水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體綠色裝配式可行性行研究

劉子碩

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與交通學(xué)院，遼寧 阜新123000)

我國(guó)目前的建筑墻體普遍采黏土磚和混凝土小空心磚。其中燒制黏土磚會(huì)造成資源與土地浪費(fèi)；混凝土小空心磚保溫隔熱隔聲效果不佳，通常在建筑的外墻還要單獨(dú)外掛一層保溫層，而市場(chǎng)目前大部分保溫材料均為聚苯板，聚苯板在生產(chǎn)過(guò)程中同樣會(huì)造成資源浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的二次污染。水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體可解決上述問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)在我國(guó)發(fā)展迅速。

1 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體

1.1 格構(gòu)式墻體概念

格構(gòu)式墻體體系也稱為納士塔(R A S T R A)體系，最早是20世紀(jì)70年代奧地利的R A S T R A公司申請(qǐng)的一項(xiàng)專利技術(shù)，在2004年引入國(guó)內(nèi)。格構(gòu)式墻體是一種由自密實(shí)免振搗混凝土在模殼內(nèi)形成水平和垂直的網(wǎng)格狀格構(gòu)柱和格構(gòu)梁的新型混凝土墻體。

1.2 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體概念

水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體是用聚苯顆粒、外加劑和水泥等按照規(guī)格在工廠內(nèi)軋模成型，直接當(dāng)作格構(gòu)式墻體的模板和墻體本身。這種復(fù)合式墻體可解決包括墻體承重、墻體保溫、墻體隔聲等問(wèn)題。

1.3 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體特性

水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體本身分為內(nèi)外2個(gè)結(jié)構(gòu)部分。外部結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)材料制成的水泥聚苯材料，骨料為聚苯顆粒，該部分具有自重輕、保溫性能良好等節(jié)能特性；內(nèi)部結(jié)構(gòu)為墻體的承重部分，由預(yù)埋鋼筋做骨架和水泥聚苯模殼做模板現(xiàn)澆筑自密實(shí)免振搗混凝土形成格構(gòu)柱、格構(gòu)梁和加強(qiáng)格構(gòu)柱。內(nèi)外2部分結(jié)構(gòu)的整合造就了集承重、保溫、防火、隔聲等多種性能于一身的新型墻體。

1.4 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體應(yīng)用現(xiàn)狀

自2004年該墻體體系引入國(guó)內(nèi)以來(lái)，具體建成項(xiàng)目屈指可數(shù)。其原因主要為國(guó)內(nèi)格構(gòu)式墻體研究范圍較小，研究主要方向大多為墻體的力學(xué)分析、抗震性能和保溫系數(shù)計(jì)算；國(guó)外對(duì)于格構(gòu)式墻體雖然有完整的體系，但大多應(yīng)用于低層公共建筑或獨(dú)棟住宅等小型建筑，以至于有些學(xué)者認(rèn)為該墻體體系在我國(guó)不適用，認(rèn)為該墻體具有抗震性能差、建筑造價(jià)高等。實(shí)際上根據(jù)格構(gòu)式墻體的相關(guān)力學(xué)分析研究表明，該墻體應(yīng)用于6層住宅建筑或其他民用建筑完全沒(méi)有問(wèn)題，而且根據(jù)阜新市東方龍城回遷小區(qū)項(xiàng)目實(shí)踐表明，聚苯模殼格構(gòu)式墻體的造價(jià)低于正常磚混住宅。所以水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體體系雖然發(fā)展較為緩慢，但的確是適用于我國(guó)現(xiàn)狀的新型綠色節(jié)能墻體。

1.5 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體現(xiàn)階段問(wèn)題

1)研究范圍窄 關(guān)于該類墻體的研究不應(yīng)局限于墻體的力學(xué)性能和保溫性能等，應(yīng)該發(fā)散性思考，如是否試用于高層建筑、聚苯模殼生產(chǎn)時(shí)的材料問(wèn)題、建筑使用過(guò)程中墻體的維護(hù)、建筑生命周期結(jié)束之后聚苯模殼的回收和聚苯顆粒的二次利用等。

