馬思遙，陳 悅

（上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，上海 200333）

0 引言

近年來，住建部明確提出要著力培育鋼結(jié)構(gòu)建筑新興產(chǎn)業(yè)集群，規(guī)范我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅，國(guó)家陸續(xù)批準(zhǔn)四川、山東、湖南、浙江等為裝配式鋼結(jié)構(gòu)試點(diǎn)省。

隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，各大企業(yè)也相繼建設(shè)了一批多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，但裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的重難點(diǎn)之一是外圍護(hù)系統(tǒng)存在不少問題，是制約裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣的重要原因。目前，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)系統(tǒng)中普遍存在如下技術(shù)問題。

1）傳統(tǒng)外墻外保溫體系主要采用“濕貼”施工方式，“以粘為主、以錨為輔”，因此當(dāng)膠粘劑失效后，連接件錨固深度不夠，且保溫釘自身強(qiáng)度不足以支撐保溫板重量，導(dǎo)致保溫板連帶保溫釘一起脫落，對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。

2）內(nèi)保溫?zé)針蛱幚砝щy，易結(jié)露發(fā)霉，現(xiàn)場(chǎng)未嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)或圖集構(gòu)造無法保證保溫連續(xù)，且影響后期內(nèi)裝，易被破壞。

3）夾心保溫體系構(gòu)造中墻體偏厚、成本高；工藝復(fù)雜、加工效率低、質(zhì)量控制要求高，且需要封邊，存在熱橋。

從以上技術(shù)問題可看出，當(dāng)前裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)體系存在節(jié)能性、安全性與防火性不能同時(shí)兼顧的矛盾。目前與鋼結(jié)構(gòu)匹配的外墻板、保溫體系不完善，傳統(tǒng)工藝引發(fā)外墻外保溫脫落、滲水、熱橋等問題。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

1.1 鋼結(jié)構(gòu)外墻體系發(fā)展與應(yīng)用概述

2005年之前，我國(guó)建筑外墻材料主要以砌塊材料為主。此后我國(guó)墻體改革研發(fā)了新型墻體材料，包括輕質(zhì)加氣混凝土砌塊墻、板材墻及幕墻。作為傳統(tǒng)砌塊材料的替代品，輕質(zhì)加氣混凝土砌塊仍需大量現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，不符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工周期短、裝配化程度高的要求；板材墻和幕墻裝配化程度高，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率高，但其造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)用較高。因此，國(guó)內(nèi)外在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中開發(fā)了裝配式復(fù)合墻板[1]。

國(guó)外裝配式復(fù)合墻板主要發(fā)展自1970年后，美國(guó)的輕質(zhì)墻板包含各種石膏板，以品種多、規(guī)格全、生產(chǎn)機(jī)械化程度高聞名，年產(chǎn)量居世界首位；日本石棉水泥板、玻璃纖維增強(qiáng)水泥板（GRC板）的生產(chǎn)居世界領(lǐng)先水平；德國(guó)、芬蘭以空心輕質(zhì)混凝土墻板生產(chǎn)為主。國(guó)外當(dāng)前形成了法國(guó)第戎住宅群的FCIS墻板系統(tǒng)、意大利BSAIS工業(yè)化建筑外墻板、日本高層鋼結(jié)構(gòu)住宅PCa墻板等體系[2]。

國(guó)內(nèi)研究的復(fù)合墻板可簡(jiǎn)單分為單一材料外墻和輕質(zhì)復(fù)合外墻。單一材料外墻即由單一材料構(gòu)成的外墻，如ALC板、ASA板等。此類板材輕質(zhì)多孔，一般均具有良好的耐火性及隔聲性能。但在節(jié)能要求較高的項(xiàng)目中，單一材料墻板厚度和重量大大增加，導(dǎo)致建筑實(shí)際使用面積減少。另一方面，由于單一材料多孔的特性，此類墻板吸水率高，易受凍融循環(huán)的影響而削弱其保溫效果。輕質(zhì)復(fù)合外墻相較單一材料外墻在當(dāng)前是更為常用的選擇，可歸為金屬面板夾芯板、鋼筋混凝土夾芯復(fù)合墻板及鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板這3種形式。輕質(zhì)復(fù)合外墻按照安裝方式可分為內(nèi)嵌式、外掛式及嵌掛結(jié)合式；按照基層墻體構(gòu)成又可分成預(yù)制復(fù)合條板墻、預(yù)制復(fù)合大板墻和龍骨現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合墻。

