陳恩莉, 董 彪, 畢 瓊
(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610000)
通過了解國家政策對裝配式建筑的導(dǎo)向,了解裝配式建筑在全國各地的發(fā)展狀況,參觀考察近10個裝配式建筑、2個裝配式預(yù)制構(gòu)件工廠后,針對幕墻在裝配式建筑上的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析,總結(jié)歸納適合裝配式結(jié)構(gòu)體系的幕墻形式,提出適合幕墻在裝配式結(jié)構(gòu)體系上的合理構(gòu)造形式。
建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè),2015~2017年近三年,建筑業(yè)總產(chǎn)值占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比例依次均為26 %,占比均超國內(nèi)生產(chǎn)總值的1/4。建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè),是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要組成部分。
但是,隨著社會的不斷進步,建筑業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式面臨著越來越多的問題和挑戰(zhàn):科技貢獻率和機械化率低于農(nóng)業(yè);現(xiàn)澆工藝產(chǎn)生大量固體廢棄;安全事故頻發(fā),僅次于交通事故;工程建設(shè)中的質(zhì)量通病問題亟待解決;從業(yè)人員減少,職業(yè)技能不穩(wěn)定;建造方式落后,核心競爭力不強;管理粗放,效率、效益偏低。我國建筑業(yè)目前仍是一個勞動密集型,建造方式相對落后的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),建筑業(yè)改革勢在必行!
發(fā)展裝配式建筑是促進建筑工業(yè)化,貫徹國家綠色發(fā)展理念,促進生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。2016年9月,國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》指出:大力發(fā)展裝配式建筑,是建造方式的重大變革,推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措。裝配式建筑即為“建筑、結(jié)構(gòu)、機電、內(nèi)裝、幕墻”一體化集成設(shè)計。
2018年7月4日在合肥舉行的“從設(shè)計到實現(xiàn)——2018年裝配式建筑創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”會議上,上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司裝配式工程研究院李新華在報告中提到:“裝配式建筑單體的較高預(yù)制率指標,不能全面體現(xiàn)建筑工業(yè)化、先進性程度,需結(jié)合其他全建設(shè)周期內(nèi)的提高質(zhì)量、提高效率、減少人工等措施,尤其是外墻一體化集成產(chǎn)品、內(nèi)裝高效成品安裝體系及專業(yè)配套施工設(shè)備等?!惫P者對這一觀點深感認同,單純的把混凝土預(yù)制構(gòu)件作為建筑裝配化的一個指標,使得推進行業(yè)裝配化難度加大,速度緩慢。裝配式建筑應(yīng)該是本次會議大部分專家所提到的將內(nèi)裝、設(shè)備、外圍護一體化考慮,納入裝配式建筑中的一個裝配體系。從幕墻外圍護角度來講,無論是預(yù)制混凝土掛板還是單元式幕墻整體圍護系統(tǒng),其功能都能夠達到外墻的圍護、防水、保溫、和室內(nèi)裝飾的目的。所以對一個裝配式建筑裝配化率的衡量,不應(yīng)該離開幕墻施工裝配化對建筑整體的裝配化貢獻率而僅僅談?wù)擃A(yù)制混凝土的裝配化率。幕墻作為外圍護系統(tǒng),其本身為干作業(yè)方式,順應(yīng)目前建筑行業(yè)整體的發(fā)展趨勢,提高幕墻施工的工廠化率,將幕墻構(gòu)件在工廠進行組裝,使其到工地更加成品化,減少工地的加工工序,提高現(xiàn)場的安裝效率和質(zhì)量。這樣不僅對幕墻本身來講,是一個長足的進步,同時,作為單一的工業(yè)化產(chǎn)品 ,對建筑整體來講,無論是在減少建筑整體周期,還是提高建筑技術(shù)含量上都能有不少貢獻。
