李列娟,杜 興,楊 洋,劉建明

(陜西建工第二建設集團有限公司,陜西 西安 710018)

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展,多層、高層、超高層建筑幕墻從材料、工藝、設備等方面日趨變化,ECP水泥板作為一種清水仿工業(yè)風格的新型幕墻材料,實現(xiàn)了標準化生產、一體化設計、裝配式施工。ECP水泥板是以硅質材料(如天然石粉、磷石膏、尾礦等)、水泥、纖維等為主要原料,通過真空高壓擠出成型的中空型板材,進行高溫高壓蒸汽養(yǎng)護而成的新型建筑水泥墻板。ECP不僅可用作建筑外墻裝飾,提高外墻的耐久性及呈現(xiàn)出豐富多樣的效果,也可直接用作建筑墻體,減少多道墻體的施工工序,實現(xiàn)墻體的結構圍護、裝飾、保溫、隔聲一體化[1]。在墻板裝飾性能上,其可塑性更強,除板材自身平板清水混凝土的簡潔外飾效果外,還可實現(xiàn)各種條紋圖案,并可通過鋪貼瓷磚及覆合各種石材效果,減少現(xiàn)場鋪貼及干掛的人工、材料費用等。工廠預涂裝增加了墻板圖案和顏色的多樣性,提高了涂裝質量和使用年限,可滿足不同的裝飾效果與需求,因此ECP水泥板可廣泛用于框架結構和鋼結構外圍護結構施工。

1 工程概況

高端數(shù)控機床研發(fā)與制造基地工程項目位于西安市高新產業(yè)開發(fā)區(qū),是一座集研發(fā)、制造、生產為一體的綜合性公共建筑,項目總投資2.4億元?？偨ㄖ娣e為30 138m2,地上24 141m2,地下 5 997m2, 其中A座地上5層,建筑高度為23.7m;B座地上11層,建筑高度為51.7m。結構形式為鋼筋混凝土框架剪力墻結構,A,B座在3層和5層有連廊相連,地下部分連為一體。本工程建筑幕墻采用新型ECP水泥板豎向鋪設,最高鋪設高度51m,面積約17 000m2,單塊板寬0.83m,長3.9～4.2m,厚0.06m,重70kg/m2,采用專用Z形件四點支撐固定。

外立面造型復雜,轉角較多且角度不一,大面積幕墻鋪設高度較高,板與板上、下錯縫拼接,板縫防水為施工重點,板材自身較重,幕墻整體施工難度大。

2 ECP幕墻水泥板特點及施工重難點

2.1 ECP幕墻水泥板特點

ECP相較于一般板材,強度更高、表面吸水率更低和隔聲效果更好,除了可用來裝飾建筑物外墻,也可直接用作建筑外墻板材。

針對板長3 900～4 200mm的ECP水泥板幕墻豎向鋪設,且幕墻高度超過45m的工程,國內尚無建筑物使用和施工。

ECP墻板作為外墻、內墻或直接作為建筑墻體而言,其強度、抗震性、耐候性、隔聲等皆具有優(yōu)勢,板材性能、外形、規(guī)格均具有極強的可塑性,可廣泛用于框架結構和鋼結構外圍護結構施工。ECP水泥板幕墻應用前景廣闊,可有效控制人、材、機投入,廢棄物可再生利用,綠色環(huán)保,降低成本[2]。

本文將通過分析單板長3 900～4 200mm,且施工高度超過45m的ECP水泥板幕墻豎向安裝施工(見圖1),及外窗洞口采用同材質同厚度板材收口,女兒墻頂部、轉角處采用轉角一體板施工中存在的問題,制訂有針對性的技術措施,解決施工難題,有效控制施工質量和安全,滿足圖紙設計性能指標。形成包括觀感效果確定、異形板材制作、轉角部位固定和連接、防水節(jié)點施工等的一整套施工技術。對圖紙優(yōu)化設計、工藝原理優(yōu)化創(chuàng)新,改進完善非常規(guī)建筑、非常規(guī)板型的技術措施,有效解決施工工藝安全隱患多、質量控制難的問題。

