第一章 全面提升建筑外墙外保温技术


1.1   建筑外保温在发展中的九大问题探索

外墙保温在大量的建造实践中,既有众多的教训又有很多的突破,正确的认识只能从社会实践中总结出来,回顾外墙外保温发展的道路,其可归纳为以下九个方面的技术探索。


1.1.1   节能建筑选择内保温还是外保温

这是始终在争论的一个话题。

建筑节能发展初期,国内企业大都选择做内保温。内保温工程中的热桥、结露、霉变、墙体裂缝等问题突出,一直困扰着内保温技术的推广和应用。随着节能标准的提升,大量的居住建筑采用外保温技术。至今一些仍采用内保温技术的工程,如滑雪馆,还是保温问题暴露的重灾区。

综合来看,外保温技术是节能技术应用的主流。


1.1.2   各种保温材料是否都可以套用薄抹灰系统做法

1950年,德国发明了膨胀聚苯板(EPS板),1957年EPS板应用于外墙外保温,1958年真正工程意义的EPS板薄抹灰外墙外保温系统研发成功,并广泛应用于欧洲。

EPS板薄抹灰系统在国外主要用于低层别墅外保温工程。引进到国内后,各种保温材料纷纷简单套用此技术,缺乏系统性研究与创新,直接用于高层建筑外保温工程,造成了很多工程事故,产生了众多技术纷争。如:挤塑聚苯板(XPS)、硬泡聚氨酯板(PU)、酚醛板(PF)等有机保温板与EPS板技术参数差异很大,草率地套用薄抹灰做法势必产生很多工程问题。更有甚者,连技术参数全然不同的无机板材,如膨胀珍珠岩保温板、发泡水泥板也简单套用了此种薄抹灰做法。缺乏研究和测试基础的薄抹灰做法造成了严重的工程质量问题,如保温层被大风卷落等,不断出现的工程问题将薄抹灰做法推向悬崖尽头。

不同保温材料坚决不能草率套用薄抹灰构造做法!


1.1.3   是保温保护结构,还是结构保护保温

在实践中,有些人看到个别薄抹灰外保温板被大风刮落、有机板发生火灾事故后就摒弃了外保温做法,把目光转向了夹芯保温。在把保温层置于结构墙体中间后,似乎可以松口气了,貌似做到了“保温层终于与墙体结构同寿命了”。事实上,在结构与保温同寿命的道路上,保温与结构之间用谁保护谁的问题,实际上就成了做外保温与做夹芯保温之争。

对建筑全寿命周期温度场模型分析可以发现:钢筋混凝土结构做外保温后,结构年温差大大缩小,寿命可大大延长;当做夹芯保温后,内叶墙与外叶墙温差扩大到7~10倍,导致墙体结构设计寿命大大缩短。

外保温技术克服了墙体的昼夜温差变化过大问题,能够与结构和谐共生,延长了建筑寿命。


1.1.4   是采用刚性抗裂技术,还是柔性抗裂技术

建筑节能发展初期,保温材料外表面多选用钢丝网复合水泥砂浆,这种传统做法其表面裂缝很难避免,钢丝穿透形成的热桥会使保温效果大打折扣。

在工程实践发展中,这种做法的刚性面层渐被柔性技术替换,如将水泥砂浆用胶粉聚苯颗粒取代,外表面采用柔性砂浆复合玻纤网布软配筋饰面。这样一来,既避免了钢丝产生的热桥,又控制了外墙面裂缝的生成。

外保温彻底柔性技术理论上是可以不设应力集中释放的保温分隔缝。长期工程实践证明,抗裂砂浆的柔性抗裂效果是高品质外保温的重要技术保证。用乳液制作的双组分抗裂砂浆远比用胶粉制作的单组分抗裂砂浆效果更好。我国早期外保温工程的抗裂效果证明了这一点,早期保温砂浆中多用双组分砂浆,后因施工、运输等问题使单组分砂浆的应用越来越普遍,这种随着产品的更替随之也损失了抗裂砂浆的抗裂、耐候等性能。

