本期將透過被動房與裝配式元素結合的視角，介紹位于美國紐約市羅斯福島的被動房住宅建筑——康奈爾大學科技學院公寓（The House at Cornell Tech）在設計和建造過程中所使用的巧妙技術。通過著重解析其緊密的外圍護結構和熱橋切斷處理來分析預制外圍護結構的適用性及隔熱和熱橋處理在實現建筑超低或近零能耗方面的重要性。

被動式 + 裝配式

被動設計及被動房（Passive House）在國內已經是一個相對成熟的概念。國家住建部早于2015年10月就發布了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》。國家標準《近零能耗建筑技術標準》（GB/T51350-2019）也于2019年9月1日起實施。兩者明確了我國被動式超低能耗綠色建筑的定義、不同氣候區技術指標及設計、施工、運行和評價技術要點，為全國被動式超低能耗綠色建筑的建設提供指導。去年十月，第23屆國際被動房大會于河北高碑店召開，全球1000余家建筑企業參加交流，分享了被動房相關技術越來越多的開發商、設計院和建設單位也開始在項目中加入被動房元素，以實現改善民生、節能減排的建筑產業目標。

被動房的關鍵特征就是可以實現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，為人類的可持續發展做出貢獻。

而裝配式建筑則利用場外制造的元素，將構件質量控制在工廠生產環境中，同時使項目在施工階段減少了對場址周圍的環境影響。

通過裝配式建筑和被動房技術的結合，項目則可在全生命周期降低成本，減小對環境的污染，獲得更好的居住體驗，實現可持續發展。這無論對業主，環境還是居住者來說，都是一個多方互贏的局面。目前世界范圍內已經有一些項目開始將這兩種元素相互結合，探索人類未來居住環境的建造模式。而位于紐約羅斯福島的康奈爾大學科技校區公寓（The House at Cornell Tech）就將兩種元素巧妙地結合在一起，成為了被動房歷史中的里程碑。

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：352間

項目團隊

業主/開發商：Cornell Tech, Hudson Companies, Related Companies

總體規劃：Skidmore, Owings & Merrill （SOM）

建筑設計：Handel Architects

永續性設計及被動房工程顧問：Steven Winter Associates

工程設計顧問（結構、機電、燈光）：BuroHappold Engineering

幕墻顧問：Vidaris

總承包商：Monadnock Construction

預制外圍護構件分包商：Eastern Exterior Wall System Inc.

項目總覽

美國經濟學家、前麥肯錫管理顧問史蒂文.斯特勞斯在2008年被時任紐約市長的邁克爾.布隆伯格委任負責一系列針對全球未來經濟趨勢下的紐約發展趨勢研究，并分析指出應在未來會擁有大量機會的高科技領域進行早期投資等舉措，同時希望通過建立孵化器等措施吸引高科技人才以加速推動紐約發展。在此背景下，一項面對全球頂尖大學的競賽應運而生，贏得競標的機構可獲得紐約市特定區域的免費土地和巨額資金獎勵。而位于紐約"世外桃源"的羅斯福島地塊則由康奈爾大學和以色列理工學院的聯合體獲得，由SOM合作設計的規劃方案幫助他們在競標的最后時刻擊敗了斯坦福大學。康奈爾大學的競標承諾將創造28000個工作崗位，孵化600家公司，為紐約帶來230億美元的經濟效益，并在運營的前30年獲得14億美元的稅收。除了競賽舉辦方彭博（Bloomberg）提供的一億美元獎勵外，康奈爾大學還收到了來自校友的巨額捐贈（DFS集團聯合創始人查爾斯.費尼捐贈3.5億美元，高通創始人歐文·雅各布斯及妻子捐贈1.33億）來進行新校園的建設。

從規劃之初，康奈爾大學就極具前瞻意識。他們設想將新校區建立成最環保的可持續發展項目，其中服務于教職工以及學生的公寓建筑是其一期建設中非常重要的一環。項目合同中最初并未指明需通過被動房設計實現節能的愿景，但具有被動房開發經驗的著名開發商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。面對嚴苛天氣環境（主要指紐約極高的風荷載和溫差）和節能目標的挑戰，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，緊密的建筑圍護結構，再加上節能的機械設備，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——圍護結構，通風系統以及供暖和制冷系統最難于正確設計和建造。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：建筑物本身是現澆混凝土結構，并使用了標準的材料和內部飾面。

同時，在紐約羅斯福島這樣一個位置上設計建造一個高住宅被動房給參與項目的各方帶來了挑戰。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構是一個難題。經過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來處所有低角度的太陽光帶來的熱量。

西立面

南立面

外圍護結構在被動房的"使用最少的能量維持舒適的室內環境"目標方面起著至關重要的作用。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構的穩定性，工程團隊決定采用鍍鋅鋼框架和定制的帶有內置窗戶的預制墻板，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量的外圍護系統，并安裝有額外的隔熱和連續的防水/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，因此更易于實現氣密性。高度預制的外圍護結構還具有成本效益優勢，且工廠中更好的質量控制帶來了項目質量的提高及更快的現場施工速度。

在外圍護結構安裝和密封的過程中，項目團隊密切協調了結構中的機械設備和熱橋切斷的位置，以確保外圍護結構的無熱橋處理。除了做到外墻的連續隔熱，項目團隊在主體混凝土結構連接（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。同時在屋頂設備基礎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。確保了無熱橋設計與施工。

