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孙 全一,

2006年从加拿大回国创办了大连阔森特新型建材有限公司,致力于以低碳节能、环境友好、快速建造为主要特征的预制组合房屋的研究和实践。带领团队建立了和北美技术同步的国内第一条专业化结构保温板(SIPs)生产线。国内代表性项目:莫干山裸心谷,2011年天津大学、2013年北京大学“世界大学生太阳能十项全能竞赛”参赛房屋,大连广鹿岛度假村等。

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一种新型的木结构建筑体系—结构保温板(SIPs)体系介绍

大连阔森特新型建材有限公司   孙全一   大连 116600

木材是大自然赐予人类宝贵的礼物,是唯一可再生的主要建筑材料,也是唯一的“负碳”建筑材料。 采用木材作为主要承重构件的木结构建筑温暖自然、温馨美观、节能抗震,尤其是在近十年,在中国得到了越来越多的理解和应用。作为一种新的木结构建筑体系,结构保温板建筑体系(Structural Insulated Panels, 简称SIPs)源自北美轻型木结构体系,采用类似的原料,但发展为集结构和保温一体完成,有更优异的保温效果,更好的结构性能,也更强调预制和工业化加工,以2007年正式写入美国民用建筑规范为标志,在世界各地得到了越来愈多的应用,但在中国了解和应用不多,本文希望对此体系做一简单介绍。

一、 结构保温板(Structural Insulated Panels, 简称SIPs)的定义及历史

结构保温板,翻译自英文全称Structural Insulated Panels, 以下简称SIPs,是由两片承重板材由结构粘合剂胶合在硬质泡沫板上成为一体的板材,这样做成的板材既承重又保温,可以直接作为房屋的结构保温一体材料使用,故被称之为SIPs,如图1。

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图1结构保温板结构示例

SIPs板的面材应为承重类板材,例如: 多层板(plywood), 定向刨花板(OSB),水泥板,等。目前在在世界范围内,因为工业化程度高,性能稳定,柔韧性好,尺寸大(最长7.32M),OSB板作为面材应用最为普遍。目前美国最常用和测试数据最全并进入国家建筑标准的是OSB板面的SIPs。SIPs的芯板包括膨胀聚苯乙烯(EPS),挤出聚苯乙烯(XPS),聚氨脂(PU)。目前市场份额最大的是膨胀聚苯乙烯(EPS)。

SIPs的尺寸很多,以北美市场OSB板面、EPS芯材的SIPs为例,宽度尺寸为1.22-2.44M, 长度尺寸从2.44M-7.32M, 板材的厚度从114 毫米(阻热系数2.64 k‐ m2/w, 传热系数0.379 w/k‐ m2) 到311 毫米(阻热系数8.11 km2/w,传热系数0.123 w/k‐ m2)用以满足不同隔热程度和承重强度的要求[1]。

历史上,位于美国维斯康星州的美国森林实验室(Forest Products Laboratory, FPL)最早就注意到了使用木质面材和泡沫芯材形成一体类夹芯类板材以后,该夹芯板材会有意想不到的效果强度强度,最早从1935年开始对三明治类的板材进行了长达20多年的跟踪和系统研究。1967年,FPL 采用SIPs建了一个实验工厂,效果非常好。

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图2 SIPs 意想不到地强壮

私人方面,美国的建筑学家和工程师Alden B. Dow,陶氏化学创始人的儿子从1945年开始对SIPs对结构保温板进行了研究,并在1952年他最先设计建造了3栋SIPs 房屋,该房屋一直存在。

从上世纪60年代起,在北美,陆续有专业的SIPs工厂不断成立,供应SIPs板材或SIPS房屋,SIPs体系得到了更多的应用和关注。目前,世界上比较大的SIPs工厂都集中在北美,比较成规模的工厂大约有50家左右。目前,SIPs房屋占北美每年新开工住宅的5%左右的市场份额。

二、 SIPs的用途

根据使用位置和承担功能的不同,SIPs在建筑行业的可以主要有2个用途:

 

第一种是直接作为承重保温一体构件用于建造住宅,一般是低层住宅,在北美,理论上可以比对轻型木结构建到六层,但以3层以下居多,SIPs可以作为墙体和屋顶直接使用,既承重又保温,在大多数情况下可以不用其他框架框架,在一些载荷集中点,或者大的开口处,通过金属或木构件(梁或柱)等进行加强,这和北美轻型木结构的做法是一致的。这种用途的典型特征是,结构保温板的承载力(轴向、水平、剪切)载荷都要体现在结构核算中。因为OSB板面的SIPS尺寸较大,最长可以达到7米,重量轻,接缝少,可以形成教堂式高屋顶,作为屋板在结构保温板房屋中或者混凝土住宅中使用得到了越来越多的建筑商和业主的青睐。