外保温系统应采用柔性抗裂技术。


1.1.5   是选用材料防火,还是构造防火

有关外保温防火要求的标准主要有:国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016—2014(2018年版)和《建筑外墙外保温系统的防火性能试验方法》GB/T 29416—2012。其中,GB 50016—2014明确了不同燃烧等级的材料在外保温工程中的应用范围和采取的技术措施,主要从材料防火的角度进行规范。GB/T 29416—2012是外墙外保温系统大尺寸防火试验方法,在标准试验条件下对外保温系统燃烧时的可见持续火焰尺寸、外部火焰温度、内部火焰温度、火焰蔓延尺寸、系统稳定性等多项指标进行记录,并判定该外保温系统是否合格,是从系统构造防火的角度进行判定。两项标准解决了外保温技术体系材料防火、构造防火的安全保障,构造防火的技术路线也在建筑和消防两个行业的技术层面完成了合作,达成了共识,具有极强的可操作性,但是GB/T 29416—2012标准的工程实践不够广泛。

其间,要求外保温增加防火隔离带也是极具争议的。大量火灾模拟试验和长期工程实践证明:防火隔离带防止火焰蔓延的作用很有限,保温层越厚,隔离带阻断火焰蔓延作用越差,而且防火隔离带对原外保温系统设计原理有诸多的破坏,大大影响外保温系统技术稳定,严重影响外保温安全运行的寿命。

外保温曾经历了材料防火和构造防火两条技术路线的激烈争论,这种分歧对行业发展也造成了很大伤害。分析总结后认为:有机保温材料的出路是研究有效的系统构造防火;无机保温材料的出路是研究安全的系统耐候稳定。


1.1.6   是选择粘贴受力,还是锚固受力

粘贴和锚固属于完全不同的两种受力模式,其受力传递路径需要分别侧重材料力学、结构力学进行解释。

1)外墙外保温是一种粘结受力的模式,外墙外保温的构造应力设计遵循材料力学规律。

外墙外保温是完全的柔性构造,只有完全的柔性构造才能充分释放外保温生成的各种应力。这种消纳和释放各种应力的作用是由各粘结层的材料自身的技术要素复合形成的,其施工使用的锚固件仅为临时固定辅助,系统受力不予计算。

2)带有重质刚性饰面层的保温装饰一体化板应选择锚固受力模式,按幕墙构造设计,由纵横龙骨或独立托承盘架悬挑受力。

在通过温度场对保温构造模拟分类时,这种保温装饰一体板应归夹芯保温类,其保温层两侧的构造温差与夹芯保温内外叶墙体形成的温差相近。

刚性饰面层的每块保温装饰一体化板其面层重量荷载及所发生的各种自然力(热应力、风荷载、地震、水冻涨、火灾)的变动荷载,直接通过锚固件传导到结构墙体上,保温装饰一体化板受力计算模式应遵循结构力学规律。保温装饰一体化板应分别计算每块重质面板相对应所产生的力臂、力矩,选取满足三维形变等相关技术要求的锚固系统构造和板缝设计。保温装饰一体板粘结做法只是暂时固定,系统受力不计算粘结力。


1.1.7   是侧重保温,还是侧重遮阳

中国工程院院士、西安建筑科技大学刘加平教授一直致力于研究“新式绿色环保型窑洞”,刘加平院士认为从传统民居看似朴素的设计中可以研究总结出节能原理,再将其提炼成方法论用于新的生态民居建设。这种利用绿色建筑原理,稳定结构温度的观点是节能路线的重要工作方向,该种对传统窑洞理念进行研究和示范推广具有极大的经济、社会效益。

中国工程院院士、清华大学建筑学院副院长江亿教授认为“建筑物墙两边存在温度差,所以要加保温材料,不让温度差引起传热。这样就可节能。但是越到南方,建筑物墙两边的温度差越小,温差越小就越不需要太多的保温。”在南方,建筑的遮阳、散热通风比保温更重要。他在这里使用了一个妙喻:“在太阳底下是穿羽绒服还是打伞凉快?当然是打个旱伞、穿个T恤衫凉快。对建筑而言也是如此,遮阳、散热通风比保温更为重要。”他表示应因地制宜,在南方不要光强调外墙保温,而要更注重房屋的遮阳和自然通风。

两位院士分别用窑洞和旱伞形象诠释了各自对建筑外保温的理念,并在自己影响的技术领域,影响着技术的发展方向,直至今日。


1.1.8   禁止限制还是完善发展

中国外墙外保温的技术标准创造了三个世界之最:

一是用于外保温的材料品种世界最广泛,无机材料、有机材料等各种导热系数较小的材料均有工程应用。

二是用于外保温的施工方法世界最多,浇筑、喷涂、贴砌、粘贴、抹灰等施工方法应有尽有。

三是形成的技术标准及文件世界最全,有各类各级规范、标准、规程、工法、图集、导则、指南。

外保温的技术标准是我国实施碳减排的巨大宝库,是全行业几十年共同努力的成果,目前已形成的外保温行业标准体系是支撑建筑节能重大成果的高地。要继续提高建筑节能标准,实现碳达峰的目标,必然得全面继承、合理发展外保温技术标准系统,对分析并排除现有技术的潜在风险,才能提高完善。不能因为个别薄抹灰做法出现缺陷及事故就全盘否定薄抹灰外保温技术,不能因为无机保温砂浆出了大面积事故,就一票否决,不许改进更新。

技术创新都是在不断纠正自己错误的过程中完成的,节能减排是一项基本国策,是要全行业同仁共同努力,要各种材料应用技术共同进步,才能实现。

否定之否定的发展观是我们的理论法宝。


1.1.9   优质优价,还是低价恶性竞争

资本逐利的本性也对外保温市场形成伤害,主要表现为恶意垫资抢占工程,组织围标、串标扰乱市场秩序。低价中标恶性竞争导致偷工减料,恶性循环,劣币驱逐良币,这是外保温工程质量事故频发的重要原因。

20年前聚苯板薄抹灰做法,每平方米施工报价180元,经历了多次人工费和原材料涨价后,现每平方米价格降到不足百元。

外保温市场要实行优质优价、扶优汰劣,实行质量终身负责制,引入建筑保险机制,创建良性循环的市场经济环境才能健康持续发展。


1.2   外保温工程安全使用25年六大技术要点

外墙外保温技术最初是用于修补第二次世界大战中受到破坏的建筑物外墙裂缝,通过实际应用后发现,当把这种板材粘贴到建筑墙面以后,不仅能够有效地遮蔽外墙出现的裂缝等问题,还能使厚重的墙体变薄,并发现这种复合墙体还具有良好的保温隔热性能。

外墙外保温技术引进到中国后,随着建筑节能标准的不断提高,经过近40年的工程实践和发展,可呈现出以下六大技术特点。


1.2.1   外保温应是避免热应力集中的柔性构造

由建筑温度场模型可知,外墙外保温的外表面是昼夜温差变化最大的部位。外保温应是一个完全柔性的构造,可及时充分释放热应力,避免热应力集中造成形变过大破坏。外保温整体柔性的粘结力应能释消因温度变化而引起的外保温整体三维形变的热应力。

根据外保温系统热应力分布趋势可以得出:为适应相邻材料不同升降温速度所产生的形变剪切应力、降低热应力集中,保温系统外侧材料柔性应最强,外侧材料柔性应大于内侧材料柔性,相邻材料导热系数差(变形速度差)不宜过大。外保温整体柔性的性能设计,要求外保温各层材料的技术指标满足允许变形,具有改变力传递方向的释力性能。

外保温整体柔性构造是热应力释放的必然要求。


1.2.2   外保温与基层墙体间应以粘结力为主

以粘结力为主的受力模式是外墙外保温又一可靠评价指标。

外保温各构造层材料通过粘结力将重力荷载逐层传递到基层墙体,这种粘结力是由各层材料的粘结技术指标串连形成。

对外保温系统粘贴小型面砖的受力分析,就是在计算各构造层的柔性粘结力。单块面砖面积与周边柔性砖缝面积比例应相适应,单块面砖应像鱼鳞一样各自独立附着在由柔性砂浆和软配筋构成的鱼皮上,每块面砖发生的热应力形变,不会向相邻面砖传递。


1.2.3   外保温应具有阻隔液态水进入,利于气态水排出的水分平衡性能

外保温中的水分散构造层是利用材料自身性能,吸收分散外保温露点位置产生的液态水,并在适当时机将其转变为气态水排出,使系统处于干湿自平衡状态。这种水分散构造是外保温系统防水相变破坏的长命技巧。


