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论预制外墙挂板与功能材料一体化设计

2021/10/15 阅读:

摘 要:预制外墙挂板是一种依附于主体结构,起保温隔热、美化建筑物的围护体系,可根据工程功能需求与保温、门窗及外装饰层结合组合成“一体化预制外墙系统”,该系统可有效提高装配率,通过弱化现场湿作业,实现绿色环保,并降低现场人力资源的投入,提升劳动效率,缩短施工工期。本文通过对一体化预制外墙系统的设计概述进行分析,以推动这一新技术的应用,助力建筑业的发展。

关键词:一体化预制外墙系统;围护结构;新技术;工厂化生产;热工性能

单体建筑按照组成体系可分为建筑结构体系、设备体系及围护体系,围护体系的种类也有砌块、轻质墙板、幕墙以及预制外墙挂板。传统的砌块墙体、轻质墙体在施工过程中须切割砌块、条板,粉尘污染、噪声污染极大;施工完围护部分后,还须继续按照找平、保温、防水、抹面、饰面等工序进行施工,因此人力投入大、湿作业多、工期较长。长期使用后,容易出现开裂。幕墙是近年较为完善的一种新型墙体,虽能够赋予建筑美,但近年来也出现了一些安全问题,国家建设部已明文做出限制。而一体化预制外墙系统,由玻璃纤维增强混凝土(GRC)通过特制的钢框架预制成围护主体,围护主体上再复合保温、装饰、门窗等功能层组合而成的系统。通过这种一体化组合设计,将部分施工现场工作,如外保温安装、装饰喷涂等转变为工厂化生产,既减少了现场施工的工作量,保证了施工质量,又消除了现场切割造成的粉尘和噪声污染,并提高了建筑装配率,有效助力了建筑工业化。

1 国内发展

随着工业化的不断完善,建筑工程的施工方式和管理模式也逐渐向精细化、专业化发展,建筑施工智能化、机械化的程度也在不断提高,“单元式”、“装配式”等概念已深入人心,样式见图1。“单元式幕墙”是近些年在国内兴起的高新技术业务,是建筑工厂化制作的代表,其设计要求比较严谨,施工较为便捷,但由于造价较为昂贵,使用范围上多为较为高档的写字楼或酒店项目。“装配式建筑”在我国属于新兴行业,是有建筑施工从建造到制造的转型,由于国家政策的推动,尤其是建筑结构体系上国内已形成了一定的规模,但由于工厂化生产工艺不统一、施工质量监测手段不完善等原因,导致装配式的产业发展受限。据国务院、住建部的纲领性文件要求:2025年,全国新开的工程,采用装配式技术的工程比例要达到30%,传统建筑业的农民工短缺也已日渐明显,劳动成本的优化势在必行,因此预制装配式建筑的发展势不可挡。“一体化预制外墙系统”就是一种新型的预制装配式外墙系统,其理念贴合市场需要,施工工艺类同“单元式幕墙”,也较为成熟,尤其是补足了“装配式建筑”在围护结构领域的短缺,更具优势的是GRC与保温、防水、装饰、门窗等功能材料的工厂化复合。

2 设计概念

当今,建筑艺术的表达和功能的需求在不断提高人们在节能设计中对建筑物围护结构的要求也越来越看重。据相关统计,有3/4的热损失都是围护体系内外的热传递造成的,改善围护体系的热工性能也就成为了建筑节能设计的核心。外墙防水更是保证建筑物实用性、耐久性的前提,这是整个建筑的基本需求。遵照“节能高效、舒适健康”的设计理念,集成熟适用先进技术为一体,并结合“单元式幕墙”的设计思路,对预制装配式混凝土进行改进,通过对功能需求的探索、对材料属性的分析,在此介绍一体化预制外墙系统的设计概念(图2)。

2.1 艺术的可塑造性探索

GRC是一种以耐碱玻璃纤维为增强材料、水泥砂浆为基体材料的纤维混凝土复合材料,通过特制的模具及钢框架定型,可塑性强,能充分地表达出建筑设计者艺术的创造,使建筑物的外立面更加富有独特的艺术表现。装饰部分与GRC纤维增强层进行整体成形,通过对于色彩、颜料、质感、纹理、线条等方面的创意性设计,图案和颜色的有机结合,创造了一个突破性地展示出各种自然的大理石、花岗岩、砖、瓦、木等多种自然材料的装饰效果(图3)。采用工业化生产,可充分利用GRC材料所特有的高抗拉、抗弯、抗剪和抗冲击强度,通过曲面内部的双向轴力和顺剪力来承受载荷,即减少了结构的自重、均散了内力,又尽可能地节约了材料。并且通过曲面造型的调整,丰富了建筑物外立面的装饰效果。

