0 引言
轻钢龙骨结构体系主要应用于低层和多层住宅中。它不仅具有强度高、重量轻、塑性和韧性好等优点，而且增加了建筑使用面积，节约了大量黏土资源，是一种环保、高效的结构形式，体现了发展循环经济、构建资源节约型和环境友好型社会的绿色建筑理念。目前国外常用的该体系外墙是在轻钢龙骨内填充保温材料，两侧覆盖石膏板以增加耐火性能，保温材料通常用矿棉、岩棉或聚苯乙烯泡沫塑料。
由于轻钢龙骨与岩棉构成的墙体内夹芯层的材质是非匀质的，导致建筑材料的热特性高度非连续，使围护结构各部位的保温不平衡，钢构件部位保温性能较弱，热流率大大增加。增加了建筑能耗，使围护结构内表面的温度场分布很不均匀，在钢龙骨及其附近温度明显降低，并导致多维传热的热桥效应。1995 年，建设部颁布的JGJ 26—95《民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分)》[1]规定在1980 年住宅耗能水平的基础上再节能50% ，并据此明确给出建筑各部位所应达到的节能标准。以哈尔滨地区为例，当建筑体型系数大于0. 3 时，其传热系数应控制在0. 40 W/ (m2·K) 以下，但分析表明，不做保温处理的轻钢龙骨外墙体系达不到以上要求[2]，因而不能直接用于我国严寒地区。
国外特别是严寒地区国家，如北欧和北美，对轻钢龙骨住宅体系进行了系统的研究，挪威的Engebretsen 和Ramstad 在1978 年设计的建筑中首先应用了腹板开孔C 形轻钢龙骨[3]，如图1 所示。实践证明，该做法可以明显增长热量沿龙骨腹板传递的导热路径，显著降低轻钢龙骨复合墙体的局部热桥效应。
近年来，国外学者对腹板开孔轻钢龙骨复合墙体进行了系列理论研究。文献[4]介绍了AHSRAE( 美国空调工程师学会) 用以计算轻钢龙骨墙体热阻的方法———分区法，并且针对轻钢龙骨的存在而形成的温度异常影响区给出分区法的改进方法。文献[5]针对轻钢龙骨墙体建立起改变龙骨类型、保温材料的试验数据库，试验所得墙体热阻与平行法所得热阻进行了系统比较。文献[6]采用标定热箱试验法，模拟分析了轻钢龙骨墙体三维传热作用和二维传热、传质联合作用。
国内引进轻钢龙骨住宅体系较晚，并且该体系的应用还集中在南方发达地区，热桥问题并不突出，因此，截至2002 年，还未见到研究轻钢龙骨复合墙体传热问题的中文文献。从2003 年开始，哈尔滨工业大学的张素梅教授及其课题组陆续对开孔轻钢龙骨复合墙体的传热和力学性能进行了系列理论研究[2,7~9]。
JG /T 182—2005《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》[10]规定，为了便于工业化生产，将轻钢龙骨住宅体系常用构件的规格定型为13 种，其中5 种用作梁柱龙骨承重构件，如表1 所示。C 形龙骨中卷边的宽厚比应符合GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[11]的要求，如表2 所示。构件的钢材采用Q235 钢或Q345 钢，承重龙骨的厚度一般为0. 85 ～ 2. 50 mm。
采用热电偶测温方法进行了腹板开孔、带外保温层腹板开孔两个方案的轻钢龙骨复合墙体传热性能的试验研究，重点考察墙体的传热系数和测点温度，并选用JG /T 182—2005 推荐的规格轻钢龙骨，组成4 类轻钢龙骨复合墙体。以使轻钢龙骨复合墙体满足我国严寒地区建筑外墙节能标准为目标，采用ANSYS 有限元模拟对比分析4 类墙体的平均传热系数、温度场，进行墙体的经济性比较，提出符合严寒地区建筑节能标准的轻钢龙骨复合外墙设计方案。
1 试验概况
试验采用静态热箱模拟恒定的室内、外温度，进行新型轻钢龙骨复合墙体的稳态传热模拟，并实测轻钢龙骨复合墙体所设测点的温度和热流密度，进而推算墙体的平均传热系数，得到轻钢龙骨复合墙体的传热性能规律。