1.2.4   外保温在负风压状态下不应产生膨胀变形

综合分析被风刮落的外墙外保温事故案例,可发现一个共同点:每个发生事故的建筑只有一面墙被风荷载破坏,这个被风荷载破坏的部位即是所在风场的负压发生区。

观察被风刮落的残片和墙上被破坏的印痕,要么有连通空腔的存在,要么有在负压状态下可发生膨胀形成气囊形变的材料。


1.2.5   外保温防火构造应三管齐下

针对热传递的三种形式(热辐射、热传导、热对流),外保温系统防火应遵循构造防火三要素:防火保护层、防火分仓、无连通空腔的热对流通道。

节能标准越高,所需保温材料就越厚,由此形成的燃烧热值总量就越大,防火要求也就越严格。增加防火保护层的厚度,控制防火分仓的最小体积,禁止易发生连通空腔的点框粘结做法,是外保温通过构造抵抗火灾的有效手段。


1.2.6   外保温应材料轻质、整体柔性并有利于减隔震

整体柔性和整体轻质是附着在建筑结构外保温系统安全抗震的必要条件。建筑物抵抗地震破坏是由结构设计的科学性来实现的。

附着在建筑结构上的外保温整体柔性材料,能消减地震时结构向外保温系统力的传递,同时整体轻质材料也可减少结构震动变形产生的破坏力。


1.3   外保温长寿命的十条控制基线

1.3.1   主要问题

随着时间的推移,越来越多外保温可使用寿命将要接近25年的最长期限,如何应对是摆在行业同仁面前必须要面对的问题。概括起来主要问题有:

1)外保温技术引领了墙体节能的主流方向,基本盘是好的,大多数工程经过多年实践检验,质量仍然完好如初,但也有一部分外保温工程质量问题渐渐暴露出来。

2)报道最多的外保温事故案例集中在薄抹灰系统被大风吹落,大面积掉下来,伤人毁物。

3)造成损失最大的是火灾,每次火灾都会因外保温的燃烧引燃整体楼房。人员伤亡,财产   损失巨大,因火灾事故多次引发官员被问责处罚。


1.3.2   主要原因

外保温工程质量事故产生的原因主要有:

1)基础理论研究缺失,没有选择科学的外保温构造设计;

2)工程低价位竞争、恶性循环、偷工减料、质量失控。


1.3.3   技术措施

20多年的外保温工程经验进而同时积累了很多的优质工程,形成了众多优质产品和高品质工程标准。外保温工程不断地发展升级,目前已进入近零能耗的发展阶段。总结经验,提升外保温行业标准,将外保温工程可使用寿命从25年提升到50年非常有必要。通过研究外保温工程面临的五种自然力的破坏影响,制定50年可安全使用的外保温技术标准,应满足以下十个控制基线:

(1)外保温系统各构造层应由完全柔性的材料组成,外侧材料的可允许变形量应大于内侧材料可允许的变形量,相邻材料变形速度差不应大于20倍;

(2)外保温系统不应设置分隔缝,不应设置应力集中释放区,系统材料性能设计应满足允许变形、诱导变形的要求,应改变应力的传导方向使应力得到及时释放;

(3)外保温材料应为弹性体或亚弹性体,无机浆料材料进行亚弹性改性时聚苯颗粒体积添加量不应少于50%,各种纤维重量添加量不应少于1%;

(4)外保温系统应有水分散构造,应有防液态水进入、排出气态水功能,使露点生成的冷凝水得到分散,并适时转成气态水排出,形成含水量的自我平衡;

(5)各种保温板应采用贴砌法构造,最小防火分仓体积不应大于0.027m3,低能耗工程贴砌两层保温板做法的最小防火分仓体积不大于0.041m3;

(6)各种有机保温板防火保护层厚度不应小于25mm,低能耗建筑工程两层保温板的防火保护层厚度不应小于35mm;

(7)外保温系统构造中的线条在窗口和阴阳角位置不宜使用可燃材料,不得应用热塑型材料,避免受热收缩形成助燃构造;

(8)各种外保温材料一律采用满粘法施工,不允许有任何空腔及虚粘存在,杜绝风压破坏;

(9)各种外保温材料在负压下不应产生膨胀变形,禁止非竖丝岩棉用在外保温工程中;

