裝配式外掛圍護墻體的研究應用探索

阮錦發(fā)

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

裝配式建筑的標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理等特點，使其能夠應對我國人口紅利減少對用工造成的不利影響，減輕建筑給環(huán)境造成的負擔，提高建筑品質(zhì)，節(jié)省建造成本，從而在我國建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級階段進入了快速發(fā)展的特殊歷史時期。目前，裝配式領域結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展對象主要集中在裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)以及相應的組合、混合結(jié)構(gòu)的觀點得到業(yè)內(nèi)普遍認可，但是單純的體系建設并不能完全滿足建筑使用功能的要求。裝配式圍護墻體作為裝配式建筑的重要組成部分，在建筑物的功能劃分、保溫隔熱、擋雨防風等方面起到關鍵作用。墻體與主體結(jié)構(gòu)連接的安全與否關系到人身財產(chǎn)的安全，墻體的集成程度影響著使用的舒適性。作為裝配式圍護墻體組成之一的裝配式外掛圍護墻體，由于易于工廠化生產(chǎn)、便于現(xiàn)場安裝施工、較容易的接縫處理等特點，在裝配式建筑圍護系統(tǒng)中得到逐步推廣使用。

1 裝配式外掛墻體的類型

常見的裝配式外掛圍護墻體按照組成材料大致可以分為水泥基墻體、石材墻體、瓷磚飾面墻體和復合材料墻體。墻體支承在主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)在荷載或地震作用下的變形可能對外掛墻體產(chǎn)生不利影響，需要合理選擇墻體在主體結(jié)構(gòu)上的支承形式。常見的外掛墻體的支承形式可分為線支承連接和點支承連接，線支承連接在荷載、地震作用和主體結(jié)構(gòu)變形時受力復雜，點支承連接由于受力情況較線支承連接簡單，在工程上使用較為廣泛。按約束形式的不同，點支承連接可以分為平移型、轉(zhuǎn)動型和固定型，如圖1～圖3所示。由于主體框架的層間位移，使得相鄰樓層梁、柱上下端存在相對位移，平移型支承連接適用于墻體長度方向尺寸大于寬度方向且支撐點位于相鄰樓層受力構(gòu)件的情形，轉(zhuǎn)動型支承連接適用于墻體寬度方向尺寸大于長度方向且支撐點位于相鄰樓層受力構(gòu)件的情形，固定型支承連接適用于支撐點位同一受力構(gòu)件的情形。

圖1 平移型支承 圖2 轉(zhuǎn)動型支承 圖3 固定型支承

2 裝配式外掛圍護墻體的設計

2.1 墻體分割

墻體分割應整體統(tǒng)籌，多方面考慮。墻體分割時應考慮建筑外立面裝飾的需要，考慮道路運輸對墻體寬度、高度的限制，還應考慮墻體脫模、運輸和吊裝時的起吊能力。為節(jié)省造價，應進行墻體標準化設計，增加模具的利用率。根據(jù)板拼縫設置，為達到美觀目的，建議水平分割縫可位于梁腹范圍內(nèi)，做到視覺美觀不外露，位于墻板上緣的連接件，應能夠被樓板遮蓋，且遮蓋厚度至少能符合傳統(tǒng)梁筋保護層的要求。對于包梁的墻體，其下方連接件的位置應盡量設置在梁側(cè)，考慮連接件能夠被天花板遮蔽。垂直分割縫可位于室內(nèi)墻厚的中心，中心宜對齊軸線，垂直分割縫位于柱兩側(cè)時，宜考慮下方鐵件的遮蔽問題和施工的方便性。

