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CN112714816A - 用于制造具有木质框架的建筑构件的方法、具有木质框架的建筑构件和建筑构件系统 - Google Patents

用于制造具有木质框架的建筑构件的方法、具有木质框架的建筑构件和建筑构件系统 Download PDF

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CN112714816A
CN112714816A CN201980061270.4A CN201980061270A CN112714816A CN 112714816 A CN112714816 A CN 112714816A CN 201980061270 A CN201980061270 A CN 201980061270A CN 112714816 A CN112714816 A CN 112714816A
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wood
building
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帕斯·海拉宁
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Original Assignee
Aalto Korkeakoulusaatio sr
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Publication date
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Abstract

一种用于制造具有木质框架的建筑构件(1)的方法，该方法包括：形成木质面板(2、3)的建筑构件的框架；用隔热材料(10)填充框架的内部空间；包覆木质面板(2、3)，以将建筑构件(1)的框架的外表面限定为基本上气密的；用膨胀珍珠岩(10)填充框架的内部空间；以及通过连接到建筑构件的真空泵(7)在建筑构件内部的空间中施加真空。本发明还涉及具有木质框架的建筑构件，以及由多个具有木质框架的建筑构件组成的建筑构件系统。

Description

用于制造具有木质框架的建筑构件的方法、具有木质框架的 建筑构件和建筑构件系统
技术领域
本发明涉及一种具有木质框架的预制建筑构件及其制造方法。更确切地说，本发明涉及一种由木质材料制成并具有箱形框架结构的建筑构件，在箱形框架结构内部设置有隔热材料；用于制造这种建筑构件的方法；以及包含多个这种建筑构件的建筑构件系统。
背景技术
从现有技术已知各种建筑构件。建筑构件通常是建筑物的预制构件，其从制造工厂输送到建筑工地用于安装。建筑构件通常包含支撑材料层或框架，其可由例如混凝土或木材制成，以及设置在支撑材料之上或之中的隔热材料层。
一种用于建筑物的隔热材料是真空隔热板(VIP)，其中隔热材料设置在气密的箱型结构内部，并且在生产阶段对隔热板的箱型结构施加真空。该真空显着地提高了隔热板的隔热性能。
真空隔热系统技术也应用于建筑物的结构中。
文献US 3,968,831公开了一种解决方案，其中通过在墙壁结构的面板之间施加真空并且通过调节真空以控制墙壁结构中的热传递来控制建筑物的墙壁结构中的热传递。
在将真空技术应用于更复杂的结构中时，开发承受由气压差引起的负荷并且因此具有足够低的传热能力的多边形构件框架是有问题的。
发明内容
本发明提供一种具有木质框架的建筑构件，构件的木质框架具有气密覆层，框架填充有膨胀珍珠岩，并且通过真空泵在构件中施加真空。真空泵可以是构件的整体部分，或者它可以是附接到构件上的部件。
