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紐約康奈爾大學(xué)科技校區(qū)公寓2020-06-01 11:03來源：DOTT犀點(diǎn)建設(shè)科技，推薦關(guān)注作者：犀點(diǎn)建設(shè)科技
 本期犀點(diǎn)砼行將透過被動(dòng)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(dòng)房住宅建筑——康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓（The House at Cornell Tech）在設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)和熱橋切斷處理來分析預(yù)制外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性及隔熱和熱橋處理在實(shí)現(xiàn)建筑超低或近零能耗方面的重要性。 01 被動(dòng)房的關(guān)鍵特征就是可以實(shí)現(xiàn)建筑的超低能耗或近零能耗，無需通過建筑機(jī)械的主動(dòng)供暖、通風(fēng)、照明等就能達(dá)到高度的熱舒適性，同時(shí)大大降低了建筑在運(yùn)營(yíng)和維護(hù)期間的成本，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
而裝配式建筑則利用場(chǎng)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(shí)使項(xiàng)目在施工階段減少了對(duì)場(chǎng)址周圍的環(huán)境影響。
通過裝配式建筑和被動(dòng)房技術(shù)的結(jié)合，項(xiàng)目則可在全生命周期降低成本，減小對(duì)環(huán)境的污染，獲得更好的居住體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這無論對(duì)業(yè)主，環(huán)境還是居住者來說，都是一個(gè)多方互贏的局面。 目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)有一些項(xiàng)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(xué)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(dòng)房歷史中的里程碑。
02 項(xiàng)目概況
項(xiàng)目名稱：康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓（The House at Cornell Tech) 項(xiàng)目地點(diǎn)：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(xiàng)目總覽
從規(guī)劃之初，康奈爾大學(xué)就極具前瞻意識(shí)。他們?cè)O(shè)想將新校區(qū)建立成最環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目，其中服務(wù)于教職工以及學(xué)生的公寓建筑是其一期建設(shè)中非常重要的一環(huán)。 項(xiàng)目合同中最初并未指明需通過被動(dòng)房設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的愿景，但具有被動(dòng)房開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的著名開發(fā)商Hudson公司和Related公司主動(dòng)提出將這一理念加入到項(xiàng)目之中，建造歷史首個(gè)高層被動(dòng)房住宅。 面對(duì)嚴(yán)苛天氣環(huán)境（主要指紐約極高的風(fēng)荷載和溫差）和節(jié)能目標(biāo)的挑戰(zhàn)，康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓通過被動(dòng)房方案交出了完美的答卷。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，被動(dòng)房建筑背后的基本理論很簡(jiǎn)單。它們具有高度絕緣，緊密的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再加上節(jié)能的機(jī)械設(shè)備，可顯著減少建筑加熱，冷卻和通風(fēng)所需的能量。 建筑物的這三個(gè)方面——圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通風(fēng)系統(tǒng)以及供暖和制冷系統(tǒng)最難于正確設(shè)計(jì)和建造。 為了最大程度地減少項(xiàng)目的成本和復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的材料和內(nèi)部飾面。
同時(shí)，在紐約羅斯福島這樣一個(gè)位置上設(shè)計(jì)建造一個(gè)世界最高最大的住宅被動(dòng)房給參與項(xiàng)目的各方帶來了挑戰(zhàn)。紐約全年溫差大，風(fēng)荷載較高，同時(shí)滿足被動(dòng)房的高標(biāo)準(zhǔn)及高風(fēng)荷載下的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(shí)將建筑物設(shè)計(jì)為南北朝向，在冬天能最大程度的利用太陽(yáng)能且在夏季最小化太陽(yáng)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(yáng)光帶來的熱量。
外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在被動(dòng)房的“使用最少的能量維持舒適的室內(nèi)環(huán)境”目標(biāo)方面起著至關(guān)重要的作用。 為了同時(shí)滿足被動(dòng)房的高標(biāo)準(zhǔn)及高風(fēng)荷載下的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，工程團(tuán)隊(duì)決定采用鍍鋅鋼框架和定制的帶有內(nèi)置窗戶的預(yù)制墻板，將玻璃的用量減少到了23％。 這種預(yù)制的金屬面板確保了高質(zhì)量的外圍護(hù)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(duì)外墻面板，窗戶，建筑縫和連接處進(jìn)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(shí)現(xiàn)氣密性。高度預(yù)制的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)還具有成本效益優(yōu)勢(shì)，且工廠中更好的質(zhì)量控制帶來了項(xiàng)目質(zhì)量的提高及更快的現(xiàn)場(chǎng)施工速度。
