幕墻結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑上的應(yīng)用

陳恩莉, 董 彪, 畢 瓊

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

通過了解國家政策對裝配式建筑的導(dǎo)向，了解裝配式建筑在全國各地的發(fā)展?fàn)顩r，參觀考察近10個(gè)裝配式建筑、2個(gè)裝配式預(yù)制構(gòu)件工廠后，針對幕墻在裝配式建筑上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)歸納適合裝配式結(jié)構(gòu)體系的幕墻形式，提出適合幕墻在裝配式結(jié)構(gòu)體系上的合理構(gòu)造形式。

1 裝配式建筑與幕墻

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，2015～2017年近三年，建筑業(yè)總產(chǎn)值占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比例依次均為26 %，占比均超國內(nèi)生產(chǎn)總值的1/4。建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要組成部分。

但是，隨著社會的不斷進(jìn)步，建筑業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式面臨著越來越多的問題和挑戰(zhàn)：科技貢獻(xiàn)率和機(jī)械化率低于農(nóng)業(yè)；現(xiàn)澆工藝產(chǎn)生大量固體廢棄；安全事故頻發(fā)，僅次于交通事故；工程建設(shè)中的質(zhì)量通病問題亟待解決；從業(yè)人員減少，職業(yè)技能不穩(wěn)定；建造方式落后，核心競爭力不強(qiáng)；管理粗放，效率、效益偏低。我國建筑業(yè)目前仍是一個(gè)勞動密集型，建造方式相對落后的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，建筑業(yè)改革勢在必行！

發(fā)展裝配式建筑是促進(jìn)建筑工業(yè)化，貫徹國家綠色發(fā)展理念，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。2016年9月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》指出：大力發(fā)展裝配式建筑，是建造方式的重大變革，推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措。裝配式建筑即為“建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、內(nèi)裝、幕墻”一體化集成設(shè)計(jì)。

2018年7月4日在合肥舉行的“從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)——2018年裝配式建筑創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”會議上，上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司裝配式工程研究院李新華在報(bào)告中提到：“裝配式建筑單體的較高預(yù)制率指標(biāo)，不能全面體現(xiàn)建筑工業(yè)化、先進(jìn)性程度，需結(jié)合其他全建設(shè)周期內(nèi)的提高質(zhì)量、提高效率、減少人工等措施，尤其是外墻一體化集成產(chǎn)品、內(nèi)裝高效成品安裝體系及專業(yè)配套施工設(shè)備等?！惫P者對這一觀點(diǎn)深感認(rèn)同，單純的把混凝土預(yù)制構(gòu)件作為建筑裝配化的一個(gè)指標(biāo)，使得推進(jìn)行業(yè)裝配化難度加大，速度緩慢。裝配式建筑應(yīng)該是本次會議大部分專家所提到的將內(nèi)裝、設(shè)備、外圍護(hù)一體化考慮，納入裝配式建筑中的一個(gè)裝配體系。從幕墻外圍護(hù)角度來講，無論是預(yù)制混凝土掛板還是單元式幕墻整體圍護(hù)系統(tǒng)，其功能都能夠達(dá)到外墻的圍護(hù)、防水、保溫、和室內(nèi)裝飾的目的。所以對一個(gè)裝配式建筑裝配化率的衡量，不應(yīng)該離開幕墻施工裝配化對建筑整體的裝配化貢獻(xiàn)率而僅僅談?wù)擃A(yù)制混凝土的裝配化率。幕墻作為外圍護(hù)系統(tǒng)，其本身為干作業(yè)方式，順應(yīng)目前建筑行業(yè)整體的發(fā)展趨勢，提高幕墻施工的工廠化率，將幕墻構(gòu)件在工廠進(jìn)行組裝，使其到工地更加成品化，減少工地的加工工序，提高現(xiàn)場的安裝效率和質(zhì)量。這樣不僅對幕墻本身來講，是一個(gè)長足的進(jìn)步，同時(shí)，作為單一的工業(yè)化產(chǎn)品 ，對建筑整體來講，無論是在減少建筑整體周期，還是提高建筑技術(shù)含量上都能有不少貢獻(xiàn)。