(10)外保温整体柔性和整体轻质是附着在结构上安全消解地震破坏力的必要条件。


1.4   保温延长建筑结构寿命的研究

1.4.1   遵循外保温十个技术措施重新做外保温,可以安全使用更久

根据温度应力模拟计算分析使用内保温、自保温、夹芯保温时会导致建筑结构陷入失稳状态,而对其重新做外保温后可稳定结构并延长建筑结构的寿命。要使建筑进一步获得更长寿命,必须选用更高的外保温技术标准——低能耗、近零能耗标准。

1.4.2   对原有保温构造存在问题的工程进行修缮,可延长寿命

凡不满足外保温50年寿命十个控制基线的工程均会存在诱发事故的隐患。为避免短寿命外保温导致大量建筑垃圾的生成,对不稳定的保温构造应采取将原有保温构造通过钢丝网分楼层在墙体结构上生根的办法重新加固。在完成对原有保温构造安全加固后,按外保温50年寿命十个控制基线的要求重新做外保温,延长结构寿命。


1.4.3   对外保温工程进行正常维护

凡能满足外保温50年寿命十个控制基线的工程,都会有基本完好的质量寿命周期,对此类外保温工程只需对外饰面涂层适时刷新即可安全运行,使用更久。


1.5   外保温的发展史是科学的认知过程

早在建筑节能初期,在中国建筑节能协会第一次工作会议上,甘肃建筑科学研究院李德隆教授提出了外保温十大优点,强调外保温第一大贡献就是保护结构延长了建筑结构寿命,得到与会人员的一致赞同。之后刘加平院士的窑洞理论又提出稳定结构温度是节能路线的工作核心,指出了建筑节能技术发展方向;清华张君教授建筑温度场数学模型的建立,使建筑外墙节能技术成为研究五种自然力的科学根据;北京住宅科技研究所王满生博士关于建筑出挑构造温度应力分析的模型及夹芯保温墙体温度场应力分析模型,补充了关于建筑温度场的理论。

通过建立温度场研究不同保温的构造位置引发建筑保温不同运动状态的分析,使得保温应用技术成为研究温度应力、水、风、火、地震五种自然力的科学。

消灭墙体昼夜温差的恒温恒湿外保温工程技术已成为节能墙体追求的最高境界。

当前中国建筑科学研究院徐伟院长提出的近零能耗建筑已成为外保温技术发展的更高创新集成。

坚持节能减排的基本国策,就要发展完善外保温技术,进而支撑建筑长寿命发展。

保温层的作用对建筑寿命的影响是非常重要的,延长还是缩短建筑的寿命可作为节能建筑和非节能建筑的划分依据。内保温、自保温、夹芯保温等应用技术,其保温层的构造位置引发建筑结构不同部位的温差,引发建筑墙体结构的不稳定,均会因此缩短建筑物的使用寿命。如果提高节能标准,加厚保温层的厚度,会引发这些类型建筑结构更加不稳定。

发展外保温技术是支撑我国建筑节能发展的重要力量。


1.6   用市场经济的力量让建筑节能跨入新阶段

外保温技术在中国30年一路走来沧桑不尽。不能让外保温在否定中死亡,就须全面完善、提升外保温的行业标准,瞄准更长寿命,把25年的现行标准提升到50年,全面推进超低能耗建筑节能技术,进而赋予外保温新的生命。

在中国,外保温技术的发展在很大程度上是靠政府推动。经过这些年的发展,外保温工程市场经济日渐成熟,各类标准的编制发布也直接印证了这点。团体标准《建筑外墙外保温工程质量保险规程》T/CABEE 001—2019的发布,将成为中国外保温技术发展进入市场经济扶优限劣的新起点。该标准是建筑与保险两行业深度融合的典范。建筑业用该标准推进工程质量的完善发展,保险业用该标准计算保险收费系数。该标准的两个函数一个是预期保险使用年限系数,一个是工程保险收费系数。这两个函数回答了保多少年,收多少钱的问题,两个关键数据完成了跨行业的桥梁搭建。

《建筑外墙外保温工程质量保险规程》T/CABEE 001—2019通过对外保温工程全过程的控制,从设计构造、材料指标、施工工艺,全流程全方位进行风险预测。对全流程提出了控制项和评分项,设定了评定和评比规则,使外保温工程全过程的质量水平和外保温工程寿命计算联系在一起,使外保温施工品质控制的高低与保险的收费挂钩,实现外保温的质量寿命用金融手段来促保。