2)應(yīng)用范圍小 目前該墻體主要應(yīng)用于自建廠房或平房，建造使用聚苯模殼格構(gòu)式墻體的目的就是為縮減成本，而不是由于其出色的節(jié)能性。

3)水泥聚苯模殼生產(chǎn)廠家少 大部分國(guó)內(nèi)建筑材料生產(chǎn)廠家都不了解該墻體的生產(chǎn)方式和聚苯模殼構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸，擁有生產(chǎn)該墻體能力的工廠少之又少。

4)相關(guān)設(shè)計(jì)人員不足 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體體系是預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)場(chǎng)澆筑相結(jié)合的裝配式建筑，在建筑設(shè)計(jì)中需要有專業(yè)的格構(gòu)式墻體體系設(shè)計(jì)人員配合制定構(gòu)件尺寸及建筑造型和施工圖紙，目前從事該設(shè)計(jì)行業(yè)的設(shè)計(jì)師較少。

5)專業(yè)性研究較少 雖然國(guó)外已有比較完整的納士塔體系設(shè)計(jì)和施工工藝，但國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)對(duì)于該體系了解度不夠，研究項(xiàng)目很少。

1.6 水泥聚苯模殼生產(chǎn)問(wèn)題

調(diào)研表明，在阜新市東方龍城回遷小區(qū)項(xiàng)目中，水泥聚苯模殼在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中并沒(méi)有明確的模數(shù)及模板的參考，也不具備相關(guān)規(guī)范，一切用料配比包括尺寸確定均為遼寧省漢石科技自己摸索，可生產(chǎn)水泥聚苯模殼之間的廠商合作性不夠。該項(xiàng)目水泥聚苯模殼的生產(chǎn)經(jīng)歷了多次試驗(yàn)，配比才達(dá)到CECS173:2004《水泥聚苯模殼格構(gòu)式混凝土墻體住宅技術(shù)規(guī)程》的要求。同時(shí)形狀和規(guī)格尺寸的設(shè)計(jì)也經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)優(yōu)化才最終確定。最終模殼尺寸收錄于《水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體構(gòu)造節(jié)點(diǎn)》中。

2 水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體裝配式建筑的可能性

格構(gòu)式墻體體系建筑由于其沒(méi)有結(jié)構(gòu)柱、建筑的承重部分均由墻體內(nèi)部的格構(gòu)柱組成等特性，與混凝土裝配式建筑有相似的建造方法。而談到裝配式建筑就離不開(kāi)BIM技術(shù)和建筑產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)在BIM技術(shù)和建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已非常成熟。

2.1 建筑產(chǎn)業(yè)化

建筑產(chǎn)業(yè)化是以工廠生產(chǎn)的方式建造建筑，把建筑作為一種工廠化生產(chǎn)的產(chǎn)品，根據(jù)相同的結(jié)構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)，集中將建筑的各個(gè)組成配件進(jìn)行大批量生產(chǎn)，再在施工工地進(jìn)行機(jī)械化安裝。

在阜新市東方龍城回遷小區(qū)項(xiàng)目中，通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，建設(shè)房屋時(shí)遇到了一些問(wèn)題，水泥聚苯模殼墻體需在工地現(xiàn)場(chǎng)澆筑，由于該項(xiàng)目是阜新地區(qū)第一次對(duì)聚苯模殼格構(gòu)式墻體進(jìn)行嘗試，一切現(xiàn)場(chǎng)施工都是在摸索中進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。

