《Journal of Building Engineering》：Structural Performance and Contemporary Design Considerations of Thermal Breaks in Buildings: A State-of-the-Art Review
随着城市化进程加快以及气候响应型设计标准不断演进，提升建筑能源效率、韧性与可持续性在过去数十年中已成为全球优先议题。建筑行业约占全球能源消耗的40%，因此是碳排放与环境影响的重要来源。为降低该类能耗，开发能够有效缓解热桥效应（thermal bridge）的高性能建筑围护结构成为关键挑战，尤其是在局部热流速率显著升高的传热路径中。此类热不连续不仅会增加能耗，还会导致表面温度下降、冷凝风险上升、湿气积聚以及使用者热舒适性下降。为此，热断桥（TB）作为一种工程技术方案被提出，其通过在结构或围护体系中引入低导热材料，以中断导热传热路径。对热断桥技术日益增长的依赖推动了先进热断桥材料研究以及新一代热断桥体系的发展。
热断桥最初主要应用于非承重幕墙界面和楼板边缘部位，此时热工性能是首要设计考量。早期传统热断桥通常由承担弯矩与剪力的钢筋以及保温材料共同组成。尽管配置了保温材料，该类体系仍表现出较显著的热桥效应，其线性传热系数可达0.4–0.6 W/m·K，同时连接刚度约降低30%–40%。为在维持结构安全的同时提高保温能力，钢筋随后被低导热的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）构件所替代。因此，在传统体系中引入GFRP受压构件后，线性热桥修正值可降至约0.1–0.2 W/m·K，显示出热工性能的显著改善，同时仍保有荷载传递能力。
近年来，大量研究致力于量化不同热断桥在多种荷载作用下的力学行为。为同时提升结构效率与热工效率，研究人员提出了采用芳纶纤维增强聚合物（AFRP）与GFRP等低导热材料的预制保温构件。相关研究通常通过足尺试件的单调加载、循环加载及抗震试验，评估极限承载力、刚度、延性与破坏模式等关键参数。针对钢梁连接的研究表明，氯丁橡胶层厚度增加会导致连接刚度和抗弯承载力逐步降低。另有研究提出45° N形桁架热断桥体系，可在满足4.0 m悬臂阳台适用性要求的同时传递弯矩和剪力。此外，早期研究指出，用于楼板连接的热断桥体系可在16–19 m阳台长度范围内维持足够的低周疲劳性能。与此同时，蒸压加气混凝土（AAC）、泡沫玻璃以及聚合物-混凝土嵌件与聚苯乙烯组合的混合方案等保温芯材，也被探索用于特定热断桥构件。虽然AAC因其保温性能而被广泛使用，但约束AAC砌体亦表现出较高的抗震延性，其延性系数可达2.99–11.49。为进一步提升结构与热工综合性能，SUNE、Schoeck Isokorb以及SLABE等专有热断桥体系相继被提出，并展现出更优的综合表现。
数值模拟已成为建筑围护体系热断桥结构分析与设计优化的重要工具。研究人员采用有限元建模（FEM）软件，如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、Cast3M与COMSOL Multiphysics，对热断桥的结构性能与热性能进行了更为深入的研究。有关钢筋混凝土阳台体系的研究利用ABAQUS模拟混凝土非线性行为及混凝土与保温芯材之间的相互作用；其他研究则针对SUNE热断桥开展数值分析，以预测其低周疲劳行为及长期循环荷载下的退化。进一步地，针对SLABE-BS-ZN的有限元分析表明，随着弯矩增加，连接抗剪承载力会显著下降；也有研究显示，热断桥可能略微降低整体刚度，但不会明显削弱延性或抗倒塌能力。然而，由于针对热断桥构件徐变、应力松弛与退化特性的研究仍然不足，其可靠性评估仍受到限制。
