干掛石材幕墻系統(tǒng)應(yīng)用研究進展

曾 兵

（1.中國建筑科學(xué)研究院（國家化學(xué)建筑材料測試中心），北京 100013；2.北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100081）

干掛石材幕墻系統(tǒng)應(yīng)用研究進展

曾 兵1，2

（1.中國建筑科學(xué)研究院（國家化學(xué)建筑材料測試中心），北京 100013；2.北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100081）

從石材幕墻的發(fā)展歷程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、發(fā)展趨勢等方面對干掛石材幕墻的應(yīng)用進展進行了綜述，總結(jié)了不同連接型式的優(yōu)缺點，指出了標(biāo)準(zhǔn)編制中存在的問題，提出了未來工程應(yīng)用和基礎(chǔ)研究可能的研究熱點。

干掛石材；幕墻；膠粘劑；標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

為了追求建筑物的華麗、節(jié)能、環(huán)保、自然，天然石材作為建筑內(nèi)外墻飾面材料被廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)30年代，石材幕墻開始應(yīng)用于美國的高層建筑中，并得到了長足的發(fā)展。在我國，石材粘接最初采用濕粘的方式，直接用水泥砂漿將石材面板粘貼在外墻上，普遍存在石材表面泛堿現(xiàn)象，同時對施工高度有要求。20世紀(jì)90年代以來，干掛法從國外被引進，在外觀、安全性、耐久性、可更換性方面具有較大的優(yōu)勢。工藝技術(shù)的更新使得干掛施工工藝逐漸成為主流，石材幕墻的應(yīng)用范圍迅速擴大。目前，我國已發(fā)展成為全球最大的石材生產(chǎn)和使用大國。根據(jù)中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會的統(tǒng)計，我國建筑幕墻的年產(chǎn)量從2001年的1 600 萬平方米增至2014年的1.3億平方米，年均復(fù)合增長率18%，已成為世界建筑幕墻第一生產(chǎn)大國，其中石材幕墻約占30%。干掛石材先后有2種連接形式：石材側(cè)面連接和背面連接。側(cè)面連接的金屬掛件主要有：銷釘掛件、T型掛件、短槽掛件、通槽掛件、L形掛件、復(fù)合掛件等。背面連接主要是錨栓。不同的連接形式各有利弊，目前以短槽掛件和錨栓為主。本文概述了國內(nèi)干掛石材幕墻系統(tǒng)的發(fā)展歷程，分析不同連接形式的優(yōu)缺點，結(jié)合國內(nèi)干掛石材幕墻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出目前存在的主要問題，探討干掛石材系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)研究的重點和發(fā)展方向。

1　發(fā)展歷程

石材作為裝飾面材，與主體結(jié)構(gòu)的連接方式通常有2種形式，即濕貼法和干掛法。20世紀(jì)80年代以前，內(nèi)外墻裝飾的花崗石或大理石均采用墻面加鋼筋網(wǎng)片，用銅絲固定石塊灌注水泥砂漿粘貼的濕貼法工藝。這種施工工藝在早期發(fā)揮了一定的作用，促進了石材幕墻施工的發(fā)展，但是在后期的應(yīng)用過程中，出現(xiàn)的問題也越來越多，最常見的主要有以下幾點：（1）容易造成墻面石材泛堿，進而影響墻面美觀性及其使用效果；（2）容易出現(xiàn)開裂或者空鼓等問題，影響建筑物使用的安全性；（3）施工工藝導(dǎo)致整個石材幕墻質(zhì)量增加，施工難度大，不利于應(yīng)用在高層建筑中。石材干掛法是在主體結(jié)構(gòu)上設(shè)主要受力點，通過金屬掛件和粘接材料將石材固定在建筑物上，形成石材裝飾幕墻。主要有以下優(yōu)勢：（1）規(guī)避了泛堿的問題，保證了石板的色澤和亮度；（2）受氣候因素影響小，降低了施工成本，維修費用低；（3）幕墻系統(tǒng)的質(zhì)量是混凝土墻板的1/5左右，大大減輕了建筑物的自重，施工工藝靈活，連接更加穩(wěn)固，提高了抗震性。