1.2 外墻保溫體系發(fā)展概述

20世紀(jì)40年代，德國(guó)最先開始對(duì)外保溫技術(shù)的研究，20世紀(jì)60年代，美國(guó)從歐洲市場(chǎng)引入外保溫技術(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，建筑節(jié)能效果顯著，20世紀(jì)90年代外保溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑中。

目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主要采用的保溫材料分為無機(jī)類和有機(jī)類，無機(jī)類材料以膨脹珍珠巖、巖棉制品為主，而有機(jī)類材料以模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）、擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）、聚氨酯制品、酚醛泡沫為主[3]。無機(jī)保溫材料產(chǎn)品耐火、阻燃性強(qiáng)、無毒、安全性高但保溫隔熱功能相對(duì)較差，遇水性能大大降低、造價(jià)較高；有機(jī)保溫材料保溫隔熱功能良好、輕質(zhì)、具有憎水性，但易老化、易燃燒且有滴落物等[4]。

2 集成保溫外墻設(shè)計(jì)

2.1 基本構(gòu)造

針對(duì)現(xiàn)有裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)體系存在脫落、防火、開裂、滲水等問題，通過研發(fā)設(shè)計(jì)新型集成保溫構(gòu)造、高性能新材料和連接配件，以現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板為研究起點(diǎn)，提供一種新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻解決方案，基層墻體為泡沫混凝土外掛墻板，外側(cè)一體反打A級(jí)保溫板。

新型集成A級(jí)保溫外掛墻板與主體鋼結(jié)構(gòu)之間通過角鋼與螺栓進(jìn)行連接，水平拼縫處采用建筑密封膠、發(fā)泡聚乙烯棒、發(fā)泡氯丁橡膠氣密條及耐火接縫材料進(jìn)行防滲水處理，其基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 集成保溫外墻基本構(gòu)造

2.2 外飾面層

為實(shí)現(xiàn)建筑外立面的品質(zhì)化和多樣化，適用于新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻的飾面材料可包括涂料、真石漆、水泥纖維板、金屬板、面磚、軟瓷、石材等，可滿足用戶對(duì)外立面的各類需求。

1）涂料、真石漆 涂料和真石漆屬于噴涂類飾面材料，施工簡(jiǎn)單、效率高。但由于其成品保護(hù)難度高、損壞后不易修補(bǔ)，此類材料不適合在工廠內(nèi)集成，因此工廠內(nèi)可不作處理或僅進(jìn)行預(yù)噴涂。

2）面磚、石材 此類飾面材料自重大、粘貼要求高，不適合在施工現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模濕作業(yè)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文件要求，建議在工廠內(nèi)采用反打、干掛等工藝成型以保證精度和質(zhì)量。

3）軟瓷、水泥纖維板、金屬板 此類材料有別于面磚、石材等傳統(tǒng)高品質(zhì)飾面，具有輕質(zhì)、耐腐蝕、可調(diào)節(jié)等特性，可實(shí)現(xiàn)清水、金屬紋、木紋等豐富效果，常采用干掛方式或?qū)Ｓ眠B接件固定于主體結(jié)構(gòu)。

2.3 保溫材料

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）第6.7.7條，若新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻采用B級(jí)保溫材料進(jìn)行集成，則每層需設(shè)置A級(jí)防火隔離帶，嚴(yán)重影響加工和施工效率。因此，綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)、耐火等級(jí)、強(qiáng)度等指標(biāo)，得出以下保溫材料的選用要求：導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)高于0.055W/（m·K）；耐火等級(jí)不應(yīng)低于A2級(jí)；為滿足涂裝附著要求，應(yīng)有較好的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折彎性（抗壓強(qiáng)度建議值0.30MPa，垂直于板面抗拉強(qiáng)度建議值0.20MPa）；加工性能要求握釘力強(qiáng)、裁切方便、不易粉化、易于修補(bǔ)；其他要求包括與泡沫混凝土應(yīng)有較好的結(jié)合度（與基層墻體有效黏結(jié)）、低吸水率、耐凍融、較大的軟化系數(shù)。