圖1 ECP水泥板Fig.1 ECP cement board

2.2 ECP幕墻水泥板施工重難點

1)建筑外形復雜 為追求建筑立面的外觀效果,建筑外立面的設計越來越復雜多樣,大多數(shù)建筑由傳統(tǒng)的平面矩形構造、立面夾角90°,變換為平面梯形、三角形等,立面夾角為135°,45°等不同的復雜結構構造。針對變換多樣的復雜建筑立面,使用ECP水泥板材裝飾施工,最突出的問題是立面排布,建筑立面外窗較多,原圖紙立面設計板材豎向安裝,上、下層板材豎向縫隙需錯開1/2,不能通縫,且板材在外窗位置不能出現(xiàn)“刀把”缺口,板材尺寸受到限制,所需板材尺寸較多,給板材的加工、安裝造成一定困難,為達到建筑立面裝飾效果,結合設計效果、施工圖紙及實體結構,需進行板材排布及拆分的技術研究。

2)建筑立面陰陽角拼接復雜 復雜建筑立面陽角及突出的棱角數(shù)量較多,角度也各不相同(135°,90°,30°),傳統(tǒng)方法采用兩塊板材切割拼角,通過考察其他項目,因板材切割角度不好控制,存在板材拼角處板縫寬度不一致,垂直方向上頂點到底點陽角不垂直,嚴重影響整體外墻裝飾效果,且施工過程中板材的切割造成損耗量增加、揚塵污染等影響工程成本和環(huán)境。

3)大規(guī)格板材安裝難度大 現(xiàn)行的幕墻根據(jù)材質不同分為玻璃幕墻、金屬幕墻和石材幕墻,一般連接的方式有鋼銷式、通槽式、倒掛式、直接式等,針對平面尺寸為830mm×3 900mm的ECP水泥板連接,傳統(tǒng)的連接方式不能滿足安裝要求,易導致板材豎向安裝后,因自身的變形受限制,造成板面開裂、斷裂現(xiàn)象。

4)水泥板節(jié)點復雜,精度要求高 對于建筑幕墻工程,建筑外立面與幕墻交接位置較多,如外門、窗及其他突出物,交接處的拼縫、防水節(jié)點施工存在一定的質量隱患,影響幕墻的外觀質量,因此需對ECP水泥板幕墻節(jié)點進行研究,制訂可實施的節(jié)點做法,消除質量隱患。

3 ECP幕墻水泥板關鍵施工技術

3.1 復雜建筑外形板材排布及拆分技術

ECP水泥板材裝飾施工中,需結合設計效果、施工圖紙和實體結構,進行板材排布及拆分研究。

利用現(xiàn)有的AutoCAD2014,Revit2016等系列軟件,結合原圖紙設計要求,對裝飾外立面進行板材排布,原則上在滿足設計要求的基礎上,應盡量減少板材的尺寸種類[3]。

使用AutoCAD2014對建筑每一個立面分層進行排布,由于立面的外窗較多,根據(jù)外窗位置及外窗與外窗、外窗與建筑陽角的距離尺寸進行排布,同時考慮上下層的1/2錯縫關系。

CAD立面排布方法僅限于二維平面,板材安裝距原結構立面220～240mm,使用CAD軟件排布未考慮到建筑轉角處、外窗四周等突出位置的板材尺寸,需在三維模型中進行排布、拆分,確定板材的規(guī)格尺寸。在CAD排布圖的基礎上,基于原結構模型,使用Revit2016按照板材安裝的空間尺寸進行建筑立面板材的排布。

使用Revit軟件進行板材排布和拆分,精準確定了板材的標準尺寸,分為外墻標準板、水平窗間墻板和豎向窗間墻板,基本實現(xiàn)了板塊規(guī)格統(tǒng)一,有利于工廠定量定尺寸加工。Revit排布如圖2所示。

圖2 Revit排布Fig.2 Revit layout

結合設計效果、施工圖紙及實體結構,運用CAD,Revit相關技術和軟件,進行板塊排布和拆分,最大限度地實現(xiàn)板塊規(guī)格統(tǒng)一,利于工廠化加工,實現(xiàn)設計效果。

3.2 復雜建筑立面陰陽角塊加工技術

為提高陽角部位的外墻裝飾效果,減少現(xiàn)場的板材切割數(shù)量,需解決陽角的施工困擾,通過考察其他項目發(fā)現(xiàn),陽角位置除了板材拼角外,可采用定型鋁板護角安裝,消除拼縫寬度不一致的問題,但鋁板長度過長,垂直高度上易產生變形,影響外觀。

