論預(yù)制外墻掛板與功能材料一體化設(shè)計(jì)范文

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摘　要:預(yù)制外墻掛板是一種依附于主體結(jié)構(gòu),起保溫隔熱、美化建筑物的圍護(hù)體系,可根據(jù)工程功能需求與保溫、門窗及外裝飾層結(jié)合組合成“一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)”,該系統(tǒng)可有效提高裝配率,通過(guò)弱化現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè),實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保,并降低現(xiàn)場(chǎng)人力資源的投入,提升勞動(dòng)效率,縮短施工工期。本文通過(guò)對(duì)一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述進(jìn)行分析,以推動(dòng)這一新技術(shù)的應(yīng)用,助力建筑業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞:一體化預(yù)制外墻系統(tǒng);圍護(hù)結(jié)構(gòu);新技術(shù);工廠化生產(chǎn);熱工性能

單體建筑按照組成體系可分為建筑結(jié)構(gòu)體系、設(shè)備體系及圍護(hù)體系,圍護(hù)體系的種類也有砌塊、輕質(zhì)墻板、幕墻以及預(yù)制外墻掛板。傳統(tǒng)的砌塊墻體、輕質(zhì)墻體在施工過(guò)程中須切割砌塊、條板,粉塵污染、噪聲污染極大;施工完圍護(hù)部分后,還須繼續(xù)按照找平、保溫、防水、抹面、飾面等工序進(jìn)行施工,因此人力投入大、濕作業(yè)多、工期較長(zhǎng)。長(zhǎng)期使用后,容易出現(xiàn)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(lái)也出現(xiàn)了一些安全問(wèn)題,國(guó)家建設(shè)部已明文做出限制。而一體化預(yù)制外墻系統(tǒng),由玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(GRC)通過(guò)特制的鋼框架預(yù)制成圍護(hù)主體,圍護(hù)主體上再?gòu)?fù)合保溫、裝飾、門窗等功能層組合而成的系統(tǒng)。通過(guò)這種一體化組合設(shè)計(jì),將部分施工現(xiàn)場(chǎng)工作,如外保溫安裝、裝飾噴涂等轉(zhuǎn)變?yōu)楣S化生產(chǎn),既減少了現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量,保證了施工質(zhì)量,又消除了現(xiàn)場(chǎng)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(yè)化。

1　國(guó)內(nèi)發(fā)展

隨著工業(yè)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(xì)化、專業(yè)化發(fā)展,建筑施工智能化、機(jī)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(jiàn)圖1。“單元式幕墻”是近些年在國(guó)內(nèi)興起的高新技術(shù)業(yè)務(wù),是建筑工廠化制作的代表,其設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)謹(jǐn),施工較為便捷,但由于造價(jià)較為昂貴,使用范圍上多為較為高檔的寫字樓或酒店項(xiàng)目。“裝配式建筑”在我國(guó)屬于新興行業(yè),是有建筑施工從建造到制造的轉(zhuǎn)型,由于國(guó)家政策的推動(dòng),尤其是建筑結(jié)構(gòu)體系上國(guó)內(nèi)已形成了一定的規(guī)模,但由于工廠化生產(chǎn)工藝不統(tǒng)一、施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段不完善等原因,導(dǎo)致裝配式的產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。據(jù)國(guó)務(wù)院、住建部的綱領(lǐng)性文件要求:2025年,全國(guó)新開的工程,采用裝配式技術(shù)的工程比例要達(dá)到30%,傳統(tǒng)建筑業(yè)的農(nóng)民工短缺也已日漸明顯,勞動(dòng)成本的優(yōu)化勢(shì)在必行,因此預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展勢(shì)不可擋。“一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)”就是一種新型的預(yù)制裝配式外墻系統(tǒng),其理念貼合市場(chǎng)需要,施工工藝類同“單元式幕墻”,也較為成熟,尤其是補(bǔ)足了“裝配式建筑”在圍護(hù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的短缺,更具優(yōu)勢(shì)的是GRC與保溫、防水、裝飾、門窗等功能材料的工廠化復(fù)合。