2 目前幕墻在裝配式建筑中的應(yīng)用情況

本年度結(jié)合課題對不同的幕墻結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑上的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行考察并進(jìn)行對比分析?？疾祉?xiàng)目按照幕墻形式分為三種情況：混凝土掛板體系形式、單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系形式、構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)體系形式。下面分別將三種幕墻形式以考察中的典型項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

(1)混凝土掛板體系：以北京市副中心A2 項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。該項(xiàng)目是包括主樓1座、副樓4座的一個(gè)辦公區(qū)建筑群。外墻系統(tǒng)由大面積的預(yù)制混凝土掛板、石材幕墻和小單元玻璃幕墻窗組成，本項(xiàng)目外墻線條規(guī)律，大面積板塊模數(shù)統(tǒng)一，材料規(guī)格統(tǒng)一，特別適合以裝配式方式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

本項(xiàng)目裝配組合板塊尺寸為4.5 m×4.2 m，投影面積18.9 m2，總重7.716 t。其中，清水混凝土構(gòu)件表面積12 m2，重約6.8 t。

(2)單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系：以北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)Z15地塊中國尊大廈為例進(jìn)行說明。本項(xiàng)目位于北京CBD核心區(qū)域，是目前已知的北京市最高建筑，本工程總用地面積1.148×104m2,總建筑面積43.7×104m2,其中地上 35×104m2,地下8.7×104m2。建筑總高度528 m。

本工程采用筒中筒雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，外框筒(巨柱-斜撐框筒)+核心筒，支承幕墻的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)外框筒部分，外幕墻為單元式板塊，安裝方式為單元式板塊整體安裝。外層玻璃幕墻大部分單元板塊尺寸為4.3 m×2.0 m，每個(gè)單元板塊重量約500 kg。

(3)構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)體系：以中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院第三辦公區(qū)A棟辦公樓為例。該建筑主體為整體裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。主要軸網(wǎng)尺寸為8.4 m×8.4 m。該工程出地面層數(shù)為2～7層，屋面南北呈臺階狀，南邊低，北邊高，最低結(jié)構(gòu)標(biāo)高為4.85 m，最高結(jié)構(gòu)標(biāo)高為31.45 m；外幕墻主要為明框玻璃幕墻。玻璃幕墻分格大，玻璃配置高，玻璃分格約1.9 m×2.4 m，玻璃面材為鋼化雙中空鋼化超白LOW-e玻璃(10LOW-e+12Ar+8+12Ar+8 mm)，基于該玻璃板塊超大，玻璃本身總量大，僅單塊玻璃重達(dá)350 kg。

3 裝配式建筑上各幕墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

以單元式幕墻作為參考，對混凝土掛板體系和構(gòu)件式幕墻進(jìn)行對比分析，分析情況如下。

3.1 預(yù)制混凝土掛板體系VS單元式幕墻

3.1.1 兩者共同優(yōu)點(diǎn)

(1)可在工廠內(nèi)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，施工現(xiàn)場可直接安裝，方便快捷，可大大縮短施工工期。

(2)在工廠采用機(jī)械化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量更易得到有效控制。

(3)周轉(zhuǎn)料具投入量減少，料具租用費(fèi)用降低。

(4)減少施工現(xiàn)場濕作業(yè)量，有利于環(huán)保。同時(shí)也可在一定程度上降低材料浪費(fèi)。

(5)機(jī)械化程度高，可大大減少現(xiàn)場施工人員配備。

(6)安裝速度快，施工周期短。

3.1.2 預(yù)制混凝土外墻其相對于單元式幕墻優(yōu)點(diǎn)

采用模具一體澆筑成型，板塊整體性更好，混凝土與保溫材料之間整體連接，熱橋少。

3.1.3 單元式幕墻相對于預(yù)制混凝土掛板的優(yōu)點(diǎn)

