一种新型的木结构建筑体系—结构保温板(SIPs)体系介绍

一种新型的木结构建筑体系—结构

保温板（SIPs）体系介绍

大连阔森特新型建材有限公司 孙全

一 大连 116600

木材是大自然赐予人类宝贵的礼物，是

唯一可再生的主要建筑材料，也是唯一

的“负碳”建筑材料。 采用木材作为主要

承重构件的木结构建筑温暖自然、温馨

美观、节能抗震，尤其是在近十年，在

中国得到了越来越多的理解和应用。作

为一种新的木结构建筑体系，结构保温

板建筑体系（Structural Insulated

Panels， 简称SIPs）源自北美轻型木

结构体系，采用类似的原料，但发展为

集结构和保温一体完成，有更优异的保

温效果，更好的结构性能，也更强调预

制和工业化加工，以2007年正式写入美

国民用建筑规范为标志，在世界各地得

到了越来愈多的应用，但在中国了解和

应用不多，本文希望对此体系做一简单

介绍。

一、 结构保温板（Structural Insulated

Panels, 简称SIPs）的定义及历史

结构保温板，翻译自英文全称Structural

Insulated Panels, 以下简称SIPs，是由

两片承重板材由结构粘合剂胶合在硬质

泡沫板上成为一体的板材，这样做成的

板材既承重又保温,可以直接作为房屋的

结构保温一体材料使用，故被称之为

SIPs，如图1。

图１结构保温板结构示例

SIPs板的面材应为承重类板材，例如：

多层板(plywood), 定向刨花板(OSB)，

水泥板,等。目前在在世界范围内，因为

工业化程度高，性能稳定，柔韧性好，

尺寸大（最长7.32M）,OSB板作为面材

应用最为普遍。目前美国最常用和测试

数据最全并进入国家建筑标准的是OSB

板面的SIPs。SIPs的芯板包括膨胀聚苯

乙烯(EPS),挤出聚苯乙烯(XPS),聚氨脂

(PU)。目前市场份额最大的是膨胀聚苯

乙烯(EPS)。

SIPs的尺寸很多，以北美市场OSB板

面、EPS芯材的SIPs为例，宽度尺寸

为1.22-2.44M, 长度尺寸从

2.44M-7.32M, 板材的厚度从114 毫米

(阻热系数2.64 k‐ m2/w, 传热系数

0.379 w/k‐ m2) 到311 毫米(阻热系

数8.11 km2/w,传热系数0.123 w/k‐

m2)用以满足不同隔热程度和承重强度

的要求[1]。

历史上，位于美国维斯康星州的美国森

林实验室(Forest Products Laboratory,

FPL)最早就注意到了使用木质面材和泡

沫芯材形成一体类夹芯类板材以后，该

夹芯板材会有意想不到的效果强度强度，

最早从1935年开始对三明治类的板材

进行了长达20多年的跟踪和系统研究。

1967年，FPL 采用SIPs建了一个实验

工厂，效果非常好。

图2 SIPs 意想不到地强壮

私人方面，美国的建筑学家和工程师

Alden B. Dow，陶氏化学创始人的儿子

从1945年开始对SIPs对结构保温板进

行了研究，并在1952年他最先设计建造

了3栋SIPs 房屋，该房屋一直存在。

从上世纪60年代起，在北美，陆续有专

业的SIPs工厂不断成立，供应SIPs板

材或SIPS房屋,SIPs体系得到了更多的

应用和关注。目前，世界上比较大的SIPs

工厂都集中在北美，比较成规模的工厂

大约有50家左右。目前，SIPs房屋占

北美每年新开工住宅的5%左右的市场

份额。

二、 SIPs的用途

根据使用位置和承担功能的不同，SIPs

在建筑行业的可以主要有2个用途:

第一种是直接作为承重保温一体构件用

于建造住宅,一般是低层住宅，在北美，

理论上可以比对轻型木结构建到六层，

但以3层以下居多，SIPs可以作为墙体

和屋顶直接使用，既承重又保温，在大

多数情况下可以不用其他框架框架，在

一些载荷集中点，或者大的开口处，通

过金属或木构件（梁或柱）等进行加强，

这和北美轻型木结构的做法是一致的。

这种用途的典型特征是，结构保温板的

承载力（轴向、水平、剪切）载荷都要

体现在结构核算中。因为OSB板面的

SIPS尺寸较大,最长可以达到7米，重

量轻，接缝少，可以形成教堂式高屋顶，

作为屋板在结构保温板房屋中或者混凝

土住宅中使用得到了越来越多的建筑商

和业主的青睐。

一栋典型的SIPs房屋的建造过程：图2-

图11。

图3SIPs板材运到现场

图4从

角落开始安装

图5一层

墙体一般一天可以完成

图6楼板

也采用SIPs

图7高兴的业主

图8 2层墙体

图9上屋顶梁

图10屋顶梁已经上完

图11SIPs主体完成（7天）

图12最后的外装完成

第二种是SIPs作为围护体系进行使用，

一般是大跨度的建筑物，比如厂房，学

校，购物中心等。 先用钢或木构架做好

结构框架部分，然后结构保温板作为围

护结构出现。因为结构保温板优异的加

工性能，很容易跟构件进行连接。考虑

到结构保温板强度较高，可以减少或取

消檩条的使用。这种体系中，结构保温

板的保温性能也得到和很好的利用。下

图，为一所学校和一个活动中心的施工

图片。

图13-17 采用SIPs作为围护结构

下图，美国南极科考站（可达到摄氏零

下75度）的部分建筑采用SIPS建造。

三、SIPs的标准

在发明和使用了50 年之后,SIPs结构体

系于于2007 年5 月23 日被列入美国

国际民用住宅(International

ResidentialCode)建筑标准。此标准的意

义在于简化使用，界定了在一定范围内

的低层房屋，可以按照参照该规范进行

直接使用。给定的范围为:结构保温板用

做内外承重墙体时,楼房深度不得超过

18.288 米,宽度不得超过10.973 米,楼

房高度不得超过两层,每层高度不得超过

3.048 米。按此标准建造的房子,能承受

风力的设计极限为每小时209.17 公里,

能承受地面积雪压力的设计极限为(3.35

kN/m2),能承受地震区域A,B,和 C。在

建筑设计指标超出此极限时,有执照的结

构工程师需要根据材料性能和建筑标准

进行计算。

此标准还对结构保温板房屋体系组装所

需要的粘合密封胶,面材,芯材,和零配件,

该标准同时对房屋的动荷载,静荷载的设

计要求进行了标准化。同时,此标准还提

供了还有各种标准图集。

四、SIPs及SIPs房屋的特点

1、节能显著

结构隔热板建筑体系的最大特点是节能。

SIPs因为采用了硬质保温材料作为芯材，

双面覆板，工厂化生产，结构和保温一

次完成，连续保温，接口进行密封处理，

从而保证了SIPs房屋的保温隔热性能

大幅度提高。传统的2X4建筑体系的房

屋主要依赖絮状玻璃丝棉，空隙、吸潮、

工人的安装水平都会对房屋的保温造成

影响。美国橡树岭国家实验室Oak

Ridge National Laboratory对采用SIPs

建造的房屋和使用2X4体系建造的房屋

进行了使用监测比对，测试数据表明：

采用SIPs建造的房屋，比同等厚度的采

用传统的2X4体系建造的节能30%左右，

比钢筋和混凝土房屋的保温隔热效果更

加明显。

图18SIP板材和SIP房屋整体的隔热系

数比较,及传统2×4 和2×6 墙板和房屋

整体隔热系数比较.图中阻热系数R的单

位是ft²·°F·h/Btu ( 1 ft²·°F·h/Btu ≈

0.1761 K·m²/W)

（数据来源：美国橡树岭国家实验室

Oak Ridge National Laboratory，

**Whole wall R-Value Comparison,

Oak Ridge National Lab）

因为SIPs 优异的保温性能，美国南极

科考站部分建筑采用SIPs建造，下图

19。

图19美国南极科考站部分建筑采用

SIPs

2、轻质高强

结构上看，SIPs板材可以被视为工字梁，

两块面材相当于工字梁的翼缘，芯部材

料相当于腹板，通过连接加强，产生了

非常好的复合结构性能。实验数据表明，

采用木连接的SIPS墙体会比同样厚度

的2X4墙体的轴向承载力提高30%左右。

结构保温板也继承了2X4轻型木结构

“ 轻”的特色，自重轻，对基础要求低，

抗震性能高。SIPs也经过了大量实验进

行了各种力学性能的检测。

在过去的三,五十年里,用结构保温板建

成的房屋,在龙卷风,地震,台风，和大雪

灾中的表现突出.