2.2 保温性能研究

节能是社会可持续发展的需要,也是建筑设计师的职责和义务,通过对集成式外墙进行优化设计,合理的组合厚度具有一定的热惰性指标和较小的传热系数,可减少建筑物的围护结构得热,是符合国家发展需要的新技术,其使用也可大大提升项目的品质和示范效应。节能型型围护结构一体化设计的是建成节能、环保、舒适、智慧、健康建筑的关键[1]。一体化预制外墙系统由内外GRC和内置的保温防水层通过钢骨架组合而成,将保温、装饰、门、窗等功能部件集成至围护结构基层板,制成复合保温、装饰、门窗的整体大幅面预制墙板,具有保温、隔热、隔声、防水、美化等功能。一体化预制外墙系统的保温部分除挤塑聚苯乙烯泡沫板也可以采用岩棉、保温砂浆等其它材料,厚度可根据各地节能要求确定,以确保热工设计满足墙体保温隔热性能和防结露性能要求为原则,在设计中要尽可能采用冷桥设计,减少金属件的热传递。通过设计核算,普通GRC中间复合一层厚度为60~80mm厚保温聚苯板,其传热系数λ小于0.60W/(m2•K),能很好的满足各地建筑节能设计的要求。

2.3 抗震性能

目前,国家了一系列关于抗震设计的规范,旨在对建筑物抗震设防进行分类、明确责任划归,并为国内的建筑设计提供依据。  抗震设计事关人们的生命安全,同时兼顾经济考虑,需要遵循的原则是小震不坏、中震可修、大震不倒,而一体化预制外墙系统与主体结构采用柔性节点连接,板块之间设计有变形伸缩缝,地震时适应结构变形能力好,可很好地应用在抗震设防烈度为8度的地区。

2.4 防水、防火设计

外墙防水是建筑工程防水的重要组成部分,调查发现,外墙防水的薄弱环节主要存在于施工预留洞口、门窗洞口,这些问题在传统施工工艺中是很难解决的。而预制外墙挂板为工厂化生产,整体成型,不存在施工预留洞的情形,且与门窗一体化复合后,更是解决了因现场施工造成的防水隐患。在外墙挂板安装中,板块拼接处可根据设计要求选用合适的防水材料,确保与外墙挂板的相容性、并满足最大伸缩变形量、剪切变形等功能要求。建筑防火设计应依照预防为主的原则,在设计中需要明确的是预制外墙挂板防火构造的设置及防火材料的选择。在研究探索中表明,一体化预制外墙系统自身的防火性能较好,在确保板缝、板与主体结构层间缝、门窗等满足耐火极限要求,即可确保围护结构符合建筑设计防火规范的要求[2]。

3 设计要点

3.1 材料的选择

1)GRC混凝土。可根据工程需要采用玻璃纤维增强混凝土,强度等级不宜低于C25。2)钢筋及吊装配件。预制GRC外墙挂板钢筋宜采用HRB335、HRB400级钢筋,主筋直径不宜小于8mm。挂板的吊装环可采用未经冷加工处理的HPB235钢材,也可采用符合规范要求的专用吊杆或预埋内螺纹类吊装配件[3]。3)保温层。保温材料可根据节能计算选用阻燃型发泡聚苯乙烯板或压缩强度为150~250kPa的挤塑聚苯乙烯板,也可采用符合标准要求的岩棉、玻璃棉、聚氨酷等其他高效保温材料[4]。4)门窗。通常选用断桥隔热铝合金门窗,工序上可先复合门窗的框,再根据进度安装门窗扇。门窗在复合安装完成后,应在工厂内完成窗口部位防水施工。5)饰面材料。饰面可选择天然石材、陶土材料、涂料油漆等,具体选择主要根据建筑在空间上的造型和艺术表达。

3.2 一体化外墙挂板的安装

一体化预制外墙系统的安装过程总体上与单元式幕墙类似,包括安装吊具、扶直、起吊、就位、调整、固定等工序。最大的不同在于墙板与主体结构的连接方式,以及墙板拼缝的构造。预制外墙挂板按安装形式分内嵌式与外挂式两种。

3.2.1 内嵌式预制外墙挂板的安装要点,1)外墙板的安装。内嵌式墙板在吊装前还须要临时加固,钢框架由顶扁钢、底扁钢、侧扁钢、竖向钢管组成。墙板竖直状态下,钢框架的顶、底扁钢不能承受墙板重量引起的弯矩,须临时加固。与主体结构连接分三个部位:板顶、板侧边及板底。板顶、板侧边均通过弯锚钢筋与主体结构连接,板底通过L形角铁与主体结构连接。在墙板安装就位后,拆除板顶的临时加固角钢。在板顶、板侧的套筒内安装弯锚钢筋。板底的角铁连接,采用L形连接件连接预埋锚筋。L形连接件一端连接锚筋;另一端连接竖向钢管上的螺栓。2)拼缝处理。墙板与主体结构之间留设20mm空隙,吊装前,在安装部位先铺贴一层20mm厚的岩棉防火隔离带或砂浆。墙板就位、调整完毕,在墙板顶部及两个侧边粘贴20mm厚的岩棉防火隔离带,再安装墙板顶部及两个侧边的弯锚钢筋。