在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝和密封的過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)密切協(xié)調(diào)了結(jié)構(gòu)中的機(jī)械設(shè)備和熱橋切斷的位置，以確保外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無熱橋處理。 除了做到外墻的連續(xù)隔熱，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在主體混凝土結(jié)構(gòu)連接（立面，屋頂，地基，入口雨棚）和陽(yáng)臺(tái)的連接處均安裝了Sch?ck Isokorb? 的隔熱裝置。 同時(shí)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(jì)與施工。
針對(duì)被動(dòng)房的高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)元素，康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓安裝了Energy Recovery Ventilation (ERV)系統(tǒng)來服務(wù)于大樓的通風(fēng)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(fēng)，安裝在二樓的單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)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(dāng)進(jìn)入和排出的空氣通過ERV時(shí)，熱量和濕氣便會(huì)交換，從而不斷產(chǎn)生干燥的新風(fēng)。 為了實(shí)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(jī)械噪音保持在了35分貝以下。 然而與大部分被動(dòng)房采用 “穿墻式” ERV為單個(gè)公寓或家庭提供通風(fēng)不同的是，世界最高的被動(dòng)房項(xiàng)目采用了中央集成的空氣分配系統(tǒng)。 因?yàn)樵谝粋€(gè)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(fēng)系統(tǒng)中許多單個(gè)過濾器的維護(hù)成本過高，且每個(gè)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(hù)，也不會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)房間所需的功率。經(jīng)過Buro Happold和Related的合作測(cè)算，在此被動(dòng)房的每間公寓中單個(gè)蒸發(fā)器僅需具備四分之一噸的效能，但是市場(chǎng)上卻沒有小于一噸效能的產(chǎn)品。 盡管訂單超過500個(gè)蒸發(fā)器，但可用的供應(yīng)商仍未準(zhǔn)備提供定制的蒸發(fā)器單元。由此可見市場(chǎng)對(duì)被動(dòng)房所需的產(chǎn)品尚未準(zhǔn)備充分，希望隨著低能耗或近零能耗建筑的發(fā)展，市場(chǎng)可以在未來作出回應(yīng)。
預(yù)制規(guī)模 近139354.56平方米的預(yù)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(xiàng)目特征
康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓通過細(xì)致的朝向/光照設(shè)計(jì)、超高氣密性和連續(xù)隔熱的外圍護(hù)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(gè)環(huán)節(jié)滿足了被動(dòng)房的認(rèn)證要求，作為第一個(gè)高層被動(dòng)房住宅，我們可以從項(xiàng)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(biāo)/規(guī)范的要求要高出許多。 然而從被動(dòng)房的認(rèn)證要求來看，可以說建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了最重要的責(zé)任。一個(gè)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(duì)采暖能源的需求和最大采暖荷載，使建筑物基本滿足被動(dòng)房的五點(diǎn)認(rèn)證指標(biāo)。 下面我們就來詳細(xì)地看看采用了高度預(yù)制外圍護(hù)墻板的康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓是出色地實(shí)現(xiàn)隔熱和氣密性的。 從事“世界上最高的被動(dòng)房項(xiàng)目”本身是一種榮譽(yù)，也一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。作為該項(xiàng)目的外圍護(hù)構(gòu)件分包商，Eastern Exterior Wall Systems Inc.通過與建筑師，幕墻顧問和被動(dòng)房工程顧問合作，將其Mega Panel產(chǎn)品進(jìn)行定制，完成了構(gòu)件的開發(fā)和制作，包括實(shí)現(xiàn)這種高性能預(yù)制外墻系統(tǒng)所需的細(xì)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(fù)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(gè)鋁板在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，以實(shí)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(jī)械方式固定到玻璃纖維增強(qiáng)的外部護(hù)套中。然后根據(jù)項(xiàng)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(shí)該系統(tǒng)重量較低，減輕了主體結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。