根据本发明的具有木质框架的建筑构件承受接近零巴的负压，并且实际上消除了建筑中的露点(dew point)问题，因为真空泵可用于将气体形式的内部水分从构件中除去。根据本发明的建筑构件提供了具有非常有效的隔热、干燥和无模具的结构设计以及动态可调节的热透射系数的结构。通过由真空泵改变构件中的内部压力，可以改变通过构件传递的热能的量。
膨胀珍珠岩层的热导率为以下条件的和：1)空气的热导率(在多孔珍珠岩层内)，2)固体的热导率，以及3)由热辐射引起的热传递。在微尺寸的多孔结构中，即使在比在大的空的空间中高得多的压力下，也实现了空气的热导率的根本降低。空气通过空气分子的碰撞传热。随着压力的充分降低，空气分子将比彼此更频繁地与多孔填充材料的壁碰撞，导致空气的热导率降低。在膨胀珍珠岩的情况下，在约0.1毫巴的压力下，空气的热导率已经可以降低到接近零的水平。如果不使用填充材料，应达到低1000倍的压力(该数量级取决于隔热层的厚度)。膨胀珍珠岩本身不应施加压应力，否则珍珠岩颗粒的多孔结构将坍塌，并且固体矿物材料将通过它传导数倍更大量的热。
优选地，根据本发明的建筑构件还可以在高水分含量与高温一起对现有技术的构件设计造成重大问题的条件下使用。例如，在聚氨酯和聚苯乙烯的情况下，水解破坏分子之间的键，最终破坏整个隔热层。在矿物羊毛的情况下，羊毛的粘合剂开始随时间降解。此外，羊毛层中可能的空气湿气凝结将从根本上损害隔热能力。另一方面，已经在市场上销售的真空隔热板(VIP)相对于它们的特性将会起作用，但是在它们的情况下，成本效率对该技术在许多潜在应用中的使用构成了限制。在根据本发明的真空隔热系统(VIS)构件的制造中，可以使用廉价的原材料，这就是它们也提供成本有效的替代方案的原因。
在根据本发明的用于制造具有木质框架的建筑构件的方法中，构件框架由木质面板形成，框架的内部空间填充有隔热材料，限定建筑构件框架外表面的木质面板被包覆成基本上气密的，框架的内部空间充满膨胀珍珠岩，并且通过连接到构件的真空泵在建筑构件内部的空间中施加吸力。
在根据本发明的方法的实施方式中，建筑构件的面板的边缘优选地设置有斜面，在该斜面处面板通过胶合接合部连接在一起。以此方式，提供了一种有效抗真空的接合部。
在根据本发明的方法的实施方式中，支撑件优选地插入到由建筑构件的面板限定的内部空间中，以连接构件的最大面板。以此方式，构件的结构可以被加固和加强以增强其对该构件内部的空间中的真空的抗性。这些支撑件优选为杆状件或设置有开口的板。优选地，支撑件也由木质材料制成。
在根据本发明的方法的实施方式中，建筑构件的木质面板优选为胶合板，并且建筑构件的支撑件也优选由胶合板或单板层积材(LVL)制成。
在根据本发明的方法的实施方式中，玻璃和/或橡胶片材优选地附接至建筑构件的木制面板的外表面，以使这些面板基本上气密。也可以使用金属片材，诸如铝质片材。优选地，通过施加弹性固定层，诸如液体橡胶HSB200材料层，将片材紧固到构件的木板上。
在根据本发明的方法的实施方式中，优选地在建筑构件内部的空间与真空泵之间安装过滤器，以防止在施加和保持真空期间从构件内部移除隔热材料。
根据本发明的具有木质框架的建筑构件包含木质框架和放置在框架内的隔热材料，限定建筑构件的框架的外表面的木质面板被包覆为气密的，框架的内部空间填充有膨胀珍珠岩，真空泵连接到构件，用于在框架的内部空间中施加真空。
在根据本发明的建筑构件的实施方式中，连接到构件的真空泵优选地用于调节建筑构件的框架的内部空间中的真空。内部空间中的真空的这种调节使得能够动态地调节建筑构件的隔热性能。
在根据本发明的建筑构件的实施方式中，构件的面板的边缘优选地设置有斜面，在该斜面处面板通过胶合接合部连接在一起。木质面板优选为胶合板。
在根据本发明的建筑构件的实施例中，框架的内部空间优选地配备有连接构件的最大外部面板的支撑件，支撑件优选地为杆状件和/或设有开口的板。优选地，支撑件也由木质材料制成，诸如举例而言胶合板或单板层积材。
