殷玉兵，方 坤，吴伟田，戚慧卉

（1.中建中原建筑设计院有限公司，郑州 450000；2.中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450000）

在全世界应对气候变化，积极推进绿色低碳发展的大背景下，中国制定了2030 年前实现“碳达峰”、2060 年前实现“碳中和”的发展目标。国家对建筑行业的节能低碳提出了更高的要求，制定了一系列规范和举措。超低能耗建筑的研究与推广更加迫在眉睫。超低能耗建筑关键技术研究与推广也成为一个热点。虽然近10 年以来，超低能耗建筑技术已从探索走向成熟，经历了政策体系、标准体系、技术体系、产品体系、工艺工法和工程实践等全方位的发展，但是在具体工程项目、具体阻断热桥技术等方面还存在很多盲点、技术难题。目前，大多数阻断热桥技术的研究放在外围护结构的热桥方面，对于外部悬挑、凸出部件、设备基础等细部断桥技术的研究尚不够重视。研究这些看似不影响大局的盲点、缺陷从我国这种大规模建筑量的整体节能率来看也会对实现建筑碳排放目标产生巨大影响。

1 相关概念

1.1 超低能耗建筑的概念

适应气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求，通过主动式技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，且其室内环境参数和能效指标，符合国家及地方相关标准的建筑，其建筑能耗水平应较现行国家标准降低50%以上[1]。

1.2 热桥

热桥是围护结构中热流强度显著增大的部位[2]。具体指处在外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位。因这些部位传热能力强，热流较密集，内表面温度较低，故称为热桥。

1.3 系统性热桥

系统性热桥是固定外保温系统的锚栓、金属连接件，以及固定各类设备、下水管的支架等[3]。本文主要研究内容是系统性热桥阻断技术的探讨与创新。

1.4 系统性热桥的部位和危害

本文分析研究的系统性热桥的部位主要是建筑围护结构外部竖向悬挑构件、平面外部构件和设备基础等。外部竖向悬挑构件包括玻璃（金属、石材等）幕墙、外挑钢结构雨棚、广告牌、空调支架、外遮阳、栏杆扶手、管道支架及小型金属构件设施等；平面外部构件和设备基础包括屋面（斜屋面）太阳能光伏板、太阳能热水器、室外中央空调机组、风机、广告牌、擦窗机轨道及屋面管道等设备、构件。

热桥除了会造成热量损失、浪费能源，在严寒或寒冷地区，室内外温差大，热桥部位对应的内墙面或屋顶内表面低于露点温度时，会形成水蒸气凝结在内表面，形成结露。结露沾染灰尘、吸附有毒气体，一是墙体或顶棚形成霉斑、滋生细菌，对人体产生危害；二是会对吊顶或室内电气造成损坏，造成财产损失。热桥密集、严重的地方甚至会产生淌水，对使用者造成更大的麻烦，严重影响建筑物的使用[4]。

2 超低能耗建筑系统性热桥阻断技术分析

2.1 幕墙

由于玻璃幕墙通常为金属预埋件埋设到钢筋混凝土结构中，通过外部金属构件形成骨架，进而安装玻璃形成围护结构。石材、铝板等装饰性幕墙，同样也需要金属预埋件埋设到钢筋混凝土结构中，外挑金属受力构件从而形成幕墙。由于钢筋混凝土结构与金属构件之间直接连接，金属构件向外部传导热量形成热桥。

目前，相关研究技术改进后，玻璃幕墙采用金属铆件（预埋件）钢板与钢筋混凝土之间、干挂连接件与钢板之间、竖龙骨与干挂连接件之间增加高强度隔热层等措施基本消除热桥，如图1 所示。石材（金属板材）幕墙采用金属铆件（预埋件）钢板与钢筋混凝土之间、干挂连接件（弯板）与钢板之间增加高强度隔热层等措施基本消除热桥，如图2 所示。

图1 玻璃幕墙阻断热桥设计示意图

图2 石材幕墙阻断热桥设计示意图

存在问题：热传导路径未彻底阻断。从钢筋混凝土构件，膨胀螺栓（预埋件拉结筋），钢板，干挂连接件，金属连结螺栓，竖龙骨到幕墙框或玻璃（金属、石材等），形成少量热桥。

2.2 钢结构雨棚

钢结构外挑雨棚阻断热桥做法一般有以下2 种。

做法一（普通节能建筑做法）：外挑钢梁直接穿过保温层，钢梁与预埋件钢板直接与结构主体连接，形成热桥，热量损失严重，没有有效阻断热桥。此做法优点是结构牢靠，施工便捷，如图3 所示。

图3 钢雨棚阻断热桥设计示意图一

做法二（超低能耗建筑做法）：采用金属预埋件，预埋件加地脚螺栓，地脚螺栓与外接钢板之间增加高强度保温材料，钢板与雨棚钢梁焊接，如图4 所示。此做法通过两层连接钢板之间增加高强度保温材料阻断了主要热桥，但是存在地脚螺栓这些小构件热桥，依然没有实现彻底阻断的目标。

