結(jié)構(gòu)與保溫一體化的外墻設(shè)計與施工技術(shù)*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 研究背景

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻是一種新型的保溫墻體形式，具有保溫效果好、可實現(xiàn)墻體保溫與主體結(jié)構(gòu)同壽命的特點，是今后國內(nèi)節(jié)能建筑墻體發(fā)展與應(yīng)用的趨勢。

1.1 墻體與連接件介紹

按照保溫材料的設(shè)置位置，工程中常用的保溫墻體分為外保溫墻體、內(nèi)保溫墻體和夾心保溫墻體3種。結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻也稱為預(yù)制混凝土夾心保溫墻體，是由內(nèi)外頁混凝土墻板、保溫結(jié)構(gòu)中間層、連接件組成。由于將保溫結(jié)構(gòu)層設(shè)置于墻體中部，避免了外保溫墻體火災(zāi)、自然凍融循環(huán)等自然災(zāi)害對保溫材料的危害，同時又降低了內(nèi)保溫墻體熱橋效應(yīng)的影響，提高了墻體的保溫效果。

連接件是結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的關(guān)鍵組成部件，其主要作用是連接墻體內(nèi)、外混凝土墻板與中間保溫層，抵抗兩頁混凝土墻板之間的層間剪切和相互分離。目前，常用的墻體連接件分為金屬合金連接件、普通金屬連接件和FRP連接件（圖1）。

FRP連接件采用纖維增強塑料材料，價格適中，同時抗腐蝕性好，傳熱能力低，是目前國內(nèi)節(jié)能建筑外墻中新興使用的連接件產(chǎn)品，在建筑工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1]。

1.2 研究與應(yīng)用

圖1 連接件分類

西方國家對結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻的研究與應(yīng)用較早，早在上世紀90年代初，美國Seeber，德國Kurama、Ramm,W等就開展了墻體及FRP連接件的研究工作，通過FRP連接件的拔出、抗剪試驗以及墻體靜力性能試驗確定了連接件和墻體的受力性能與破壞形態(tài)[2-6]。結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體和FRP連接件在美國、歐洲等地區(qū)的工業(yè)建筑、住宅、辦公樓、溫室得到了廣泛的應(yīng)用。

相比之下，國內(nèi)對結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的研究與應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的外墻及FRP連接件，對墻體及連接件的理論研究也較少。黑龍江、天津、北京等地建造的一些節(jié)能建筑采用的墻體和連接件大都直接購買國外產(chǎn)品，建造成本較高。

1.3 技術(shù)標準

由于FRP連接件在歐美等國家的應(yīng)用時間較長，國外已專門針對結(jié)構(gòu)與保溫一體化的外墻和FRP連接件編寫了多部技術(shù)標準，如AC320、ESR-1746等。

國內(nèi)尚未頒布FRP連接件的相關(guān)標準，只是在《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）、《裝配整體式混凝土住宅體系設(shè)計規(guī)程》（DG/TJ 08-2071—2010）中提到了墻體和FRP連接件的設(shè)計、構(gòu)造及施工等相關(guān)內(nèi)容。

2 外墻設(shè)計

2.1 外墻與連接件開發(fā)

針對上述國內(nèi)對結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的研究較少，國內(nèi)墻體與連接件產(chǎn)品應(yīng)用匱乏等問題，上海建工集團與同濟大學(xué)等單位合作[7]，在國內(nèi)首次開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的墻體及FRP連接件產(chǎn)品（圖2），并對墻體及FRP連接件開展了力學(xué)性能試驗研究。

圖2 結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體及FRP連接件

開發(fā)的結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體適用于夏熱冬冷地區(qū)，墻體由厚55 mm混凝土外墻板、厚40 mm泡沫混凝土中間層、厚180 mm混凝土內(nèi)墻板和FRP連接件組成，連接件在墻體中采用矩形或梅花形布置，布置間距為500 mm。

用于連接內(nèi)外層混凝土板的FRP連接件呈棒狀，由FRP連接體和塑料套環(huán)組成，連接體截面形狀為十字形。

2.1.1 力學(xué)性能試驗

針對開發(fā)的FRP連接件開展了拔出和抗剪性能試驗（圖3），試驗結(jié)果表明（表1），連接件的抗拔承載力和抗剪承載力均達到了設(shè)計要求，并有一定的安全儲備。