在根据本发明的建筑构件的实施方式中，玻璃和/或橡胶片材附着到建筑构件的木制面板的外表面，以实现基本的气密性。这里也可以使用金属片材，例如铝质片材。优选地，通过施加弹性固定层，诸如液体橡胶HSB200材料层，来紧固片材。
在根据本发明的建筑构件的实施方式中，建筑构件有利地包含在真空泵的连接部处的过滤器，以防止从构件的内部移除隔热材料。
在根据本发明的建筑构件的实施方式中，构件的厚度优选为10至150cm，更优选为15至30cm，并且构件的宽度优选为120至320cm。
本发明还提供一种建筑构件系统，其包含多个根据本发明的建筑构件，所有建筑构件连接到同一个真空泵。这样，通过单个真空泵对系统的所有建筑构件施加真空，整个系统的隔热性能可以通过同一泵调节。如果将真空泵放置在待隔热的建筑物内，则泵也将充当热源，因为泵所使用的能量将主要转化为热。
根据本发明的方法的特征将在权利要求1中更详细地呈现，根据本发明的建筑构件的特征将在权利要求8中更详细地呈现，并且根据本发明的建筑构件系统的特征将在权利要求15中更详细地呈现。本发明的优选实施方式和特征将在从属权利要求中公开。
附图说明
在下文中，将参考附图通过实施例的方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的建筑构件的一部分的结构，
图2A至图2D示意性地示出了根据本发明的建筑构件的面板的一些边缘接合部，
图3A和图3B示意性地示出了用于根据本发明的建筑构件内部的空间的一些支撑件，
图4A至图4C示意性地示出了用于根据本发明的建筑构件的单独地和附接到面板上的板状加强件，以及加强件的可选实施方式，
图5A至图5D示意性地示出了根据本发明的建筑构件的侧面板的加强件的一些实施方式的示意图，
图6示意性地示出了在两个不同的突出部中的用于侧面板的加强件的可选实施方式，并且
图7示意性地示出了根据本发明的建筑构件的截面图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的建筑构件1的结构的一部分。
在图1的实施方式中，建筑构件1的结构由面板和底部板2、构件的侧面板3和支撑棒4组成。在图1的实施方式中，这些侧面板3还设置有加强件5。
图2A至图2D示意性地示出了根据本发明的建筑构件的面板2和侧面板3之间的边缘接合部的实施方式，以及边缘接合部的变型。
在该实施方式中，在面板2和侧面板3的所有边缘上加工45度的斜面。在这些斜面处，面板2和侧面板3通过胶合接合部6接合在一起。
这些斜面用于使由于胶合板片材的真空干燥而引起的尺寸变化而导致的侧面板3和面板2(侧面板和面板优选为胶合板片材的构件)之间的胶合接合处6的伸长最小化。这仅基于木材的天然正交各向异性材料特性；就是说，木材的尺寸以及胶合板的尺寸都会根据含水量的变化而变化，这取决于观察材料的方向。通过这些45度的斜面，可以使含水量对胶合接合部6处的影响最小化。
在图2A的实施例中，斜面在要接合的片材2和3的整个厚度上延伸，而图2B的示例示出具有不完全斜面的接合部。在图2C的示例中，接合部的外边缘被加工以圆化，而在图2D的示例中，接合部的外边缘被加工成斜面，该斜面的平面基本上垂直于胶合接合部6。图2C和图2D的边缘形状有助于构件的外表面的覆层变得气密。
图3A和图3B示意性地示出了用于根据本发明的建筑构件内部的空间的一些加强件7和8。
加强件7和8设计成具有端部加宽部分的杆状形状。作为正交各向异性材料(orthotropic material)，木材以不同的方式承受载荷，这取决于载荷的方向。为了使尽可能少的热量通过建筑构件传导，并且在通过构件的面板承受压力时不被切断，支撑元件7和8的端部必须成形为其端部比其中间部分更宽。
在图3A的实施方式中，在图3A中的两侧和端部突起部中示出的支撑件7通过车床加工制成，并且所使用的材料是胶合板或单板层积材(laminated veneer lumber)。
在图3B的实施方式中，支撑件8被设计成具有角形形状并且通过锯切、铣削或激光切割由胶合板或胶合板梁制成。