如图2 所示，试验台由热箱、冷箱、试件架、空气循环及测量系统、温度自动监控系统组成，可测试最大试件尺寸为: 水平向× 竖直向× 厚度=2 400 mm × 2 400 mm × 400 mm。
该设备基于一维稳定传热原理，试件一侧为热箱，模拟采暖建筑冬季室内气候条件，另一侧为冷箱，模拟冬季室外气候条件。在对试件缝隙进行密封处理，试件两侧各自保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射的条件下，根据试件两侧的空气温度、空气压差、空气渗透量、壁面温度及输入到热箱内的热量，不仅可以计算出墙体的传热系数，而且还可以计算出传热和空气渗透同时存在情况下，墙体的综合能耗。
该设备可提供的恒定环境温度范围为-30～35 ℃，控制精度为0. 1 ℃。热箱空气温度设定范围为18 ～ 20 ℃;热箱空气为自然对流，其相对湿度控制在30% 左右。冷箱空气温度设定范围为-19～-21 ℃;冷箱内平均风速设定为3. 0 m / s。冷、热箱温度波动幅度不大于0. 1 ℃。
根据设备的测温范围，并兼顾文献[12]哈尔滨地区冬季室内(18 ℃)、外( － 26 ℃) 计算温度，确定本次试验设计的室内、外温度为18，－20 ℃。
2 试件设计及测点布置
2. 1 试验方案分组
考虑到国外轻钢龙骨复合墙体工程的常用做法，确定以下两组试验方案:
方案一，腹板开孔轻钢龙骨复合墙体稳态传热试验;
方案二，带苯板外保温层腹板开孔轻钢龙骨复合墙体稳态传热试验。
两种方案的墙体剖面构造层次如图3 所示，方案二在方案一墙体室外侧石膏板上贴苯板，方案一墙体的实测厚度为228. 9 mm、方案二为246. 9 mm。
2. 2 试件总体设计
1) 墙体总体尺寸:如图4 所示，根据国外工程经验，取一个墙体单元的宽度( 即两龙骨间距宽度)为600 mm。考虑到试验设备的尺寸限值要求，同时考虑到石膏板的规格，为便于加工，本次试验取墙体试件的总宽度为2 × 600 ( 龙骨距) + 2 × 150( 边距) = 1 500 mm。此外，兼顾石膏板规格，取墙体高度为1 200 mm。
2) 龙骨尺寸:依据JG /T 182—2005[10]的规定，兼顾轻钢龙骨外墙常用墙体厚度范围，结合满足哈尔滨地区建筑节能传热系数的限值要求[1]，确定本次试验轻钢龙骨腹板高度为205 mm，并依次确定龙骨的翼缘宽度、卷边宽度和截面厚度为40，15，1. 5 mm，实测龙骨尺寸如图5 所示。
3) 孔洞尺寸:龙骨孔洞尺寸依据国外工程经验，兼顾节能要求，选取开孔参数为:孔长× 孔宽×孔间距长× 孔间距宽= 70mm×3mm×20mm×9mm，并沿龙骨通长开设，实测孔洞尺寸如图5 所示。
4) 石膏板: 市场供应的规格通常为3. 0 m ×1. 2 m，厚度取工程中较常用的12 mm 厚纸面石膏板。
5) 聚苯乙烯板:市场供应的规格通常厚度为10 ～ 80 mm，以10 mm 为模数，结合传热性能理论分析，采用20 mm 厚的苯板。
2. 3 试验测点布置
试验主要测定参数有两个:墙体传热系数和测点温度。
1) 墙体传热系数的测定:在保证试件为一维稳定传热条件下，测量热箱中电暖气的发热量，减去通过热箱外壁和试件框的热损失，除以墙体面积与两侧空气温差的乘积，即可计算出该墙体的传热系数K 值。
2) 墙体测点温度的测定:温度由铜－ 康铜热电偶测定。如图6 所示，测点主要布置在墙体表面、轻钢龙骨表面及墙体中不同材料的接触处( 如石膏板与龙骨交界面)。测点布置原则:为便于测试和比较，所有测点均布置于墙体高度1 /2 处，并沿墙体厚度龙骨腹板传热方向集中布置测点，同时兼顾室内、外龙骨处石膏板布置测点。
龙骨是墙体热量散失的主要通道，龙骨腹板上温度变化尤为剧烈，所以龙骨腹板的温度分布是本次试验测试的重点，龙骨测点布置如图7 所示。由于龙骨交线上无法布置热电偶，所以试验中将交线热电偶分别布置于腹板边缘和卷边边缘上。
3 试验过程