本年度結(jié)合課題對不同的幕墻結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑上的應(yīng)用優(yōu)缺點進行考察并進行對比分析。考察項目按照幕墻形式分為三種情況:混凝土掛板體系形式、單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系形式、構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)體系形式。下面分別將三種幕墻形式以考察中的典型項目為例進行說明。
(1)混凝土掛板體系:以北京市副中心A2 項目為例進行說明。該項目是包括主樓1座、副樓4座的一個辦公區(qū)建筑群。外墻系統(tǒng)由大面積的預(yù)制混凝土掛板、石材幕墻和小單元玻璃幕墻窗組成,本項目外墻線條規(guī)律,大面積板塊模數(shù)統(tǒng)一,材料規(guī)格統(tǒng)一,特別適合以裝配式方式進行設(shè)計施工。
本項目裝配組合板塊尺寸為4.5 m×4.2 m,投影面積18.9 m2,總重7.716 t。其中,清水混凝土構(gòu)件表面積12 m2,重約6.8 t。
(2)單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系:以北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)Z15地塊中國尊大廈為例進行說明。本項目位于北京CBD核心區(qū)域,是目前已知的北京市最高建筑,本工程總用地面積1.148×104m2,總建筑面積43.7×104m2,其中地上 35×104m2,地下8.7×104m2。建筑總高度528 m。
本工程采用筒中筒雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,外框筒(巨柱-斜撐框筒)+核心筒,支承幕墻的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)外框筒部分,外幕墻為單元式板塊,安裝方式為單元式板塊整體安裝。外層玻璃幕墻大部分單元板塊尺寸為4.3 m×2.0 m,每個單元板塊重量約500 kg。
(3)構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)體系:以中國建筑西南設(shè)計研究院第三辦公區(qū)A棟辦公樓為例。該建筑主體為整體裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。主要軸網(wǎng)尺寸為8.4 m×8.4 m。該工程出地面層數(shù)為2~7層,屋面南北呈臺階狀,南邊低,北邊高,最低結(jié)構(gòu)標高為4.85 m,最高結(jié)構(gòu)標高為31.45 m;外幕墻主要為明框玻璃幕墻。玻璃幕墻分格大,玻璃配置高,玻璃分格約1.9 m×2.4 m,玻璃面材為鋼化雙中空鋼化超白LOW-e玻璃(10LOW-e+12Ar+8+12Ar+8 mm),基于該玻璃板塊超大,玻璃本身總量大,僅單塊玻璃重達350 kg。
以單元式幕墻作為參考,對混凝土掛板體系和構(gòu)件式幕墻進行對比分析,分析情況如下。
3.1.1 兩者共同優(yōu)點
(1)可在工廠內(nèi)進行工業(yè)化生產(chǎn),施工現(xiàn)場可直接安裝,方便快捷,可大大縮短施工工期。
(2)在工廠采用機械化生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量更易得到有效控制。
(3)周轉(zhuǎn)料具投入量減少,料具租用費用降低。
(4)減少施工現(xiàn)場濕作業(yè)量,有利于環(huán)保。同時也可在一定程度上降低材料浪費。
(5)機械化程度高,可大大減少現(xiàn)場施工人員配備。
(6)安裝速度快,施工周期短。
3.1.2 預(yù)制混凝土外墻其相對于單元式幕墻優(yōu)點
采用模具一體澆筑成型,板塊整體性更好,混凝土與保溫材料之間整體連接,熱橋少。
3.1.3 單元式幕墻相對于預(yù)制混凝土掛板的優(yōu)點
(1)重量輕,幕墻形式的單元掛板龍骨采用鋁龍骨或鋼龍骨,面材一般為玻璃、金屬面材、石材以及各種適宜外墻使用的人造板材。這些面材使用厚度都相對薄?;炷寥葜貫? 500 kg/m2計算,則2 m×4 m面積的(100+50) mm厚內(nèi)外墻面,其總重量為3 000 kg。相同面積的玻璃幕墻總重量約為450 kg,相同面積的鋁板幕墻總重量約為320 kg,相同面積石材幕墻總重量約為880 kg。以玻璃幕墻為例,相同面積預(yù)制混凝土掛板重量為玻璃幕墻重量的4倍。
(2)幕墻面材多種多樣,可根據(jù)建筑的外觀要求在相應(yīng)的單元板塊組合不同的墻面材料。
(3)由于混凝土在工廠為濕作業(yè),而其他幕墻材料為干作業(yè),加工工廠不是同一廠家,這樣同一墻面既有混凝土墻面,又有幕墻時,需要大板塊多次運輸,進行墻面拼裝。采用同樣都是干作業(yè)的輕型幕墻面材,則沒有該問題。