圖1 水泥聚苯模殼墻體施工

2.1.1 施工過(guò)程

首先進(jìn)行基礎(chǔ)梁或圈梁混凝土、預(yù)留插筋檢查和修整；再進(jìn)行安裝面清理，同時(shí)找平模殼安裝位置；然后進(jìn)行邊緣構(gòu)件和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)柱的縱向鋼筋和箍筋的敷設(shè)；最后吊裝水泥聚苯模殼。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)凈高為2.4 m，把墻體分為上下兩部分，每部分高1.2 m，分前后2次施工，1.2 m的高度剛好是水泥聚苯模殼單個(gè)模塊的高度；模殼吊裝完成后進(jìn)行模殼校正、打膠和安裝，校正方法是在模殼中點(diǎn)位置打孔(打孔位置不能在穿過(guò)澆筑混凝土的孔洞位置)，并安裝預(yù)埋對(duì)拉螺栓，打膠主要是模殼橫向之間的連接和填縫，由于聚苯模殼本身就是混凝土澆筑時(shí)的模具，在澆筑混凝土?xí)r要防止混凝土在孔隙中泄露；打膠完成后設(shè)置臨時(shí)支撐并清理孔洞；清理之后放置橫向鋼筋，放置橫向鋼筋是目前施工中最大的現(xiàn)實(shí)難題，在該項(xiàng)目中，橫向鋼筋和縱向鋼筋沒(méi)有綁扎，只是在澆筑之前沿模殼孔洞放置1根橫向鋼筋，而且不設(shè)加強(qiáng)格構(gòu)梁，雖滿足阜新地區(qū)抗震設(shè)防要求，但對(duì)于該墻體體系的發(fā)展并不好；進(jìn)行墻體隱蔽鋼筋檢查的同時(shí)完成墻體轉(zhuǎn)角部分的模殼安裝；先沿墻體芯孔逐層澆筑自密實(shí)免振搗混凝土完成墻體底部的固定，但由于自密實(shí)免振搗混凝土在阜新市生產(chǎn)運(yùn)輸造價(jià)經(jīng)濟(jì)性不高，所以該項(xiàng)目澆筑普通混凝土用小型振搗棒進(jìn)行密實(shí)和排氣處理；進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)之后安裝墻體上半部分的模具安裝及混凝土澆筑。該項(xiàng)目每層的建設(shè)周期平均為7 d。

2.1.2 問(wèn)題出現(xiàn)的原因

1)工廠生產(chǎn)模殼只生產(chǎn)單個(gè)結(jié)構(gòu)柱模殼不經(jīng)濟(jì)，所以工廠生產(chǎn)的模殼為4塊一體，由工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割，這在增加人力浪費(fèi)的同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)切割存在一定失誤的可能，降低了模殼的有效利用率。

2)由于格構(gòu)柱的承重特點(diǎn)，其上下層豎向格構(gòu)柱要求有連貫性，施工過(guò)程中要先豎向搭接鋼筋之后再插入模殼，而橫向孔洞過(guò)小，模殼內(nèi)部縱橫鋼筋無(wú)法搭接；空洞內(nèi)部空間過(guò)小，無(wú)法用振搗棒排氣，所以每層要現(xiàn)澆2次混凝土，以減少格構(gòu)柱內(nèi)混凝土氣泡。

3)由于建設(shè)開(kāi)始缺少建筑產(chǎn)業(yè)化設(shè)備，建筑最終未采用裝配式建造方案。

針對(duì)這些施工問(wèn)題，通過(guò)建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可在工廠內(nèi)解決大部分問(wèn)題，還可大大縮短工期，同時(shí)還能解決現(xiàn)場(chǎng)施工困難的問(wèn)題。具體構(gòu)想如下。

由工廠車床生產(chǎn)改性水泥聚苯模殼，分為閉合與非閉合2類。在工廠內(nèi)直接將鋼筋與模殼組裝，在加強(qiáng)格構(gòu)柱處采用非閉合模殼，并在加強(qiáng)格構(gòu)柱處將水平鋼筋與豎向鋼筋進(jìn)行綁扎搭接，增強(qiáng)格構(gòu)式墻體的力學(xué)性能。在工廠內(nèi)將墻體澆筑成型，并留出施工現(xiàn)場(chǎng)搭接孔洞位置，然后把澆筑好的墻體運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝及接縫澆筑。

2.2 基于BIM技術(shù)的3 D協(xié)同設(shè)計(jì)