3.2.2 外挂式预制外墙挂板的安装要点,1)外墙板的安装。外挂式墙板可直接吊装,通过转接件直接安装在主体结构的预埋件上。在主体混凝土结构预先安装的预埋件应经过计算确定其尺寸、厚度、锚筋直径、锚筋数量。围护结构基层板的竖向钢管上,对应部位开设洞口,洞口内设置套筒并焊接牢固。2)水平拼缝的构造。墙板间缝隙宽度大约为20~35mm,为墙板的变形、移动预留空间,具体尺寸应通过计算确定。在安装墙板前,应在板四周先贴好封边胶条。板底的封边胶条和板顶的封边胶条组成缝隙内的梯形台阶。主体结构的表面贴好层间防火封堵(岩棉防火隔离带)。缝隙封堵构造如下:在靠近主体结构一端,用耐火接缝材料、发泡氯丁橡胶气密条封堵;在靠近室外一端,用发泡聚乙烯棒及建筑密封胶封堵;两端之间留置空腔。3)竖向拼缝的构造。墙板拼缝通常设置在主体结构柱的中线部位。墙板间缝隙宽度大约为20~35mm,为墙板的变形、移动预留空间,具体尺寸应通过计算确定。板侧边应粘贴带凹槽的封边密封胶。主体结构的表面贴好层间防火封堵(岩棉防火隔离带),缝隙封堵构造与水平拼缝相同。

4 优势分析

1)用GRC制作的整体大幅面集成保温装饰门窗的预制墙板,厚140~220mm保温复合板,重量约为200~350kg/m2,与常规装配式混凝土外墙相比,重量减轻了50%以上,使得围护结构自重荷载减少,进一步减少结构、地基基础的建造成本。2)与常规蒸压加气混凝土板安装施工技术相比,一体化外墙挂板不存在现场切割,有效控制施工现场粉尘污染。采用常规安装施工技术时,200厚蒸压加气混凝土板,3人一组每天可安装30~40m2。采用一体化外墙挂板安装施工技术时,墙体施工速度可提升2~3倍。3)一体化外墙挂板预先集成了装饰保温,可减少现场40%~50%的装饰保温工作量,进而缩短围护保温装饰施工工期40%~50%。

5 施工要求

一体化预制外墙系统的使用依赖于建筑外立面的模块化设计,在方案比选阶段就应邀请专业厂家的介入,依据建筑师的需求进行深化设计,使分块构件尽量标准统一,便于工厂化生产和流水施工。其工艺流程包括生产工艺流程和安装工艺流程。

5.1 生产工艺流程一体化外墙板的生产工艺流程为:清理模台→组装骨架→安装附件→安装连接件→组装模具→定位校核→浇筑GRC→门窗&保温安装→养护脱模→防水作业→装饰作业→清洗及检验。

5.2 安装工艺流程安装吊具→吊装就位→调节垂直、水平定位→安装顶底连接节点→板缝处理。

5.3 质量控制要点1)制作一体化外墙挂板前,应对进场的原材料———钢框架、GRC、保温板等复检,检验合格后方可使用。2)一体化外墙板进场时,应全数检查外观质量。墙板室内面不应出现开裂;复合薄抹灰时,抹面砂浆应平整,无凸起或凹陷;复合保温装饰板时,饰面应完好无破损。3)一体化外墙挂板的尺寸允许偏差应全数检查,不得有影响墙板安装、使用的尺寸偏差。4)全数检查墙板上的套筒(侧边的套筒、吊点套筒、底部连接件套筒),埋入墙板的套筒应牢固无松动,套筒内无异物或砂浆堵塞。5)全数检查用于连接主体结构的锚筋,锚筋的类型、直径、长度、形式应符合相关的规定。

6 工程应用评价

中国建筑第七工程局在某学校项目应用了一体化预制外墙系统。经比较,其围护体系的施工速度由4人一组30~40m2/每天提升至90~120m2/每天,施工速度提升了2~3倍;现场保温装饰工作量减少了45%,工期也相应缩短了40%以上;墙体厚度减少,有效使用面积增减。示范工程的实践表明,该设计系统具有显著的经济效益,绿色环保,具有推广应用的潜力。

参考文献

[1] 黄永申.被动式建筑围护结构一体化施工重要性的探讨[J].建设科技,2019(19):62-65.

[2] 中华人民共和国城乡和住房建设部.预制混凝土外墙挂板应用技术标准:JGJ458—2018[S].北京:中国计划出版社,2008.

作者:王春晖 单位:中国建筑第七工程局有限公司

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