2.4 保溫連接件

與傳統(tǒng)外保溫以粘為主、以錨為輔的受力原理對(duì)比，新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻配套的保溫連接件由連接件承擔(dān)全部荷載，黏結(jié)力僅為安全儲(chǔ)備，這也是連接件的計(jì)算原則，由此可杜絕因黏結(jié)層老化失效導(dǎo)致的脫落風(fēng)險(xiǎn)。連接件主體采用不銹鋼材質(zhì)，為阻斷熱橋，在不銹鋼尾盤上增加尼龍包裹。連接件與墻板在工廠一體成型，具體安裝方式為：保溫板上打孔，孔洞直徑稍小于連接件桿軸直徑；連接件通過孔洞安裝至保溫板上；在保溫板的另一側(cè)澆筑混凝土，即可將連接件固定在基層墻體中。

2.5 工藝工法

保溫板和保溫連接件應(yīng)按照排板圖鋪設(shè)。經(jīng)切割后的保溫板四周側(cè)面應(yīng)保證平直，保溫板拼縫不大于2mm，拼縫處采取封堵措施，保溫連接件需要先鉆孔后安裝。

1）構(gòu)件加工生產(chǎn)工藝流程 安裝模具→鋪設(shè)A級(jí)保溫板及連接件→噴灑側(cè)模脫模劑→布置成型鋼筋籠→安裝預(yù)埋件→澆筑泡沫混凝土→養(yǎng)護(hù)脫?！鷻z查是否損壞并進(jìn)行修補(bǔ)處理→運(yùn)輸至堆場(chǎng)。

2）現(xiàn)場(chǎng)施工流程 測(cè)量放線→固定墻板位置控制木方→測(cè)量放置水平標(biāo)高控制墊塊→墻板吊裝就位→安裝斜支撐→預(yù)制墻板拼縫處理→檢查驗(yàn)收。

3 技術(shù)對(duì)比

將新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻與夾心保溫外墻、AAC條板等3種外墻做法進(jìn)行對(duì)比，參考《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（滬建建材〔2019〕157號(hào)）中對(duì)超低能耗建筑外墻平均傳熱系數(shù)的要求，并結(jié)合GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁傳熱系數(shù)（K值）計(jì)算公式，以K=0.32W/（m2·K）為計(jì)算基準(zhǔn)，綜合對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 3種外墻做法綜合對(duì)比

綜合以上3種外墻做法的對(duì)比，新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻墻體厚度更薄，且重量相對(duì)較輕，主體結(jié)構(gòu)可相應(yīng)優(yōu)化。從使用性能上來看，新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻安全性和防火性更可靠，且相較夾心保溫外墻及內(nèi)保溫AAC條板，可一次澆筑成型、整板安裝，生產(chǎn)和施工效率更高；從使用體驗(yàn)上來看，新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻大大降低熱橋效應(yīng)，消除滲水風(fēng)險(xiǎn)，其造價(jià)也低于夾心保溫外墻。

4 試制試驗(yàn)研究

4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)研究

在驗(yàn)算集成保溫墻體系統(tǒng)的連接件受力時(shí)，連接件承擔(dān)與保溫層、飾面層相關(guān)的全部荷載（自重、風(fēng)荷載、地震作用），不考慮保溫板與基層墻體間的黏結(jié)作用，僅將黏結(jié)作用作為安全儲(chǔ)備；同時(shí)《上海市外墻保溫系統(tǒng)及材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定》（滬建建材〔2021〕113號(hào)）明確要求預(yù)制混凝土反打保溫外墻板薄抹灰系統(tǒng)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)小于0.2MPa。因此需對(duì)連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能分別開展獨(dú)立的力學(xué)性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)墻板由硅墨烯保溫板與混凝土基層墻體反打制備而成，針對(duì)硅墨烯保溫板是否采用雙層鋼絲網(wǎng)加強(qiáng)，設(shè)置3個(gè)對(duì)照組，保溫板厚度分別為20，100，150mm，對(duì)墻板連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能進(jìn)行比較。對(duì)開展連接件承載力測(cè)試的試驗(yàn)墻板采用塑料薄膜將保溫板和混凝土基層墻體物理隔絕，確保試驗(yàn)符合計(jì)算假定。試驗(yàn)結(jié)果表明，連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能均滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)定的要求。

