陶瓷厚板建筑幕墻干掛技術(shù)研究

莊德輝

（廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司）

1 建筑幕墻與陶瓷厚板建筑幕墻

建筑幕墻（Curtain wall for building）是由面板與支撐結(jié)構(gòu)體系（支撐裝置與支撐結(jié)構(gòu)）組成的、可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)墻（GB/T21086—2007《建筑幕墻》）。

建筑幕墻常用的面板材料有玻璃、天然石材、金屬板（單層鋁板、鋁塑復(fù)合板、蜂窩鋁板、彩色涂層鋼板、搪瓷涂層鋼板、鋅合金板、不銹鋼板、銅合金板、鈦合金板等）、人造板材（陶板、瓷板、微晶玻璃板、木纖維板、石材蜂窩復(fù)合板、纖維水泥板、超高性能混凝土板UHPC 等）、組合材料（由玻璃、金屬、石材、人造板材等不同面板組成）、無(wú)機(jī)防火保溫一體化板等。

瓷板是建筑幕墻面板常用材料，屬于人造板材。瓷板的質(zhì)量要符合GB/T4100《陶瓷磚》、JGJ 336《人造板幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和JG/T217《建筑幕墻用瓷板》的規(guī)定。建筑幕墻用瓷板厚度要求：背栓式連接≥12mm，其他連接方式≥13mm。

陶瓷厚板是瓷板的一種，指厚度≥20mm，吸水率小于0.5%的瓷質(zhì)板材，這是近年來(lái)興起的一種新型材料。陶瓷厚板用于建筑幕墻，主要性能指標(biāo)均能達(dá)到國(guó)標(biāo)最高等級(jí)要求，具有明顯的優(yōu)勢(shì)（表1）。

表1 陶瓷厚板幕墻的主要性能指標(biāo)

傳統(tǒng)厚度12mm～15mm 的瓷磚，在用于幕墻時(shí)承受正負(fù)壓載荷低，易被破壞，存在較大的安全隱患。以12mm 厚瓷磚背栓式干掛為例，背栓植入深度7mm，拉拔力1.50KN～2.57KN。而20mm 厚陶瓷厚板背栓植入深度可達(dá)12mm～15mm。背栓植入深度12mm 時(shí)，拉拔力5.69KN ～5.94KN；背栓植入深度15mm 時(shí)，拉拔力7.02KN～8.78KN，明顯比普通瓷板拉拔力高得多，更安全耐用，適用性更廣。

而相對(duì)于陶瓷薄板，陶瓷厚板幕墻具有強(qiáng)度高、不需與蜂窩鋁板等復(fù)合、施工技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，使用安全，施工成本低等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于石材，陶瓷厚板幕墻可以減少幕墻重量，節(jié)省鋼材用量，降低工程造價(jià)和提高施工效率，同時(shí)不剝落、不變色，具有更好的耐候性、耐久性和安全性（表2）。同時(shí)以陶瓷厚板代替石材還有利于減少石材開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成的破壞。

2 陶瓷厚板干掛方式的比較

陶瓷厚板背栓干掛可以直接移植或借鑒現(xiàn)行石材干掛通用技術(shù)，設(shè)計(jì)、安裝施工質(zhì)量檢查和驗(yàn)收、保養(yǎng)與維護(hù)可參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

陶瓷厚板干掛方式主要有背栓式、背槽式、邊槽式等。下面從陶瓷厚板整體受力狀態(tài)、支撐點(diǎn)局部受力狀態(tài)、抗平面內(nèi)變形能力三個(gè)方面進(jìn)行分析對(duì)比：

2.1 面板整體受力狀態(tài)

建筑幕墻要考慮的可變荷載作用有三項(xiàng)即風(fēng)荷載、地震作用和溫度作用。一般情況下風(fēng)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)最大，可達(dá)2.0kPa～5.0kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重荷載（即使按最大地震作用系數(shù)考慮，也不過(guò)是0.1kPa～0.8kPa），起控制作用。這三種荷載都是均布荷載，好的干掛方法就是能夠根據(jù)面板工作中的受力特點(diǎn)，選擇較佳受力支撐點(diǎn)，使整塊面板較大受力處所承受的彎矩相對(duì)較小，從而保證幕墻的安全性。

表2 陶瓷厚板幕墻與天然石材幕墻的比較

2.1.1 背栓式

背栓式干掛可通過(guò)有限元(1/5 左右)選擇支撐點(diǎn)，通過(guò)背栓與陶瓷厚板之間的無(wú)應(yīng)力柔性連接，使面板承受均布荷載的較大彎矩值較小，保證連接的安全性。背栓式廣泛使用于石材、瓷板、陶板、玻璃、微晶玻璃和千思板等幕墻。