圖3 連接件抗拔及抗剪試驗

表1 FRP連接件拔出及抗剪試驗結(jié)果

基于試驗結(jié)果并結(jié)合理論分析，得出了連接件的抗拔承載力和抗剪承載力的設(shè)計計算方法。

棒狀連接件的抗拔及抗剪承載力按式（1）、（2）進行計算：

式中：h0——錐體的高度；

D1——連接件截面寬度；

ft——混凝土抗拉強度；

t——中性軸橫穿FRP連接件位置的連接件寬度；

α——連接件彎曲效應(yīng)系數(shù)，α=15-0.2L；

L——保溫層厚度；Sz

*、Iz、τf、σf可參考材料力學(xué)的定義計算。

FRP連接件拔出、抗剪承載力試驗值與設(shè)計值對比如表2所示。

表2 連接件拔出、抗剪承載力試驗值與計算值對比

可以看出，F(xiàn)RP連接件抗拔與抗剪承載力公式計算值與試驗值之間誤差較小。

2.1.2 熱工性能試驗

為了確定結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體在實際使用過程中的節(jié)能保溫效果，我們進行了墻體的熱工性能試驗（圖4）。墻體的熱工性能檢測結(jié)果為：墻體熱流量值Q=13.02 W/m2，墻體熱阻值R=0.74 m2·K/W，外墻傳熱阻值R0=0.89 m2·K/W，外墻傳熱系數(shù)K=1.12 W/（m2·K），內(nèi)墻傳熱阻值R0=0.96 m2·K/W，內(nèi)墻傳熱系數(shù)K=1.04 W/（m2·K）。

圖4 外墻板熱工性能檢測

由結(jié)果可知，作外墻時，傳熱系數(shù)K=1.12 W/（m2·K）；作內(nèi)墻時，傳熱系數(shù)K=1.04 W/（m2·K）。兩者均小于規(guī)范對住宅建筑節(jié)能的限值要求[限值為1.50 W/（m2·K）]。

2.2 連接設(shè)計

構(gòu)件節(jié)點的連接構(gòu)造是預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，它直接影響到整個結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能。為了避免墻體在連接節(jié)點處的滲水和冷熱橋現(xiàn)象，增加墻體的整體保溫效果，我們專門針對墻體的連接構(gòu)造進行了設(shè)計。

2.2.1 外墻與梁的連接

在結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻上部墻板中預(yù)留插筋并伸入L形梁中形成錨固。在現(xiàn)澆梁中預(yù)埋插筋并在預(yù)制墻體下部預(yù)留一豎孔，安裝時將梁中預(yù)埋插筋插入孔中。上下墻體間的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖5所示。

圖5 外墻與梁的連接示意

2.2.2 外墻與柱的連接

在結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻端部墻板內(nèi)預(yù)留插筋并伸入柱中形成錨固。插筋的直徑與布置間距應(yīng)滿足設(shè)計要求，兩片墻體間的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖6所示。

圖6 外墻與柱的連接示意

2.2.3 外墻與剪力墻的連接

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻與現(xiàn)澆剪力墻通過接駁器連接，接駁器的直徑與布置間距應(yīng)滿足設(shè)計要求，兩片墻體外側(cè)混凝土板的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖7所示。

圖7 外墻與剪力墻的連接示意

3 外墻施工

外墻的施工步驟主要分為前期外墻的運輸、施工準備工作、外墻現(xiàn)場起吊、安裝與調(diào)整等步驟。

3.1 運輸保護技術(shù)

由于此次開發(fā)的結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的外側(cè)混凝土板較薄，故對墻板的運輸提出了更高的要求。為此，特別研發(fā)了針對墻體的運輸架，并針對不同墻體尺寸，設(shè)計了A形架運輸和矩形網(wǎng)架運輸2種方式。

當(dāng)墻板構(gòu)件的尺寸較大，尤其是寬度方向尺寸較大時，宜采用A形架運輸方式；當(dāng)墻板構(gòu)件尺寸適中，且標準化程度較高時，宜采用矩形網(wǎng)架運輸方式。在運輸過程中，應(yīng)將外墻的內(nèi)側(cè)混凝土板與鋼架接觸，以便保護保溫材料和外側(cè)混凝土板。

3.2 現(xiàn)場安裝技術(shù)

3.2.1 工作流程

外墻施工（包括其他構(gòu)件）的總體流程為：引測控制軸線→樓面彈線→水平標高測量→預(yù)制墻板逐塊安裝（控制標高墊塊放置→起吊、就位→臨時固定→脫鉤、校正→錨固筋安裝、梳理）→現(xiàn)澆柱、墻板鋼筋綁扎（機電暗管預(yù)埋）→支撐排架搭設(shè)→柱、墻板模板安裝→疊合樓板、疊合陽臺板安裝→現(xiàn)澆樓板鋼筋綁扎（機電暗管預(yù)埋）→混凝土澆筑→養(yǎng)護→預(yù)制樓梯吊裝。

3.2.2 前期準備

預(yù)制外墻板采用豎直翻轉(zhuǎn)后運輸，為保護外墻外立面，外墻插筋向內(nèi)、正向放置，構(gòu)件放置角度不應(yīng)小于30°，以防止傾覆。

構(gòu)件均通過運輸架進行運輸。預(yù)制構(gòu)件運至施工現(xiàn)場后，直接連同運輸架一起堆放在塔吊有效范圍的施工空地上。墻板采用靠放，用槽鋼制作滿足剛度要求的三角支架，應(yīng)對稱堆放，外飾面朝外，傾斜度保持在5～10°之間。