2　設(shè)計(jì)概念

當(dāng)今,建筑藝術(shù)的表達(dá)和功能的需求在不斷提高人們?cè)诠?jié)能設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求也越來(lái)越看重。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),有3/4的熱損失都是圍護(hù)體系內(nèi)外的熱傳遞造成的,改善圍護(hù)體系的熱工性能也就成為了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的核心。外墻防水更是保證建筑物實(shí)用性、耐久性的前提,這是整個(gè)建筑的基本需求。遵照“節(jié)能高效、舒適健康”的設(shè)計(jì)理念,集成熟適用先進(jìn)技術(shù)為一體,并結(jié)合“單元式幕墻”的設(shè)計(jì)思路,對(duì)預(yù)制裝配式混凝土進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)對(duì)功能需求的探索、對(duì)材料屬性的分析,在此介紹一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念(圖2)。

2.1　藝術(shù)的可塑造性探索

GRC是一種以耐堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料、水泥砂漿為基體材料的纖維混凝土復(fù)合材料,通過(guò)特制的模具及鋼框架定型,可塑性強(qiáng),能充分地表達(dá)出建筑設(shè)計(jì)者藝術(shù)的創(chuàng)造,使建筑物的外立面更加富有獨(dú)特的藝術(shù)表現(xiàn)。裝飾部分與GRC纖維增強(qiáng)層進(jìn)行整體成形,通過(guò)對(duì)于色彩、顏料、質(zhì)感、紋理、線條等方面的創(chuàng)意性設(shè)計(jì),圖案和顏色的有機(jī)結(jié)合,創(chuàng)造了一個(gè)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(yè)化生產(chǎn),可充分利用GRC材料所特有的高抗拉、抗彎、抗剪和抗沖擊強(qiáng)度,通過(guò)曲面內(nèi)部的雙向軸力和順剪力來(lái)承受載荷,即減少了結(jié)構(gòu)的自重、均散了內(nèi)力,又盡可能地節(jié)約了材料。并且通過(guò)曲面造型的調(diào)整,豐富了建筑物外立面的裝飾效果。

2.2　保溫性能研究

節(jié)能是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要,也是建筑設(shè)計(jì)師的職責(zé)和義務(wù),通過(guò)對(duì)集成式外墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),合理的組合厚度具有一定的熱惰性指標(biāo)和較小的傳熱系數(shù),可減少建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱,是符合國(guó)家發(fā)展需要的新技術(shù),其使用也可大大提升項(xiàng)目的品質(zhì)和示范效應(yīng)。節(jié)能型型圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的是建成節(jié)能、環(huán)保、舒適、智慧、健康建筑的關(guān)鍵[1]。一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)由內(nèi)外GRC和內(nèi)置的保溫防水層通過(guò)鋼骨架組合而成,將保溫、裝飾、門、窗等功能部件集成至圍護(hù)結(jié)構(gòu)基層板,制成復(fù)合保溫、裝飾、門窗的整體大幅面預(yù)制墻板,具有保溫、隔熱、隔聲、防水、美化等功能。一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)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(jù)各地節(jié)能要求確定,以確保熱工設(shè)計(jì)滿足墻體保溫隔熱性能和防結(jié)露性能要求為原則,在設(shè)計(jì)中要盡可能采用冷橋設(shè)計(jì),減少金屬件的熱傳遞。通過(guò)設(shè)計(jì)核算,普通GRC中間復(fù)合一層厚度為60~80mm厚保溫聚苯板,其傳熱系數(shù)λ小于0.60W/(m2•K),能很好的滿足各地建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的要求。

2.3　抗震性能

目前,國(guó)家了一系列關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范,旨在對(duì)建筑物抗震設(shè)防進(jìn)行分類、明確責(zé)任劃歸,并為國(guó)內(nèi)的建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。　　抗震設(shè)計(jì)事關(guān)人們的生命安全,同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)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(yù)制外墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)采用柔性節(jié)點(diǎn)連接,板塊之間設(shè)計(jì)有變形伸縮縫,地震時(shí)適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形能力好,可很好地應(yīng)用在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)。

2.4　防水、防火設(shè)計(jì)