針對被動房的高效新風熱回收系統元素，康奈爾大學科技學院公寓安裝了Energy Recovery Ventilation (ERV)系統來服務于大樓的通風和加熱/冷卻，安裝在屋頂的ERV單元服務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系統可以從樓內排出的廢氣中提取熱能和冷能用于處理新鮮空氣的供應，當進入和排出的空氣通過ERV時，熱量和濕氣便會交換，從而不斷產生干燥的新風。為了實現所需的熱量回收，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。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僅有屋頂的ERV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，它就像典型的空調一樣，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空氣中提取熱量。通過建筑周邊連續循環的室外冷凝器，制冷劑流體被輸送到每間公寓的蒸發器中，向每個房間提供熱空氣或冷空氣。這些空間充滿了來自ERV的經過調節的新鮮空氣，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品。盡管訂單超過500個蒸發器，但可用的供應商仍未準備提供定制的蒸發器單元。由此可見市場對被動房所需的產品尚未準備充分，希望隨著低能耗或近零能耗建筑的發展，市場可以在未來作出回應。

預制規模

-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

- 獲得來自NYSERDA的Multifamily Performance Program項目獎勵；

- LEED Platinum Certified LEED白金項目認證；

- ENERGYSTAR?能源之星認證；

- Passive House Accreditation被動房認證；

- 每年減少882噸二氧化碳排放，相當于種植5300棵樹；

- 三玻兩腔的玻璃裝配U值僅為0.193，紐約市的標準為0.4；

- 實現熱量回收的Energy Recovery Ventilation (ERV)設備采取了防霜和防潮措施并安裝在屋頂位置，其機械噪音保持在35分貝以下；

- 混凝土連接及陽臺連接處均采用Sch?ck Isokorb? 的隔熱裝置；

- 在ASHRAE 90.1-2007的標準下降低了36%的光照能源使用；

- 在通風管道中使用Aeroseal（一種聚合物）密封劑，減少了90%的空氣泄露，大大提高了能源效率；

- 在50帕斯卡氣壓的情況下，測得的每小時換氣量僅為0.13（被動房最大標準為0.6）。

康奈爾大學科技學院公寓通過細致的朝向/光照設計、超高氣密性和連續隔熱的外圍護系統、結構連接處的熱橋切斷處理和ERV/VRF系統從多個環節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甚至比一些指標/規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構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隔熱和氣密性的。

作為該項目的外圍護構件分包商，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產品進行定制，完成了構件的開發和制作，包括實現這種高性能預制外墻系統所需的細節和施工方法。

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，單個鋁板在數控機床上進行加工，以實現緊密和精確，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。然后根據項目規格將此組件包裹在空氣和蒸汽屏障中。根據需要安裝半剛性礦棉隔熱材料，以滿足能源規范的要求。金屬面板采用濕密封系統提供，該系統使用硅酮填縫，可防止水和空氣滲入覆層后面。該系統還具有排濕功能，使用濕膜和內膜作為防潮的第二道防線。同時該系統重量較低，減輕了主體結構的負擔。

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。這種制造技術創造了一個壓力均衡、通風的空間，防止濕氣和熱量滲透到建筑腔體中。空氣流通減少了對暖通空調系統的需求，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（被交付到現場完成了安裝。經過完成安裝后的鼓風機門測試（確認外殼的氣密性）后，發現建筑物的性能已經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。

圖一

圖二

圖三

圖四

圖五

圖六

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部或從建筑物內部傳導出去）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。

項目在處理外圍護和樓頂設備的熱橋時，采用了一系列的產品來緩解熱橋和空氣的滲透，其中主要包括：

- 熱橋分隔夾Thermal Clip

- 平板隔離器Slab Isolator

- 隔熱混凝土砌塊Insulated CMU Block

- 承重隔離器Load-bearing Isolator

- 防蒸汽滲透墊片Vapor Permeable Gasket

- 防蒸汽滲透膠帶Vapor Permeable Tapes

- 隔熱玻璃窗/暖邊墊片Warm Edge IGU Glass Spacers

- 蒸汽緩凝劑Vapor Retarder

這些產品都在創造連續的隔熱保溫層方面發揮了巨大的作用。

而建筑另一大熱橋集中區域就是混凝土結構連接處，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構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問題。其斷橋構件保證了立面保溫的連續性，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，該系統還能轉移負載和保持結構完整。

Sch?ck Isokorb隔熱連接系統是一系列的系統，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構之間的連續性。

此外Sch?ck還有針對各種結構連接和各種結構的多種隔熱產品，從現澆混凝土結構到裝配式混凝土結構再到鋼結構，都可以使用Isokorb?隔熱裝置進行斷熱處理，實現理想的連續隔熱和保溫。

隨著我國各地紛紛推行超低/近零能耗建筑，強調其在未來城鎮建設中的重要性，被動設計元素在項目開發中的應用將會愈發常見。從項目來看，作為在降低建筑能耗方面發揮最主要作用的外圍護結構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技術和產品，全預制的外圍護系統不光讓項目質量更高更快地完成，符合了各項規范要求，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境。

對建筑能源使用和居住環境產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，具有極高的經濟和健康效益。

希望通過借鑒美國康奈爾大學科技學院項目，為國內被動房及各類超低/近零能耗建筑的發展帶來一些啟示，共同建設一個可持續發展的未來建筑生態環境。