(1)重量輕，幕墻形式的單元掛板龍骨采用鋁龍骨或鋼龍骨，面材一般為玻璃、金屬面材、石材以及各種適宜外墻使用的人造板材。這些面材使用厚度都相對薄。混凝土容重為2 500 kg/m2計(jì)算，則2 m×4 m面積的(100+50) mm厚內(nèi)外墻面，其總重量為3 000 kg。相同面積的玻璃幕墻總重量約為450 kg，相同面積的鋁板幕墻總重量約為320 kg，相同面積石材幕墻總重量約為880 kg。以玻璃幕墻為例，相同面積預(yù)制混凝土掛板重量為玻璃幕墻重量的4倍。

(2)幕墻面材多種多樣，可根據(jù)建筑的外觀要求在相應(yīng)的單元板塊組合不同的墻面材料。

(3)由于混凝土在工廠為濕作業(yè)，而其他幕墻材料為干作業(yè)，加工工廠不是同一廠家，這樣同一墻面既有混凝土墻面，又有幕墻時(shí)，需要大板塊多次運(yùn)輸，進(jìn)行墻面拼裝。采用同樣都是干作業(yè)的輕型幕墻面材，則沒有該問題。

3.2 構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)體系VS單元式幕墻

3.2.1 構(gòu)件式幕墻的優(yōu)點(diǎn)

(1)在設(shè)計(jì)、計(jì)算、管理上均較簡單容易，能承受較大的安裝誤差；由于構(gòu)件小，在工地上容易存放；因?yàn)樵O(shè)計(jì)計(jì)算簡單，安裝不需要很長的準(zhǔn)備時(shí)間。

(2)由于制作簡單，安裝系統(tǒng)有彈性，這樣相對于單元式幕墻，較多幕墻的承建商都有能力建造該類幕墻。

3.2.2 構(gòu)件式幕墻的缺點(diǎn)

(1)框架式幕墻整體安裝要在土建施工完畢后，現(xiàn)場幕墻施工人員從頂部向下安裝，需要較長的安裝時(shí)間，并且一定要借助腳手架或吊籃安裝，幕墻容易產(chǎn)生安裝誤差，構(gòu)件不直，安裝不平整。

(2)由于工地受各種條件影響，建筑幕墻的施工工期比預(yù)期計(jì)劃要長，很難保證工期。

4 適合裝配式建筑的幕墻體系

根據(jù)本文對以上幾種目前應(yīng)用較多的幕墻結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)綜合分析對比，提出以下三種外幕墻結(jié)構(gòu)體系。

4.1 預(yù)制混凝土掛板。

將預(yù)制混凝土掛板與幕墻的構(gòu)造方式相結(jié)合，即將兩者的優(yōu)點(diǎn)合并，將混凝土掛板輕量化，由原來的(50+50) mm以上厚度，改成30 mm厚甚至更薄，即現(xiàn)在的幕墻新材料-纖維水泥板(參見JG J336《人造板材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和JG/T 396《外墻用非承重纖維增強(qiáng)水泥板》)。將50 mm厚混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)以更加纖細(xì)的玻璃纖維替代，這樣在不影響外觀效果且滿足板面強(qiáng)度的情況下，板的重量得以大大降低。這層纖維水泥板作為外墻的裝飾材料和防水層，相對于混凝土掛板墻體，還需要增加保溫和室內(nèi)裝飾的功能。結(jié)合非透明幕墻的構(gòu)造做法，保溫層可采用保溫巖棉或其他防火等級能達(dá)到建筑相應(yīng)要求的輕質(zhì)防火材料，固定于纖維水泥板背部。室內(nèi)側(cè)可采用室內(nèi)常用板材，如纖維水泥板、硅酸鈣板、輕質(zhì)金屬材料等作為室內(nèi)裝飾層。