热断桥性能通常通过其减热能力来衡量，包括线性传热系数（Ψ-value）、点传热系数（χ-value）以及热流。试验研究表明，优化设计的热断桥体系可将线性传热系数从传统楼板的0.90 W/(m.K)降低至0.35 W/(m.K)，降幅超过60%。Ge等人的整栋建筑能耗模拟研究表明，在阳台连接部位设置热断桥可使多户住宅采暖能耗降低11%。因此，为进一步提升建筑围护结构热工效率，研究工作正持续开发优于传统膨胀聚苯乙烯（EPS）的新型高性能保温材料。研究人员考察了在轻钢龙骨翼缘中集成气凝胶条带的效果，结果显示其可使R值提高65%。类似地，在幕墙支座中采用GFRP等低导热材料可有效减弱热桥并显著降低围护结构传热。对于AAC墙体，季节平均导热系数增幅为11.7%，而混凝土热桥材料仅增加6.2%，表明湿分会显著削弱保温性能。进一步研究还指出，在湿热地区，当考虑湿分传递影响时，AAC墙体外角部平均传热系数的修正幅度可达7%–25.6%。然而，除材料导热率之外，热断桥体系的整体几何构型同样对热工性能具有显著影响。
本前沿综述旨在系统回顾并分析现有文献，重点关注不同热断桥技术的结构性能特征。同时，研究综合既有成果，对当前热断桥体系的局限性、挑战与工程实施情况进行批判性评估，并回顾其现有应用以说明实际实施现状。此外，本文审视了涉及热断桥结构性能的现行标准，包括欧洲规范（Eurocode）、美国钢结构协会规范（AISC）及热断桥制造商Schoeck指南，以评估规定性与性能化设计框架对该类体系的适用程度。研究还在统一框架下系统整合热断桥的结构与热工视角，综合评估材料构成、连接刚度、荷载传递机制、热工因素与实际设计考量，并识别其在长期耐久性、适用性行为与当代建筑应用实施挑战方面的研究空白。通过整合既有知识，本综述旨在为热断桥结构性能未来研究方向奠定基础，并为工程师实现高韧性、高能效和可持续建成环境提供实践启示。
1. Introduction
文章首先从建筑节能与碳减排背景切入，指出热桥是高性能围护结构中的关键薄弱环节，并阐明热断桥（TB）通过插入低导热材料切断导热通路的基本工程价值。正文回顾了传统热断桥从不锈钢钢筋+保温材料体系向玻璃纤维增强聚合物（GFRP）构件替代的发展路径，指出其在线性传热系数与结构刚度之间存在明显权衡。随后概述了近年来围绕芳纶纤维增强聚合物（AFRP）、GFRP、蒸压加气混凝土（AAC）及专有体系如SUNE、Schoeck Isokorb、SLABE开展的试验与数值研究，并指出有限元建模（FEM）已成为分析其非线性受力、低周疲劳与热工行为的重要手段。引言最后明确了本文目标：在统一框架下整合热工与结构两个维度，系统评估热断桥体系的性能、应用、规范适配性与研究空白。
2. Research Methodology
本节说明论文采用系统综述方法，对不同热断桥构型的结构行为、热行为与当代设计问题进行批判性评估。文献检索覆盖Scopus、Web of Science、Google Scholar Search 与 ASCE Digital Library，时间范围为1990—2026年，并以“thermal break”“thermal bridge”“thermal performance”“structural performance”“building envelope”等关键词组合进行筛选。纳入标准为经同行评审的英文论文，且需报告热断桥热性能和/或结构性能；会议摘要、非英文文献及技术相关性不足的研究被排除。最终共识别105篇记录，其中64篇进入定性综合分析。研究进一步建立数据提取表，对热断桥类型、材料、应用区域、方法、安装方式以及关键结构/热工指标进行归纳，并辅以文献计量分析，显示研究主题由材料层面热特性逐渐转向性能导向评价，这一趋势支撑了本文对试验、数值和案例研究的重点关注。
3. Fundamentals and working principle of TB
