整體裝配式輕鋼龍骨外墻板的研究

彭歡佳，羅 多，鄧 鑫

（1、珠海中建興業(yè)綠色建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 珠海519000；2、珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司 珠海519000）

0 前言

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指圍合建筑空間四周的墻體、門、窗等構(gòu)成建筑空間、抵御環(huán)境不利影響的構(gòu)件。新型建筑圍護(hù)墻體的應(yīng)用對(duì)提高建筑質(zhì)量和品質(zhì)、建造模式的改變等都具有重要意義，積極引導(dǎo)和逐步推廣新型建筑圍護(hù)墻體也是裝配式建筑的重點(diǎn)工作［1］。

目前國內(nèi)可作為裝配式建筑外墻板種類主要有：承重混凝土巖棉復(fù)合外墻板、薄壁混凝土巖棉復(fù)合外墻板、混凝土聚苯乙烯復(fù)合外墻板、混凝土膨脹珍珠巖復(fù)合外墻板、鋼絲網(wǎng)水泥聚苯乙烯夾芯板、SP 預(yù)應(yīng)力空心板、加氣混凝土外墻板、真空擠壓成型纖維水泥板（ECP）墻板［2］。輕鋼龍骨式復(fù)合墻體是由輕鋼龍骨、保溫和隔熱內(nèi)填材料、兩側(cè)覆面板構(gòu)成的復(fù)合墻體，具有強(qiáng)度高、重量輕、塑性和韌性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保、高效的結(jié)構(gòu)形式［3］。

輕鋼龍骨式復(fù)合墻體作為裝配式建筑外墻可帶來保溫裝飾一體化、減輕自重引起的地震荷載、降低吊裝難度等等好處。常規(guī)的安裝方式為現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼骨架之后，分層安裝墻面外板、保溫材料、墻面內(nèi)板，導(dǎo)致施工作業(yè)范圍重疊、現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大、建筑產(chǎn)業(yè)化水平不高［4］。建筑工業(yè)化急需開發(fā)保溫隔熱、防火、防水、隔音、抗凍、裝飾一體化的裝配式外墻板［5］。

本文提出的外墻板系統(tǒng)參照單元式幕墻的安裝方式，集保溫、隔熱、裝飾、結(jié)構(gòu)一體化，可在工廠整體制作、現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接。

1 整體裝配式輕鋼龍骨外墻板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)整體裝配式輕鋼龍骨外墻板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用圖1～圖4 作進(jìn)一步的描述如下：

⑴外墻板主體結(jié)構(gòu)為輕鋼龍骨與鋁合金邊框，可提升抗風(fēng)壓能力、減輕結(jié)構(gòu)自重；

⑵內(nèi)外墻板通過不銹鋼鉚釘、自攻螺釘與輕鋼龍骨連接，便于安裝與維護(hù)；

圖1 外墻板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural of Exterior Wallboard

圖2 外墻板剖面示意圖Fig.2 Section of Exterior Wallboard

圖3 外墻板與主體結(jié)構(gòu)連接示意圖Fig.3 Connection between Exterior Wall Panel and Main Structure

圖4 外墻板拼接示意圖Fig.4 Exterior Wallboard Splicing Sketch

⑶空腔內(nèi)填充巖棉，提升保溫隔熱性能，厚度由節(jié)能計(jì)算確定。同時(shí)，為阻斷龍骨的熱橋效應(yīng)及增加保溫效果，可在輕鋼龍骨外側(cè)附加一層巖棉板，厚度由節(jié)能計(jì)算確定。

⑷可采取輕鋼龍骨腹板開孔的措施，減少熱橋效應(yīng)，提升保溫性能［3］。

⑸為加強(qiáng)建筑的氣密性、水密性，同時(shí)又令圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)潮氣得以排出，從而達(dá)到節(jié)能、提高建筑耐久性、保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的作用，可在巖棉板上附加一層防水透氣膜［6］。

⑹輕鋼龍骨位置附加防火石膏板、吸音玻璃棉板，在薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)，進(jìn)一步提升整體隔音、耐火性能［7］。