图4A和图4B示意性地示出了根据本发明的建筑构件的单独地和连接到面板2上的板状加强件9，且图4C示意性地示出了根据本发明的建筑构件的板状加强件的可选实施方式9’。
在图4A和图4B的实施方式中，实际上，板状加强件9对应于图3B的均匀成排的角形支撑件，其端部彼此连接。该实施方式提供了分离的单个支撑件的可选方案。这种板状结构有利于制造根据本发明的建筑构件的支撑结构，以及其与构件的面板2的附接。在该实施方式中，寻求制造成本和隔热能力之间的折衷。板状加强件9优选地由胶合板通过铣削制成。
图4B说明了根据本发明的建筑构件的内部支撑结构的实施方式，其具有板状加强件9。
在图4C的板状加强件的实施方式中，板状加强件9’中的开口通过钻孔形成，其中在开口的形成中实现了成本效益。
图5A至图5D示意性地示出了根据本发明的建筑构件1的侧面板3的加强件的一些实施方式的示意图。
在根据本发明的建筑构件中，可通过优化构件的侧面的设计来增强侧面的成形。因此，构件的侧面结构通过将由薄单板制成并具有均匀厚度的矩形胶合板片材(侧面板3)胶合至由胶合板制成并加工成形的侧面加强结构而制成(图1，加强件5)。以这种方式，与具有完全均匀厚度的侧面结构的构件相比，获得了更低的构件的热透射系数。
在图5A的实施方式中，侧面板的加强结构5a由垂直的加强件形成。在该加强结构5a中，加强件垂直于侧面板的纵向方向，且加强结构由胶合板片材通过铣削制成。
在图5B的实施方式中，侧面板的加强结构5b由形成网格状结构的加强件形成。在该加强结构中，加强件相对于侧面的纵向方向倾斜，形成网格结构，且加强结构由胶合板片材通过铣削制成。
在图5C的实施方式中，侧面的加强结构5c具有穿孔结构的几何形状，该穿孔结构可以通过钻孔而不是铣削来制成。因此，构件的U值没有被完全优化，但是可以降低构件的制造成本。
在图5D的实施方式中，侧面的加强结构5d具有不同尺寸和位置的开口，其中开口的尺寸和位置用于相对于具有均匀厚度的侧面结构以成本有效的方式提高构件的U值。
图6以侧向投影和截面图示出了用于侧面板的加强结构的进一步发展的实施方式。该图示出了胶合到加强结构5e上的侧面板3。
在根据本发明的建筑构件中，通过铣削为加强结构的加强件提供T形肩部，鉴于构件更好的热透射系数，可以进一步优化侧面的加强结构。对于根据图5A所示的横向加强件，在图6中进行了说明。
T形肩部的内角也可以是圆化的。该解决方案可应用于垂直加强件(图5A)，具有网格结构的加强件(图5B)以及具有穿孔结构的加强件(图5C和图5D)。在穿孔结构中，开口必须通过铣削加工。与具有相同横截面积没有肩部的加强结构相比，T形加强件增加了加强结构的弯曲刚度。因此，该构件的侧面结构可以被制成具有较轻重量的结构的形式，并且更少的热量将沿着侧面结构通过构件被传导。
图7示意性地示出了根据本发明的建筑构件1的截面。
在该实施方式中，建筑构件1包括：面板2，侧面板3，用于构件内部空间的支撑杆4，用于侧面板的加强结构5，用作隔热材料的膨胀珍珠岩(perlite)10，面板上的玻璃覆层11，侧面上的橡胶片材覆层12，面板上的弹性紧固层13，包覆片材的边缘处的密封缝14，连接真空泵15、过滤器16以及真空泵17的连接部。
在该实施方式中，通过使用窗玻璃将建筑构件1的面板2的气密覆层实施为玻璃覆层11，并且通过使用EPDM橡胶片材将侧面板3的气密覆层实施为橡胶片材覆层12，通过使用液体橡胶HBS200材料将橡胶片材与弹性固定层13紧固。金属片材(诸如铝质片材)也可用作气密覆层。
用于真空泵17的连接部15设置有过滤器16，以防止膨胀珍珠岩10从构件内部的空间移除。使用具有微筛目尺寸的金属过滤网作为过滤器15。
建筑构件1的框架部分通过用聚氨酯胶胶合连接在一起。