這種組合外墻板材不僅能夠呈現(xiàn)清水混凝土的本身效果，還可以在色彩、形狀、鏤空效果等美觀要求上以多種形式呈現(xiàn)。這種輕型的混凝土掛板均以幕墻結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。這種材料容重為18～20 kN/m3，混凝土掛板容重為25 kN/m3。在容重相差不大的情況下，前者厚度為30 mm，后者厚度為150 mm，兩者重量相差近4倍。所以在外觀效果和功能都能滿足，甚至更佳的情況下，輕量化的混凝土掛板優(yōu)于目前概念上的預(yù)制混凝土墻板。

輕型混凝土掛板特點(diǎn)(圖1)：

圖1 輕型混凝土掛板

(1)預(yù)制混凝土單元掛板：高度以一個(gè)層高為一個(gè)單元，寬度根據(jù)建筑效果及運(yùn)輸?shù)葪l件限制確定。

(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內(nèi)墻板，及支承龍骨系統(tǒng)。

(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝，與主體結(jié)構(gòu)連接，且相對主體結(jié)構(gòu)有一定的位移。

4.2 單元式幕墻

通過考察收集，建筑主體作為裝配式形式呈現(xiàn)的建筑，其外形都比較簡潔，外墻尺寸比較有規(guī)律，外立面裝飾材料組合也相應(yīng)的比較規(guī)則，這種建筑適合采用全單元式幕墻形式。全單元幕墻形式即幕墻的龍骨、外裝飾面材、內(nèi)裝飾面材、墻體保溫都在工廠組合成大板塊，到現(xiàn)場進(jìn)行吊裝上墻。該處所說的全單元形式其面板不僅限于玻璃幕墻，其面板泛指不同材質(zhì)的幕墻面板材料，如金屬板材、天然石材、人造板材、玻璃等等、也可以是不同材料的組合形式。

單元式幕墻特點(diǎn)(圖2)：

圖2 單元式幕墻

(1)高度以一個(gè)層高為一個(gè)單元，寬度根據(jù)建筑效果及運(yùn)輸?shù)葪l件限制確定。

(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內(nèi)墻板，及支承龍骨系統(tǒng)。

(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝，與主體結(jié)構(gòu)連接，且相對主體結(jié)構(gòu)有一定的位移。

4.3 小單元幕墻

相對于上面所講的單元式幕墻，小單元幕墻是指僅幕墻龍骨組合成單元框架，面材以構(gòu)件形式到現(xiàn)場安裝?；蛘吣粔γ姘搴褪覂?nèi)裝飾面板通過連接件組合成整體，龍骨體系以構(gòu)件形式安裝，面板組件在現(xiàn)場與支承龍骨進(jìn)行簡單掛接實(shí)現(xiàn)幕墻的整體性能。小單元幕墻適合外立面造型復(fù)雜，但幕墻結(jié)構(gòu)體系有規(guī)律可循的建筑。下面以筆者參與設(shè)計(jì)的兩個(gè)項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

(1)自貢規(guī)劃館項(xiàng)目(圖3)，為自貢市規(guī)劃展覽館，建筑造型兼具地方化、國際化和個(gè)性化。將自貢千年鹽都、恐龍之鄉(xiāng)、南國燈城三大元素運(yùn)用到建筑中，是展示自貢城市形象的標(biāo)志性建筑，建筑造型相對復(fù)雜。以展覽館為例進(jìn)行說明，該主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。該單體幕墻選用水泥纖維平板600 mm×1 200 mm分格錯(cuò)縫布置，形成砌磚效果，整體效果為各大面成三角形，兩個(gè)面之間成不同角度(120～249 °不等)，與地面也形成+15 °和-15 °兩種內(nèi)外傾形式。受到以上條件限制，考慮到本工程幕墻施工難度，為盡量降低幕墻施工的復(fù)雜性，確保施工質(zhì)量，減少施工周期，節(jié)約工程成本，幕墻設(shè)計(jì)采用以下方式：采用砌磚的思維方式，將1 200 mm×600 mm的內(nèi)外墻板通過鋼附框組合成小單元板塊，該組合件兼具外墻防水、外墻防護(hù)、墻體保溫、內(nèi)墻裝飾的功能。現(xiàn)場安裝好橫豎向龍骨后，作為小單元“磚塊”的支承構(gòu)件，將組合磚塊逐塊進(jìn)行安裝，并與橫向龍骨上的角片進(jìn)行螺栓連接固定。