按照最大單件吊裝、裝配起重量的設(shè)計要求，經(jīng)選型、比較，平面控制采用網(wǎng)狀控制法，施工采用方格控制網(wǎng)。

通過地面上設(shè)置的控制網(wǎng)，在建筑物的地下室頂板面上設(shè)置垂直控制點，形成十字相交，組成十字平面控制網(wǎng)，避開每層的柱、梁、墻，并且點與點之間應(yīng)不被核心筒、柱子等的預(yù)留鋼筋擋住視線。

3.2.3 外墻現(xiàn)場起吊

為防止單點起吊引起構(gòu)件變形，本外墻應(yīng)采用鋼扁擔(dān)起吊就位。構(gòu)件的起吊點應(yīng)合理設(shè)置，保證構(gòu)件能水平起吊，避免磕碰構(gòu)件邊角。構(gòu)件起吊平穩(wěn)后再勻速移動吊臂，靠近建筑物后由人工對中就位。

3.2.4 外墻安裝與調(diào)整

本外墻板吊裝的順序為：外墻板進場、編號、按吊裝流程清點數(shù)量→各逐塊吊裝的預(yù)制保溫外墻板擱（放）置點清理、按標高控制線墊放硬墊塊→按編號和吊裝流程，對照軸線、墻板控制線逐塊就位設(shè)置墻板與樓板限位裝置→設(shè)置構(gòu)件支撐及臨時固定，調(diào)節(jié)墻板垂直尺寸→塔吊吊點脫鉤，進行下一墻板安裝并循環(huán)重復(fù)。

3.3 施工安全防護技術(shù)

3.3.1 外墻安全防護

為了在外墻安裝施工過程中能夠保護操作人員的安全，我們專門制作了結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻圍擋，如圖8所示。

圖8 外墻安全圍擋示意

該安全操作圍擋的高度為1.8 m，用以滿足安全技術(shù)施工要求。圍擋的尺寸根據(jù)外墻的不同尺寸定做，共分為12種規(guī)格。

圍擋材料選用方形管，尺寸分別為25 mm×25 mm×2 mm、25 mm×40 mm×2 mm、30 mm×40 mm×2 mm，鋼絲網(wǎng)選用10 mm×10 mm方孔鍍鋅網(wǎng)。連接、固定采用在預(yù)制墻板上口預(yù)埋φ40 mm接駁器，通過連接件與結(jié)構(gòu)連接。

3.3.2 安全操作

針對研發(fā)的外墻，我們制定了外墻施工安全操作系列步驟：

1）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板運輸至工地，在外墻板內(nèi)側(cè)預(yù)埋拉結(jié)點上設(shè)置纜風(fēng)繩。

2）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板起吊，樓層內(nèi)操作人員在該塊墻板位置佩帶穿心自鎖保險帶，并與樓層內(nèi)預(yù)埋件螺栓孔拉結(jié)、扣牢。

3）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板起吊至需要安裝樓層的外側(cè)位置，操作人員用自制的專用拉鉤將纜風(fēng)繩引至樓層內(nèi)。

4）操作人員通過纜風(fēng)繩將結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板拉至裝配樓層位置。

5）操作人員在室內(nèi)裝置外墻板與樓層限位器。

6）操作人員在室內(nèi)裝置外墻板與樓層調(diào)節(jié)桿。

7）外墻板固定就位，吊鉤脫鉤、移離。

8）操作人員解除穿心自鎖保險帶與樓層的連接，移到下一順序的外墻板位置，并與該外墻板預(yù)埋螺栓孔拉結(jié)、扣牢。

9）重復(fù)分解上述步驟，依次循環(huán)。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻具有保溫效果好、耐久性強、施工便捷等優(yōu)點，同時可實現(xiàn)墻體保溫與主體結(jié)構(gòu)同壽命，是節(jié)能建筑墻體發(fā)展的趨勢，在國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的戰(zhàn)略背景下具有光明的應(yīng)用前景。

國外已開展了一系列結(jié)構(gòu)與保溫一體化FRP連接件的研究與工程應(yīng)用工作，并制定了連接件的相關(guān)技術(shù)規(guī)程和產(chǎn)品標準。相對而言，國內(nèi)對FRP連接件的研究與應(yīng)用工作尚處于起步階段。

本文總結(jié)了結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻的國內(nèi)外研究與應(yīng)用進展、技術(shù)標準等方面的內(nèi)容，重點介紹了本課題組開發(fā)的外墻及FRP連接件，并針對外墻的設(shè)計和施工的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，在今后的工作中，課題組還應(yīng)開展以下研究工作：

1）在工程實際使用過程中，外墻及FRP連接件往往受到風(fēng)荷載和地震荷載的組合作用，應(yīng)進一步研究外墻及FRP連接件的抗震性能。

2）建立熱工模型，對墻體與梁、柱節(jié)點的熱工性能進行整體模擬計算，以確定墻體在實際使用過程中的保溫節(jié)能效果。