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城市窑洞研究与应用
太原理工大学博士生导师 李珠
我今天下午讲一点土生土长的东西，特别是和山西省地方特色有关的东西。中国有5000年历史和文化继承的窑洞，传统窑洞这样的理念和概念，我们想办法把它引用到现代建筑业中来，对所做的工作获得的成果，希望通过交流和各位总工能够喜欢所谓的“城市窑洞”，或者学名叫“整体式保温隔热建筑”这么一个概念，希望大家能够进一步共同的研究、推广、应用。研发单位首先是太原理工大学，在座的开发商总工应该有很多是这个学校毕业的。
绿色窑洞
山西应该是窑洞发祥地之一，特别是晋城，最早的窑洞记载在这里，对窑洞也有长达50年的研究。它是一个绿色建筑，也是个生态建筑，也是典型的超低能耗的节能建筑。也叫长寿洞、长生洞。据研究资料表明，住窑洞的人能比住普通楼房的人多活6岁。有这样的报道，大家看浮土厚度70公分左右，这是窑洞建筑的特点，主要是冬暖夏凉，透气，不结露，保湿条件强，隔声等这些特点。它体现了天人合一，以人为中心的思想，表现出超前的生态观念，同时又给我们的研究、搞绿色建筑提供了一些借鉴。
城市窑洞的形成
首先是一个材料，因为土木工程的革命，是伴随着材料，像有了砖瓦、有了混凝土、施工方法、设计方法都发生了很大的变化，成为土木工程的两次革命。那么你想在现代楼房里搞窑洞，首先也是一个发明。要有这个材料的发明才可以，然后考虑到设计、施工、验收应该都要有章可循。所以应该有设计、包括配套设计以及施工、配套的施工，从多方面形成了所谓的城市窑洞。这里绿色高效的节能材料有两种：一种是玻化微珠保温砂浆；一种叫玻化微珠承重保温混凝土。这次我在展板上放了有玻化微珠的形成过程，从原矿上来讲，也叫松脂岩，然后经过高温膨胀，膨胀完以后玻化，如果光膨胀不玻化就是传统的珍珠岩，如果再加上了玻化表面形成一个硬壳，这个就叫玻化微珠。表面玻璃化的微小的珠子，或者叫空心石头，替代砂子、替代石子都是有可能的！空气进入混凝土能起到保温作用，但是强度下来很快，所以将玻化微珠与混凝土配合有很强的应用的背景。玻化微珠保温砂浆呢，就是砂浆，送到现场以后，可以涂抹式施工或者喷涂式施工来做保温层，也可以采用国内最先进的配方，导热系数可以做到0.0437，按照技术修约规定就是0.05，比聚本板略高一点。保温效果还是比较好，是穿着贴身内衣，保温效果比较特殊，和干挂聚本板或者挤缩板相比，它没有空腔结构，这个空腔占板的面积有40%到50%的，空腔很难做到完全密闭，就有冷空气，而冷空腔层对保温效果是影响很大的！从保温的效果来讲，保温砂浆的保温效果是非常好，后面还有一些我的客户和用户，他们要现场的说一说使用保温砂浆以后的体会！这是城市窑洞的照片。
玻化微珠保温承重混凝土也是我在学校带了几十名研究生博士，连续5年做出来的项目。它的强度可以达到C40，导热系数才0.2！传统混凝土的导热系数是1.74，相当于提高了8倍多，如果是C20混凝土导热系数可以达到0.13多，提高了10倍以上的保温效果。但是承重的性能不受影响，这是做城市窑洞需要用的材料，正因为有了这两种材料，还有一种砌块，比较简单，把保温承重混凝土的材料变成砌块就可以了。实际上国家要求提倡的外保温，包括国内普遍执行的50%节能标准我们还要执行，还要做，在这个基础上，又加上室内的六面体保温，或者保温瓶内胆式保温这么一套系统。这个标准规范都出来了，建设部也批准了！这是所谓城市窑洞的实现方式。这是其中一种。用这样的方法可以盖高层，多层都可以用。
第二种方式保温承重混凝土。这座房子用混凝土来做，楼板也是保温承重混凝土。墙体用保温承重的砌块或者混凝土来做。哈尔滨地区，东北最冷的地区，导热系数到0.15就可以了，就不需要再做其他任何节能措施了！比如说聚苯板、挤塑板、聚氨酯这些都不需要了，这个工作最近还在进行。因为不到C40的强度标准盖高层还是不安全的，所以还在研究。同时进行这个工作研究的，可能我做的比较早现在也引起国内大学的重视，好像哈尔滨工业大学一位70多岁退休博士生导师吴教授，他也在做，福建大学也在做。