⑺墻板之間的拼接借鑒了單元式幕墻中的“等壓雨幕原理”，減少等壓腔與室外壓力差，從而減少通過開口滲入等壓腔的雨水，可大幅提升裝配式外墻的防滲漏性能［8］。

⑻墻板與主體結(jié)構(gòu)之間采取掛接的方式，可在水平、垂直方向自由調(diào)整，提高安裝精度。外墻板有一定的平面內(nèi)變形能力，不影響主體結(jié)構(gòu)的抗震性能。輕鋼龍骨與主體結(jié)構(gòu)的連接可依據(jù)實(shí)際工程需要，選擇多種柔性連接方式［9］。

2 裝配式輕鋼龍骨外墻板系統(tǒng)的性能分析

依據(jù)《輕鋼龍骨式復(fù)合墻體：JG/T 544-2018》，輕鋼龍骨式復(fù)合墻體的主要性能為：力學(xué)性能、耐火性能、隔熱性能、保溫性能、隔聲性能［10］。

對(duì)于輕鋼龍骨式復(fù)合墻體而言，由于自重輕、密度低、熱惰性指標(biāo)低。因此，比較難于達(dá)到的主要性能為隔聲及隔熱。接下來重點(diǎn)對(duì)隔聲及隔熱性能進(jìn)行分析：

2.1 隔聲性能分析

以《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50118-2010》中外墻計(jì)權(quán)隔聲量+交通噪聲頻譜修正量高標(biāo)準(zhǔn)要求（Rw+Ctr）≥50 dB 為分析目標(biāo)［11］。采用馬歇爾戴聲學(xué)公司的INSUL 軟件對(duì)不同的材料厚度進(jìn)行多方案的組合設(shè)計(jì)。保溫層采用容重為100 kg/m3的巖棉，隔聲層為容重為22 kg/m3的玻璃棉，墻面內(nèi)、外板采用纖維水泥板。分析結(jié)果如表1 所示。

表1 滿足隔聲目標(biāo)的材料厚度Tab.1 Material Thickness for Acoustic Insulation Target（mm）

由分析結(jié)果可知，多種組合均能保證（Rw+Ctr）≥50 dB，滿足分析目標(biāo)。

2.2 隔熱性能分析

從滿足隔聲性能的厚度組合中，挑選一種墻面內(nèi)、外板厚度10 mm、巖棉厚度160 mm 的組合進(jìn)行隔熱性能分析，氣象數(shù)據(jù)采用廣州市內(nèi)西向外墻，室內(nèi)溫度為26 ℃的空調(diào)工況，太陽輻射吸收系數(shù)為0.65，分析目標(biāo)為內(nèi)板溫度θi.max不超過29 ℃［12］。材料參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

由于復(fù)合墻體內(nèi)存在鋼框架，不同位置處的隔熱表現(xiàn)差距較大，故分為無骨架、有骨架位置兩種情況進(jìn)行計(jì)算。隔熱計(jì)算軟件為Kvalue，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

表2 隔熱設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design Parameters of Thermal Insulation

圖5 隔熱分析結(jié)果Fig.5 Analysis Results of Heat Insulation

按照輕鋼龍骨C140×50×20×3 間距600 mm 布置骨架，整體墻板隔熱分析結(jié)果如表3 所示。

表3 整體隔熱分析結(jié)果Tab.3 Analysis Results of Integral Insulation

由分析結(jié)果可知，室內(nèi)板溫度θi.max不超過29℃，滿足分析目標(biāo)。

2.3 力學(xué)性能、耐火性能、保溫性能分析

輕鋼龍骨復(fù)合墻體的力學(xué)性能可通過常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出合理的龍骨截面及間距，滿足抗風(fēng)、坑沖擊、抗變形要求。耐火性能可通過增設(shè)防火石膏板、增加內(nèi)外墻板厚度等措施實(shí)現(xiàn)，國家圖集《防火建筑構(gòu)造（一）：07J905-1》中已有多種組合可供選擇。保溫性能主要通過增加填充巖棉的厚度、增設(shè)巖棉板來保證，實(shí)施難度不大。

3 裝配式輕鋼龍骨外墻板系統(tǒng)的性能檢測(cè)