本节从热工与结构双重机理出发，解释热断桥在建筑中的工作原理。文章指出，建筑热桥最常见的机制是导热，钢材与钢筋混凝土因导热系数显著高于周边保温材料，会在楼板边缘、阳台连接和幕墙穿透部位形成连续导热路径，导致热流线密集、局部传热增强及冷凝、霉菌和材料劣化风险增加。热断桥通过在结构构件之间引入导热系数通常低于0.1 W/m·K的材料，如膨胀聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯、气凝胶或纤维增强聚合物（FRP），从而重分配热流、改善等温线分布并降低总传热。与此同时，热断桥设置于阳台板—主体板、钢梁—混凝土柱等关键节点时，又必须承担恒载、活载、风荷载、地震作用和雪荷载，因此其选型必须同时满足热阻提升与荷载传递要求。
3.1. Types of Thermal Break and Their Material Properties
作者将热断桥按荷载传递需求分为承重型结构热断桥、局部承重型热断桥和非承重型热断桥，并进一步归纳为结构节点热断桥、点式/局部热断桥、墙体挂板与幕墙支座热断桥、窗与框架热断桥四类。该分类强调了不同体系在材料构成、作用位置及功能目标上的差异：结构节点型更强调弯矩、剪力与轴力传递；局部型则多通过条带、垫片和垫块控制局部导热；幕墙支座与窗框型通常以提升围护结构热工性能为主。
3.1.1. Structural Joint TB
在结构节点热断桥部分，文章总结了SLABE、Rutherma、Dalle-Fa?ade、Schoeck Isokorb、Aramid/GFRP、SUNE 与 Armatherm 等体系。其共同特征是在节点内部通过低导热材料与高强承力元件的组合，实现热工功能与力学功能分离。常用保温材料包括EPS、GFRP、硬质聚苯乙烯泡沫等，而抗拉、抗压和抗剪则依赖不锈钢杆件、钢筋或FRP构件。部分先进系统还采用超高性能混凝土（UHPC）或钢纤维增强模块承受局部压应力与剪力。针对墙—板连接，文中重点提到SLABE混合混凝土体系，其通过不锈钢Z型/N型型钢、双相不锈钢U形筋与聚氯乙烯（PVC）保温盒实现较高承载力与延性，并可将热桥效应降低30%–65%。
3.1.2. Point or Localized TB
点式或局部热断桥主要包括热断桥条带、垫片和垫块，广泛用于轻钢龙骨（LSF）墙体。文中指出，此类体系材料类型十分多样，包括气凝胶、松木、再生橡胶、橡胶-软木复合材料、挤塑聚苯乙烯（XPS）、EPS 以及FRP。实际应用中，条带通常布置在竖向钢龙骨翼缘内侧、外侧或相邻双翼缘位置，也可布设于外饰面与钢框架之间。作者认为，这类局部热断桥虽然结构承载作用有限，但在关键连接部位的合理布置可明显提高热阻并改善整体能效。
3.1.3. Wall Cladding & Bracket Thermal Breaks
对于墙体挂板与幕墙支座热断桥，论文强调其在现代通风幕墙和外墙体系中的重要性。此类系统主要通过在金属支座与墙体锚固点之间设置预切割保温垫，切断局部导热通路并降低点传热系数。常见材料包括高强聚合物、纤维增强聚酰胺、矿物绝热材料以及在特定条件下采用的AAC块材。作者特别指出，这类体系的结构性能不仅取决于保温层材料力学性能，也与支座几何形状密切相关，尤其是在压剪组合受力下更为敏感。
3.1.4. Window & Frame TB
窗与框架热断桥部分主要围绕边缘保温、气凝胶热断桥及复合幕墙竖梃展开。文章指出，窗框中常将铝、木材、乙烯基与中心/边缘密封垫组合，通过绝热中空玻璃单元（IGU）的隔离来减少玻璃—框架界面及框架周边导热。气凝胶可作为颗粒或毡材填充于窗框内，但文中引用研究表明，在某一具体比较中，气凝胶导热系数高于EPS，替代后反而可能降低热工表现。对于复合幕墙竖梃，则通过铝合金型材与聚酰胺段拼接形成混合构件，实现承载与隔热兼顾。本节最后强调，湿分暴露和湿热循环会提高有效导热系数，并诱发腐蚀、冻融、聚合物老化及界面退化，因而湿分效应是热断桥长期耐久性评估中不可忽视的因素。
4. Structural Performance of Different TB Configurations