城市窑洞施工技术
施工比较简单，继承传统，用机械化的喷涂做保温砂浆。发泡体和保温砂浆结合起来，喷到墙上就可以了，导热系数非常低，降了0.05以下。同时提高了施工效率，人为因素也少了很多。作为厂家都想卖多一点材料，用越多越好，可是作为施工单位，就抹得越薄越好，他省工了！作为建设单位又不愿意让你省料，这个不好控制了。而采用这样的做法后减少了人为因素。比如说定位钉，把钉子钉上三公分，然后喷涂的时候把这三公分盖住，把钉子盖住，然后大板一刮平，这样最小的厚度保温层三公分，这是很好的技术。从原材料的生产，到玻化过程，生产工具，到结构设计到施工，到材料的研发等等有十几项专利，构成了城市窑洞，做了很多年。这个窑洞一些特点是这样的，首先建筑的自重大为减轻。至少减轻14—30%，费用也应该减少14%。高抗震设防地区来说可以减轻更多！因此带来很多的优点。
而结构自重减轻，相应的结构抗震性能就大为提高。自重和抗震性能是反比。这样在结构上来讲就下降，因为抗震性能提高，尤其像山西，如果抗震性能提高了可以降低自重。它基本上做到结构上配筋率最小！河南地区我接触了几个设计院，它结构设计水平是非常高，基本上从楼板、墙板都是结构配筋。到了规范规定的最小值，你再降就降不了了。
另外，它的节能效果好。也做了很多试验，暖通设备，包括刚才讲的电地暖，水源热泵、地源热泵或者中央空调，在暖通设计上这里可以减少50%，因此这块费用省得比较多，还有自重减轻带来地基处理配用降低等等，所以总体建造费用不增加，有利于开发商们接受。再好的东西成本增加了，推广起来就困难了，所以我也在追求综合运用多学科知识，来降低城市窑洞的造价，达到快速推广的目的。大家刚刚听到这个城市窑洞的这个标准，是2009年6月1号才批准实施的，所以它肯定有一个为大家熟悉的时间过程！最近中国建材报头版头条，包括中国很多媒体都在做报道，神奇的城市窑洞等等。我们做了很多工作、很多样板，效果还是不错的！像表现出来的恒温恒湿这么一个概念！在这里解释一下什么叫恒温？在房间里，温度上下波动只能是一度，这就叫恒温。各位开发商、各位设计师都知道，一般的房子是达不到的！咱们现在所说的城市窑洞就是这个效果，不管外面温度变化有多么剧烈，房间内部的变化在一度之内，这就是恒温目前的定义。恒湿定义也非常简单，就是上下湿度的波动在10度以内叫恒湿，这是针对城市窑洞所下的恒温恒湿定义，同时也是它的一个特点。防火等级高，A级防火！因为这种材料是烧制出来的，水泥也是烧制出来的，它不怕高温。怎么烧也烧不着！在定义上讲A级不燃材料正好是建设部和公安部联合2009年的9月25号联合发文，关于外墙保温的防火暂行规定所需要的。现在设计院开始执行了，这个文件会大大推广无机保温材料的应用。
对生态这些概念还有待于数据的证明，但是从现在目前表现的情况看，它能进入温度表的绿色区域和湿度的绿色区域，强调了居民的舒适度，温度表有两个绿色区域，目前我们所做的城市窑洞都能进入这两种区域。这是一个实测情况，城市窑洞的温度比较低，在20多度，湿度也很合适，温湿度都在绿色区域内，人感觉比较舒适，或者说是在令人健康长寿的区域内。城市窑洞室内温度23度！这是我测的2009年阳曲县粮食局六层楼房，城市窑洞温度夏天测25度左右，普通住宅波动比较大！温度也比较高在30多度。所以，城市窑洞追求的是形状上不似窑洞，而是追求功能上要超过传统的土窑洞。传统的土窑洞测试的数据也很有意思，冬季在不加任何取暖的情况下也就是8度左右，这几天我带的几个博士还在延安、阳曲等地取一些窑洞的数据。他们给我打电话说都非常好，超过传统的窑洞的保暖效果！传统的窑洞就是8度左右，在冬天城市窑洞在不采暖的情况下可以达到12度以上！