建筑构件1的厚度可以在10cm和150cm之间变化。在大多数应用中，构件的厚度在15cm与30cm之间变化，但在寻求最小U值的应用中，构件可具有甚至大于一米的厚度。构件的宽度可以在120cm与320cm之间变化。在大多数用途中，构件的宽度将在280cm与320cm之间。构件的长度可以在120cm与1500cm之间变化。在大多数用途中，构件的长度将在600cm与1500cm之间。在长于300cm或宽于150cm的构件中，使用有疤痕的胶合板作为用于面板和侧面板的材料。
实施例
在第一实施例中，在10℃，即大约283K的平均温度下检查具有120cm×120cm×23.6cm的尺寸的构件。膨胀珍珠岩的密度为60kg/m3，且层的平均孔径假定为100微米。此外，在构件中保持约0.1毫巴(millibar)的压力。在此条件下，空气的热导率约为0.0025W/(m·K)。由珍珠岩层的固体物质和热辐射传递的热导率估计为约0.006W/(m·K)的值。因此，确定的珍珠岩层的热导率的总值将为0.0085W/(m·K)。
所检验的构件的面板由具有18mm厚度的桦木胶合板组成，并且它们彼此间隔20cm放置。在框架结构的侧面，使用根据图5A的加强件，以及如图3A所示由胶合的层压木材制成的49个支撑杆7。将胶合后的层积材的所有单板对齐，以达到最佳的抗压强度。支撑杆的锥形中间段的最佳半径因此是10mm，并且继而加宽端的半径是20mm。该构件的一个侧面包含横向于侧面纵向的六个加强件。这些加强件具有15mm的宽度和21mm的厚度。加强件之间的距离为135mm，且胶合在侧面加强结构上的薄单板胶合板厚度为6.5mm。
发现胶合层压板在单板方向的热导率为0.22W/(m·K)，且估计桦木单板在单板方向的热导率为0.17W/(m·K)。因此，由上述几何形状获得的沿框架传递的热的透射系数的比例为约0.040W/(m2·K)。继而珍珠岩层的比例可以确定为0.041W/(m2·K)。最后，通过求和珍珠岩层与框架结构在热透射系数上的比例，得出该构件的U值为0.081W/(m2·K)。
检查构件的较大尺寸，沿着构件的侧面传递的热的相对比例减小构件的热透射系数；这些侧面的截面积与构件的总截面积之间的比率减小。在另一个实施例中，所述构件的尺寸为3m×1.5m×23.6cm。因此，构件的热透射系数沿着构件的框架传递的热的比例减小到值0.027W/(m2·K)，并且对于构件将获得低至0.068W/(m2·K)的计算U值。由此，通过使构件更厚，通过优化框架在图5A和6的方向上的几何形状，甚至可以进一步降低热透射系数，并且通过增加阻挡层的密度，从而可以在构件中获得更低的内部压力。
在第三实施例中，检查根据第一实施例的情况，但例外的是将构件的内部压力维持在约3毫巴。因此，可以将珍珠岩层的总热导率估计为具有约0.020W/(m·K)的值。因此，可以计算在构件的热透射系数中珍珠岩层的比例的值为0.10W/(m2·K)，且计算出的U值为0.14W/(m2·K)。在这些条件下，在2018年9月，由Eurofins Expert Service(欧陆专家服务，以前的VTT专家服务)的Hot-Box(热箱)设备进行构件的试样的热透射系数的测量。测量的U值为0.28W/(m2·K)。理论U值和测量U值之间的差异可能是由于膨胀珍珠岩的粒度过大。
关于附图所示和上述的本发明的实施方式，应当注意，它们并不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将知道如何并且可以在所附权利要求的范围内以多种明显的方式修改这些实施方式。因此，本发明不仅限于上述实施方式。

Claims (15)