20世紀(jì)80年代末以來，干掛法開始取代濕貼法在石材外飾面快速應(yīng)用。干掛連接方式分為背鉤式、鋼銷式、短槽式、通槽式和背栓式等。2000年以前，不銹鋼銷釘掛件大量使用在干掛石材中，該工藝是沿石塊厚度方向鉆孔，插入銷釘，然后注入膠粘劑來固定和連接上下石塊。這種掛件工藝簡單，不需要特殊工具，但板塊受力相互干擾，石材面拆卸困難，安全性差。2000年以后開槽式掛件，包括短槽式、通槽式，由于大幅提高了石材幕墻的可靠性和抗震能力，開始取代銷釘式連接在石材幕墻中得到推廣和應(yīng)用。

短槽式干掛法是將上下2塊石材面板共同固定在“T”形掛件或“蝴蝶”掛件上，然后再與骨架固定。掛件型材為不銹鋼或鋁合金材質(zhì)，在銷釘式掛件的基礎(chǔ)上改進而成，屬目前常用的固定方式。相對于銷釘式掛法，“T”形掛件或“蝴蝶”掛件增大了與石材板邊的接觸面積，使得承載力增大，且工藝簡單，但仍屬于板邊點式固定，石材板邊易崩落。且短槽式石材幕墻系統(tǒng)的面板多數(shù)情況是在現(xiàn)場開槽，現(xiàn)場加金屬掛件，精度低、效率低、噪音大、污染環(huán)境。短槽式干掛法成本較低，但安全性不高，通常用于石材質(zhì)量不太大或者安全系數(shù)要求不太高的石材幕墻系統(tǒng)。通槽式干掛是采用“L”型或“T”型通長的插片式掛件作為龍骨，將切好槽的石材安裝在“L”型或“T”型龍骨上，形成石材幕墻。通槽式方法大大增加了龍骨作為支撐構(gòu)件的受力面積，克服了掛件受力面積小、應(yīng)力集中等力學(xué)性能差的缺點。采用支承邊通槽錨固，比點式錨固方式的安全性能大為改進，但同樣存在上下扣齒板和彈性扣件的疲勞問題，不太適用于過高的建筑幕墻。工程實踐表明銷釘掛件、“T”型掛件、“蝴蝶”掛件等的可靠性、可拆性較差，市場正逐漸縮小。因此，新型掛件如SE型掛件應(yīng)運而生，SE型掛件是一種組合掛件,由一個主掛件和一個S型副掛件、一個E型副掛件組成，如圖1所示。SE型掛件簡化了石材幕墻安裝方式，提高了安裝質(zhì)量和安裝速度；石材裝飾板和副件之間可以使用固化時間較長的環(huán)氧樹脂石材干掛膠粘接，提高了粘接強度和可靠性；通過主件和副件的滑動配合方式，實現(xiàn)了石材幕墻可移動和可拆卸，方便了幕墻保養(yǎng)和維修。

背槽式石材干掛法是利用專用器具在石材板背后開燕尾槽，每個石材面板開4個槽口，插入鋁合金錨固件，通過連接件和龍骨連接，可通過燕尾槽的深度來調(diào)節(jié)由于石材面板厚度不均引起的幕墻外表面的不平整。背槽式石材幕墻系統(tǒng)的總體性能良好，在減輕石材幕墻質(zhì)量、抗意外沖擊破壞、錨固連接及方便施工方面有著顯著特點[1]。該工藝可以采用單元式石塊幕墻預(yù)制工藝，將花崗石鑲在金屬骨架內(nèi)形成單元式預(yù)制幕墻進行整體吊裝。隨著建筑高度的增加，石材幕墻的高度隨之不斷增加，為提高石材幕墻的安全性，高層建筑的石材多采用背槽式技術(shù)，但石材開槽工藝難度較大，成本略高。

