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紐約康奈爾大學科技校區(qū)公寓2020-06-01 11:03來源：DOTT犀點建設(shè)科技，推薦關(guān)注作者：犀點建設(shè)科技
 本期犀點砼行將透過被動房與裝配式元素結(jié)合的視角，介紹位于紐約市羅斯福島的世界最大被動房住宅建筑——康奈爾大學科技學院公寓（The House at Cornell Tech）在設(shè)計和建造過程中所使用的巧妙技術(shù)。 通過著重解析其緊密的外圍護結(jié)構(gòu)和熱橋切斷處理來分析預制外圍護結(jié)構(gòu)的適用性及隔熱和熱橋處理在實現(xiàn)建筑超低或近零能耗方面的重要性。 01 被動房的關(guān)鍵特征就是可以實現(xiàn)建筑的超低能耗或近零能耗，無需通過建筑機械的主動供暖、通風、照明等就能達到高度的熱舒適性，同時大大降低了建筑在運營和維護期間的成本，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。
而裝配式建筑則利用場外制造的元素，將構(gòu)件質(zhì)量控制在工廠生產(chǎn)環(huán)境中，同時使項目在施工階段減少了對場址周圍的環(huán)境影響。
通過裝配式建筑和被動房技術(shù)的結(jié)合，項目則可在全生命周期降低成本，減小對環(huán)境的污染，獲得更好的居住體驗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這無論對業(yè)主，環(huán)境還是居住者來說，都是一個多方互贏的局面。 目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)有一些項目開始將這兩種元素相互結(jié)合，探索人類未來居住環(huán)境的建造模式。而位于紐約羅斯福島的康奈爾大學科技校區(qū)公寓（The House at Cornell Tech）就將兩種元素巧妙地結(jié)合在一起，成為了被動房歷史中的里程碑。
02 項目概況
項目名稱：康奈爾大學科技學院公寓（The House at Cornell Tech) 項目地點：紐約市羅斯福島 建筑高度：82.3米，26層 建筑面積：25269.6平方米 公寓間數(shù)：352間 項目總覽
從規(guī)劃之初，康奈爾大學就極具前瞻意識。他們設(shè)想將新校區(qū)建立成最環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展項目，其中服務(wù)于教職工以及學生的公寓建筑是其一期建設(shè)中非常重要的一環(huán)。 項目合同中最初并未指明需通過被動房設(shè)計實現(xiàn)節(jié)能的愿景，但具有被動房開發(fā)經(jīng)驗的著名開發(fā)商Hudson公司和Related公司主動提出將這一理念加入到項目之中，建造歷史首個高層被動房住宅。 面對嚴苛天氣環(huán)境（主要指紐約極高的風荷載和溫差）和節(jié)能目標的挑戰(zhàn)，康奈爾大學科技學院公寓通過被動房方案交出了完美的答卷。
項目團隊認為，被動房建筑背后的基本理論很簡單。它們具有高度絕緣，緊密的建筑圍護結(jié)構(gòu)，再加上節(jié)能的機械設(shè)備，可顯著減少建筑加熱，冷卻和通風所需的能量。 建筑物的這三個方面——圍護結(jié)構(gòu)，通風系統(tǒng)以及供暖和制冷系統(tǒng)最難于正確設(shè)計和建造。 為了最大程度地減少項目的成本和復雜性，建造方案將所有其他一切都保持了盡可能的常規(guī)：建筑物本身是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，并使用了標準的材料和內(nèi)部飾面。