水泥聚苯模殼墻體建筑將傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-現(xiàn)場(chǎng)施工”傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計(jì)-制造-安裝”信息化模式。通過(guò)在Revit中建立完整模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的全生命周期管理。

BIM軟件可精確計(jì)算出建筑內(nèi)的聚苯模殼構(gòu)件數(shù)量、尺寸及類型，并建立聚苯模殼的構(gòu)件族將建筑中所用到的聚苯模殼進(jìn)行分類編號(hào)設(shè)計(jì)，然后將聚苯模殼構(gòu)件的尺寸及編號(hào)發(fā)往生產(chǎn)廠家進(jìn)行生產(chǎn)，編號(hào)的聚苯模殼構(gòu)件可更方便安裝。BIM軟件還可確定建筑內(nèi)加強(qiáng)格構(gòu)柱、圈梁和門(mén)窗過(guò)梁等在墻體內(nèi)的位置，并對(duì)每一面墻進(jìn)行單獨(dú)編號(hào)，方便在工廠內(nèi)進(jìn)行組裝。BIM軟件還能在模型內(nèi)進(jìn)行管線碰撞檢查，在設(shè)計(jì)的同時(shí)確定墻體開(kāi)洞位置，免除在施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)找位置現(xiàn)開(kāi)洞的問(wèn)題，縮減施工時(shí)間。改性水泥聚苯模殼材料本身雖然是綠色節(jié)能的建筑材料，但聚苯顆粒對(duì)環(huán)境并不友好，通過(guò)BIM軟件的管理，在建筑生命周期結(jié)束后還可對(duì)水泥聚苯模殼墻體進(jìn)行拆卸及二次利用，可更好地保護(hù)環(huán)境。

2.3 水泥聚苯模殼裝配式建筑設(shè)計(jì)流程

預(yù)制裝配式建筑的核心是預(yù)制構(gòu)件，而施工階段中預(yù)制構(gòu)件能否按計(jì)劃直接拼裝取決于預(yù)制構(gòu)件中的設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)階段很重要。水泥聚苯模殼建筑需要在設(shè)計(jì)中解決的問(wèn)題有墻體的留孔開(kāi)洞、預(yù)埋、防水、墻體內(nèi)格構(gòu)柱的配筋和連接件等，在設(shè)計(jì)是這些構(gòu)件要進(jìn)行精確計(jì)算并可直接生產(chǎn)成型。

2.3.1 初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)房屋尺寸及建筑模型，從而選擇聚苯模殼的形狀、大小及尺寸，并考慮是否需要新建構(gòu)建模型，如果需要將構(gòu)件添加到構(gòu)件庫(kù)中。

2.3.2 中期設(shè)計(jì)

中期設(shè)計(jì)時(shí)，在確定好墻體尺寸及構(gòu)件形狀后，將建筑完整模型進(jìn)行查錯(cuò)檢查，建筑、結(jié)構(gòu)模型、機(jī)電模型進(jìn)行沖突檢測(cè)，三維管線綜合，豎向凈空優(yōu)化等基本應(yīng)用。從而確定墻體開(kāi)孔位置及墻體內(nèi)鋼筋配比，并將需要留預(yù)留孔洞的構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)編號(hào)生產(chǎn)，方便施工時(shí)安裝。

2.3.3 后期深化設(shè)計(jì)

在后期深化設(shè)計(jì)階段，預(yù)制水泥聚苯模殼相關(guān)參與方分別提出各自要求，通過(guò)設(shè)計(jì)院的綜合，繪制施工圖紙，送往生產(chǎn)水泥聚苯模殼的生產(chǎn)商。

3 結(jié)語(yǔ)

水泥聚苯模殼格構(gòu)式墻體建筑還有很大的發(fā)展空間，本文也只是通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)該體系提出裝配式建筑的可能性，用裝配式建造該體系建筑可實(shí)現(xiàn)更綠色、經(jīng)濟(jì)的施工辦法，并配合聚苯模殼建筑本身的節(jié)能特點(diǎn)，將對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能的發(fā)展起到很大的推進(jìn)作用。