背栓式干掛法是采用在專業(yè)設(shè)備上由與錨栓匹配的金剛石鉆頭進行拓孔，通過錨栓凸形結(jié)合與框架支撐協(xié)調(diào)組合而成的干掛石材的新技術(shù)、新工藝。錨栓在拓孔部分與錨固基礎(chǔ)形成凸形結(jié)合，通過嚙合將荷載傳給錨固基底，如圖2所示。背栓連接方法為石材幕墻和玻璃（金屬）幕墻形成組合幕墻創(chuàng)造了條件?；◢徥瘜俅嘈圆牧?，在與不銹鋼硬性擴脹抵觸時，易造成脹應(yīng)力，成孔的質(zhì)量是決定背栓與板材能否牢固連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按構(gòu)造主要有旋進式背栓和膨脹式背栓，施工不規(guī)范也會出現(xiàn)背栓從石材孔中拔出和由于應(yīng)力集中造成石材孔邊崩裂的現(xiàn)象[2]。背栓連接方法和工藝一直在持續(xù)改進，該工藝易于石材面板的更換，使用維修比較方便，可實現(xiàn)現(xiàn)場裝配式作業(yè)，適用于高層幕墻，但對開孔技術(shù)具有較高要求。

圖1　短槽式石材系統(tǒng)Fig.1　Short-slot type stone curtain system

隨著綠色建筑理念的不斷興起，裝配式構(gòu)件越來越受到關(guān)注，石材幕墻設(shè)計上出現(xiàn)了小單元式干掛法。小單元式干掛法與鋼銷式、短槽式在設(shè)計構(gòu)思上完全不同。石材面板雖然還是通過鋁合金掛鉤與骨架相連，但不同的是上下石材面板均是獨立與骨架相連。這種連接方式使干掛石材幕墻的設(shè)計方法、加工方法、安裝方法、物理性能等都得到了徹底的改變。板塊與骨架采用防震膠條柔性連接，改變了以往壓塊式結(jié)構(gòu)不能彈性變形的缺陷，具有更優(yōu)的抗震性能，可拆卸性好。小單元式組件可以在工廠通過工業(yè)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。但石材開槽工藝比較復(fù)雜，對安裝人員的技術(shù)水平要求較高。

石材側(cè)面干掛連接結(jié)構(gòu)件經(jīng)過30多年的應(yīng)用，從最初的銷釘式掛件發(fā)展到T型掛件、短槽掛件、通槽掛件等，到后來的背栓式、背掛式、SE型等新型掛件，干掛石材幕墻結(jié)構(gòu)正向生態(tài)型、舒適型和智能型方向發(fā)展。干掛件不斷改善，配合環(huán)氧樹脂干掛膠的應(yīng)用，石材幕墻高度已超過200 m。實踐經(jīng)驗表明，配套SE型掛件的短槽式石材系統(tǒng)和背栓式石材系統(tǒng)是目前的主流干掛形式。