图4 钢雨棚阻断热桥设计示意图二

对于类似雨棚、广告牌、空调支架和外遮阳设施等建筑外墙面外挑钢结构构件都存在类似问题。

2.3 屋面太阳能板（设备基础等）

屋面太阳能板的安装有多种方案。具体做法在国标图集16J908-5《建筑太阳能光伏系统设计与安装》中有详细做法，本文参考该图集选取平屋面常规做法增加阻断热桥措施进行分析如下[5]。

1）预埋钢板直接焊接支架。预埋件直接埋在屋面板中，通过预埋件钢板和外部连接钢板焊接。采取屋面保温层加厚隔热措施，如图5 所示。优点是直接连接屋面结构，连接牢固。缺点是金属支架与预埋钢板形成严重热桥，屋面保温层要加厚，防水层难以处理，造成渗漏隐患。

图5 屋面太阳能板阻断热桥设计示意图一

2）金属预埋件加地脚螺栓。预埋件直接埋在屋面板中，通过预埋件钢板和外部连接钢板之间增加高强度保温层实现阻断热桥，如图6 所示。优点是连接比较牢固，比图1 阻断了大截面金属断面主要热桥。缺点是存在地脚螺栓热桥现象，屋面保温层要加厚，防水层在太阳能板支架结合处难以处理，造成渗漏隐患。

图6 屋面太阳能板阻断热桥设计示意图二

3）屋面钢筋混凝土基础上翻。屋面结构板与上翻混凝土基础为一体，上部预埋地脚螺栓，混凝土基础与外部连接钢板之间增加高强度保温层阻断热桥，如图7 所示。优点是连接牢固，阻断主要热桥，防水层可靠。缺点是存在地脚螺栓热桥现象。

图7 屋面太阳能板阻断热桥设计示意图三

4）屋面面层上做基础支座。在屋面保温层、防水层、保护层之上做混凝土支座基础，通过预埋件连接太阳能支架等，如图8 所示。优点是基础与钢筋混凝土屋面通过屋面保温层完全阻断热桥。缺点是需要大面积高强度保温层，不能承载大重量设备，牢固性较差，不能抵抗较大风力、地震力等，存在安全隐患。

图8 屋面太阳能板阻断热桥设计示意图四

对于屋面上安装的太阳能光伏板、太阳能热水器、室外中央空调机组、风机、广告牌和擦窗机轨道等设备的安装做法都有类似情况存在。

2.4 墙身小型金属支架

建筑外墙常常需要安装一些小型金属支架，如外排式雨水管支架、室外应急照明灯支座、建筑物质量责任标牌、指示牌、扶手及栏杆等。这些金属支架与墙体连接时，常常采用金属锚栓、膨胀螺栓等与墙体连接，直接穿透保温层，形成热桥。每个连接点热桥热量损失虽小，但是数量庞大，不可忽视[6]。下面就以下3 种做法进行分析对比。

1）常规做法是连接螺栓穿透外墙保温层，直接破坏保温层，形成热桥。

2）国标图集16J908-8《被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑》做法，如图9 所示。不锈钢挂件与墙体之间增加隔热垫块，阻断了大部分热桥，仍有螺栓存在热桥。

图9 雨水管阻断热桥做法一

3）参考《墙材革新与建筑节能》2016.8 期《被动房外墙外保温系统节点处理》中相关做法，如图10 所示。该做法采用一种高密度（170 kg/m3）EPS 或PU 保温块，解决热桥问题。其优点是彻底阻断了雨水管支架与外墙墙体之间的热桥[6]。缺点是雨水管受力依靠夹在外墙保温层中的高强度保温块与外墙保温层的黏接力，与墙体没有可靠的连接。如果外墙高度大、遇到大风或者雨水管流通不畅造成雨水管重量异常增大，会造成松动或雨水管掉落的情况，留下安全隐患。

图10 雨水管阻断热桥做法二

因此，此种做法虽然有一定的科学性，目前并未达到广泛推广应用。

3 系统性热桥阻断热桥技术创新

通过对以上系统性热桥阻断技术的分析可知，不管是竖向外挑构件还是屋面水平设备基础，大部分阻断技术都存在不能彻底阻断热桥的现象或者存在安全性问题，大部分只是削弱了热桥而并非阻断。其热桥盲点是预埋件之间的连接螺栓、锚筋等，主要原因为预埋件是主体结构与外部构件受力传导的关键部件，钢筋与混凝土、钢筋与金属的直接受力传递才能保证受力安全。这是一直不能实现突破、彻底阻断热桥的主要原因。

那么通过以上分析解决方法有3 种，一是减少连接螺栓、锚筋的数量，增加隔热垫块避免预埋钢板与结构主体的直接接触，更大程度削弱热桥的存在；二是采用新材料、新技术改进连接螺栓、锚筋的导热性，如高强塑料或者高强塑料套筒等；三是采用断热型锚件，保温层彻底包裹螺栓、锚筋、预埋钢板，阻断热桥。

