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生态建筑学:木骨架墙板构造方式

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:暖空气可能会比冷空气含有更多的水汽,这就意味着将冷暖空气隔开的构造必须从水汽的角度进行充分的考虑。图1-103木骨架组合墙板结构这是一种采用较少结构材料建造良好隔热墙体和屋面的方法图1-104木骨架组合墙板结构住宅木材不仅是环保材料而且是良好的构造材料。资料源于瑞士工程师和建筑师协会会刊D0123,按照生态原则建设,1995-09图1-107与水汽移动有关的不同种类的墙体和屋面构造形式潮湿房间。

生态建筑学:木骨架墙板构造方式

即使选择了环保型材料,最终结果还取决于这些材料在构造中以何种方式组织在一起,以及材料被置于建筑中的哪个位置。不同轻重的材料会影响室内气候。水分缓冲材料可以很好地保持室内湿度并适用于浴室。有些材料不适宜同时使用,比如有些胶不能适应潮湿的混凝土,如果不仔细考虑水汽运动的话,就会产生潮湿破坏现象,具体破坏程度受材料使用类型、位置和材料防水分扩散性能等因素的影响。

1)蓄热

轻型建筑可以被迅速加热,但当加热结束后散热也很快。重型建筑可以储存冷热空气并且和环境温度波动相符,特别是在整个24 h范围内。轻型建筑通常隔热性很好,重型建筑隔热性较差。一个能把轻型建筑的良好隔热外墙和重型建筑的热调节内墙结合起来的建筑会很舒适。

(1)重型结构。典型的重型结构,比如砖、轻质混凝土或者黏土,具有良好的耐久性和蓄热保湿能力。也有重型木结构,利用锯木板材组合成一组实心板材。这种系统由瑞士的朱利叶斯 奈特勒(Julius Natterer)教授开发,在瑞典这种结构也越来越多。

(2)轻型结构。超级隔热建筑需要较厚的墙体和屋顶结构,通常使用轻型木骨架组合墙板系统(lightweight stud system[13])。通过这种方式,使用最少的结构材料就能得到轻质且隔热性好的结构(图1-102)。木骨架组合墙由木材龙骨木质纤维板组合而成(图1-103至图1-105)。

图1-102 瑞典瓦斯泰纳市的湖边住宅

此住宅由建筑师艾瑞克 阿斯穆森(Erik Asmussen)设计,使用45cm厚坚固的轻质混凝土建造。如果普通的墙体要达到同样的效果,就相当的重了,所以采用轻质混凝土,虽然它的保温功能要弱些。屋面构造使用纤维素纤维保温材料,而地板下采用泡沫玻璃保温。资料源于笔者根据里弗 奎斯特(Leif Qvist)原图绘制

2)环境信息数据

(1)环境信息数据。瑞士已经展开对建设工程不同部分,如内墙和外墙、地板构造等的生命周期分析,由此可以比较不同类型的构造对环境的影响(图1-106)。制作出每平方米内构造材料成分的清单从而计算出其对环境的影响量,包括与温室效应有关的每平方米CO2排放量,与环境酸化有关的每平方米SO2排放量,与能源消耗有关的每平方米消耗的能量。另外,构造材料好坏的检验立足于以下八个标准:排放物、建造过程、毒性、维护、修理、废弃物循环使用、浪费量及其他因素。类似的环境指标在丹麦建筑研究所也已开始实施。

(2)组合材料测试。各种材料是怎样联合作用的?即使某种材料是环保材料,在某些特定情况下也会产生消极作用,特别是在考虑水汽作用时。比如想用胶将地板材料粘在混凝土上,混凝土要充分干燥,而所选的胶不能被混凝土释放出的碱破坏。

3)材料的防水性能

选择材料时需要考虑的另一个问题就是所选择的材料是否会暴露于水汽之中。户外和潮湿房间用的材料必须能够防潮。水汽的移动和数量同样要考虑。暖空气可能会比冷空气含有更多的水汽,这就意味着将冷暖空气隔开的构造必须从水汽的角度进行充分的考虑(见第1.3.2节“潮湿”)。