綜合兩種陽角拼角施工方法,在陽角拼縫寬度一致的情況下,為滿足陽角垂直度的外觀裝飾要求,研發(fā)陰陽角塊成型技術,根據(jù)現(xiàn)場多樣的陽角尺寸,定制加工成品的陽角塊,現(xiàn)場僅拼裝即可。建筑立面陽角有45°,90°,135°,為避免陽角拼縫切割板材,委托工廠定制加工45°,90°轉角板,如圖3所示。生產工藝為:混合攪拌→真空高壓→擠出成型→高溫高壓蒸汽養(yǎng)護→成品處理→質檢出貨。

圖3 定制轉角板Fig.3 Customized corner plate

建筑立面外形復雜,陰陽角尺寸不一致,與廠家合作,研發(fā)陰陽角塊成型技術,實現(xiàn)工廠預制、現(xiàn)場拼裝,消除板材厚度、裁邊技術等的影響,提升整體觀感效果。

3.3 大規(guī)格板材連接技術研究與應用

為了滿足板材的安裝要求,保證幕墻的施工質量,采用PKPM,SAP2000、匯寶幕墻計算軟件進行荷載驗算,確定滿足要求的連接方式及構(配)件尺寸[4]。結果如圖4所示。

圖4 板面受力Fig.4 Surface load

通過受力計算,最終確定了大規(guī)格板材的連接方式深化圖紙。利用有限元計算軟件(PKPM,SAP2000等),模擬分析ECP水泥板幕墻整體及組成構(配)件受力特點,計算結果滿足風荷載、抗震性能要求,確定了經濟合理的連接方式、構(配)件規(guī)格。

3.4 高層建筑ECP板幕墻安裝技術

相較于低層、多層建筑,高層建筑應用ECP水泥板幕墻,因安裝高度的差距,其施工過程的安全性、經濟性及安裝順序不同,對于機械的選擇、勞動力的投入相差較大,針對高層建筑安裝高度、結構形式的不同,應該選用合理的安裝順序、機械和吊裝方式,保證施工質量、進度和安全。

根據(jù)施工圖紙、板材性質及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),利用BIM技術對安裝過程進行多次模擬分析(見圖5),確定安裝方法、順序及機械、吊具的選用。

圖5 板材安裝模擬Fig.5 Simulation of plate installation

3.4.1安裝順序

從底層向上層依次安裝,首先安裝外窗洞口四周挑檐板、蓋板、兩側板,隨后安裝窗間板材;轉角部位先安裝定制轉角板,再安裝兩側側板,板材安裝至頂層后,安裝頂層女兒墻蓋板,完成收口。

3.4.2機械選擇

ECP標準板材尺寸為830mm×3 900mm×60mm,單塊板材重約226.6kg,單塊板材豎向上、下兩端需作業(yè)人員輔助機械安裝,提供作業(yè)操作平臺,主要機械設備選用如表1所示。

表1 主要機械設備選用Table 1 Selection of main mechanical equipment

3.4.3吊裝工具

板材尺寸過大,不能使用傳統(tǒng)的吊帶方式,吊帶將板材吊到位置后,不便取出,吊裝效率較低,根據(jù)60mm厚板材形狀,中間為32mm空腔的特點,制作一種專用的豎向板材吊裝工具,如圖6所示。采用一根長4 500mm的70mm×50mm鍍鋅方管作通長垂直骨架,上下各一根橫向水平長750mm的70mm×50mm鍍鋅方管,上端可自由活動,下端固定至底部;同時上、下水平鍍鋅方管間距600mm焊接長200mm鍍鋅扁鐵,吊裝時專用吊裝工具插入板材孔洞中;通長垂直骨架上端,方管穿孔用以安裝吊環(huán),吊帶可穿過吊環(huán)進行板材單點起吊,板材吊裝就位后,撤出吊具。吊裝方式簡單、易操作,大大縮短了吊裝時間。板材起吊安裝如圖7所示。