而纖維水泥實(shí)為建筑高性能混凝土，具有很強(qiáng)的抗壓和抗拉能力，可以承受一定程度的變形而不會(huì)開裂或斷裂。這種材料可視為低孔隙率水泥混合物，由細(xì)骨料形成，并與纖維混合以增加強(qiáng)度。 Eastern Exterior Wall Systems Inc.在車間中將玻璃纖維增強(qiáng)的護(hù)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密封，形成一個(gè)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(gè)壓力均衡、通風(fēng)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(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求，也防止了霉菌的生長(zhǎng)。單塊板和塊之間的干連接使熱量和地震活動(dòng)不會(huì)在外墻造成裂縫和斷裂。 每個(gè)面板的高度為9到11米，高一層。窗框采用三玻兩腔玻璃進(jìn)行隔熱。EEWS在工廠生產(chǎn)面板時(shí)安裝了窗戶，以確保氣密性。巨型面板通過塔式起重機(jī)吊起，并固定在預(yù)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(gè)完整的外圍護(hù)系統(tǒng)（被交付到現(xiàn)場(chǎng)完成了安裝。經(jīng)過完成安裝后的鼓風(fēng)機(jī)門測(cè)試（確認(rèn)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(yù)期水平，從而確保了被動(dòng)房的認(rèn)證。
在被動(dòng)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(dǎo)至建筑物內(nèi)部或從建筑物內(nèi)部傳導(dǎo)出去）與密封性一樣重要。 熱橋不光會(huì)導(dǎo)致熱量的流失，還會(huì)增加霉菌生長(zhǎng)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(xué)科技學(xué)院公寓項(xiàng)目在處理外圍護(hù)和樓頂設(shè)備的熱橋時(shí)，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(yáng)臺(tái)、護(hù)欄、墻基等。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在處理這些熱橋的時(shí)候，選擇了德國(guó)著名公司Sch?ck的Isokorb?隔熱裝置。 這是一個(gè)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(guó)外多個(gè)著名被動(dòng)房和裝配式項(xiàng)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(shí)也達(dá)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(shí)，該系統(tǒng)還能轉(zhuǎn)移負(fù)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(gè)組合部件包括高密度聚苯乙烯料套管，高密度高強(qiáng)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(zhǎng)的模塊數(shù)是4到8個(gè)，取決于負(fù)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(yáng)臺(tái)和樓板結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)性。 此外Sch?ck還有針對(duì)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(jìn)行斷熱處理，實(shí)現(xiàn)理想的連續(xù)隔熱和保溫。 03 隨著我國(guó)各地紛紛推行超低/近零能耗建筑，強(qiáng)調(diào)其在未來城鎮(zhèn)建設(shè)中的重要性，被動(dòng)設(shè)計(jì)元素在項(xiàng)目開發(fā)中的應(yīng)用將會(huì)愈發(fā)常見。 從康奈爾大學(xué)科技學(xué)院公寓項(xiàng)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(hù)結(jié)構(gòu)是十分適合通過高度預(yù)制的外墻板來達(dá)到氣密性和隔熱的要求的。 從符合項(xiàng)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(dá)到密封及斷熱橋所使用的細(xì)節(jié)技術(shù)和產(chǎn)品，全預(yù)制的外圍護(hù)系統(tǒng)不光讓項(xiàng)目質(zhì)量更高更快地完成，符合了各項(xiàng)規(guī)范要求，還真正地降低了建筑的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本，改善了居住空間的使用環(huán)境。 對(duì)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(diǎn)。正如文章中所提及的，目前在此類被動(dòng)房和對(duì)能耗有要求的項(xiàng)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(dá)6℃，大大減少了建筑能源的使用，具有極高的經(jīng)濟(jì)和健康效益。 犀點(diǎn)希望通過借鑒康奈爾大學(xué)科技學(xué)院項(xiàng)目，為國(guó)內(nèi)被動(dòng)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(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來建筑生態(tài)環(huán)境。
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