所谓城市窑洞追求的热湿环境，接近传统窑洞的热湿环境，这么一个概念。现在的楼房和传统的窑洞在使用上在功能上是接近的。在保持现代的建筑原有风格和使用功能不变的前提下，达到传统土窑洞的要求，同时很好解决了传统土窑洞难以解决的几大问题，像光照问题、通风问题和霉变问题，这三个问题都很好的解决了。它的价值主要是从几个方面来说，在节能这个领域来讲，是国家不用买单，各地政府不用买单，开发商和建设单位不用买单，居民不买单，科学来买单的最高目的。国家不买单是指能耗方面，全年能耗每平方米每年标准煤是13.5公斤标煤每平方米。六五节能标准就是北京、天津、少数直辖市现在执行的标准是六五节能标准，它是每平方米每年是8.75公斤标准煤。欧盟标准是8.57公斤标准煤。咱们这个城市窑洞通过大量的实测和计算才达到了8公斤标准煤。这是节能的一个意义！比五零标准提高了5.5公斤标准煤节能。这个实际上意义是非常大的，每平方米每年5.5公斤标准煤。而这个如果设计得当，各方面配合，确实构成建造成本不增加，又节能提高了5.5公斤标准煤是什么概念？正好是温家宝总理在哥本哈根大会上代表中国政府宣布的，节能相比2005年提高40%！按照我的每年新建建筑面积来计算达到20亿平方米，如果未来20年来，仅仅采用这项技术，可以节省25.4亿吨标煤，减少碳排放63.5亿吨二氧化碳！即有建筑也要改造，国家已经列成既定任务了！2020年就要完成全国全部城镇的即有建筑物节能改造。国家投资1.5万亿，各级政府配套，至少超过3万亿，就是说4.5万亿做旧房改造这么一个宏大的工程。如果把这个考虑进去，按10年来考虑可以节省39.1亿吨标煤，碳排放减少97.8亿吨。现在山西省每年煤的产量不超过7亿吨，而这个产值也非常大，各级政府不买单，是说特别支持分户计量政策，每一个房间都是六面体保温，所以可以做到分湿控制，非常节能，不会再出现你用电热膜，中间的那家就不用，你用电采暖我就不用，我停了，你家的热传过来就够我用了，不会出现这种情况。
从今年开始2010年建设部明确要求所有的新建建筑，如果不是实施分户计量，一律不得验收，非常强硬，最近几天中央电视台报道了这样的消息，所有北方地区的采暖必须上分户计量仪表！这个应该说城市窑洞这项技术，是各类节能产品的加速器和放大器，有这样的功能，用户讲使用效果的时候会谈到这件事，因为它确实节约了运营成本，产值以山西省为例，城市窑洞新增建筑一年按5000万平方米计算，咱们每年山西省建筑总量就是这么多！大概需要1870万立方米的玻化微珠保温砂浆。按照每立方米1100元计算，山西省这个行业的年产值是205亿的产值。这对开发商不买单来说，城市窑洞设计标准可以达到减少成本20%以上，而且整个房子达到了A级防护水平，这是开发商不买单的意义。住户不买单是指建造费用基本相当，采暖费大为减少。以空调为例，拿山西地区来讲，我做了这么多样板，没有一家是用空调的，所以山西省空调费用是零，总成本是下降的。
这样做还特别舒适。带来冬暖夏凉，恒温恒湿，健康长寿，经济，减少采暖费用。这主要是指在山西，在南方主要是升温、降温迅速，这是内保温的一个特点。城市窑洞的特点我做了一个总结，自己编的顺口溜：形状不似窑洞，功能胜似窑洞。节能上可超欧盟，节地上多盖几层，防火上最高A等，建造上成本不增，抗震上超越传统，暖气上基本不动，空调上根本不用，隔音上更加分明，毒气上吸收干净，空气上湿润美容！这个地方我插入一句，因为从保温砂浆到腻子到涂料都是配套产品，配套以后可以达到很好的保湿的功能，湿度比普通房子要提高得多，能进入绿色区域。
另外一个特点是吸收有害气体非常迅速，24小时可以吸收掉装饰装潢有害气体——甲醛、苯啊等等吸收达到95%，48小时可以吸收掉97.5%，这都有严格的测试和试验。标准也已经采纳了。所以这六面体吸收毒气非常厉害！健康上可比寿星，计量上各户分清。费用上降到心动，设计上简单易行。施工上继承传统，开发上窑洞必赢，世界上兴建窑洞，谁住上谁最聪明，发明上“李珠”留名！不好意思说了我自己的名字，其实是想保持一份原创性，因为中国造假很厉害！仅仅留一个名就可以了。
这里有些工程实例和推广的情况。这是玻化微珠整体式保温隔热建筑应用技术规程。这是发明专利证书。