一栋典型的SIPs房屋的建造过程:图2-图11。

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图3SIPs板材运到现场

新图片(5)图4从角落开始安装

新图片(6)图5一层墙体一般一天可以完成

新图片(7)图6楼板也采用SIPs

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图7高兴的业主

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图8 2层墙体

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图9上屋顶梁

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图10屋顶梁已经上完

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图11SIPs主体完成(7天)

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图12最后的外装完成

第二种是SIPs作为围护体系进行使用,一般是大跨度的建筑物,比如厂房,学校,购物中心等。 先用钢或木构架做好结构框架部分,然后结构保温板作为围护结构出现。因为结构保温板优异的加工性能,很容易跟构件进行连接。考虑到结构保温板强度较高,可以减少或取消檩条的使用。这种体系中,结构保温板的保温性能也得到和很好的利用。下图,为一所学校和一个活动中心的施工图片。

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图13-17 采用SIPs作为围护结构

下图,美国南极科考站(可达到摄氏零下75度)的部分建筑采用SIPS建造。

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三、SIPs的标准

 

在发明和使用了50 年之后,SIPs结构体系于于2007 年5 月23 日被列入美国国际民用住宅(International ResidentialCode)建筑标准。此标准的意义在于简化使用,界定了在一定范围内的低层房屋,可以按照参照该规范进行直接使用。给定的范围为:结构保温板用做内外承重墙体时,楼房深度不得超过18.288 米,宽度不得超过10.973 米,楼房高度不得超过两层,每层高度不得超过3.048 米。按此标准建造的房子,能承受风力的设计极限为每小时209.17 公里,能承受地面积雪压力的设计极限为(3.35 kN/m2),能承受地震区域A,B,和 C。在建筑设计指标超出此极限时,有执照的结构工程师需要根据材料性能和建筑标准进行计算。

此标准还对结构保温板房屋体系组装所需要的粘合密封胶,面材,芯材,和零配件,该标准同时对房屋的动荷载,静荷载的设计要求进行了标准化。同时,此标准还提供了还有各种标准图集。

 

四、SIPs及SIPs房屋的特点

 

1、节能显著

 

结构隔热板建筑体系的最大特点是节能。SIPs因为采用了硬质保温材料作为芯材,双面覆板,工厂化生产,结构和保温一次完成,连续保温,接口进行密封处理,从而保证了SIPs房屋的保温隔热性能大幅度提高。传统的2X4建筑体系的房屋主要依赖絮状玻璃丝棉,空隙、吸潮、工人的安装水平都会对房屋的保温造成影响。美国橡树岭国家实验室Oak Ridge National Laboratory对采用SIPs建造的房屋和使用2X4体系建造的房屋进行了使用监测比对,测试数据表明:采用SIPs建造的房屋,比同等厚度的采用传统的2X4体系建造的节能30%左右,比钢筋和混凝土房屋的保温隔热效果更加明显。

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图18SIP板材和SIP房屋整体的隔热系数比较,及传统2×4 和2×6 墙板和房屋整体隔热系数比较.图中阻热系数R的单位是ft²·°F·h/Btu ( 1 ft²·°F·h/Btu ≈ 0.1761 K·m²/W)

(数据来源:美国橡树岭国家实验室Oak Ridge National Laboratory,**Whole wall R-Value Comparison, Oak Ridge National Lab)

 

因为SIPs 优异的保温性能,美国南极科考站部分建筑采用SIPs建造,下图19。

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图19美国南极科考站部分建筑采用SIPs

2、轻质高强

 

结构上看,SIPs板材可以被视为工字梁,两块面材相当于工字梁的翼缘,芯部材料相当于腹板,通过连接加强,产生了非常好的复合结构性能。实验数据表明,采用木连接的SIPS墙体会比同样厚度的2X4墙体的轴向承载力提高30%左右。结构保温板也继承了2X4轻型木结构“ 轻”的特色,自重轻,对基础要求低,抗震性能高。SIPs也经过了大量实验进行了各种力学性能的检测。

在过去的三,五十年里,用结构保温板建成的房屋,在龙卷风,地震,台风,和大雪灾中的表现突出.