1) 标定热电偶。本次试验采用T 型热电偶进行温度测量。根据试验方案所需测点的要求，共实测了21 个热电偶的温度－ 电压对应关系，经标定，本次试验热电偶的温度与平均电压之间的关系式为:
T = 26. 84U － 0. 294 (1)
式中:T 为测点温度，℃;U 为平均电压，mV。
2) 粘贴热电偶，并在室内侧石膏板内侧粘贴聚乙烯薄膜，作为复合墙体的防潮层。
3) 龙骨与一侧石膏板固定。加工时应特别注意石膏板与龙骨接触面的紧密接触，但龙骨加工成型过程很难保证龙骨翼缘与腹板完全垂直，所以难以完全避免接触面轻微翘曲变形所造成的局部连接不紧密。
4) 铺装岩棉至龙骨空腔。铺装时，为使岩棉尽量充满空腔，常挤压岩棉。但挤压可能会造成龙骨与石膏板接触面的轻微变形。
5) 固定另一侧石膏板。
6) 将墙体安装就位。如图8 所示，将墙体固定至试验台试架上，墙体四周与试架的空隙用岩棉填塞密实，然后将墙体四周缝隙裱糊整齐。
7) 热电偶与测量仪器连接。
8) 运行试验台至稳定。启动试验台，设定冷、热箱和环境空气温度;当冷、热箱和环境空气温度达到设定值后，监控各测点温度，使冷、热箱和环境空气温度维持稳定。大约4 h 后，启动电压显示仪，进行测点电压值的逐时监测输出。如果逐时测量所得热箱和冷箱的空气平均温度变化的绝对值分别不大于0. 1，0. 3℃，温差逐时变化绝对值分别不大于0. 1，0. 3℃，且上述温度和温差变化不是单向变化，则表示传热过程已经稳定。
9) 采集试验数据。传热过程稳定后，即可按时进行测点温度( 电压) 的输出。本次试验采取每隔30 min 采集一次测点电压的方法，每个试验方案各采集6 次数据。
4 试验结果分析
试验方案一、二采集到的测点温度如表3 所示。依据传热规律分析本次试验测点温度数值的变化规律可知，由于轻钢龙骨为整个墙体的热桥，并且热量集中沿龙骨腹板传递，从而可知墙体从热箱吸收热量，传入室内侧石膏板，石膏板的热量向龙骨腹板汇聚，绕腹板孔洞传递至腹板外侧，到达腹板外侧后热量流入室外侧石膏板，由龙骨、室外侧石膏板接触面向板上扩散。由以上过程可知，温度的分布规律应为室内侧石膏板远离龙骨部位温度最高，靠近龙骨部位温度降低，室内侧龙骨翼缘点、内侧腹板至外侧腹板、外侧翼缘点温度依次降低，室外侧石膏板近龙骨部位再降低，而室外侧石膏板远离龙骨部位温度最低。按以上规律对比方案一、二试验数据( 表3) 可以发现，除测点1 温度值不符合以上规律外，其余各点的温度值都符合以上规律。
图9 给出两方案龙骨、石膏板测点温度比较曲线。总体来看，两试验方案测点温度变化趋势相同，但由于方案二室外侧苯板的保温作用而使相应各测点温度比方案一不加苯板时有不同程度升高:其中对室内侧石膏板测点温度影响幅度最小，如图9c 所示，两个方案中测点13 ～ 17 的温度均相差1 ℃ 左右;对室外侧石膏板测点温度影响幅度较大，而且离龙骨腹板热桥越近的测点温差越大，如图9b 所示，10 号测点位于龙骨腹板与室外侧石膏板交界处，温差达到所有测点中最大值，为10. 4 ℃，而9、11 和8、12 号测点温度依次降低;龙骨测点也表现为离室外侧越近温差越大，如图9a 所示。以上分析说明，苯板外保温层对提高复合墙体的保温性能效果明显。
5 建立有限元模型
5. 1 建立有限元模型
1) 单元选取:选取ANSYS 7. 0 有限元程序中的Shell 57 热壳单元模拟轻钢龙骨，Solid 90 实体单元模拟石膏板和岩棉。
2) 基本假设:a. 假设室内、外恒温，简化为稳态传热问题。由于墙体的保温性能是其自身的性能，不随外界条件而变化，所以将实际情况的围护结构墙体室内、外表面温度简化为恒温，使分析问题转化为稳态传热。b. 不考虑接触热阻和辐射换热。复合墙体中轻钢龙骨的翼缘与覆盖层( 通常是石膏板) 之间存在接触热阻，但由于材料间接触热阻阻值受很多因素影响，不宜统一确定，所以忽略材料间的接触热阻;由于墙体表面的辐射换热所占比例相对较小，所以忽略墙体表面的辐射换热。