同時，在紐約羅斯福島這樣一個位置上設(shè)計建造一個世界最高最大的住宅被動房給參與項目的各方帶來了挑戰(zhàn)。紐約全年溫差大，風荷載較高，同時滿足被動房的高標準及高風荷載下的建筑外圍護結(jié)構(gòu)是一個難題。 經(jīng)過Steven Winter Associates和BuroHappold Engineering及其他參與各方的研究后，決定使用緊湊的建筑形式，通過降低建筑物的表面積與體積比去減少建筑物內(nèi)部與外部之間的熱傳遞，從而有助于建筑物在夏季保持涼爽而在冬季保持溫暖。 同時將建筑物設(shè)計為南北朝向，在冬天能最大程度的利用太陽能且在夏季最小化太陽能的影響，尤其在夏季的午后不需要冷卻系統(tǒng)來處所有低角度的太陽光帶來的熱量。
外圍護結(jié)構(gòu)在被動房的“使用最少的能量維持舒適的室內(nèi)環(huán)境”目標方面起著至關(guān)重要的作用。 為了同時滿足被動房的高標準及高風荷載下的建筑外圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，工程團隊決定采用鍍鋅鋼框架和定制的帶有內(nèi)置窗戶的預制墻板，將玻璃的用量減少到了23％。 這種預制的金屬面板確保了高質(zhì)量的外圍護系統(tǒng)，并安裝有額外的隔熱和連續(xù)的防水/蒸汽屏障，在安裝過程中對外墻面板，窗戶，建筑縫和連接處進行密封，最大限度的減少了熱傳遞，其R值介于R-5到R-40之間，總體平均值為R-19。這一系統(tǒng)減少了建筑60%至70%的能量使用。 從概念上講，與單元式幕墻（unitized curtain wall）相比，鑲板墻（panelized wall）固有地在建筑物周邊上的接縫更少，因此更易于實現(xiàn)氣密性。高度預制的外圍護結(jié)構(gòu)還具有成本效益優(yōu)勢，且工廠中更好的質(zhì)量控制帶來了項目質(zhì)量的提高及更快的現(xiàn)場施工速度。
在外圍護結(jié)構(gòu)安裝和密封的過程中，項目團隊密切協(xié)調(diào)了結(jié)構(gòu)中的機械設(shè)備和熱橋切斷的位置，以確保外圍護結(jié)構(gòu)的無熱橋處理。 除了做到外墻的連續(xù)隔熱，項目團隊在主體混凝土結(jié)構(gòu)連接（立面，屋頂，地基，入口雨棚）和陽臺的連接處均安裝了Sch?ck Isokorb? 的隔熱裝置。 同時在屋頂設(shè)備基礎(chǔ)上使用承重的隔熱裝置，并使用了切斷熱橋的混凝土砌體單元。確保了無熱橋設(shè)計與施工。
針對被動房的高效新風熱回收系統(tǒng)元素，康奈爾大學科技學院公寓安裝了Energy Recovery Ventilation (ERV)系統(tǒng)來服務(wù)于大樓的通風和加熱/冷卻，安裝在屋頂?shù)腅RV單元服務(wù)于公寓單元樓層的通風，安裝在二樓的單元則負責一、二兩層。 ERV系統(tǒng)可以從樓內(nèi)排出的廢氣中提取熱能和冷能用于處理新鮮空氣的供應(yīng)，當進入和排出的空氣通過ERV時，熱量和濕氣便會交換，從而不斷產(chǎn)生干燥的新風。 為了實現(xiàn)所需的熱量回收，ERV采取了防霜和防潮措施，它們所在的屋頂位置還使產(chǎn)生機械噪音保持在了35分貝以下。 然而與大部分被動房采用 “穿墻式” ERV為單個公寓或家庭提供通風不同的是，世界最高的被動房項目采用了中央集成的空氣分配系統(tǒng)。 因為在一個26層的高層建筑中，有500多名居住者和許多不定期的租約，更換組合式通風系統(tǒng)中許多單個過濾器的維護成本過高，且每個單元都需要定期更換空氣過濾器。而中央空氣分配系統(tǒng)僅有屋頂?shù)腅RV中存在少量空氣過濾器，易于維護，也不會打擾住戶。
樓宇的供暖和制冷則采用了Variable Refrigerant Flow (VRF) 可變制冷劑流量系統(tǒng)，它就像典型的空調(diào)一樣，但在兩個方向上都起作用：它可以在涼爽的月份從外部空氣中吸收熱量以提供熱量，而在溫暖的月份可以從室內(nèi)空氣中提取熱量。 通過建筑周邊連續(xù)循環(huán)的室外冷凝器，制冷劑流體被輸送到每間公寓的蒸發(fā)器中，向每個房間提供熱空氣或冷空氣。 這些空間充滿了來自ERV的經(jīng)過調(diào)節(jié)的新鮮空氣，因此可最大限度地減少加熱或冷卻各個房間所需的功率。經(jīng)過Buro Happold和Related的合作測算，在此被動房的每間公寓中單個蒸發(fā)器僅需具備四分之一噸的效能，但是市場上卻沒有小于一噸效能的產(chǎn)品。 盡管訂單超過500個蒸發(fā)器，但可用的供應(yīng)商仍未準備提供定制的蒸發(fā)器單元。由此可見市場對被動房所需的產(chǎn)品尚未準備充分，希望隨著低能耗或近零能耗建筑的發(fā)展，市場可以在未來作出回應(yīng)。