外墻防水是建筑工程防水的重要組成部分,調(diào)查發(fā)現(xiàn),外墻防水的薄弱環(huán)節(jié)主要存在于施工預(yù)留洞口、門窗洞口,這些問(wèn)題在傳統(tǒng)施工工藝中是很難解決的。而預(yù)制外墻掛板為工廠化生產(chǎn),整體成型,不存在施工預(yù)留洞的情形,且與門窗一體化復(fù)合后,更是解決了因現(xiàn)場(chǎng)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(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)依照預(yù)防為主的原則,在設(shè)計(jì)中需要明確的是預(yù)制外墻掛板防火構(gòu)造的設(shè)置及防火材料的選擇。在研究探索中表明,一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)自身的防火性能較好,在確保板縫、板與主體結(jié)構(gòu)層間縫、門窗等滿足耐火極限要求,即可確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的要求[2]。

3　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1　材料的選擇

1)GRC混凝土。可根據(jù)工程需要采用玻璃纖維增強(qiáng)混凝土,強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25。2)鋼筋及吊裝配件。預(yù)制GRC外墻掛板鋼筋宜采用HRB335、HRB400級(jí)鋼筋,主筋直徑不宜小于8mm。掛板的吊裝環(huán)可采用未經(jīng)冷加工處理的HPB235鋼材,也可采用符合規(guī)范要求的專用吊桿或預(yù)埋內(nèi)螺紋類吊裝配件[3]。3)保溫層。保溫材料可根據(jù)節(jié)能計(jì)算選用阻燃型發(fā)泡聚苯乙烯板或壓縮強(qiáng)度為150~250kPa的擠塑聚苯乙烯板,也可采用符合標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合門窗的框,再根據(jù)進(jìn)度安裝門窗扇。門窗在復(fù)合安裝完成后,應(yīng)在工廠內(nèi)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(jù)建筑在空間上的造型和藝術(shù)表達(dá)。

3.2　一體化外墻掛板的安裝

一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)的安裝過(guò)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(diào)整、固定等工序。最大的不同在于墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接方式,以及墻板拼縫的構(gòu)造。預(yù)制外墻掛板按安裝形式分內(nèi)嵌式與外掛式兩種。

3.2.1　內(nèi)嵌式預(yù)制外墻掛板的安裝要點(diǎn)，1)外墻板的安裝。內(nèi)嵌式墻板在吊裝前還須要臨時(shí)加固,鋼框架由頂扁鋼、底扁鋼、側(cè)扁鋼、豎向鋼管組成。墻板豎直狀態(tài)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(shí)加固。與主體結(jié)構(gòu)連接分三個(gè)部位:板頂、板側(cè)邊及板底。板頂、板側(cè)邊均通過(guò)彎錨鋼筋與主體結(jié)構(gòu)連接,板底通過(guò)L形角鐵與主體結(jié)構(gòu)連接。在墻板安裝就位后,拆除板頂?shù)呐R時(shí)加固角鋼。在板頂、板側(cè)的套筒內(nèi)安裝彎錨鋼筋。板底的角鐵連接,采用L形連接件連接預(yù)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(jié)構(gòu)之間留設(shè)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(diào)整完畢,在墻板頂部及兩個(gè)側(cè)邊粘貼20mm厚的巖棉防火隔離帶,再安裝墻板頂部及兩個(gè)側(cè)邊的彎錨鋼筋。

3.2.2　外掛式預(yù)制外墻掛板的安裝要點(diǎn)，1)外墻板的安裝。外掛式墻板可直接吊裝,通過(guò)轉(zhuǎn)接件直接安裝在主體結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件上。在主體混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)先安裝的預(yù)埋件應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算確定其尺寸、厚度、錨筋直徑、錨筋數(shù)量。圍護(hù)結(jié)構(gòu)基層板的豎向鋼管上,對(duì)應(yīng)部位開設(shè)洞口,洞口內(nèi)設(shè)置套筒并焊接牢固。2)水平拼縫的構(gòu)造。墻板間縫隙寬度大約為20~35mm,為墻板的變形、移動(dòng)預(yù)留空間,具體尺寸應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。在安裝墻板前,應(yīng)在板四周先貼好封邊膠條。板底的封邊膠條和板頂?shù)姆膺吥z條組成縫隙內(nèi)的梯形臺(tái)階。主體結(jié)構(gòu)的表面貼好層間防火封堵(巖棉防火隔離帶)。縫隙封堵構(gòu)造如下:在靠近主體結(jié)構(gòu)一端,用耐火接縫材料、發(fā)泡氯丁橡膠氣密條封堵;在靠近室外一端,用發(fā)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(gòu)造。墻板拼縫通常設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)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(dòng)預(yù)留空間,具體尺寸應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。板側(cè)邊應(yīng)粘貼帶凹槽的封邊密封膠。主體結(jié)構(gòu)的表面貼好層間防火封堵(巖棉防火隔離帶),縫隙封堵構(gòu)造與水平拼縫相同。