背栓分為單切面背栓和雙切面背栓（也稱抗震型背栓）。單切面背栓在陶瓷厚板背面開(kāi)孔后植入背栓，背栓孔底位于陶瓷厚板厚度過(guò)半處。負(fù)風(fēng)壓時(shí)由孔底至陶瓷厚板背部厚度較大，椎體破壞面積比正風(fēng)壓時(shí)大，即它承受正風(fēng)壓時(shí)的最大荷載較負(fù)風(fēng)壓時(shí)的最大荷載要小。雙切面抗震型背栓開(kāi)孔時(shí)，在陶瓷厚板背面磨出一圓槽，安裝背栓時(shí)在此處加一鋼墊圈，由于鋼墊圈圓面積大于背栓擴(kuò)孔頭，沖切破壞時(shí)厚度等于板厚，正風(fēng)壓時(shí)沖切破壞面積大于負(fù)壓時(shí)的沖切破壞面積，其受力情況優(yōu)于單切面背栓，可在任何建筑物、任何高度、任何部位、任何形式、任何地震臺(tái)風(fēng)地區(qū)使用。

2.1.2 背槽式

背槽式需要從陶瓷厚板側(cè)邊開(kāi)槽進(jìn)去，導(dǎo)致槽底部與端部應(yīng)力集中，總板厚計(jì)算應(yīng)扣除切槽厚度。背槽式主要受力依靠環(huán)氧樹(shù)脂，安全性大大低于其他的干掛工藝。在JGJ133—2001《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》修訂時(shí)刪除了背槽法。

2.1.3 邊槽式

邊槽式是通過(guò)在陶瓷厚板上下兩邊開(kāi)槽（分為通槽和短槽）來(lái)支撐固定，由于該工藝存在著層層受力和抗彎強(qiáng)度差，所以在JGJ133—2001《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和JGJ336—2016《人造板材幕墻工程技術(shù)規(guī)程》中對(duì)它進(jìn)行了規(guī)定，使其成為單塊受力，而且對(duì)其厚度作出了要求，工程造價(jià)和安裝難度增加。

2.2 支撐點(diǎn)的局部受力狀態(tài)

支撐點(diǎn)的受力狀態(tài)從面板整體受力折算到支撐點(diǎn)的較大反作用力和抗疲勞能力兩方面分析。

2.2.1 背栓式

背栓式由于采用有限元原理選擇了較佳著力點(diǎn)，為板材1/5 處，通過(guò)四點(diǎn)支撐連接，使得陶瓷厚板在承受正壓時(shí)以背部支撐點(diǎn)整體受力，而負(fù)風(fēng)壓時(shí)受錨固深度和倒椎體（通常為135°椎體破壞）影響，可用抗拉拔試驗(yàn)方法確定其承載力，將背栓植得更深以提高負(fù)風(fēng)壓時(shí)的荷載。

我國(guó)是地震和臺(tái)風(fēng)多發(fā)國(guó)家，幕墻主要破壞因素是風(fēng)載荷和地震載荷，幕墻面板承受的正壓負(fù)壓不斷變化循環(huán)。在抗疲勞強(qiáng)度方面，背栓通過(guò)緩沖墊把陶瓷厚板與掛裝件夾緊，利用轉(zhuǎn)接件（角碼）掛在龍骨上，通過(guò)三百萬(wàn)次正負(fù)風(fēng)壓循環(huán)試驗(yàn)(可滿足100 年風(fēng)荷載疲勞)，試件保持完好，具有極強(qiáng)的抗疲勞能力。

2.2.2 背槽式

從表面來(lái)看背槽經(jīng)側(cè)面開(kāi)槽進(jìn)入，以板面1/5 定位，很象四點(diǎn)支撐的背栓原理。但由于受切槽影響，板材強(qiáng)度大幅下降，故在扣除其切槽厚度同時(shí)，還需套用邊槽公式才能滿足。其抗疲勞強(qiáng)度更需要認(rèn)真考慮。因?yàn)楸巢奂c瓷板是用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)固定的，環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)力隨著時(shí)間下降(石材和瓷板幕墻不允許膠接受力)，安全性得不到保證。

2.2.3 邊槽式

邊槽式采用T 型插板或蝶形插板扣住陶瓷厚板邊上的通槽或短槽邊，瓷板開(kāi)槽加工、掛裝和使用過(guò)程中易出現(xiàn)損傷（圖1）。該工藝存在著層層受力，幕墻越高壓力越大，其插板處彎曲應(yīng)力也越大，工程存在安全隱患。