1.一种用于制造具有木质框架的建筑构件(1)的方法，所述方法包括：形成用于所述建筑构件的木质面板(2、3)的框架，所述框架中的内部空间填充有隔热材料(10)，其特征在于，包括包覆所述木质面板(2、3)，以将所述建筑构件(1)的所述框架的外表面限定为基本上气密的；用膨胀珍珠岩(10)填充所述框架的内部空间；以及通过连接到所述建筑构件的真空泵(17)在所述建筑构件内部的空间中施加真空。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述建筑构件(1)的所述面板(2、3)的边缘设置有斜面，在所述斜面处，所述面板通过胶合接合部(6)接合在一起。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将支撑件(7、8、9、9’)插入到由所述建筑构件(1)的所述面板(2、3)限定的内部空间中，以连接所述建筑构件的最大面板(2)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述支撑件是杆状的(7、8)和/或配备有开口的板(9、9’)，并且所述支撑件由木质材料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述建筑构件的所述木质面板(2、3)是胶合板片材，并且其中，所述建筑构件的所述支撑件(7、8、9、9’)也是由胶合板制成或由单板层积材制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，将玻璃板(11)和/或橡胶片材(12)和/或金属片材附接到所述建筑构件(1)的所述木质面板(2、3)的外表面上，以实现基本的气密性，该附接优选地通过施加弹性固定层(13)来进行。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述建筑构件(1)的内部空间与所述真空泵(17)之间安装有过滤器(16)，以防止从所述建筑构件的内部去除隔热材料(10)。
8.一种具有木质框架的建筑构件(1)，包括木质框架和插入所述框架中的隔热材料(10)，其特征在于，限定所述建筑构件的所述框架的外表面的木质面板(2、3)被包覆成气密的，所述框架中的内部空间填充有膨胀珍珠岩(10)，并且，真空泵(17)连接到所述建筑构件，用于在所述框架的内部空间中施加真空。
9.根据权利要求8所述的建筑构件(1)，其中，连接到所述建筑构件的所述真空泵(17)用于调节所述建筑构件的所述框架的内部空间中的真空。
10.根据权利要求8或9所述的建筑构件(1)，其中，所述建筑构件的所述面板(2、3)的边缘设置有斜面，所述面板在所述斜面处通过胶合接合部(6)接合在一起，并且其中，所述木质面板(2、3)优选为胶合板片材。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的建筑构件(1)，其中，所述框架的内部空间配备有支撑件(7、8、9、9’)，所述支撑件连接所述建筑构件的最大外部面板(2)，所述支撑件优选为杆状(7、8)的和/或设置有开口的片材(9、9’)，并且优选地由木质材料制成。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的建筑构件(1)，其中，玻璃板(11)和/或橡胶片材(12)和/或金属片材附接到所述建筑构件的所述木质面板(2、3)的外表面上，以实现基本的气密性，该附接优选地利用弹性固定层(13)来实现。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的建筑构件(1)，所述建筑构件设置有过滤器(16)，所述过滤器与所述真空泵(17)的连接部(15)相连接，以防止从所述建筑构件的内部移除所述隔热材料(10)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的建筑构件(1)，其中，所述建筑构件的厚度为10至150cm，优选为15至30cm，所述建筑构件的宽度为120至320cm，并且所述建筑构件的长度为120至1500cm。
15.一种建筑构件系统，包括多个根据权利要求8至14中任一项所述的建筑构件(1)，所有所述建筑构件连接到同一真空泵(17)。
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