显然，方法一仍然只是削弱，不能彻底阻断热桥。方法二有待进一步研究，目前仍不能解决受力安全问题。方法三就是本文要研究的创新型阻断热桥锚件，且已获得专利授权。

本文通过对预埋件结构的创新，实现了预埋件与建筑主体结构的彻底分离，彻底阻断了热桥，其关键因素是将预埋钢筋变成预埋钢板加钢筋，整个预埋件被保温材料包裹，既能保证受力安全，又能彻底阻断热桥。实现真正意义的阻断热桥，同时由于采用高强度玻纤聚氨酯保温材料，也不会增加预埋件与结构主体的受力可靠度。此预埋件为断桥式预埋件，如图11 所示。

图11 预埋件阻断热桥创新设计示意图

图11 中1，可采用金属方钢、圆钢或者地脚螺栓。

图11 中2，根据建筑单体的设计采用EPS、XPS、岩棉板等保温材料。

图11 中3，外部连接件钢板，根据外部荷载确定厚度，一般在10~20 mm，与结构主体内预埋件对焊。

图11 中4，断桥式预埋件上层钢板（厚10~20 mm），与外部连接钢板焊接。

图11 中5，高强度玻纤聚氨酯保温层（最少20 mm），包裹整个断桥式预埋件。

图11 中6，断桥式预埋件拉结筋，根据外部受力情况确定直径大小（一般10~30 mm），与上下层钢板穿孔塞焊。

图11 中7，断桥式预埋件下层钢板（厚10~20 mm），与拉结筋穿孔塞焊。

图11 中8，屋面或外墙钢筋混凝土结构。

断桥式预埋件可用于建筑外围护结构竖向构件如幕墙、雨棚、广告牌、空调支架和外遮阳设施等外挑钢结构的热桥阻断，也可用于建筑外围护结构水平面屋面太阳能光伏板、太阳能热水器、室外中央空调机组、风机、广告牌和擦窗机轨道等设备的安装，甚至可用于外墙、屋面的栏杆扶手、小型金属构件等处的热桥阻断。

根据断桥式预埋件的原理，可根据实际情况结合外部构件或设备基础的受力特点、结构主体材料、厚度等确定具体形状、尺寸、锚筋数量等。可以变换为类似以下形式预埋件，如图12 所示，但是一定要保证预埋件完全被高强度保温层包裹，不能存在空隙形成热桥，否则不能完全阻断热桥。

图12 其他形式预埋件阻断热桥创新设计示意图

4 计算机模拟计算分析

现结合外墙外挂雨棚的常规做法、改进做法及预埋件阻断热桥创新做法进行热量损失模拟计算分析。3种不同构造做法如图3、图4、图11 所示。

图3，建筑外挑构件与主体直接连接，钢构件直接穿透保温层，形成热桥，造成大量热量损失。图4，采用金属预埋件，预埋件加地脚螺栓，地脚螺栓与外接钢板之间增加高强度保温材料，钢板与雨棚钢梁焊接。图11，采用断桥式预埋，完全阻断主体与外挂构件热桥。

通过模拟计算形成对应计算结果：钢梁直接穿保温层（图13（a））、通过钢板之间增加隔热垫块加金属预埋件螺栓连接（图13（b））、采用断桥式预埋件连接（图13（c））。其中计算数据选用：主体结构采用100 mm 厚半硬质岩（矿）棉板+200 mm 钢筋混凝土，断桥式预埋件保温采用20 mm 厚高强度玻纤聚氨酯，钢梁和地脚螺栓采用冷轧型钢。半硬质岩（矿）棉板导热系数为0.048 W/（m2·K），高强度玻纤聚氨酯导热系数为0.025 W/（m2·K）。

图13 模拟计算温度分布图

通过以上模拟计算分析可以看出，3 种不同构造做法情况下，采用断桥式预埋件连接的方式热桥效应最小，对主体结构整体保温性能影响最低，对热桥的阻断效应最强，见表1。

表1 计算结果对比表

通过分析可知，看似很细小的连接螺栓、铆接钢筋，其形成的热桥效应、对建筑的热量损失、内表面温度等的影响也不容忽视。对于我国目前的建筑业态来讲，外挂玻璃幕墙、钢雨棚、广告牌、屋面太阳能及空调设备等现象非常普遍，从单体到项目，再到全国巨大的建筑量，积少成多，这个热量损失，能耗流失将是一个庞大的数据，不得不引起人们的重视。尤其是对于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑这种节能要求较高的建筑，更是应该精益求精，不能放过任何细小的漏洞。

5 结束语

目前，大家对节能建筑热阻断桥技术的关注点主要在建筑外维护的外墙、门窗、屋面、地面和阳台等大的部位，对于系统性热桥的阻断技术关注度不高，采取的技术手段不强。基于受力方面的限制，目前系统性热桥阻断方法主要是削弱热桥，没有实现真正的阻断。大多数研究者只是关注节能指标达到超低能耗的总体要求，没有从全国建筑总量考虑能量的损耗是多么庞大的数据，造成巨大的浪费和经济损失。人们应该认识到，系统性热桥的阻断技术不仅关乎节能率，也是实现超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的不容忽视的必要手段。因此，系统性热桥阻断技术的研究创新对于提高超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的节能效率也起到了非常关键的作用，对我国实现节能降碳总目标作出的贡献不可小觑。