图20. 美国乔治亚州科勒蒙特市的一栋

SIPs房屋在经历1998年的龙卷风后完

好无损,而周围的二十七栋用美国传统方

法建造的房屋则倒塌严重。

图21. 美国田那西州萨亩那县的一栋

SIPs房屋在一场龙卷风中,整栋房子从

地基上移开,而墙和屋顶还在。

3、品质稳定

SIPs对工业化要求更高。主要板材以及

加工都在工厂内加工完成,北美要求工厂

有一套严格的质量管理管理体系，采用

经过认证的原材料，由第三方对产品进

行不定期抽样认证，有严格的安装手册

和指南。通过引入计算机辅助设计和制

造，SIPs部件通常都在专业化工厂内进

行了结构验算、加工、装配和编号，到

现场以后只需要按照图纸进行拼装，大

大降低了对现场人员的技能要求，提高

了工作效率，房屋品质也更稳定可靠。

4、低碳环保

SIPs房屋除了节能对减轻环境压力有突

出的贡献外，在北美，结构保温板的面

材主要是OSB板。OSB板是由三,五年

的快速生长木材或者小口径低级材，通

过工业化生产完成，对材料的利用率高，

生产效率高。EPS泡沫板芯隔热性能好，

是目前性价比最好的保温材料。结构保

温建筑体系大量使用可再生、可重复利

用的建筑材料。结构保温板建筑一般都

在工厂进行了主要的加工，废料和垃圾

进行了有效的处理。在建造过程中基本

无垃圾排放甚至“零”垃圾排放,将对现场

的影响降低了到了最低。因此，SIPS建

筑体系是绿色建筑的首选体系之一，获

得了广大的建筑设计师，尤其是注重低

碳环保的设计师的青睐。

4、施工快捷

SIPs体系通过工程设计、工厂化预制和

加工，极大提高了现场的建设速度。一

栋200 平方米的别墅到达现场后，借助

专业的工具，按图索骥，经过培训的四

个工人只需要五天左右即可把房子的主

体组装起来，对施工速度要求高和人力

成本高的地区尤其合适。灾难恢复期, 结

构保温板因其施工周期短而引起政府,建

筑商,和开发商的关注。

6、防火安全

北美的SIPs体系，沿用轻型木结构一样

的体系防火标准,通过大量的测试，证明

SIPs的防火性能完全达到或超过目前轻

型木结构建筑的防火标准。

7、造型多样 舒适稳定 易于维护

采用SIPS建造的房屋冬暖夏凉，居住舒

适。采用SIPS建造完房屋的主体以后，

防潮防水、挂板、屋顶都沿用和2X4体

系相同的内外装处理，材料通用、标准、

兼容性高，可以在短时间营造一个舒适、

多变、美观、易于维护和升级的建筑。

五、SIPs在中国

目前，大的专业化SIPs工厂都集中在美

国和加拿大。中国，2000年左右，有小

批量的SIPs房屋从美国引进。从2007

年开始，以大连阔森特为代表的公司全

套从北美引进SIPs技术和生产线，生产

出的产品除了外销，部分销售到国内市

场，代表性的项目有获得LEED白金级

认证莫干山裸心谷项目。裸心谷树顶别

墅项目采用大连阔森特新型建材有限公

司提供的SIPs预制房屋，是中国目前最

大的SIPS建筑群。因为杰出的保温效果、

迅捷的建造速度、对周围环境最少的影

响和破坏，该项目成果获得LEED绿色

建筑白金认证。如下图 22-26

图20-24 浙江莫干山裸心谷30栋树顶

别墅采用SIPs建造

同时，住建部住宅产业化中心，哈尔滨

工业大学，南京林业大学， 林科院也有

一批专家和学者密切跟踪SIPS技术并

开展了一系列的研究和测试。为了紧跟

国际前沿建筑体系，住建部住宅产业化

中心和哈尔滨工业大学牵头，从2011

年开始，组织国内厂家和专家，进行了

国内第一本有关结构保温板行业规范的

编制，该规范已经完成了终审，将于近

期正式颁布。该规范将有力地推动结构

保温板建筑体系在中国的推广和应用。

希望在不久的将来，采用SIPs建造的木

结构房屋能更多地应用在低层住宅,包括

别墅，度假房屋，新农村住宅,让更多人

的人能享受到这样一个绿色、节能、舒

适、安全的房屋建筑，同时，也为中国

的节能减排做出贡献。