圖6 吊具模型Fig.6 Spreader model

圖7 板材起吊安裝Fig.7 Lifting and installation of plate

3.4.4安裝方法

安裝流程為:現(xiàn)場放線→預埋件制作、安裝→龍骨安裝→Z形件安裝→ECP標準板安裝→陽角板拼角安裝。

1)現(xiàn)場放線

利用水準儀、經緯儀等儀器,測放水平線和垂直線。

2)預埋件制作、安裝

根據(jù)圖紙設計,預埋件采用250mm×300mm×10mm與250mm×450mm×8mm焊接組合的預埋鍍鋅鋼板,同時增加2道6mm厚鋼板加強肋,整體焊縫長度滿足≥0.8m,采用E4303型焊條三級焊縫要求,焊接完成經檢查無誤后,敲除焊渣,在焊縫位置涂刷2次防銹漆,防止焊點銹蝕。組合預埋件采用M12×160高強化學錨栓固定,后置埋件錨栓設計拉拔值為9 817N。預埋件構造如圖8所示。

圖8 預埋件構造Fig.8 Construction of embedded parts

3)龍骨安裝

建筑立面ECP水泥板豎向鋪設,水平縫位于各樓層建筑正負零處,上下豎縫錯縫不重合,龍骨采用水平方向安裝。龍骨體系中主龍骨采用70mm×50mm×5mm鍍鋅方管;承托板采用50mm×50mm×5mm鍍鋅角鋼;次龍骨采用70mm×50mm×5mm鍍鋅方管(主龍骨與預埋件連接);連接板采用50mm×50mm×5mm鍍鋅角鋼(長度L=800mm,與Z形件連接)。主次龍骨均采用焊接固定,焊接完成后涂刷防銹劑等,經檢查合格后進行后續(xù)施工。龍骨現(xiàn)場安裝如圖9所示。

圖9 龍骨現(xiàn)場安裝Fig.9 On-site installation of the keel

4)Z形件安裝

ECP水泥板安裝采用Z形件連接固定,Z形件材質為Q235B鍍鋅鋼板,厚6mm,連接螺栓為M12鍍鋅內六角螺栓。采用φ14鉆頭手槍鉆,在單塊ECP水泥板四角距板邊緣80～400mm范圍內進行鉆孔,臨時安裝Z形件。

5)ECP標準板安裝

按照板材安裝編號,利用水平運輸車叉車,搬運至外墻垂直起吊區(qū)域等待吊裝。采用25t吊車進行垂直吊裝,單根吊帶穿過專用吊裝工具上端預留吊環(huán)進行單點起吊。

因板材豎向安裝且長度過長,吊裝過程中需上、下施工人員進行輔助安裝,采用直臂車及吊籃為施工人員提供作業(yè)操作平臺。

ECP板豎向安裝,起吊至標高后,將板材下落至水平角鋼表面,撤出專用吊具,通過扭動Z形件螺栓調整板面進出,控制相鄰板面平整度、垂直度;板縫設計水平縫為15mm、豎縫為10mm,通過橡膠錘敲擊微調,控制板縫寬度,調整后固定Z形件,擰緊螺栓。

6)陽角板拼角安裝

建筑物45°,90°,135°陽角板均采用Z形件連接固定。建筑立面45°轉角位置,采用45°陽角板進行拼角安裝,角度為銳角,單側45°陽角板進行切割,兩側陽角板進行拼角,Z形件四點連接固定,拼縫控制在0.01m,由轉角位置向兩側進行安裝。建筑立面90°轉角位置,采用90°轉角一體板(見圖10),待兩側平面板安裝校正后進行轉角安裝,90°轉角一體板單側寬度為0.12m,上、下各安裝一個Z形件進行連接固定,通過扭動Z形件螺栓調整板面進出,待與兩側板面平整后,擰緊螺栓。

圖10 90°轉角一體板Fig.10 90°integrated corner panel

建筑立面135°轉角位置,采用45°陽角板進行拼角安裝,拼縫控制在0.01m,該板寬0.83m,Z形件四點連接固定,轉角位置單側45°陽角板安裝后,進行另一側陽角板安裝,由轉角位置向兩側進行安裝。

3.5 ECP水泥板節(jié)點做法研究與應用

ECP水泥板為中空型板材,板材兩側為“子母槽”,板與板的拼接節(jié)點需考慮防水處理,設計豎向板縫為15mm,水平板縫為10mm,縫隙處傳統(tǒng)的1道防水無法滿足要求,應進行優(yōu)化,增加防水構造,通過多次試驗,對板縫節(jié)點進行深化設計,為防止板縫處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,板縫節(jié)點處、板面水平縫、豎縫采用2道防水施工,防止墻面雨水滲漏至室內。①第1道防水 水平縫11mm橡膠單面貼通長設置,豎縫12mm橡膠條;②第2道防水 水平縫泡沫棒+耐候密封膠(黑色),豎縫泡沫棒+耐候密封膠(黑色)。