这一部分系统综述了不同热断桥构型的结构性能。总体上，结构热断桥在改善热工表现的同时，往往会改变节点刚度、承载机理与破坏模式。文中指出，已有研究关注了剪弯受力、低周疲劳（LCF）、动力性能和抗震响应，揭示出不同材料体系之间存在显著差异。例如，芳纶体系刚度较高但抗压强度低于GFRP体系；SUNE体系的循环退化行为可纳入概率设计框架；采用Armatherm 500?的现浇阳台则出现比无热断桥构造更大的挠度。文章据此说明，结构型热断桥不能仅凭单一极限承载力评价，而应综合考察延性、刚度退化与长期服役响应。
4.1.1.1. TB performance under Shear and Bending Loads
在剪力与弯矩作用下，SLABE及混合节点热断桥表现出较明确的受力差异。文中总结 Abdallah 等与 Keller 等试验结果：墙—板连接在水平剪切下最大抗剪能力高于竖向剪切；在阳台—楼板连接中，随着弯剪比（M/V）增加，最大抗剪承载力下降而最大抗弯能力上升。相比之下，采用GFRP元件的混合节点承载力与刚度均低于SLABE体系，但变形能力相对更高。破坏模式包括混凝土冲切、剪切屈曲、冲切锥分离、钢筋周边混凝土破坏以及受支承侧混凝土延性损伤等，显示出热断桥节点的力学控制机制具有明显多样性。
4.1.1.2. Low-cycle fatigue performance of TB
低周疲劳性能是结构节点型热断桥的重要评价维度，尤其针对长期受热变形、使用荷载反复作用和环境效应影响的阳台连接。文中概述了SUNE体系8个试件的试验结果，表明位移幅值与疲劳寿命呈显著负相关：较大位移幅值会大幅降低循环寿命。其退化过程表现为先缓慢损伤、后快速强度衰减的两阶段模式。随位移幅值增大，破坏模式由钢构件槽口与螺栓孔附近断裂，逐步转变为焊缝破坏，再到U形钢附近混凝土压碎，说明低周疲劳下构件控制部位会发生从钢连接区向混凝土区的转移。
4.1.1.3. Dynamic performance of TB systems
动力性能研究主要聚焦于抗震区次结构如阳台中热断桥对刚度和振动特性的影响。论文指出，Isokorb 模块在地震模拟中表现出延性滞回响应与较稳定的承载能力衰减特征；其长期刚度明显低于短期刚度，原因在于循环热变形所致微裂缝积累削弱了连接性能。该结果提示，在动力分析和抗震设计中，采用长期刚度而非初始刚度更能反映热断桥阳台体系的真实动力特征。
4.1.1.4. Seismic behavior of TB systems
抗震行为方面，SLABE体系的研究显示，其引入了一定程度且可预测的柔化效应，使结构自振频率仅小幅下降。随着地震峰值加速度提高，连接刚度降低、阻尼增加，表明损伤发展会带来能量耗散增强。文章据此认为，虽然热断桥会引起一定刚度退化，但已有试验结果总体支持其在合理设计条件下可保持稳定、可预测的抗震响应。
4.2. Point or Localized TB
对于垫片、垫块和条带类局部热断桥，文章认为其多用于端板连接、钢连接和隔墙等部位。FRP垫片在屋盖柱和雨棚梁中的试验表明，其不会显著损害强度、刚度和耗能能力；而轻钢隔墙中引入生物基和再生材料条带，则更适用于非承重体系。与此同时，采用氯丁橡胶作为热断桥垫层虽然可有效隔热，但会随着厚度增加而显著降低连接转动刚度和极限弯矩，并改变破坏模式，这一现象体现出局部热断桥材料柔度对结构性能的直接影响。
4.2.2. Wall Cladding & Bracket TB 与 4.2.3. Windows and Frame TB
在幕墙支座与窗框系统中，热断桥通常不是主承重构件，但仍需满足自重、局部稳定与足够刚度要求。AAC块材在低荷载条件下具备一定抗压能力，适用于部分围护节点；聚酰胺与铝合金组合支座则可在保持较高承载能力的同时显著降低热桥。复合幕墙竖梃的四点弯曲试验显示，其失效经历“完全组合受力—界面滑移启动—独立传力”三阶段过程，且跨长增加会导致峰值荷载降低、位移增大与初始刚度下降。作者借此指出，非主承重热断桥构件的受力表现同样受材料界面协同作用与几何尺度控制。
4.3. Numerical Simulations on Structural Performance