4.2 耐候性能試驗(yàn)研究

參考并基于JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 35169—2017《建筑外墻外保溫系統(tǒng)耐候性試驗(yàn)方法》、JG/T 429—2014《外墻外保溫系統(tǒng)耐候性試驗(yàn)方法》國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和《External Thermal Insulation Composite Systems with Rendering》（ETAG 004） 歐洲技術(shù)認(rèn)證指南，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的“80次高溫-淋水循環(huán)”“5次加熱-冷凍循環(huán)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種條件嚴(yán)苛的加強(qiáng)版耐候性試驗(yàn)方法：將高溫-淋水循環(huán)次數(shù)增加到160次，加熱-冷凍循環(huán)次數(shù)增加到10次，同時(shí)額外增加80次凍融循環(huán)。

試驗(yàn)墻板由面磚、涂料、抹面膠漿、耐堿網(wǎng)格布、硅墨烯保溫板和混凝土基層墻體等制備而成。試驗(yàn)分別測(cè)試飾面層與保溫板、保溫板與混凝土之間的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)墻板表面無裂縫、粉化、空鼓、剝落現(xiàn)象，20次試驗(yàn)的系統(tǒng)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度平均值0.28MPa，最小值0.22MPa，破壞界面在保溫板內(nèi)部，均符合要求。

5 工程實(shí)例介紹

為貫徹落實(shí)“碳達(dá)峰”“碳中和”行動(dòng)方案，上海市開展了多個(gè)集成保溫外墻項(xiàng)目的實(shí)踐和探索。

1）自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)PDC1-0302單元06-02地塊項(xiàng)目為臨港新城首個(gè)高品質(zhì)裝配式超低能耗住宅，總建筑面積8.2萬m2，其外圍護(hù)系統(tǒng)采用100mm厚A2級(jí)硅墨烯保溫板和斷熱型不銹鋼連接件組成集成保溫反打體系，外圍護(hù)平均傳熱系數(shù)K值達(dá)0.39。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年可節(jié)約用電159.4萬kW·h，節(jié)約天然氣3.1萬m3，減少二氧化碳排放279.60t。

2）楊浦區(qū)江浦社區(qū)R-09地塊項(xiàng)目總建筑面積12.8萬m2，設(shè)計(jì)遵循“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”的原則，優(yōu)先采用外遮陽、節(jié)能門窗、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫等被動(dòng)式措施大幅降低建筑能耗。其外圍護(hù)突破保溫板常規(guī)尺寸，采用單板跨度3.0m的雙層鋼絲網(wǎng)加強(qiáng)型硅墨烯保溫板做到層高方向無拼縫，通過保溫反打和免拆模板工法，實(shí)現(xiàn)墻體與保溫集成，大大提高建造效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

項(xiàng)目實(shí)踐表明，集成保溫外墻能有效確保建筑安全耐久、提高項(xiàng)目建造效率、滿足高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能減排要求，在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)三大效益方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語

通過整理并分析市面常規(guī)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻做法，創(chuàng)新性地提出一種新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻解決方案，并對(duì)其連接構(gòu)造、組成部分、加工工藝、力學(xué)和耐候性能等方面展開研究。研究表明，新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻是更適合裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護(hù)系統(tǒng)，相比市面上常規(guī)外墻系統(tǒng)，其在墻板組成材料、安全耐久性、生產(chǎn)施工、保溫性能等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)靈活、加工安裝便捷，與之配套的外圍護(hù)系統(tǒng)需滿足大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、多功能化的發(fā)展要求。新型A級(jí)集成保溫泡沫混凝土外墻能夠?qū)崿F(xiàn)飾面保溫高度集成、整板快速拼裝，可大幅提高建造效率，確保建筑質(zhì)量和品質(zhì)，減少建筑垃圾，節(jié)約綜合成本，其推廣與應(yīng)用能有效服務(wù)健康中國(guó)戰(zhàn)略部署，對(duì)提升建筑節(jié)能水平和推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有十分重要的意義。