論預制外墻掛板與功能材料一體化設計范文

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摘　要:預制外墻掛板是一種依附于主體結構,起保溫隔熱、美化建筑物的圍護體系,可根據工程功能需求與保溫、門窗及外裝飾層結合組合成“一體化預制外墻系統”,該系統可有效提高裝配率,通過弱化現場濕作業,實現綠色環保,并降低現場人力資源的投入,提升勞動效率,縮短施工工期。本文通過對一體化預制外墻系統的設計概述進行分析,以推動這一新技術的應用,助力建筑業的發展。

關鍵詞:一體化預制外墻系統;圍護結構;新技術;工廠化生產;熱工性能

單體建筑按照組成體系可分為建筑結構體系、設備體系及圍護體系,圍護體系的種類也有砌塊、輕質墻板、幕墻以及預制外墻掛板。傳統的砌塊墻體、輕質墻體在施工過程中須切割砌塊、條板,粉塵污染、噪聲污染極大;施工完圍護部分后,還須繼續按照找平、保溫、防水、抹面、飾面等工序進行施工,因此人力投入大、濕作業多、工期較長。長期使用后,容易出現開裂。幕墻是近年較為完善的一種新型墻體,雖能夠賦予建筑美,但近年來也出現了一些安全問題,國家建設部已明文做出限制。而一體化預制外墻系統,由玻璃纖維增強混凝土(GRC)通過特制的鋼框架預制成圍護主體,圍護主體上再復合保溫、裝飾、門窗等功能層組合而成的系統。通過這種一體化組合設計,將部分施工現場工作,如外保溫安裝、裝飾噴涂等轉變為工廠化生產,既減少了現場施工的工作量,保證了施工質量,又消除了現場切割造成的粉塵和噪聲污染,并提高了建筑裝配率,有效助力了建筑工業化。

1　國內發展

隨著工業化的不斷完善,建筑工程的施工方式和管理模式也逐漸向精細化、專業化發展,建筑施工智能化、機械化的程度也在不斷提高,“單元式”、“裝配式”等概念已深入人心,樣式見圖1。“單元式幕墻”是近些年在國內興起的高新技術業務,是建筑工廠化制作的代表,其設計要求比較嚴謹,施工較為便捷,但由于造價較為昂貴,使用范圍上多為較為高檔的寫字樓或酒店項目。“裝配式建筑”在我國屬于新興行業,是有建筑施工從建造到制造的轉型,由于國家政策的推動,尤其是建筑結構體系上國內已形成了一定的規模,但由于工廠化生產工藝不統一、施工質量監測手段不完善等原因,導致裝配式的產業發展受限。據國務院、住建部的綱領性文件要求:2025年,全國新開的工程,采用裝配式技術的工程比例要達到30%,傳統建筑業的農民工短缺也已日漸明顯,勞動成本的優化勢在必行,因此預制裝配式建筑的發展勢不可擋。“一體化預制外墻系統”就是一種新型的預制裝配式外墻系統,其理念貼合市場需要,施工工藝類同“單元式幕墻”,也較為成熟,尤其是補足了“裝配式建筑”在圍護結構領域的短缺,更具優勢的是GRC與保溫、防水、裝飾、門窗等功能材料的工廠化復合。

2　設計概念

當今,建筑藝術的表達和功能的需求在不斷提高人們在節能設計中對建筑物圍護結構的要求也越來越看重。據相關統計,有3/4的熱損失都是圍護體系內外的熱傳遞造成的,改善圍護體系的熱工性能也就成為了建筑節能設計的核心。外墻防水更是保證建筑物實用性、耐久性的前提,這是整個建筑的基本需求。遵照“節能高效、舒適健康”的設計理念,集成熟適用先進技術為一體,并結合“單元式幕墻”的設計思路,對預制裝配式混凝土進行改進,通過對功能需求的探索、對材料屬性的分析,在此介紹一體化預制外墻系統的設計概念(圖2)。

2.1　藝術的可塑造性探索

GRC是一種以耐堿玻璃纖維為增強材料、水泥砂漿為基體材料的纖維混凝土復合材料,通過特制的模具及鋼框架定型,可塑性強,能充分地表達出建筑設計者藝術的創造,使建筑物的外立面更加富有獨特的藝術表現。裝飾部分與GRC纖維增強層進行整體成形,通過對于色彩、顏料、質感、紋理、線條等方面的創意性設計,圖案和顏色的有機結合,創造了一個突破性地展示出各種自然的大理石、花崗巖、磚、瓦、木等多種自然材料的裝飾效果(圖3)。采用工業化生產,可充分利用GRC材料所特有的高抗拉、抗彎、抗剪和抗沖擊強度,通過曲面內部的雙向軸力和順剪力來承受載荷,即減少了結構的自重、均散了內力,又盡可能地節約了材料。并且通過曲面造型的調整,豐富了建筑物外立面的裝飾效果。