3) 建立模型:根据基本假定，问题简化为稳态传热，室内、外标准温度为18，－ 26 ℃，室内、外的对流系数分别取8. 7，23. 0 W/ (m2·K)[12]。墙体单元有限元分析模型如图10 所示，墙体单元长度取国内、外轻钢龙骨墙体通常采用的600 mm 龙骨间距。轻钢龙骨置于模型中部，两侧各覆盖12 mm 厚的石膏板作为覆盖层，中间填充岩棉保温层。材料的导热系数分别取轻钢龙骨58. 2 W/ ( m·K)、石膏板0. 33 W/ (m·K)、岩棉0. 05 W/ (m·K)、聚苯乙烯板0. 042 W/ (m·K) [12]。
模型在两翼缘石膏板外侧为第三类边界条件，在其他位置上为绝热边界[13]。对于稳态传热分析而言，边界条件与温度荷载是合二为一的。
5. 2 验证有限元模型
本文的两个试验方案与有限元分析所得墙体平均传热系数对比如表4 所示。由表可见，两种方案试验、有限元所得墙体平均传热系数分别相差1. 9%、0. 8%。对比可知，二者吻合非常好，说明由有限元模型能较精确地计算出墙体平均传热系数。
6 有限元墙体节能方案分析
6. 1 墙体编号
依据所选规格龙骨参数不同来划分墙体编号。墙体编号设为Sx-hCt-y。其中:Sx 为墙体类型，x = 0为腹板不开孔龙骨复合墙体，x = 1 为腹板开孔龙骨复合墙体; hCt 为规格龙骨截面参数，h 为龙骨腹板高度，t 为龙骨厚度; y 为苯板厚度，取20，30，40 mm，若不加苯板，可略去此项。
6. 2 有限元墙体平均传热系数分析
选择JG /T 182—2005 规定的5 种规格轻钢龙骨，每种龙骨选择0. 9，1. 2，1. 5，1. 8，2. 1，2. 4 mm 六种厚度组成轻钢龙骨复合墙体;根据文献[7]的相关研究建议，取腹板开孔龙骨的标准孔洞参数为:90 mm × 3 mm × 30 mm × 9 mm，孔洞排数n = 5，如图11 所示。分析可知，孔洞长度对墙体传热系数的影响较大[2]，选取70，90，110 mm 3 个孔洞长度分别组成腹板开孔轻钢龙骨复合墙体;选择聚苯乙烯板厚为20，30，40 mm 3 个厚度组成加苯板外保温轻钢龙骨复合墙体;选取标准参数腹板开孔龙骨与20，30，40 mm 厚苯板组成苯板外保温腹板开孔龙骨复合墙体。分析以上组成的3 类保温轻钢龙骨复合墙体，将有限元分析所得的墙体单元的平均传热系数汇总于表5 中。
由表5 可见，对于90 mm 高龙骨墙体，只有在腹板开孔、外加40 mm 厚苯板保温层两种保温措施并用的条件下，才勉强可以满足哈尔滨地区的节能要求，所以即使承载力允许，也不推荐用于外墙设计。对于外墙常用的140，205 mm 高龙骨墙体，又对保温措施有不同的要求:对于140 mm 墙体，需采用苯板外保温30 mm 厚以上，若采用苯板、腹板开孔两项保温措施，苯板20 mm 厚以上即可满足;对于205 mm 墙体，除2. 1，2. 4 mm 厚墙体外，采用腹板开孔做法可满足节能要求，对于2. 1，2. 4 mm墙体，可采用加20 mm 厚苯板保温层的做法。255，305 mm 高龙骨，一般不常用于外墙龙骨立柱设计。由分析可知，腹板开孔做法即可满足节能要求。
6. 3 有限元墙体温度场分析
以205C1. 2 规格龙骨为例，图12 给出轻钢龙骨复合墙体、腹板开孔轻钢龙骨复合墙体和外加苯板腹板开孔轻钢龙骨复合墙体单元的温度场分布。
图12a、图12b 为S0 － 205C1. 2 墙体单元的温度场分布。如图12a 所示，远离龙骨两侧岩棉温度场沿墙体厚度近似呈均匀变化，即两侧墙体近似一维传热，室内侧温度约为16. 8 ℃，室外侧温度为－ 25. 6 ℃;龙骨所在范围内岩棉温度场发生了明显变化，室内侧温度降低了约8. 5 ℃，而室外侧温度升高了约4. 1℃，表明龙骨的热桥效应显著，热量沿龙骨传递明显;龙骨两侧各一倍翼缘宽度区域内岩棉温度场也受龙骨影响而呈非均匀变化，将此区域称为“龙骨影响区”。如图12b 所示，龙骨腹板温度场沿墙厚均匀变化，室内侧石膏板在影响区内温度明显降低，也表明龙骨热桥效应明显。