預制規(guī)模 近139354.56平方米的預制鍍鋅鋼框架鋁聚合材料面板（配合高性能纖維水泥）。 主要項目特征
康奈爾大學科技學院公寓通過細致的朝向/光照設(shè)計、超高氣密性和連續(xù)隔熱的外圍護系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)連接處的熱橋切斷處理和ERV/VRF系統(tǒng)從多個環(huán)節(jié)滿足了被動房的認證要求，作為第一個高層被動房住宅，我們可以從項目介紹中看出其在某些方面的性能表現(xiàn)甚至比一些指標/規(guī)范的要求要高出許多。 然而從被動房的認證要求來看，可以說建筑的外圍護結(jié)構(gòu)承擔了最重要的責任。一個具有極高氣密性和隔熱的外表皮能阻止內(nèi)部熱量的流失，極大程度的降低建筑對采暖能源的需求和最大采暖荷載，使建筑物基本滿足被動房的五點認證指標。 下面我們就來詳細地看看采用了高度預制外圍護墻板的康奈爾大學科技學院公寓是出色地實現(xiàn)隔熱和氣密性的。 從事“世界上最高的被動房項目”本身是一種榮譽，也一個巨大的挑戰(zhàn)。作為該項目的外圍護構(gòu)件分包商，Eastern Exterior Wall Systems Inc.通過與建筑師，幕墻顧問和被動房工程顧問合作，將其Mega Panel產(chǎn)品進行定制，完成了構(gòu)件的開發(fā)和制作，包括實現(xiàn)這種高性能預制外墻系統(tǒng)所需的細節(jié)和施工方法。
外墻面板使用鍍鋅輕鋼框制作而成，表面為鋁復合材料（ACM）和纖維水泥。ACM是一種由兩片0.5厘米的鋁板粘合在耐火熱塑性芯材上制成的薄板，單個鋁板在數(shù)控機床上進行加工，以實現(xiàn)緊密和精確，然后將完成的鋁板通過鋁型材固定到面板上。 ACM材料的面板從鍍鋅輕鋼框架開始制作，并通過機械方式固定到玻璃纖維增強的外部護套中。然后根據(jù)項目規(guī)格將此組件包裹在空氣和蒸汽屏障中。 根據(jù)需要安裝半剛性礦棉隔熱材料，以滿足能源規(guī)范的要求。金屬面板采用濕密封系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)使用硅酮填縫，可防止水和空氣滲入覆層后面。 該系統(tǒng)還具有排濕功能，使用濕膜和內(nèi)膜作為防潮的第二道防線。同時該系統(tǒng)重量較低，減輕了主體結(jié)構(gòu)的負擔。
而纖維水泥實為建筑高性能混凝土，具有很強的抗壓和抗拉能力，可以承受一定程度的變形而不會開裂或斷裂。這種材料可視為低孔隙率水泥混合物，由細骨料形成，并與纖維混合以增加強度。 Eastern Exterior Wall Systems Inc.在車間中將玻璃纖維增強的護套的基材連接到鍍鋅鋼框架上，然后將其封閉在空氣/防水層中。板與板之間的接縫處用硅酮填縫劑進行現(xiàn)場密封，形成一個完全防水的建筑空腔。 水泥板通過隱蔽的熱隔離鋁夾固定在基體上。這種制造技術(shù)創(chuàng)造了一個壓力均衡、通風的空間，防止?jié)駳夂蜔崃繚B透到建筑腔體中。 空氣流通減少了對暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求，也防止了霉菌的生長。單塊板和塊之間的干連接使熱量和地震活動不會在外墻造成裂縫和斷裂。 每個面板的高度為9到11米，高一層。窗框采用三玻兩腔玻璃進行隔熱。EEWS在工廠生產(chǎn)面板時安裝了窗戶，以確保氣密性。巨型面板通過塔式起重機吊起，并固定在預留在建筑的錨上。