為對(duì)比驗(yàn)證軟件模擬分析結(jié)果，將輕鋼龍骨復(fù)合墻體進(jìn)行隔音、隔熱性能測(cè)試。由于檢測(cè)是在室內(nèi)進(jìn)行，受實(shí)驗(yàn)室門洞大小限制，只能把墻板材料運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)進(jìn)行拼接安裝。選取滿足隔聲、隔熱分析要求的一種墻面內(nèi)、外板厚度10 mm +巖棉厚度160 mm+輕鋼龍骨C140×50×20×3 間距600 mm 的組合進(jìn)行檢測(cè)。

3.1 隔聲性能檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)洞口規(guī)格為3 m（寬）×3.4 m（高），實(shí)驗(yàn)室的洞口為混凝土結(jié)構(gòu)，且已經(jīng)使用一定時(shí)間，其交接平面并不平整。為填充鋼龍骨與混凝土洞口的空隙，在龍骨與混凝土洞口中間填充雙層橡膠墊；在橡膠墊難以填充的位置，采用聚氨酯泡沫進(jìn)行填充；橡膠墊與聚氨酯泡沫的外表面采用耐候硅酮密封膠進(jìn)行密封處理，墻板安裝過程如圖6 所示。

圖6 隔聲檢測(cè)墻板安裝過程Fig.6 Installation Process of Wallboard for Acoustic Detection

隔聲實(shí)測(cè)值（Rw+Ctr）=48 dB，與軟件模擬結(jié)果51 dB相比，實(shí)際隔聲檢測(cè)結(jié)果要小3 dB，原因分析如下：

⑴軟件模擬做了一定的簡化，構(gòu)造細(xì)節(jié)、材料特性沒有實(shí)際檢測(cè)模型精確；

⑵實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)洞口為混凝土材質(zhì)，復(fù)合墻體邊框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)材質(zhì)。周邊表面的不平整可能導(dǎo)致密封不夠，有漏聲的可能性。

實(shí)際檢測(cè)的墻板滿足文獻(xiàn)［12］中的隔聲標(biāo)準(zhǔn)要求，如要滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求，可適當(dāng)增加材料厚度并在檢測(cè)時(shí)處理好周邊的空隙封堵。

3.2 隔熱性能檢測(cè)

隔熱實(shí)驗(yàn)洞口規(guī)格為1.84 m（寬）×1.84 m（高），受實(shí)驗(yàn)條件限制，只測(cè)試傳熱系數(shù)K 值。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷亩纯跒槟竟羌?，較為平整。在鋼龍骨復(fù)合墻體與木骨架之間填充一層橡膠墊后用硅酮密封膠密封以確保密實(shí)，墻板安裝過程如圖7 所示。

圖7 隔熱檢測(cè)墻板安裝過程Fig.7 Installation Process of Wallboard for Thermal Detection

實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)K 值為0.44 W/（m2·k），與軟件模擬結(jié)果0.26 相比，有較大差距。差異原因分析如下：

⑴軟件模擬做了一定的簡化，構(gòu)造細(xì)節(jié)、材料特性沒有實(shí)際檢測(cè)模型精確。

⑵實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)洞口為1.84 m×1.84 m，小于實(shí)際構(gòu)件尺寸，邊框及骨架所占的比例大于實(shí)際構(gòu)件。

不過即使將墻板整體K 值調(diào)整到0.44，內(nèi)板溫度θi.max計(jì)算值為26.48℃，依然小于國家規(guī)范要求。

4 研究結(jié)論

⑴通過軟件模擬分析、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，本文研究的整體裝配式輕鋼龍骨外墻板能夠滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

⑵整體裝配式輕鋼龍骨外墻板參照單元式幕墻的安裝方式，集保溫、隔熱、裝飾、結(jié)構(gòu)一體化，可整體吊裝施工，將進(jìn)一步提升建筑產(chǎn)業(yè)化水平。

⑶實(shí)際工程中如要確定各種材料的組合及厚度，建議先通過結(jié)構(gòu)計(jì)算確定龍骨大致的截面尺寸及間距組合以滿足力學(xué)性能，然后通過隔聲、保溫分析確定各種材料厚度，最后復(fù)核其耐火性能、隔熱性能。