2.2　保溫性能研究

節能是社會可持續發展的需要,也是建筑設計師的職責和義務,通過對集成式外墻進行優化設計,合理的組合厚度具有一定的熱惰性指標和較小的傳熱系數,可減少建筑物的圍護結構得熱,是符合國家發展需要的新技術,其使用也可大大提升項目的品質和示范效應。節能型型圍護結構一體化設計的是建成節能、環保、舒適、智慧、健康建筑的關鍵[1]。一體化預制外墻系統由內外GRC和內置的保溫防水層通過鋼骨架組合而成,將保溫、裝飾、門、窗等功能部件集成至圍護結構基層板,制成復合保溫、裝飾、門窗的整體大幅面預制墻板,具有保溫、隔熱、隔聲、防水、美化等功能。一體化預制外墻系統的保溫部分除擠塑聚苯乙烯泡沫板也可以采用巖棉、保溫砂漿等其它材料,厚度可根據各地節能要求確定,以確保熱工設計滿足墻體保溫隔熱性能和防結露性能要求為原則,在設計中要盡可能采用冷橋設計,減少金屬件的熱傳遞。通過設計核算,普通GRC中間復合一層厚度為60~80mm厚保溫聚苯板,其傳熱系數λ小于0.60W/(m2•K),能很好的滿足各地建筑節能設計的要求。

2.3　抗震性能

目前,國家了一系列關于抗震設計的規范,旨在對建筑物抗震設防進行分類、明確責任劃歸,并為國內的建筑設計提供依據。　　抗震設計事關人們的生命安全,同時兼顧經濟考慮,需要遵循的原則是小震不壞、中震可修、大震不倒,而一體化預制外墻系統與主體結構采用柔性節點連接,板塊之間設計有變形伸縮縫,地震時適應結構變形能力好,可很好地應用在抗震設防烈度為8度的地區。

2.4　防水、防火設計

外墻防水是建筑工程防水的重要組成部分,調查發現,外墻防水的薄弱環節主要存在于施工預留洞口、門窗洞口,這些問題在傳統施工工藝中是很難解決的。而預制外墻掛板為工廠化生產,整體成型,不存在施工預留洞的情形,且與門窗一體化復合后,更是解決了因現場施工造成的防水隱患。在外墻掛板安裝中,板塊拼接處可根據設計要求選用合適的防水材料,確保與外墻掛板的相容性、并滿足最大伸縮變形量、剪切變形等功能要求。建筑防火設計應依照預防為主的原則,在設計中需要明確的是預制外墻掛板防火構造的設置及防火材料的選擇。在研究探索中表明,一體化預制外墻系統自身的防火性能較好,在確保板縫、板與主體結構層間縫、門窗等滿足耐火極限要求,即可確保圍護結構符合建筑設計防火規范的要求[2]。

3　設計要點

3.1　材料的選擇

1)GRC混凝土。可根據工程需要采用玻璃纖維增強混凝土,強度等級不宜低于C25。2)鋼筋及吊裝配件。預制GRC外墻掛板鋼筋宜采用HRB335、HRB400級鋼筋,主筋直徑不宜小于8mm。掛板的吊裝環可采用未經冷加工處理的HPB235鋼材,也可采用符合規范要求的專用吊桿或預埋內螺紋類吊裝配件[3]。3)保溫層。保溫材料可根據節能計算選用阻燃型發泡聚苯乙烯板或壓縮強度為150~250kPa的擠塑聚苯乙烯板,也可采用符合標準要求的巖棉、玻璃棉、聚氨酷等其他高效保溫材料[4]。4)門窗。通常選用斷橋隔熱鋁合金門窗,工序上可先復合門窗的框,再根據進度安裝門窗扇。門窗在復合安裝完成后,應在工廠內完成窗口部位防水施工。5)飾面材料。飾面可選擇天然石材、陶土材料、涂料油漆等,具體選擇主要根據建筑在空間上的造型和藝術表達。

3.2　一體化外墻掛板的安裝

一體化預制外墻系統的安裝過程總體上與單元式幕墻類似,包括安裝吊具、扶直、起吊、就位、調整、固定等工序。最大的不同在于墻板與主體結構的連接方式,以及墻板拼縫的構造。預制外墻掛板按安裝形式分內嵌式與外掛式兩種。

3.2.1　內嵌式預制外墻掛板的安裝要點，1)外墻板的安裝。內嵌式墻板在吊裝前還須要臨時加固,鋼框架由頂扁鋼、底扁鋼、側扁鋼、豎向鋼管組成。墻板豎直狀態下,鋼框架的頂、底扁鋼不能承受墻板重量引起的彎矩,須臨時加固。與主體結構連接分三個部位:板頂、板側邊及板底。板頂、板側邊均通過彎錨鋼筋與主體結構連接,板底通過L形角鐵與主體結構連接。在墻板安裝就位后,拆除板頂的臨時加固角鋼。在板頂、板側的套筒內安裝彎錨鋼筋。板底的角鐵連接,采用L形連接件連接預埋錨筋。L形連接件一端連接錨筋;另一端連接豎向鋼管上的螺栓。2)拼縫處理。墻板與主體結構之間留設20mm空隙,吊裝前,在安裝部位先鋪貼一層20mm厚的巖棉防火隔離帶或砂漿。墻板就位、調整完畢,在墻板頂部及兩個側邊粘貼20mm厚的巖棉防火隔離帶,再安裝墻板頂部及兩個側邊的彎錨鋼筋。

