1/RtW/（m2·K）應(yīng)用范圍巖棉適用于具有防火要求的鋼結(jié)構(gòu)建筑，如果有隔音要求，+是需要的。20123屋面工程保溫隔熱屋面表10不同雙層保溫方案對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)及適用地區(qū)保溫材料傳熱系數(shù)K/（m2·K）W/3統(tǒng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，該建筑的體型系數(shù)為0.31。該廠房屋面的保溫方案比較，見(jiàn)表11。表11武漢地區(qū)某鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面保溫方案比選可選擇的屋面保溫系統(tǒng)A方案：75mm厚

16、16kg/m3玻璃保溫棉B方案：50mm厚24kg/m3玻璃保溫棉熱阻值R/（m2·K/W）傳熱系數(shù)K/W/（m2·K）屋面每h耗熱量Q/W520000720000適用地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)A區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)夏熱冬暖地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，寒冷地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)A區(qū)50mm厚120kg/m巖棉+50mm厚12kg/m3玻璃保溫棉100mm厚120kg/m巖棉+50mm厚12kg/m3玻璃保溫棉100mm厚12kg/m保溫棉+50mm厚12kg/m3玻璃保溫棉150mm厚12kg/

17、m保溫棉+50mm厚12kg/m3玻璃保溫棉3330.460.280.410.30表11中，屋面耗熱量Q=T·A/R，其中假定室A為材料表面積，此處為廠房?jī)?nèi)外溫差T為10；的屋面面積。在兩種屋面系統(tǒng)的材料價(jià)格完全相同的前提下，B方案的每小時(shí)屋面耗熱量比A由表11可以看出，方案高出近30%。因此，選用前者。5結(jié)語(yǔ)綜上所述，金屬結(jié)構(gòu)建筑結(jié)合優(yōu)質(zhì)的保溫材料,是很容易達(dá)到保溫隔熱的功能，滿足國(guó)家對(duì)建筑物節(jié)能的要求。建筑文化的發(fā)展與進(jìn)步來(lái)源于建筑理念的不斷提升，建筑理念的表達(dá)離不開(kāi)建筑技術(shù)的支撐，兩者之間的關(guān)系相輔相成，建筑技術(shù)也同樣具有創(chuàng)新性、邏輯性、趣味性等特質(zhì)。對(duì)建筑技術(shù)、建筑構(gòu)造與材料

18、的深入理解，有助于合理選用材料，為綠色建筑（圍護(hù)結(jié)構(gòu)及屋面）理念的發(fā)展提供動(dòng)力。參考文獻(xiàn)：1全國(guó)絕熱材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T17795-2008建筑絕熱用玻璃棉制品S.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.2全國(guó)絕熱材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T19686-2005建筑用巖棉、礦渣棉絕熱制品S.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.3中國(guó)建筑科學(xué)研究院,中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)建筑節(jié)能專(zhuān)業(yè)委員中國(guó)會(huì).GB50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)S.北京：建筑工業(yè)出版社，2005.4中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50176-1993民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.5聶玉強(qiáng).從舒適性空調(diào)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能看建筑節(jié)能J.建筑節(jié)能，2001（9）.50189）中的傳熱限值進(jìn)行比較，可以方便地確定保溫方案適用的范圍和地區(qū)。雙層保溫棉屋面系統(tǒng)在單層保溫棉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了保溫材料的厚度，安裝時(shí)可采用錯(cuò)縫鋪設(shè)的方式，避免保溫棉橫向拼接時(shí)產(chǎn)生的冷橋，提高了保溫隔熱的效果。高溫高濕環(huán)境的建筑，如紡織車(chē)間，選用雙層保溫棉屋面系統(tǒng)配合防滲膜，可以避免冷橋結(jié)露，還可以增設(shè)內(nèi)襯板，從建筑的內(nèi)部來(lái)看，美觀大方，提高了建筑美感，是一些有較高要求的建筑常選的方案。4.2應(yīng)用案例建于2005年的湖北武漢某公司生產(chǎn)車(chē)間，長(zhǎng)443m，寬241m，高13.5m。該生產(chǎn)廠房采用鋼結(jié)構(gòu)體系，建筑面積約為9