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图20. 美国乔治亚州科勒蒙特市的一栋SIPs房屋在经历1998年的龙卷风后完好无损,而周围的二十七栋用美国传统方法建造的房屋则倒塌严重。

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图21. 美国田那西州萨亩那县的一栋SIPs房屋在一场龙卷风中,整栋房子从地基上移开,而墙和屋顶还在。

3、品质稳定

 

SIPs对工业化要求更高。主要板材以及加工都在工厂内加工完成,北美要求工厂有一套严格的质量管理管理体系,采用经过认证的原材料,由第三方对产品进行不定期抽样认证,有严格的安装手册和指南。通过引入计算机辅助设计和制造,SIPs部件通常都在专业化工厂内进行了结构验算、加工、装配和编号,到现场以后只需要按照图纸进行拼装,大大降低了对现场人员的技能要求,提高了工作效率,房屋品质也更稳定可靠。

 

4、低碳环保

 

SIPs房屋除了节能对减轻环境压力有突出的贡献外,在北美,结构保温板的面材主要是OSB板。OSB板是由三,五年的快速生长木材或者小口径低级材,通过工业化生产完成,对材料的利用率高,生产效率高。EPS泡沫板芯隔热性能好,是目前性价比最好的保温材料。结构保温建筑体系大量使用可再生、可重复利用的建筑材料。结构保温板建筑一般都在工厂进行了主要的加工,废料和垃圾进行了有效的处理。在建造过程中基本无垃圾排放甚至“零”垃圾排放,将对现场的影响降低了到了最低。因此,SIPS建筑体系是绿色建筑的首选体系之一,获得了广大的建筑设计师,尤其是注重低碳环保的设计师的青睐。

 

4、施工快捷

 

SIPs体系通过工程设计、工厂化预制和加工,极大提高了现场的建设速度。一栋200 平方米的别墅到达现场后,借助专业的工具,按图索骥,经过培训的四个工人只需要五天左右即可把房子的主体组装起来,对施工速度要求高和人力成本高的地区尤其合适。灾难恢复期, 结构保温板因其施工周期短而引起政府,建筑商,和开发商的关注。

 

6、防火安全

 

北美的SIPs体系,沿用轻型木结构一样的体系防火标准,通过大量的测试,证明SIPs的防火性能完全达到或超过目前轻型木结构建筑的防火标准。

 

7、造型多样 舒适稳定 易于维护

 

采用SIPS建造的房屋冬暖夏凉,居住舒适。采用SIPS建造完房屋的主体以后,防潮防水、挂板、屋顶都沿用和2X4体系相同的内外装处理,材料通用、标准、兼容性高,可以在短时间营造一个舒适、多变、美观、易于维护和升级的建筑。

 

 

五、SIPs在中国

 

目前,大的专业化SIPs工厂都集中在美国和加拿大。中国,2000年左右,有小批量的SIPs房屋从美国引进。从2007年开始,以大连阔森特为代表的公司全套从北美引进SIPs技术和生产线,生产出的产品除了外销,部分销售到国内市场,代表性的项目有获得LEED白金级认证莫干山裸心谷项目。裸心谷树顶别墅项目采用大连阔森特新型建材有限公司提供的SIPs预制房屋,是中国目前最大的SIPS建筑群。因为杰出的保温效果、迅捷的建造速度、对周围环境最少的影响和破坏,该项目成果获得LEED绿色建筑白金认证。如下图 22-26

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图20-24  浙江莫干山裸心谷30栋树顶别墅采用SIPs建造

同时,住建部住宅产业化中心,哈尔滨工业大学,南京林业大学, 林科院也有一批专家和学者密切跟踪SIPS技术并开展了一系列的研究和测试。为了紧跟国际前沿建筑体系,住建部住宅产业化中心和哈尔滨工业大学牵头,从2011年开始,组织国内厂家和专家,进行了国内第一本有关结构保温板行业规范的编制,该规范已经完成了终审,将于近期正式颁布。该规范将有力地推动结构保温板建筑体系在中国的推广和应用。

希望在不久的将来,采用SIPs建造的木结构房屋能更多地应用在低层住宅,包括别墅,度假房屋,新农村住宅,让更多人的人能享受到这样一个绿色、节能、舒适、安全的房屋建筑,同时,也为中国的节能减排做出贡献。