2.2 墻體接縫設計

在墻體自身物理、力學性能符合使用性和安全性要求的前提下，合理的墻體拼縫設計保證了水密、氣密、防火、熱工和隔聲等性能的要求。構(gòu)造方面，為保證雨水不侵入建筑物室，國內(nèi)外常采用建筑室內(nèi)高、室外低的企口方式作為墻體的水平縫做法，企口高低可以根據(jù)所在地區(qū)風壓與臺風發(fā)生頻率確定。水平拼縫處從室外至室內(nèi)常依次設置密封膠、背稱材料、氣密條和防火封堵，具體設置如圖4所示。墻體的垂直縫做法同樣根據(jù)所在地區(qū)的風壓與臺風影響頻率確定，常采用帶減壓腔的槽口形式與不帶減壓腔的平直形式。豎直拼縫材料設置類似水平拼縫，具體設置如圖5所示。當?shù)谝坏婪浪ВM入墻體，可在一定間隔的樓層處通過設置斷水措施，檢查漏水位置并防止水汽影響過多樓層。同時，通過設置導水措施，可以將水汽排到墻外，保證室內(nèi)的干燥。斷水導水措施如圖6所示。

圖4 水平縫示意圖

圖5 豎直縫示意圖

圖6 斷水和導水示意圖

至于氣密、熱工與隔聲性能，通常利用墻體接縫處材料的性能來保證。國內(nèi)主流建筑用密封膠條主要有聚氨酯密封膠條、聚硫密封膠條、硅酮密封膠條、苯丙密封膠條、純丙密封膠條和醋丙密封膠條，各密封膠條特點如表1所示[1]。建筑防火方面，通常做法是在墻體拼縫近室內(nèi)側(cè)、墻體同主體結(jié)構(gòu)的金屬連接件和墻體同主體結(jié)構(gòu)間空隙中填充或覆蓋防火封堵材料。國家現(xiàn)行標準《防火封堵材料》GB23864[2]對防火封堵材料的性能進行了規(guī)定與要求。

接縫處的縫寬?？紤]溫度與層間位移因素分別按下式計算[3]：

(1)溫度變化下節(jié)點位移

(1)

δ=k·α·l·Δt(1-K)

(2)

式中：

W——接縫寬 (mm)；

δ——節(jié)點位移 (mm)；

M1——填縫材料的設計伸縮率或剪切位移率(%) ；

t——接縫寬度施工容許誤差 (mm)；

k——修正系數(shù)；

Δt——墻體表面溫度差 (℃)；

l——墻體設計長 (mm) ；

K——節(jié)點位移折減率。

(2)層間位移下節(jié)點位移

(3)

ΔL=h×δ×(1-K)

(4)

式中：

W——接縫寬 (mm)；

ΔL——層間位移(mm)；

M2——填縫材料的設計伸縮率或剪切位移率(%)；

h——層高 (mm) ；

δ——層間位移 (mm)。

2.3 墻體結(jié)構(gòu)設計

裝配式外掛墻體在荷載和地震作用下，墻體自身和連接件應滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的要求。主要計算內(nèi)容包括荷載和地震作用的計算，墻體同主體結(jié)構(gòu)的連接計算，墻體自身力學性能的計算，荷載和地震作用按照行業(yè)現(xiàn)行標準《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ1[4]計算。根據(jù)計算簡圖如圖7所示，容易推導得連接計算公式如下。

圖7 節(jié)點連接計算簡圖

2.3.1點掛式連接計算

(1)連接處豎直荷載和作用的效應計算應按下式確定：

(5)

(6)

式中：

ex——連接處豎直方向的作用效應在面內(nèi)的水平方向的偏心值(m)；

ey——連接處豎直方向的作用效應在面外的水平方向的偏心值(m)；

l——連接錨栓水平間距(m)；

h——連接錨栓豎直間距(m)。

(2)連接處水平荷載和作用的效應計算應按下式確定：

(7)

(8)

(9)

式中：

2.3.2墻體受彎承載力

圖9 某生產(chǎn)基地服務中心及其墻板連接構(gòu)造示意圖

對于不開洞的干掛式墻體，墻體的最大彎矩可以梁端為簡支的方式根據(jù)力學概念計算，計算跨度可取掛點間幾何長度，計算簡圖如圖8所示，根據(jù)力學知識推導得下列計算公式。

(10)

(11)