4　優(yōu)勢(shì)分析

1)用GRC制作的整體大幅面集成保溫裝飾門窗的預(yù)制墻板,厚140~220mm保溫復(fù)合板,重量約為200~350kg/m2,與常規(guī)裝配式混凝土外墻相比,重量減輕了50%以上,使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重荷載減少,進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)的建造成本。2)與常規(guī)蒸壓加氣混凝土板安裝施工技術(shù)相比,一體化外墻掛板不存在現(xiàn)場(chǎng)切割,有效控制施工現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染。采用常規(guī)安裝施工技術(shù)時(shí),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(shù)時(shí),墻體施工速度可提升2~3倍。3)一體化外墻掛板預(yù)先集成了裝飾保溫,可減少現(xiàn)場(chǎng)40%~50%的裝飾保溫工作量,進(jìn)而縮短圍護(hù)保溫裝飾施工工期40%~50%。

5　施工要求

一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)的使用依賴于建筑外立面的模塊化設(shè)計(jì),在方案比選階段就應(yīng)邀請(qǐng)專業(yè)廠家的介入,依據(jù)建筑師的需求進(jìn)行深化設(shè)計(jì),使分塊構(gòu)件盡量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,便于工廠化生產(chǎn)和流水施工。其工藝流程包括生產(chǎn)工藝流程和安裝工藝流程。

5.1　生產(chǎn)工藝流程一體化外墻板的生產(chǎn)工藝流程為:清理模臺(tái)→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(yǎng)護(hù)脫模→防水作業(yè)→裝飾作業(yè)→清洗及檢驗(yàn)。

5.2　安裝工藝流程安裝吊具→吊裝就位→調(diào)節(jié)垂直、水平定位→安裝頂?shù)走B接節(jié)點(diǎn)→板縫處理。

5.3　質(zhì)量控制要點(diǎn)1)制作一體化外墻掛板前,應(yīng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)的原材料———鋼框架、GRC、保溫板等復(fù)檢,檢驗(yàn)合格后方可使用。2)一體化外墻板進(jìn)場(chǎng)時(shí),應(yīng)全數(shù)檢查外觀質(zhì)量。墻板室內(nèi)面不應(yīng)出現(xiàn)開裂;復(fù)合薄抹灰時(shí),抹面砂漿應(yīng)平整,無(wú)凸起或凹陷;復(fù)合保溫裝飾板時(shí),飾面應(yīng)完好無(wú)破損。3)一體化外墻掛板的尺寸允許偏差應(yīng)全數(shù)檢查,不得有影響墻板安裝、使用的尺寸偏差。4)全數(shù)檢查墻板上的套筒(側(cè)邊的套筒、吊點(diǎn)套筒、底部連接件套筒),埋入墻板的套筒應(yīng)牢固無(wú)松動(dòng),套筒內(nèi)無(wú)異物或砂漿堵塞。5)全數(shù)檢查用于連接主體結(jié)構(gòu)的錨筋,錨筋的類型、直徑、長(zhǎng)度、形式應(yīng)符合相關(guān)的規(guī)定。

6　工程應(yīng)用評(píng)價(jià)

中國(guó)建筑第七工程局在某學(xué)校項(xiàng)目應(yīng)用了一體化預(yù)制外墻系統(tǒng)。經(jīng)比較,其圍護(hù)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(xiàn)場(chǎng)保溫裝飾工作量減少了45%,工期也相應(yīng)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(shí)踐表明,該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益,綠色環(huán)保,具有推廣應(yīng)用的潛力。

參考文獻(xiàn)

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[2]　中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)和住房建設(shè)部.預(yù)制混凝土外墻掛板應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):JGJ458—2018[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

作者：王春暉 單位：中國(guó)建筑第七工程局有限公司