2　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2001年《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 133出臺，從金屬與石材幕墻工程的設(shè)計、材料選用、性能要求、加工制作、安裝施工和工程驗收等方面做出了規(guī)定[3]?；诋?dāng)時的生產(chǎn)和加工技術(shù)，其中對石材幕墻的適用范圍規(guī)定有抗震設(shè)防地區(qū)的石材幕墻適用建筑高度不大于100 m，設(shè)防烈度不大于8度。石材面板的設(shè)計形式主要有鋼銷式、短槽式和通槽式?！短烊换◢徥ㄖ宀摹稧B/T 18601—2001、《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》GB/T 3098.6-2014、《鋁合金建筑型材》GB/T 5237.1—2008、《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB 16776—2005等分別從石材、金屬錨固件、密封材料等方面對石材幕墻系統(tǒng)所使用的材料做出了規(guī)定[4～7]。JGJ 133標(biāo)準(zhǔn)在2013年進行了修訂，取消了石材面板高度的限制，規(guī)定當(dāng)幕墻高度超過100 m時應(yīng)采用花崗石。最初采用的插銷式干掛，由于在面板棱邊開孔，容易崩邊，面板損耗大，已被淘汰，主要以開槽式干掛和背栓式干掛為主。修訂稿中增加了對粘接材料的要求，特別是對石材與掛件起粘接作用的環(huán)氧樹脂膠粘劑，由于其具有良好的耐久性，也稱干掛膠或AB膠，應(yīng)符合《干掛石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑》JC 887—2001[8]的規(guī)定，且不得采用不飽和聚酯樹脂膠。對于用于石材定位、修補等非結(jié)構(gòu)承載粘接用途的云石膠，應(yīng)符合《非結(jié)構(gòu)承載用石材膠粘劑》JC/T 989—2006[9]的規(guī)定，其特點是固化速度較快，但韌性較差，耐水性差[10]?，F(xiàn)行《干掛石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑》JC 887—2001按固化速度將環(huán)氧膠粘劑分為快固型和普通型，但工程現(xiàn)場則大量使用云石膠替代快固型環(huán)氧干掛膠。目前沒有相應(yīng)的規(guī)范對此粘接材料的工程復(fù)檢的檢測項目做出強條規(guī)定，而通過現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的壓剪強度區(qū)分不出環(huán)氧類干掛膠與不飽和聚酯樹脂類云石膠的區(qū)別。近年來，石材碎裂、脫膠、墜落、傷人毀物事件頻發(fā)，與此類粘接材料的濫用有很大關(guān)系，且已嚴(yán)重影響到石材幕墻的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。此外現(xiàn)行《干掛石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑》JC 887已運行15年，檢測方法還需要進一步細化，制樣工藝的不同會影響到測試結(jié)果的差異[11，12]，部分指標(biāo)參數(shù)和檢測方法已不太適應(yīng)現(xiàn)行石材幕墻結(jié)構(gòu)安全和耐久性的要求[13，14]。

國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2167—2001（2008）《石材固結(jié)劑的選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)指南》、DIN EN 12326-2—2004《搭接屋頂材料和覆面用石板和石材 第2部分：試驗方法》、NF B10-615—1999《天然石材的試驗方法 實密度、表觀密度、總孔隙率和開放孔隙率的測定》等從石材、金屬掛件以及各種輔助材料、施工工具等各方面對石材幕墻系統(tǒng)做出了詳細的規(guī)定[15～17]。發(fā)達國家經(jīng)過長期研究，開發(fā)了各種類型的高性能材料，形成了較為完善的干掛技術(shù)的理論體系，大大促進了工程技術(shù)的全面發(fā)展。

3　發(fā)展趨勢和研究方向

隨著對材料性能和施工工藝提出更高的要求，新的材料和工藝逐漸被應(yīng)用于干掛石材系統(tǒng)中。比如：S?E型小單元式可拆裝的石材幕墻掛件，采用鋁矽鎂合金材料，它的技術(shù)特點是將石材裝飾板與S?E型安裝組合件在工廠完成定位切槽，特別適用于高層建筑和抗震建筑的石材幕墻，并且解決了隔熱斷冷技術(shù)，不同材質(zhì)防靜電防腐蝕技術(shù)。背栓式掛件，通過在石材背面鉆倒錐形孔嵌入背栓，擰緊螺母從而使脹管端面擴展固定石材，再配合鋁合金聯(lián)接組件將石材固定在龍骨架或彎板上。雖然目前這些組件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工程造價很高，尚未廣泛應(yīng)用，但仍是未來的一個發(fā)展方向。