式中：M(x)max，M(y)max——分別為墻板x，y兩方向最大彎矩 (kN·m)；

l0x，l0y——分別為墻板x，y兩方向計算跨度(m)；

p——墻板承受均布荷載(kN/m2)。

當墻板只受彎曲作用，即面內(nèi)薄膜應力忽略不計，只存在彎曲應力的情況下，彎曲應力可按照行業(yè)現(xiàn)行標準《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133[5]的規(guī)定計算。對于開洞的干掛式墻體，墻體的最大彎矩計算可參考《PC帷幕墻之設計與施工》[3]中的計算公式。

圖8 不開洞干掛式墻體計算簡圖

3 工程案例

某生產(chǎn)基地服務中心為9層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，部分外墻采用外掛條板墻與預制梁柱結(jié)合，墻材使用面積約10 000m2。施工現(xiàn)場主要采用機械化拼裝，減少了手工勞動和濕作業(yè)，工期與現(xiàn)澆施工相比減少30%，工程照片及墻板連接構(gòu)造示意圖如圖9所示。該工程外掛墻板采用平移型支承，下端為承重型連接件，固定于主體結(jié)構(gòu)。上端為調(diào)整型連接件，通過在連接處開水平長孔以吸收水平方向的位移從而實現(xiàn)墻板的滑移功能。

某綜合服務樓為4層裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，外墻采用裝配式鋼骨架外墻板，鋼骨架通過螺栓連接于方鋼管柱上焊接的掛件，鋼骨架兩側(cè)分別為鉚釘連接的水泥板和鋼塑板，實現(xiàn)了裝配式墻板同鋼結(jié)構(gòu)主體的合理連接，工程照片及墻板連接構(gòu)造示意圖如圖10所示。該工程外掛墻板采用固定型支承，上下端采用連接形式完全相同的連接件將墻板連接于主體結(jié)構(gòu)，并通過限制連接件1和連接件2的相對位移，實現(xiàn)墻板的固定連接。

某健身中心體育館為裝配式鋼結(jié)構(gòu)，外墻采用氟碳漆噴涂的自保溫一體化外掛墻板，實現(xiàn)了圍護、保溫、隔音和裝飾功能的集成，整個工程在3個月內(nèi)完工，工程照片及墻板連接構(gòu)造示意圖如圖11所示。該工程外掛墻板采用轉(zhuǎn)動型支承，上下端采用形式完全相同的弓形連接件將墻板連接于主體結(jié)構(gòu)。通過在外墻板、連接件和托板上開設豎直或水平長孔，實現(xiàn)墻板的滑移與轉(zhuǎn)動。

圖10 某綜合服務樓及其墻板連接構(gòu)造示意圖

圖11 某健身中心體育館及其墻板連接構(gòu)造示意圖

4 結(jié)論

(1)裝配式外掛圍護墻體是裝配式圍護系統(tǒng)的組成之一，在國內(nèi)使用尚處于起步階段，工程案例相對較少，工程水平還處于較低水平。防滲防裂等技術(shù)還需要優(yōu)良的工藝保證，更加成熟的工法支撐。

(2)合理適用的裝配式外掛圍護墻體的設計應用，需要專業(yè)齊全的團隊在設計、生產(chǎn)、施工、輔助材料等方面進行良好的溝通和配合，注重節(jié)點連接設計、拼縫處理、與主體結(jié)構(gòu)配套等多方面周詳?shù)目紤]。

(3)裝配式外掛圍護墻體雖然在拼縫處理、連接件以及結(jié)構(gòu)設計上已有一定研究，但目前工程應用效果不佳、集成性不高、產(chǎn)品種類較少，尚需開展多方面深入的基礎研究，并重視研究與工程實踐相結(jié)合。

[1] 岳森，李文霞.國內(nèi)建筑用密封膠現(xiàn)狀[J].居業(yè)，2012(08)：82-84.

[2] GB 23864-2009 防火封堵材料[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 安部一郎，相場新之輔.PC帷幕墻之設計與施工[M]. 鹿島：鹿島出版社，1984：43-51.

[4] JGJ1-2014 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[5] JGJ133-2013 金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.