图12c 为S1 － 205C1. 2 墙体单元的温度场分布，对比图12b 可见，腹板开孔后温度分布发生了明显变化，由于孔洞存在阻碍了热量传递，使得室内侧腹板温度分布在12. 1 ～ 16. 8 ℃，而室外侧腹板温度分布在－ 25. 6 ～ － 16. 1 ℃，而开孔区域腹板温度分布在－ 16. 1 ～ 12. 1 ℃。并且由图12a 中，龙骨腹板开孔范围内石膏板温差很小可知，由于腹板孔洞的存在而使龙骨存在部位墙体的热桥现象明显改善。图12d 为S1 － 205C1. 2 － 20 墙体单元的温度场分布，与图12c 对比可见，加20mm 苯板后，高温侧石膏板和龙骨腹板高温侧高温区面积进一步扩大，表明苯板外保温后龙骨存在部位墙体的热桥现象进一步改善。
7 墙体经济性分析
采用《黑龙江省室内装饰工程预算定额》2003年版[14]( 简称“定额1”)、《黑龙江省建设工程预算定额( 土建)》2000 年版[15]( 简称“定额2”) 中给出的墙体基价( 含人工费、材料费、机械费) 作为计价依据，计算了轻钢龙骨复合墙体的价格组成和平米造价。
选取腹板高度为140，205，255 mm 的3 种规格轻钢龙骨外加20 mm 厚苯板组成的轻钢龙骨复合墙体为研究对象，墙体编号分别为140C1. 2、205C1. 2、255C1. 2，对轻钢龙骨墙体的价格组成进行了分析。分析表明:填塞岩棉板在轻钢龙骨墙体造价中所占比重最大，约占总价格的40% ～ 50% ;安装石膏板其次，占25% ～ 35% ; 轻钢龙骨约占12% ，粘贴聚苯乙烯板占12% ～ 16% ，安装塑料布防潮层最少，占2% ～ 5%[16]。
由墙体经济性分析可知[16]:1) 普通规格轻钢龙骨墙体的价格在110 ～ 170 元/m2 ;2 ) 腹板开孔后，墙体造价仅提高0. 4% ～ 0. 5% ;3) 苯板外保温对墙体的造价影响较大，墙体造价提高13% ～ 20%。4)在满足哈尔滨地区节能50% 的前提下，新型轻钢龙骨复合墙体与其他墙体形式相比，具有价格适中、墙体厚度小、自重轻、更节省空间等突出优点。
8 结语
1)腹板开孔轻钢龙骨复合墙体传热系数为0. 315 W/ (m2·K)，加苯板外保温20 mm 厚的腹板开孔轻钢龙骨复合墙体传热系数为0. 250 W/ (m2·K)。
2) 采用龙骨腹板开孔保温措施后，轻钢龙骨墙体的热损失明显降低，龙骨局部热桥效应明显削弱，墙体保温性能显著提高，可以满足我国严寒地区的节能要求;采用龙骨腹板开孔结合苯板外保温措施后，墙体热损失进一步降低，龙骨局部热桥效应也进一步削弱。基于本文试验结果并结合文献[9]可知，腹板开孔节能做法简便、经济，同时对龙骨的承载力降低可以控制在10% 以内;与苯板外保温做法相比，腹板开孔可以明显降低墙体的造价，可以省去外贴苯板的加工工序，同时又可以减小墙体的厚度，增大室内空间，可以在我国严寒地区( 如哈尔滨市)推广使用。
3)采用龙骨腹板开孔节能措施对墙体的造价影响极小，而且不需外加加工工序，控制了墙体的造价;墙体龙骨开孔后的传热系数明显下降，保温效果明显改善。苯板外保温对墙体传热系数降低、保温性能改善效果明显，并且对改善墙体表面结露，提高环境热舒适性作用明显;但该做法增加了加工工序，使墙体的造价明显提高。基于以上分析，建议当龙骨腹板开孔做法能够独立满足墙体节能要求的情况下，应优先采用;不能独立满足的情况下，应结合苯板外保温措施使用，以减小外保温苯板的厚度，节约墙体造价。
4) 对于常用于外墙设计的140，205，255 mm 轻钢龙骨复合墙体，针对我国严寒地区建筑节能标准，提出以下轻钢龙骨外墙节能设计方案:140 mm 龙骨墙体推荐采用腹板开孔结合加苯板30 mm 外保温的做法; 205、255 mm 龙骨独立采用腹板开孔或20 mm苯板外保温均可满足节能要求，推荐采用腹板开孔做法。
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