2016年的政府工作報告中指出要大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑。對于干掛石材系統(tǒng)，其中單元式石材墻體系統(tǒng)和組合式石材墻體系統(tǒng)將會是一個發(fā)展趨勢。單元式石材用鋁合金制作，以一個橫向分格及一個樓層高度為基本的幕墻單元。因為該體系大部分工作在工廠進行，所以加工和組裝質(zhì)量能得到保證，且可統(tǒng)籌安排施工計劃。但因單個石材板塊一般在1 200 mm×3 700 mm左右，重量很大，給施工過程中的吊運和安裝提出了很高的要求，成本較高。組合式石材墻體系統(tǒng)，通過合理的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計，使石材板塊彼此獨立，可隨時拆卸和安裝，使石材幕墻易于維護；通過合理布置連接點的數(shù)量和位置，改變石材板面的受力模型，使石材幕墻系統(tǒng)更加安全可靠；該體系以一個橫向分格和一個豎向分格為基本的單元，一般板塊大小在1 m2左右，質(zhì)量輕，安裝方便，且具有單元式石材幕墻的優(yōu)點，附框制作與現(xiàn)場龍骨安裝可同時進行，縮短工期，易于工廠化生產(chǎn)，質(zhì)量容易控制，而且耐腐蝕性好。

此外，干掛石材系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究落后于其工程應(yīng)用。目前該行業(yè)市場混亂，普遍存在材料以次充好。石材自身的缺陷以及在加工過程中產(chǎn)生的損傷，會直接影響到其服役過程中的安全性，同時石材受環(huán)境因素的影響，其強度隨時間會發(fā)生衰減，也會影響到干掛石材的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)承載用環(huán)氧膠粘劑起到將石材面板粘接到金屬掛件上的作用，目前國內(nèi)普遍用不飽和樹脂膠粘劑代替環(huán)氧樹脂膠粘劑，不飽和樹脂的耐久性和韌性均不如環(huán)氧樹脂，如果作為主要的膠粘劑應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)，將給建筑工程留下安全隱患。石材幕墻用建筑密封膠因長期接觸空氣，受光、熱、水等綜合因素的影響，密封膠會老化[18～20]，從而對石材幕墻的適用性和安全性產(chǎn)生影響。目前尚無有效現(xiàn)場檢測石材強度的方法，與石材相連的金屬掛件以及背栓的耐久性也關(guān)系到干掛石材系統(tǒng)的使用安全。隨著石材幕墻安全隱患事件的頻發(fā)，如何對既有干掛石材系統(tǒng)的安生性和耐久性進行評定也將成為未來一段時間的研究焦點。

4　小結(jié)

（1）配套SE型掛件的短槽式石材系統(tǒng)和背栓式石材系統(tǒng)是目前石材幕墻的主流干掛形式。

（2）國內(nèi)與干掛石材幕墻相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均已執(zhí)行10多年，標(biāo)準(zhǔn)的要求已不能滿足應(yīng)用的要求，需要進行修訂，特別是要對起結(jié)構(gòu)承載作用的環(huán)氧膠粘劑要在驗收中進行強制規(guī)定。

（3）裝配式構(gòu)配件的發(fā)展將為單元式石材墻體系統(tǒng)和組合式石材墻體系統(tǒng)迎來一個黃金發(fā)展期。

（4）石材幕墻用膠粘劑的耐久性研究以及既有干掛石材系統(tǒng)安生性和耐久性的評定將成為未來一段時間的研究焦點。

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Progress on application research of dry-fixing stone curtain wall system

ZENG Bing1,2

(1.China Academy of Building Research (China National Center for Test of Chemical Building Materials), Beijing 100013, China; 2.Chemistry College of Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The progress on application research of dry-fixing stone curtain wall was reviewed from the development process, standards, specifications and development trend in this article. The advantages and disadvantages of various connection types were summarized, the problems existing in the standard drafting were pointed out, the feasible research focuses in the engineering application and the basic research were indicated.

dry-fixing stone; curtain wall; adhesive; standard and specification

TQ437+.1

A

1001-5922（2016）10-0053-04

2016-06-29

曾兵（1981-），男，在讀博士，副研究員，研究方向為建筑材料的耐久性檢測與評定技術(shù)的研究。E-mail：zbing1981@163.com。

中國建筑科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究課題（20140112330730052）。