3.5.1板縫、節(jié)點防水施工

1)水平縫設置縫寬15mm,上、下ECP板間鑲嵌11mm橡膠貼壓緊,通長安裝,泡沫棒塞進板縫中,預留14mm進行耐候膠施工,水平黑色耐候膠應打膠順直,表面凹進板表面2～3mm,利用φ12圓鋼壓成弧形。

2)豎縫設置縫寬10mm,板材拼接為公母槽,公母槽內豎向嵌入12mm橡膠條并擠壓,板縫塞入泡沫棒,隨后進行耐候膠施工,豎縫黑色耐候膠表面凹進板表面2～3mm,利用φ12圓鋼壓成弧形,打膠須順直。

建筑立面的外窗、突出物對ECP水泥板的安裝造成一定困難,節(jié)點施工的質量影響整體外觀質量,進而需對節(jié)點進行深化設計。

依據(jù)原建筑設計圖紙及效果圖要求,ECP水泥板與外門、窗拼縫設置在內側,板縫交圈。外門、窗處側板及蓋板、挑檐板采用Z形件兩點固定,外窗的挑檐板、蓋板坡度要求滿足5%。外窗側板收口節(jié)點如圖11所示。

圖11 外窗側板收口節(jié)點Fig.11 Exterior window side panel closure node

3.5.2外門、窗洞口節(jié)點安裝

1)板材定制

通過BIM技術進行外門、窗排版優(yōu)化設計,結合外門、窗圖紙設計尺寸,確定各不同規(guī)格外門、窗的批量統(tǒng)一尺寸,委托工廠定制加工側板、挑檐板、蓋板。

2)龍骨安裝

幕墻整體龍骨體系安裝完成后,在外門、窗四周安裝焊接承托板、連接板。

3)Z形件安裝

在側板上、下兩端主龍骨位置各安裝一個Z形件,蓋板、挑檐板Z形件安裝在左、右兩端,距板邊緣80～400mm范圍內。

4)側板、挑檐板、蓋板安裝

安裝順序為:蓋板→側板→挑檐板。①安裝底部蓋板 由2名作業(yè)人員搬運至安裝位置,根據(jù)已安裝外墻板控制定位,蓋板向外坡度達到5%,就位后擰緊螺栓;②安裝側板 蓋板固定后,安裝外窗兩側板,側板壓在蓋板上,就位后擰緊螺栓;③安裝挑檐板 待側板、蓋板安裝完成后,安裝挑檐板,挑檐板向外坡度需達到5%。

4 結語

1) ECP墻板作為外墻、內墻或直接作為建筑墻體,其強度、韌性、抗震性、耐候性、隔聲等均具有優(yōu)勢,板材性能、外形、規(guī)格均具有極強的可塑性,可廣泛用于框架結構和鋼結構外圍護結構施工。ECP水泥板幕墻應用前景廣闊,可有效控制人、材、機投入,廢棄物可再生利用、綠色環(huán)保、降低成本。

2) 在常規(guī) ECP水泥板安裝方式的基礎上,針對大規(guī)格尺寸板材豎向安裝,且安裝高度>45m的情況,利用有限元計算軟件模擬分析ECP水泥板幕墻整體及組成構(配)件受力特點,設置水平龍骨構造體系,自制專用吊具進行板材垂直吊裝,采用專用Z形件連接固定;對于造型復雜的外立面,陽角部位采用預制轉角一體板安裝,減少陽角板的拼接,提高外觀質量效果。ECP水泥板復雜節(jié)點部位及門窗、連廊等突出物處增加2道防水節(jié)點,有效控制滲漏情況發(fā)生。

3) 在滿足設計要求和工期的前提下,該研究技術實施的安全性、經濟性、環(huán)保性等均達到一定效果,實施后的項目質量進一步得到提升。應用項目經濟和社會效益顯著,同時減少了現(xiàn)場的環(huán)境污染及材料消耗,降低了現(xiàn)場施工難度,提升了施工效率,縮短了施工工期。