图1-103 木骨架组合墙板结构

这是一种采用较少结构材料建造良好隔热墙体和屋面的方法

图1-104 木骨架组合墙板结构住宅

木材不仅是环保材料而且是良好的构造材料。通常采用木骨架组合墙板结构来节约木材。这是瑞典BOJARK建筑工程公司的贝蒂尔 约翰松(Bertil Johnsson)设计的一幢采用这一结构的房子。木骨架组合墙结构由较细的木龙骨和木板构成,意味着由少量的结构材料支撑建筑。许多房间是隔热的。同时这样的结构也意味着较低的房屋造价。资料源于贝蒂尔 约翰松(Bertil Jonsson)

(1)水汽移动。在采暖建筑中,水蒸气从室内向外扩散,从温暖处向寒冷处扩散。水汽的含量不能超过墙体容纳水汽的能力。因此隔热墙构造内部需要有一个比外层更不易漏气的内层,以至于水汽更容易从构造中排出而难以进入。对于室内有大量来自于人、清洗、烘干、洗浴植物的蒸发水蒸气的建筑,这点是非常重要的。部分水蒸气可通过通风系统排出建筑。另一种减少水汽含量的方法是使用除湿设备(图1-107)。

(2)水蒸气与气密性。可以依据构造中水汽的运动来区别不同类型的构造。比如,利用塑料或金属密封可以防止空气和水穿过,利用纸板、硬木纤维板或特殊塑料制成的材料,水汽可以通过但不透空气,利用动态隔离材料像穿孔纸板,可以控制空气的通过量(图1-108)。

(3)水汽缓冲。在人们淋浴、准备食物或洗衣服时,房间内常会产生过量的水汽,而在一天当中大量的时间房间是比较干燥的。一些材料可起到缓冲水汽的作用,也就是在潮湿时吸收水汽而在干燥时释放出来(图1-109)。在这方面黏土是最好的材料,有时会用于室内墙体材料,或作为抹灰使用,目的在于改善室内气候。木材同样有很好的水汽缓冲作用。木刨花水泥板可用于浴室天花板中缓冲水汽,由此浴室中的镜子不容易起雾。硅胶因其具有很高的水汽缓冲性能,而应用于博物馆展示中,还经常应用于药品存储和电子产品运输中。当需要考虑24 h全天候的缓冲效果时,只有很少材料能满足要求。对于全年从夏季到冬季的缓冲效果,所有的实心墙体都能达到要求,比如实木墙或砖墙。

图1-105 柱子大样

建筑师彼特 坎泼费(Beat Kämpfen)的办公室采用了瑞士苏黎世Marché公司的特殊实木技术,其柱子不仅是承重系统的一部分,还包含了全部的通风、水、强电和弱电传输系统

图1-106 生命周期不同阶段对环境的影响分析

瑞士比较了等效的结构体系而不是比较材料。资料源于瑞士工程师和建筑师协会会刊D0123,按照生态原则建设,1995-09

图1-107 与水汽移动有关的不同种类的墙体和屋面构造形式

(4)潮湿房间。为避免水汽破坏,潮湿房间的设计需要格外注意。比较好的方法是使用局部通风装置,也就是说使水汽直接从屋顶排除。最环保的方法是建造一间只采用矿物材料的潮湿房间,这样不会发生霉变或腐烂。因此,不能铺设防水层。然而在轻型结构中设置防水层是不可避免的。由于轻型结构建筑的潮气问题,许多规范都因此而改变。防水层对于水蒸气的阻挡率必须大于1 000 000 s/m(在通常条件下检测)。纸面石膏板不能用于潮湿房间,地面须向排水管放坡(坡度至少1%,最好能达到2%),防水层不能直接铺在地板上面(如果直接铺设,板材和防水层间须采用砂浆)(图1-110至图1-114)。