3.2.1 構(gòu)件式幕墻的優(yōu)點
(1)在設(shè)計、計算、管理上均較簡單容易,能承受較大的安裝誤差;由于構(gòu)件小,在工地上容易存放;因為設(shè)計計算簡單,安裝不需要很長的準備時間。
(2)由于制作簡單,安裝系統(tǒng)有彈性,這樣相對于單元式幕墻,較多幕墻的承建商都有能力建造該類幕墻。
3.2.2 構(gòu)件式幕墻的缺點
(1)框架式幕墻整體安裝要在土建施工完畢后,現(xiàn)場幕墻施工人員從頂部向下安裝,需要較長的安裝時間,并且一定要借助腳手架或吊籃安裝,幕墻容易產(chǎn)生安裝誤差,構(gòu)件不直,安裝不平整。
(2)由于工地受各種條件影響,建筑幕墻的施工工期比預(yù)期計劃要長,很難保證工期。
根據(jù)本文對以上幾種目前應(yīng)用較多的幕墻結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點綜合分析對比,提出以下三種外幕墻結(jié)構(gòu)體系。
將預(yù)制混凝土掛板與幕墻的構(gòu)造方式相結(jié)合,即將兩者的優(yōu)點合并,將混凝土掛板輕量化,由原來的(50+50) mm以上厚度,改成30 mm厚甚至更薄,即現(xiàn)在的幕墻新材料-纖維水泥板(參見JG J336《人造板材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和JG/T 396《外墻用非承重纖維增強水泥板》)。將50 mm厚混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)以更加纖細的玻璃纖維替代,這樣在不影響外觀效果且滿足板面強度的情況下,板的重量得以大大降低。這層纖維水泥板作為外墻的裝飾材料和防水層,相對于混凝土掛板墻體,還需要增加保溫和室內(nèi)裝飾的功能。結(jié)合非透明幕墻的構(gòu)造做法,保溫層可采用保溫巖棉或其他防火等級能達到建筑相應(yīng)要求的輕質(zhì)防火材料,固定于纖維水泥板背部。室內(nèi)側(cè)可采用室內(nèi)常用板材,如纖維水泥板、硅酸鈣板、輕質(zhì)金屬材料等作為室內(nèi)裝飾層。
這種組合外墻板材不僅能夠呈現(xiàn)清水混凝土的本身效果,還可以在色彩、形狀、鏤空效果等美觀要求上以多種形式呈現(xiàn)。這種輕型的混凝土掛板均以幕墻結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)。這種材料容重為18~20 kN/m3,混凝土掛板容重為25 kN/m3。在容重相差不大的情況下,前者厚度為30 mm,后者厚度為150 mm,兩者重量相差近4倍。所以在外觀效果和功能都能滿足,甚至更佳的情況下,輕量化的混凝土掛板優(yōu)于目前概念上的預(yù)制混凝土墻板。
輕型混凝土掛板特點(圖1):
圖1 輕型混凝土掛板
(1)預(yù)制混凝土單元掛板:高度以一個層高為一個單元,寬度根據(jù)建筑效果及運輸?shù)葪l件限制確定。
(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內(nèi)墻板,及支承龍骨系統(tǒng)。
(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝,與主體結(jié)構(gòu)連接,且相對主體結(jié)構(gòu)有一定的位移。
通過考察收集,建筑主體作為裝配式形式呈現(xiàn)的建筑,其外形都比較簡潔,外墻尺寸比較有規(guī)律,外立面裝飾材料組合也相應(yīng)的比較規(guī)則,這種建筑適合采用全單元式幕墻形式。全單元幕墻形式即幕墻的龍骨、外裝飾面材、內(nèi)裝飾面材、墻體保溫都在工廠組合成大板塊,到現(xiàn)場進行吊裝上墻。該處所說的全單元形式其面板不僅限于玻璃幕墻,其面板泛指不同材質(zhì)的幕墻面板材料,如金屬板材、天然石材、人造板材、玻璃等等、也可以是不同材料的組合形式。
單元式幕墻特點(圖2):
圖2 單元式幕墻
(1)高度以一個層高為一個單元,寬度根據(jù)建筑效果及運輸?shù)葪l件限制確定。
(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內(nèi)墻板,及支承龍骨系統(tǒng)。
(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝,與主體結(jié)構(gòu)連接,且相對主體結(jié)構(gòu)有一定的位移。
相對于上面所講的單元式幕墻,小單元幕墻是指僅幕墻龍骨組合成單元框架,面材以構(gòu)件形式到現(xiàn)場安裝。或者幕墻面板和室內(nèi)裝飾面板通過連接件組合成整體,龍骨體系以構(gòu)件形式安裝,面板組件在現(xiàn)場與支承龍骨進行簡單掛接實現(xiàn)幕墻的整體性能。小單元幕墻適合外立面造型復(fù)雜,但幕墻結(jié)構(gòu)體系有規(guī)律可循的建筑。下面以筆者參與設(shè)計的兩個項目為例進行說明。