圖3 自貢規(guī)劃館

(2)中鐵軌道交通酒店項(xiàng)目(圖4)，位于成都市天府新區(qū)興隆湖南岸，屬于中鐵軌道研發(fā)設(shè)計(jì)中心項(xiàng)目一部分。項(xiàng)目分為酒店和寫字樓兩部分。本建筑外立面采用幕墻窗形式，采用大板塊玻璃形式，最大的單塊玻璃尺寸達(dá)到1.9 m×2.8 m。本建筑設(shè)計(jì)上幕墻形式比較有規(guī)律，以標(biāo)準(zhǔn)幕墻窗形式呈折線效果。所以，本工程采用了幕墻龍骨小單元式系統(tǒng)，工藝上沿用傳統(tǒng)窗的安裝工藝，幕墻龍骨系統(tǒng)及轉(zhuǎn)接件在工廠組框形成標(biāo)準(zhǔn)單元框架，龍骨系統(tǒng)整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后，通過螺栓將轉(zhuǎn)接件與預(yù)埋件連接，省去現(xiàn)場龍骨組接的過程。

圖4 中鐵軌道交通

通過實(shí)際工程案例的實(shí)踐，小單元幕墻應(yīng)用更靈活，受施工項(xiàng)目規(guī)模、施工單位生產(chǎn)及施工能力、建筑外立面造型是否復(fù)雜，這些條件的限制較小，所以是本文中筆者最為推薦的一種幕墻體系。

5 結(jié)論與展望

從建筑主體結(jié)構(gòu)角度來講，無論主體結(jié)構(gòu)是否為裝配式，都不影響本文結(jié)論中所提出的三種適合裝配的幕墻結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用。也就是說輕量化的預(yù)制混凝土掛板、單元式幕墻、小單元幕墻在現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)、裝配式主體結(jié)構(gòu)中均適用。呼應(yīng)本文開篇提到的?！把b配式建筑主體的預(yù)制率指標(biāo)，不能全面體現(xiàn)建筑工業(yè)化、先進(jìn)性程度，需結(jié)合其他全建設(shè)周期內(nèi)提高質(zhì)量、提高效率、減少人工等措施，尤其是外墻、內(nèi)墻、設(shè)備一體化集成產(chǎn)品等?！蹦粔ψ鳛榻ㄖ芷谥械囊粋€(gè)相對獨(dú)立的單項(xiàng)構(gòu)造體系，自身的裝配化率對建筑全周期的提高質(zhì)量、節(jié)約工期都有不可小覷的貢獻(xiàn)值。對本文提出的觀點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)輕量化預(yù)制混凝土板，可替換目前裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件中的非承重預(yù)制外墻掛板，目的在于使現(xiàn)有概念的混凝土掛板輕量化、幕墻化，減少建筑整體重量，降低建筑成本，方便施工安裝。

(2)小單元幕墻結(jié)構(gòu)體系，將目前止步不前的單元式幕墻體系和裝配率不高的構(gòu)件幕墻體系進(jìn)行結(jié)合，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)把控裝配率，做好設(shè)計(jì)交底工作，引導(dǎo)幕墻施工朝裝配化、工業(yè)化方向發(fā)展。小單元幕墻的加工和組裝可在國內(nèi)大多數(shù)幕墻廠家進(jìn)行，受設(shè)備條件限制不大，這樣，大多數(shù)施工企業(yè)能進(jìn)行生產(chǎn)施工，才能帶動行業(yè)整體健康發(fā)展。

作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者，在平時(shí)的工程設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)在每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)中，都植入創(chuàng)新和環(huán)保意識，目的在于提高實(shí)際工程質(zhì)量、節(jié)約建筑成本，提高工程管理效率，帶動幕墻施工向工業(yè)化方向發(fā)展，從而推動幕墻行業(yè)健康發(fā)展。期待建筑施工更加工業(yè)化、更綠色、更健康！