(5)基础。原则上有四种基础:地下室基础、悬浮基础、地面板式基础和柱脚基础。从防潮的角度看,柱脚基础与地面接触最少所以也最安全。从节约能源的角度考虑地面板式基础直接落在地面上,使得地板框架避免暴露于室外空气中所以效果非常好。所有这些基础方式在近年都有很大改善。建筑保温情况的改善改变了建筑的条件,并且对水汽问题也有了更高的重视程度。① 地下室基础。通常会遇到潮气问题,因为水汽会渗过地下室墙体。正确的地下室构造做法需要合理地排水,并且在地下室的外墙上利用塑料薄膜隔气层形成的空气间层来防止水汽渗入。隔气层应当置于承重结构的外部(图1-115)。② 悬浮基础。被认为是一种很好的基础,尽管在近些年出现了一些防潮问题。这是由于更好的保温地板结构的产生,降低了悬浮地板的温度从而增加了受潮的危险性。在现代悬浮基础中,地面是保温的,防潮层置于外部以防止地面潮气侵入。另外,应当避免在悬浮基础中使用有机材料。地板下的构造应当采用防潮材料,比如泡沫玻璃板或者水泥刨花板。不论新旧悬浮基础的做法,其目的都在于促进它们同室内空气对流,而不是同室外空气对流,这也被称为热悬浮基础。它需要与地面和周边隔离。有的热基础能够积极地排出废气,也有的热基础地板下间隙中的空气通过小的裂缝和漏洞与室内空气对流。在后一种情况下,地板不是隔热的,地板下部基础中的空气间隙同室内空气的温度相同(图1-116)。③ 地面板式基础。在水泥板的上面是保温的,由此常导致水泥板遭到水汽破坏。近些年,常在板下加防潮材料防止水汽侵蚀。在边缘的保温材料是非常重要的,并且有时板周围的地面也要做保温处理,以免板式基础下产生霜冻,进而受到毁坏。制作良好的带有毛细管防水材料排水系统对于地面板式基础来说非常重要。如果基础板采用的是自保温材料,比如泡沫玻璃,那就不需要用混凝土建造了,建筑的楼地面和墙体可以直接建在基础板上(图1-117至图1-120)。④ 柱脚基础。通常由上面铺设木格栅的混凝土基座构成,建筑建造于此结构之上。柱脚基础的好处在于空气可在建筑下面自由流动,因此不会有水汽破坏的危险。但是底板直接暴露于室外空气中增加了热损失面。近年来,在丘陵地区的建设中,为了避免对自然环境较大的破坏,常常使用高柱脚或架空型的建筑。

图1-108 瑞典布胡斯省(Bohuslän)科维克斯海姆(Kovikshamn)托克尔宅(Hus Torkel)

在许多构造手册上金属片可以用于窗户顶部和底部边缘的挡水板。然而这种现代的做法不适合用于老建筑。有保护涂层的构造,比如经高质量的亚麻籽油涂刷过的木头心材,在窗户上下边界都能起到很好的保护作用,如瑞典布胡斯省(Bohuslän)科维克斯海姆(Kovikshamn)托克尔宅(Hus Torkel),该住宅建筑师为玛丽亚 布洛克(Maria Block)和瓦里斯·博卡德斯(Varis Bokalders)

图1-109 潮湿房间墙面做法

在溅水区铺设大理石且用黏土墙作为水分缓冲材料的浴室大理石具有高pH值和耐腐蚀性

图1-110 预制卫生间

这种预制的卫生间是建筑内部的防潮单元,使用水密性黏合材料,地面下内置排水管和凹型铸造件。墙壁可由瓷砖或者玻璃板覆盖,矿渣地砖或混凝土马赛克铺在地板上,天花板采用能够缓冲水汽的水泥木丝板(www.xing528.com)

图1-111 淋浴间示意图

淋浴间可以作为卫生间中的单独房间处理,因为这里的蒸汽量很大,所以可以设置单独的屋顶通风装置

图1-112 不同材料的水汽缓冲性比较

材料的水汽缓冲性能影响室内气候,因此应当选择可以储存水汽的材料。应当避免使用防水罩面漆或面层,以避免限制水汽缓冲性能的发挥。资料源于笔者根据《潮湿手册》,Nevander & Elmarsson公司的资料绘制

图1-113 挪威奥斯陆某建筑底层卫生间的外墙

由建筑师比约 贝格(Björn Berge)设计。墙体为空心砖墙,利用膨胀珍珠岩保温层。面砖经过高温燃烧而内层砖是多孔的(低温燃烧),因此这种墙没有防水层,由多孔砖吸收和释放水汽。只有浴室由矿物材料制成,建筑的其他部分由木材组成