3.2.2　外掛式預制外墻掛板的安裝要點，1)外墻板的安裝。外掛式墻板可直接吊裝,通過轉接件直接安裝在主體結構的預埋件上。在主體混凝土結構預先安裝的預埋件應經過計算確定其尺寸、厚度、錨筋直徑、錨筋數量。圍護結構基層板的豎向鋼管上,對應部位開設洞口,洞口內設置套筒并焊接牢固。2)水平拼縫的構造。墻板間縫隙寬度大約為20~35mm,為墻板的變形、移動預留空間,具體尺寸應通過計算確定。在安裝墻板前,應在板四周先貼好封邊膠條。板底的封邊膠條和板頂的封邊膠條組成縫隙內的梯形臺階。主體結構的表面貼好層間防火封堵(巖棉防火隔離帶)。縫隙封堵構造如下:在靠近主體結構一端,用耐火接縫材料、發泡氯丁橡膠氣密條封堵;在靠近室外一端,用發泡聚乙烯棒及建筑密封膠封堵;兩端之間留置空腔。3)豎向拼縫的構造。墻板拼縫通常設置在主體結構柱的中線部位。墻板間縫隙寬度大約為20~35mm,為墻板的變形、移動預留空間,具體尺寸應通過計算確定。板側邊應粘貼帶凹槽的封邊密封膠。主體結構的表面貼好層間防火封堵(巖棉防火隔離帶),縫隙封堵構造與水平拼縫相同。

4　優勢分析

1)用GRC制作的整體大幅面集成保溫裝飾門窗的預制墻板,厚140~220mm保溫復合板,重量約為200~350kg/m2,與常規裝配式混凝土外墻相比,重量減輕了50%以上,使得圍護結構自重荷載減少,進一步減少結構、地基基礎的建造成本。2)與常規蒸壓加氣混凝土板安裝施工技術相比,一體化外墻掛板不存在現場切割,有效控制施工現場粉塵污染。采用常規安裝施工技術時,200厚蒸壓加氣混凝土板,3人一組每天可安裝30~40m2。采用一體化外墻掛板安裝施工技術時,墻體施工速度可提升2~3倍。3)一體化外墻掛板預先集成了裝飾保溫,可減少現場40%~50%的裝飾保溫工作量,進而縮短圍護保溫裝飾施工工期40%~50%。

5　施工要求

一體化預制外墻系統的使用依賴于建筑外立面的模塊化設計,在方案比選階段就應邀請專業廠家的介入,依據建筑師的需求進行深化設計,使分塊構件盡量標準統一,便于工廠化生產和流水施工。其工藝流程包括生產工藝流程和安裝工藝流程。

5.1　生產工藝流程一體化外墻板的生產工藝流程為:清理模臺→組裝骨架→安裝附件→安裝連接件→組裝模具→定位校核→澆筑GRC→門窗&保溫安裝→養護脫模→防水作業→裝飾作業→清洗及檢驗。

5.2　安裝工藝流程安裝吊具→吊裝就位→調節垂直、水平定位→安裝頂底連接節點→板縫處理。

5.3　質量控制要點1)制作一體化外墻掛板前,應對進場的原材料———鋼框架、GRC、保溫板等復檢,檢驗合格后方可使用。2)一體化外墻板進場時,應全數檢查外觀質量。墻板室內面不應出現開裂;復合薄抹灰時,抹面砂漿應平整,無凸起或凹陷;復合保溫裝飾板時,飾面應完好無破損。3)一體化外墻掛板的尺寸允許偏差應全數檢查,不得有影響墻板安裝、使用的尺寸偏差。4)全數檢查墻板上的套筒(側邊的套筒、吊點套筒、底部連接件套筒),埋入墻板的套筒應牢固無松動,套筒內無異物或砂漿堵塞。5)全數檢查用于連接主體結構的錨筋,錨筋的類型、直徑、長度、形式應符合相關的規定。

6　工程應用評價

中國建筑第七工程局在某學校項目應用了一體化預制外墻系統。經比較,其圍護體系的施工速度由4人一組30~40m2/每天提升至90~120m2/每天,施工速度提升了2~3倍;現場保溫裝飾工作量減少了45%,工期也相應縮短了40%以上;墻體厚度減少,有效使用面積增減。示范工程的實踐表明,該設計系統具有顯著的經濟效益,綠色環保,具有推廣應用的潛力。

參考文獻

[1]　黃永申.被動式建筑圍護結構一體化施工重要性的探討[J].建設科技,2019(19):62-65.

[2]　中華人民共和國城鄉和住房建設部.預制混凝土外墻掛板應用技術標準:JGJ458—2018[S].北京:中國計劃出版社,2008.

作者：王春暉 單位：中國建筑第七工程局有限公司