最終，總面積近13935.5平方米的大型外墻面板作為一個完整的外圍護系統(tǒng)（被交付到現(xiàn)場完成了安裝。經(jīng)過完成安裝后的鼓風機門測試（確認外殼的氣密性）后，發(fā)現(xiàn)建筑物的性能已經(jīng)超出了允許氣流率的25％的預期水平，從而確保了被動房的認證。
在被動房中，消除熱橋（這種情況是由金屬或混凝土制成的裸露元素將熱量傳導至建筑物內(nèi)部或從建筑物內(nèi)部傳導出去）與密封性一樣重要。 熱橋不光會導致熱量的流失，還會增加霉菌生長的可能性，既使供暖的成本上升，還影響著住戶的身體健康。 康奈爾大學科技學院公寓項目在處理外圍護和樓頂設(shè)備的熱橋時，采用了一系列的產(chǎn)品來緩解熱橋和空氣的滲透，其中主要包括：
這些產(chǎn)品都在創(chuàng)造連續(xù)的隔熱保溫層方面發(fā)揮了巨大的作用。 而建筑另一大熱橋集中區(qū)域就是混凝土結(jié)構(gòu)連接處，例如陽臺、護欄、墻基等。項目團隊在處理這些熱橋的時候，選擇了德國著名公司Sch?ck的Isokorb?隔熱裝置。 這是一個非常成熟的混凝土結(jié)構(gòu)連接處的熱橋處理方案，目前已在國外多個著名被動房和裝配式項目中使用處理相關(guān)問題。其斷橋構(gòu)件保證了立面保溫的連續(xù)性，同時也達到承重的作用。
最典型Isokorb?K型隔熱裝置由防火板、THE（高熱效率）抗壓模塊、抗拉與抗剪力鋼筋及保溫材料組成。在形成斷熱的同時，該系統(tǒng)還能轉(zhuǎn)移負載和保持結(jié)構(gòu)完整。
Sch?ck Isokorb隔熱連接系統(tǒng)是一系列的系統(tǒng)，每個組合部件包括高密度聚苯乙烯料套管，高密度高強度混凝土軸承座或鋼制軸承座或鋼制抗壓桿以及EPS絕熱材料每米長的模塊數(shù)是4到8個，取決于負載的要求。 不銹鋼直桿和彎桿的布置是通過EPS模塑和軸承塊作為拉伸和剪切加固；這些都是工廠焊接的鋼筋條，以提供陽臺和樓板結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)性。 此外Sch?ck還有針對各種結(jié)構(gòu)連接和各種結(jié)構(gòu)的多種隔熱產(chǎn)品，從現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)到裝配式混凝土結(jié)構(gòu)再到鋼結(jié)構(gòu)，都可以使用Isokorb?隔熱裝置進行斷熱處理，實現(xiàn)理想的連續(xù)隔熱和保溫。 03 隨著我國各地紛紛推行超低/近零能耗建筑，強調(diào)其在未來城鎮(zhèn)建設(shè)中的重要性，被動設(shè)計元素在項目開發(fā)中的應(yīng)用將會愈發(fā)常見。 從康奈爾大學科技學院公寓項目來看，作為在降低建筑能耗方面發(fā)揮最主要作用的外圍護結(jié)構(gòu)是十分適合通過高度預制的外墻板來達到氣密性和隔熱的要求的。 從符合項目要求的外飾面材料到保溫層，從在工廠中提前安裝的玻璃窗再到一系列為了達到密封及斷熱橋所使用的細節(jié)技術(shù)和產(chǎn)品，全預制的外圍護系統(tǒng)不光讓項目質(zhì)量更高更快地完成，符合了各項規(guī)范要求，還真正地降低了建筑的維護和運營成本，改善了居住空間的使用環(huán)境。 對建筑能源使用和居住環(huán)境產(chǎn)生較大影響的熱橋的也是不可忽視的一點。正如文章中所提及的，目前在此類被動房和對能耗有要求的項目中，切斷熱橋的隔熱裝置正在被廣泛使用。 歐洲公司Kornicki的研究表明，通過阻斷熱橋能將墻表溫度提高多達6℃，大大減少了建筑能源的使用，具有極高的經(jīng)濟和健康效益。 犀點希望通過借鑒康奈爾大學科技學院項目，為國內(nèi)被動房及各類超低/近零能耗建筑的發(fā)展帶來一些啟示，共同建設(shè)一個可持續(xù)發(fā)展的未來建筑生態(tài)環(huán)境。
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