图1-114 淋浴间

这个淋浴间作为单独房间设置在卫生间内,如果有可以直接排出水汽的通风系统就更好了

图1-115 地下室基础做法

地下室必须要能很好地排水。如果进行保温处理,构造必须与室外隔开。地下室造价很高,特别是在需要爆破作业的情况下,如果不使用爆破的话,就需要直接从建筑下面开凿材料。① 木楼/地板格栅;② 木制接地连接板;③ 防潮层;④ 塑料薄膜隔气层;⑤ 耐潮湿的外部温材料;⑥ 回填材料;⑦ 排水管;⑧ 室外防潮层(沥青涂层);⑨ 排水系统和平板底部毛细管阻断层;⑩ 混凝土或轻质混凝土砌块地下室墙体,也可由现浇钢筋混凝土代替;⑪钢筋混凝土底板。资料源于笔者根据《木建筑手册》资料绘制

图1-116 热悬浮基础做法

室内的热废气被导入悬浮基础,将水汽挤出,由此保护基础免于受潮

图1-117 在建筑下部建造热垫层的地面板式基础

利用这种基础,热量只会从外墙流失

(6)可拆卸建造。隆德大学建筑管理系工学博士卡塔里娜 托马克(Catarina Thormark)在她的文章和书中描述了可拆卸并能循环使用的建筑设计的好处。这个概念从20世纪80年代末从欧洲(丹麦、德国、荷兰)、美国和澳大利亚发展起来。其优点总结如下:① 经济性。适应了不断提高的原材料和垃圾处理的成本;建筑循环使用的潜力被包括在建筑环境评估中;可拆卸建筑将会具有更高的剩余价值。② 灵活性。可以进行各种改变以适应人口发展和家庭结构的变化;避免了在建筑达到使用寿命前就要被拆掉重建的趋势。③ 环保性。适应了原材料短缺的状况;减少社会生产的大约1/3垃圾是建筑和拆除后的建筑的状况;材料构件更容易被循环使用;降低了材料生产的能源消耗;减弱了由于人类建造活动造成的气候变化问题。

图1-118 采用良好排水系统和平板下隔热层的地面板式基础

该基础被认为是十分可靠的。这是一种能效最高的基础形式,如果能够避免热桥就更好了。如果底板由硬质隔热材料制成,比如泡沫玻璃,构造中就不需要使用混凝土了。建筑的地板和墙体可直接建造在基础上

图1-119 Koljern®基础

底板由泡沫玻璃板制成。薄铝板是构件的一部分,具有抗渗透性,所以完全不受氡和地面臭氧的影响。资料源于www.koljern.se

图1-120 采用Hasopor(充气玻璃颗粒)和Nopsapor块(充气玻璃水泥颗粒)的基础构造

该构造可以杜绝边梁的冷桥。资料源于基础图纸,西蒙妮 克罗伊策(Simone Kreutzer),Tyréns

有些可拆卸系统能够被拧紧固定在地面上,代替打桩的螺旋管,建筑模块化(相当于大块的乐高积木),使用钉固定的木材连接件,采用能够被拆下用作设备和地面材料的梁和托梁系统,和具有拆卸和重新使用可能性的、用带子捆扎的石膏墙板和镶板。

挪威建筑师比约 贝格(Björn Berge)发明了一种柔性建造系统,可被拆卸重新组装或添加新构件(图1-121、图1-122)。这个系统基于三个原则:① 不同的建造构件要分开;② 每一种组件都易于拆解;③ 每一种组件都有标准尺寸并且由同质材料制成。

不用胶粘或钉子钉。所有的连接处均采用干作业机械连接,如使用螺栓螺母、螺丝和别针。组件由坚固材料组合而成并且不是用胶黏合的复合体。

图1-121 比约 贝格(Björn Berge)系统

在挪威建筑师比约 贝格(Björn Berge)的系统中,一个建筑被分为基础、承重结构、围护结构和服务系统这几个不同的部分

图1-122 比约 贝格(Björn Berge)系统的外墙和地面

该建造系统的外墙包括:松木板芯材21/98mm;松木外面板21mm;双头螺栓48/48mm;木板21mm;未浸渍纤维素板;纤维素绝缘材料或木刨花250 450mm;纤维素板,经亚麻籽油处理;内面板21mm

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