圖1 邊槽式工藝對(duì)材料損傷施工后表現(xiàn)

2.3 抗平面內(nèi)變形能力

當(dāng)?shù)卣鸷团_(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，建筑物會(huì)發(fā)生變形(層間位移)，因此幕墻必須考慮抵御變形的能力。陶瓷厚板幕墻與建筑物的連接要求位移量大于1/180，一般地震試驗(yàn)要求位移量大于1/100；且單塊面板能獨(dú)立位移，以避免被擠壓破壞。

2.3.1 背栓式

陶瓷厚板通過(guò)背栓鉸接掛到安裝于龍骨的角碼上，陶瓷厚板與掛件和掛件與角碼的連接都有緩沖墊，能夠有效避免建筑物層間位移對(duì)陶瓷厚板的擠壓，大大減少震動(dòng)沖擊。

2.3.2 背槽式

由于該工藝主要靠環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)承載扭應(yīng)力和剪應(yīng)力，而環(huán)氧樹(shù)脂的性能隨時(shí)間而降低，幕墻的安全可靠性無(wú)法保證。

2.3.3 邊槽式

邊槽式是通過(guò)往陶瓷厚板邊上的通槽或短槽內(nèi)注環(huán)氧樹(shù)脂或502 膠來(lái)固定插板，上下面板之間近乎剛性連接，抗位移變形能力差，容易出現(xiàn)損傷。

綜合上述三個(gè)方面對(duì)比分析，背栓式干掛能選擇較佳受力支撐點(diǎn)，使陶瓷厚板在相同條件下受力較小，支撐點(diǎn)承載力能夠發(fā)揮陶瓷厚板本身的較大效用，抗疲勞能力優(yōu)越，抗震能力極強(qiáng)，有很高的安全性，適用于高層和超高層外墻飾面；且加工和組裝方便、現(xiàn)場(chǎng)安裝三維調(diào)節(jié)靈活、易于單片獨(dú)立更換。

3 陶瓷厚板與主體結(jié)構(gòu)連接

陶瓷厚板背栓干掛可以直接移植或借鑒現(xiàn)行石材干掛通用技術(shù)和配件，不需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)，節(jié)約了時(shí)間和成本。

陶瓷厚板背栓干掛的連接件主要包括將面板與龍骨相連接的背栓和鋁合金掛裝件等。

3.1 背栓

陶瓷厚板背栓干掛一般選用旋進(jìn)式不銹鋼背栓（圖2），不建議采用敲擊式背栓。背栓應(yīng)采用無(wú)應(yīng)力植入，不得采用敲擊等外力措施植入。

圖2 三件套旋進(jìn)式背栓（左）/ 兩件套旋進(jìn)式背栓（右）

根據(jù)瓷板厚度確定背栓的錨固深度，錨固深度為瓷板厚度的1/2 到2/3，再根據(jù)錨固深度確定背栓型號(hào)。20mm厚的瓷板一般選擇錨固深度12mm～15mm，選擇背栓型號(hào)旋進(jìn)式M6×12、M6×15 或M8×15。材質(zhì)一般分為304 和316（L）兩種，可根據(jù)項(xiàng)目要求適當(dāng)選擇，多數(shù)工況使用304 材質(zhì)。

陶瓷厚板背栓開(kāi)孔尺寸要求（表3）。

表3 2cm 陶瓷厚板背栓開(kāi)孔要求

陶瓷厚板開(kāi)孔邊距（圖3）。

圖3 陶瓷厚板開(kāi)孔邊距

3.2 掛裝件

陶瓷厚板通過(guò)固定于其背面的錨栓上的掛件與安裝在龍骨上的角碼連接，常用的掛裝件有h 型、R 型（耳掛）和C 型（子母掛）掛件等（圖4），材質(zhì)為鋁合金，表面經(jīng)氧化處理。

圖4 掛裝件類型

h 型掛件配套雙向調(diào)節(jié)螺絲，安裝時(shí)可以自由調(diào)節(jié)，使用簡(jiǎn)單，易于安裝，但是咬合力較小，咬合深度稍嫌不足，掛件成本相對(duì)便宜，適合于20mm 以下的普通瓷板或石材。

R 型掛件（耳掛）又分平耳掛和凹耳掛，平耳掛適合與敲擊式、齊平式背栓搭配使用，凹耳掛適合與旋進(jìn)式背栓搭配使用。R 型掛件安裝簡(jiǎn)單，咬合力比h 型掛件好，掛件成本適中，適用于2cm 陶瓷厚板和各種厚度的石材。