本节总结了ABAQUS、Cast3M-CEA、DIANA FEA、LS-DYNA等有限元工具在热断桥结构分析中的应用。文章指出，阳台—楼板与墙—板热断桥节点因承担关键荷载传递而最受关注；宏单元模型、混凝土损伤塑性（CDP）模型及非线性弹塑性模型已被用于模拟剪切承载力、裂缝扩展、刚度退化及地震响应。对幕墙、支座与窗框热断桥而言，数值模型能够较好再现应力集中、滞回变形及三阶段破坏过程。但作者也强调，将热工过程与结构响应耦合到统一数值框架中，仍是未来研究的重点方向。
5. Thermal performance of different TB configurations
在热性能部分，论文系统梳理了热断桥的关键评价指标，包括传热系数（U-value）、线性传热系数（Ψ-value）、点传热系数（χ-value）、热阻（R）与热流率（q），并说明其基于ASHRAE Handbook 与加拿大国家建筑节能规范（NECB）的计算原理。作者指出，结构节点、幕墙支座、窗框及局部连接的热桥机制差异明显，因此热断桥效果同时取决于材料导热率、厚度、几何构型和连接形式。综述结果表明，气凝胶、FRP、氯丁橡胶和低导热聚合物较传统金属体系具有更低热流和更高热阻；增大热断桥厚度通常能够降低热流，但改善幅度并非无限增加，存在实际最优厚度范围。阳台连接、幕墙支座、楼板—墙体节点与窗框界面仍是热桥最显著的区域，也是热断桥应用最具价值的部位。
6. Practical Implementation of TB in Buildings
文章通过工程案例说明热断桥已在现代建筑中实现较广泛应用，尤其集中于阳台板连接、幕墙支撑、女儿墙、楼板边缘、遮阳构件及屋面结构等关键部位。文中列举了 Garneau Twin Towers、Sonder Maisonneuve、芝加哥14层住宅、U.S. Bank Stadium 以及多处采用 Armatherm、ArmaGirt? 与 Passive House 方案的项目。相关案例表明，热断桥已从局部热工修正手段演变为可与结构体系协同工作的围护构造组成部分。作者同时指出，不同场景对结构性能与热性能的要求并不相同：非承重部位以热工表现和适用性为主，而阳台、支座和墙—板连接等承重部位必须同步满足极限状态、正常使用极限状态与热工目标。
7. Design Standards and Manufacturer Specifications
关于规范与设计指南，论文指出现有标准对热断桥结构应用的直接规定仍较不足。美国钢结构协会规范（AISC）与欧洲规范 EN 1993-1-8:2018 主要通过填充层或垫层折减系数间接处理热断桥层对螺栓抗剪和承压的影响，但尚未充分考虑徐变、刚度退化、多轴受力及变形协调等问题。相比之下，Schoeck Isokorb 提供了针对混凝土型与钢结构型产品的附加挠度、弯矩与抗剪承载力验算方法，在工程适用性上更进一步。作者据此提出，承重型热断桥设计宜遵循“先结构、后热工”的顺序：先完成承载力与适用性校核，再评估热性能、冷凝风险、耐久性与施工性；而非承重型热断桥则主要由热工与适用性指标控制。
8. Research Gap & Future Research Directions
本节指出当前研究的主要缺口在于：热—力耦合性能研究不足，长期徐变、松弛、疲劳和环境老化影响缺乏系统考察，试验方法与性能指标尚未标准化，现行设计规范也缺少面向热断桥构件的统一设计框架。作者建议未来应开展结合机械加载与热循环的综合试验、现场监测与多尺度非线性数值分析，并强化实验、工程与标准制定机构之间的协同，以推动热断桥安全、可靠且广泛地应用于高性能与气候韧性建筑中。
9. Conclusion
结论部分综合指出，热断桥在阳台—楼板、墙—板、剪力墙—楼层等关键结构节点中作用最为显著，其能够有效降低热桥、减少冷凝风险并提升建筑能效，但也会带来连接刚度下降、受力路径改变和破坏模式转变。有限元分析对其结构响应具有较好预测能力，而长期服役与环境退化仍是突出知识空白。总体而言，热断桥的有效实施必须在热阻提升、结构安全与工程可实施性之间取得平衡，这也是当代建筑围护结构高性能设计的核心要求。