(1)自貢規(guī)劃館項目(圖3),為自貢市規(guī)劃展覽館,建筑造型兼具地方化、國際化和個性化。將自貢千年鹽都、恐龍之鄉(xiāng)、南國燈城三大元素運用到建筑中,是展示自貢城市形象的標志性建筑,建筑造型相對復(fù)雜。以展覽館為例進行說明,該主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。該單體幕墻選用水泥纖維平板600 mm×1 200 mm分格錯縫布置,形成砌磚效果,整體效果為各大面成三角形,兩個面之間成不同角度(120~249 °不等),與地面也形成+15 °和-15 °兩種內(nèi)外傾形式。受到以上條件限制,考慮到本工程幕墻施工難度,為盡量降低幕墻施工的復(fù)雜性,確保施工質(zhì)量,減少施工周期,節(jié)約工程成本,幕墻設(shè)計采用以下方式:采用砌磚的思維方式,將1 200 mm×600 mm的內(nèi)外墻板通過鋼附框組合成小單元板塊,該組合件兼具外墻防水、外墻防護、墻體保溫、內(nèi)墻裝飾的功能?,F(xiàn)場安裝好橫豎向龍骨后,作為小單元“磚塊”的支承構(gòu)件,將組合磚塊逐塊進行安裝,并與橫向龍骨上的角片進行螺栓連接固定。
圖3 自貢規(guī)劃館
(2)中鐵軌道交通酒店項目(圖4),位于成都市天府新區(qū)興隆湖南岸,屬于中鐵軌道研發(fā)設(shè)計中心項目一部分。項目分為酒店和寫字樓兩部分。本建筑外立面采用幕墻窗形式,采用大板塊玻璃形式,最大的單塊玻璃尺寸達到1.9 m×2.8 m。本建筑設(shè)計上幕墻形式比較有規(guī)律,以標準幕墻窗形式呈折線效果。所以,本工程采用了幕墻龍骨小單元式系統(tǒng),工藝上沿用傳統(tǒng)窗的安裝工藝,幕墻龍骨系統(tǒng)及轉(zhuǎn)接件在工廠組框形成標準單元框架,龍骨系統(tǒng)整體運輸?shù)浆F(xiàn)場后,通過螺栓將轉(zhuǎn)接件與預(yù)埋件連接,省去現(xiàn)場龍骨組接的過程。
圖4 中鐵軌道交通
通過實際工程案例的實踐,小單元幕墻應(yīng)用更靈活,受施工項目規(guī)模、施工單位生產(chǎn)及施工能力、建筑外立面造型是否復(fù)雜,這些條件的限制較小,所以是本文中筆者最為推薦的一種幕墻體系。
從建筑主體結(jié)構(gòu)角度來講,無論主體結(jié)構(gòu)是否為裝配式,都不影響本文結(jié)論中所提出的三種適合裝配的幕墻結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用。也就是說輕量化的預(yù)制混凝土掛板、單元式幕墻、小單元幕墻在現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)、裝配式主體結(jié)構(gòu)中均適用。呼應(yīng)本文開篇提到的?!把b配式建筑主體的預(yù)制率指標,不能全面體現(xiàn)建筑工業(yè)化、先進性程度,需結(jié)合其他全建設(shè)周期內(nèi)提高質(zhì)量、提高效率、減少人工等措施,尤其是外墻、內(nèi)墻、設(shè)備一體化集成產(chǎn)品等。”幕墻作為建筑全周期中的一個相對獨立的單項構(gòu)造體系,自身的裝配化率對建筑全周期的提高質(zhì)量、節(jié)約工期都有不可小覷的貢獻值。對本文提出的觀點總結(jié)如下:
(1)輕量化預(yù)制混凝土板,可替換目前裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件中的非承重預(yù)制外墻掛板,目的在于使現(xiàn)有概念的混凝土掛板輕量化、幕墻化,減少建筑整體重量,降低建筑成本,方便施工安裝。
(2)小單元幕墻結(jié)構(gòu)體系,將目前止步不前的單元式幕墻體系和裝配率不高的構(gòu)件幕墻體系進行結(jié)合,在設(shè)計環(huán)節(jié)把控裝配率,做好設(shè)計交底工作,引導(dǎo)幕墻施工朝裝配化、工業(yè)化方向發(fā)展。小單元幕墻的加工和組裝可在國內(nèi)大多數(shù)幕墻廠家進行,受設(shè)備條件限制不大,這樣,大多數(shù)施工企業(yè)能進行生產(chǎn)施工,才能帶動行業(yè)整體健康發(fā)展。
作為外圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計者,在平時的工程設(shè)計中,我們應(yīng)在每一個設(shè)計細節(jié)中,都植入創(chuàng)新和環(huán)保意識,目的在于提高實際工程質(zhì)量、節(jié)約建筑成本,提高工程管理效率,帶動幕墻施工向工業(yè)化方向發(fā)展,從而推動幕墻行業(yè)健康發(fā)展。期待建筑施工更加工業(yè)化、更綠色、更健康!