C 型掛件（子母掛）由兩片鋁合金主體以及調(diào)節(jié)螺栓組成，前片和背栓相連固定在面板上，后片固定在連接龍骨的角碼上，安裝時(shí)兩片緊密咬合在一起。C 型掛件比h 型掛件和R 型掛件可承載更大的作用力，適用于各種厚度面板的干掛，安全性能最好，掛件成本相對(duì)h型掛件和R 型掛件要高一些。

干掛節(jié)點(diǎn)圖（圖5）。

圖5 干掛節(jié)點(diǎn)圖

4 陶瓷厚板幕墻實(shí)際應(yīng)用

成都東航基地項(xiàng)目（圖6）位于成都市臨港路一段與西航港大道交匯處，是目前為止距離雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)最近，集航空總部、綜合辦公、主題餐飲、精品購(gòu)物及休閑娛樂(lè)等功能于一體的臨空商辦綜合體。

圖6 成都東航基地項(xiàng)目

項(xiàng)目總規(guī)劃用地面積88.72 畝，總建筑面積約為22.8 萬(wàn)m2。設(shè)1～5#樓，共由9 棟建筑單體組成，最高12 層。T1、T2 號(hào)樓為寫字樓區(qū)域，T3 作為東航四川分公司總部辦公樓，T4、T5 號(hào)樓為商業(yè)中心。項(xiàng)目于2016 年1 月動(dòng)工建設(shè)，2018 年10 月正式投入運(yùn)營(yíng)。

成都東航基地幕墻采用陶瓷厚板背栓干掛，施工流程如下：

幕墻設(shè)計(jì)→施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→預(yù)埋件處理→連接角碼安裝→立柱安裝→防水擋板安裝→橫梁安裝→陶瓷厚板裝配組件制作安裝→清潔檢查→竣工驗(yàn)收

4.1 陶瓷厚板拓孔

用拓孔設(shè)備在陶瓷厚板背面進(jìn)行開(kāi)孔，選用M8×15 旋進(jìn)式背栓，開(kāi)孔直徑9.5mm，擴(kuò)孔直徑11.5mm，錨固深度15mm。每打30～50 個(gè)孔使用測(cè)孔器進(jìn)行測(cè)孔以保證孔位合格。

4.2 安裝掛件

在陶瓷背面的孔內(nèi)植入背栓，旋進(jìn)錨栓，使擴(kuò)壓環(huán)擴(kuò)大擠緊孔壁形成機(jī)械嵌固。在錨桿上安裝鋁合金子母掛前片（圖7）。

圖7 安裝好掛件的陶瓷厚板

4.3 陶瓷厚板安裝

陶瓷厚板安裝分區(qū)進(jìn)行，由下至上安裝。在角鋼（橫龍骨）上安裝角碼，通過(guò)六角螺絲將子母掛后片固定在角碼上。將安裝好子母掛前片的陶瓷厚板抬起安裝到角碼上（圖8）。為了保證縫隙的一致性，可以在每條縫隙安置兩條厚度與縫寬相同的塑料或玻璃片（待打硅膠時(shí)取出）。檢查高度、垂直度，通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)要求后擰緊固定。

圖8 陶瓷厚板幕墻安裝

4.4 嵌縫打膠

陶瓷厚板之間的預(yù)留接縫為6mm，接縫處嵌入聚乙烯泡沫棒（直徑要大于板間縫隙，密度不應(yīng)大于37kg/m3）作填充材料，深入板面6mm～10mm，最后用嵌縫槍把中性硅酮結(jié)構(gòu)密封膠打入縫隙內(nèi)。

圖9 成都東航基地項(xiàng)目完工后的照片

5 結(jié)語(yǔ)

新型建筑材料的發(fā)展和應(yīng)用是推動(dòng)建筑幕墻創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)之一，沒(méi)有新型建筑材料的發(fā)展，就難以形成新的建筑幕墻技術(shù)和新的建筑幕墻產(chǎn)品。隨著陶瓷厚板這一新材料的研發(fā)成功，陶瓷厚板幕墻在近幾年也不斷出現(xiàn)，彌補(bǔ)了我國(guó)在高層和超高層建筑外墻裝飾面板采用石材和傳統(tǒng)瓷板等所難以解決的各種問(wèn)題，在安全性、耐久性、可更換性和降低工程造價(jià)等方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。陶瓷厚板在建筑幕墻裝飾工程中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。