混凝土外掛板在建筑中的開拓性應(yīng)用

■ 陳 燁 CHEN Ye

1 研究背景

幕墻作為建筑外圍護(hù)體系，在國內(nèi)市場已應(yīng)用了近30 年。從簡單的幕墻外圍護(hù)體系發(fā)展到明框、隱框玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻，再到因需加快現(xiàn)場安裝時間、縮短施工周期，但又需提高板塊精度而產(chǎn)生的單元式幕墻、系統(tǒng)門窗，這一系列的發(fā)展，使幕墻等外圍護(hù)體系的應(yīng)用飛速普及且已相當(dāng)成熟，但這并不意味著幕墻能完全滿足建筑師及業(yè)主的設(shè)計理念和要求。對于傳統(tǒng)幕墻在現(xiàn)代工程中應(yīng)用，考慮到安全等問題，在相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)中有諸多規(guī)定，如：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《關(guān)于進(jìn)一步加強玻璃幕墻安全防護(hù)工作的通知》（建標(biāo)[2015]38 號）中明確規(guī)定了“新建住宅、黨政機關(guān)辦公樓、醫(yī)院門診急診樓和病房樓、中小學(xué)校、托兒所、幼兒園、老年人建筑，不得在二層以上采用玻璃幕墻”；《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 113—2015）規(guī)定了安全玻璃的最大許用面積；《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 133—2001）規(guī)定“石材面積不宜大于1.0 m2”等。另外，由于受型材擠壓設(shè)備的限制，鋁合金單元式幕墻的最大生產(chǎn)規(guī)格為2.5 m×6.7 m，這些規(guī)定限制了建筑立面造型的設(shè)計，致使現(xiàn)代建筑的外觀日趨同化。

隨著裝配式混凝土外掛板的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代建筑的風(fēng)格和生命力得到了提升。目前，混凝土外掛板限100 m 以下建筑使用，板塊分格大小也僅受運輸和掛裝的限制，即只要運輸許可且現(xiàn)場吊裝設(shè)備允許范圍內(nèi)，皆可定制；而且混凝土可塑性強，混凝土外掛板的顏色、質(zhì)感有仿石材、仿磚、多彩、透光、浮雕造型等多種形式，設(shè)計中可綜合考慮混凝土墻板的掛裝節(jié)點、荷載、藝術(shù)形式等，增強現(xiàn)代建筑的設(shè)計感和生命力。裝配式混凝土外掛板的應(yīng)用符合國家大力倡導(dǎo)發(fā)展裝配式建筑的現(xiàn)狀。

2 混凝土外掛板設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

就混凝土外墻掛板的整體設(shè)計而言，傳統(tǒng)的PC 墻設(shè)計方式將外墻混凝土掛板做成鋼筋體系，對于公共建筑項目，此類體系的重量會造成外邊梁柱巨大的荷載。常規(guī)框架式玻璃幕墻的荷載為60 kg/m2，石材幕墻為80～100 kg/m2，若混凝土外墻掛板采用常規(guī)鋼筋體系，則重達(dá)350 kg/m2以上，設(shè)計時應(yīng)重點考慮；此外，價格、施工周期、耐久性也是建筑考量的重點。因此，混凝土外墻掛板設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是：易掛裝、輕量化、大分格、多造型。

2.1 易掛裝

在建筑外圍護(hù)體系掛裝方式中，典型的有單元式幕墻。它采用上掛的方式進(jìn)行整體掛裝，利用型材之間的等壓腔雨屏原理提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水密性能（圖1、2）。

圖1 單元幕墻節(jié)點橫剖圖

圖2 單元幕墻節(jié)點豎剖圖

對于預(yù)制混凝土掛板，可借鑒此類設(shè)計方式。如九棵樹未來藝術(shù)中心的混凝土外墻掛板中，設(shè)計方采用下坐上拉的類幕墻節(jié)點，相鄰左右板塊之間亦采用了等壓雨屏原理，通過等壓腔，逐級減小室內(nèi)外的壓差，以盡量防止或減少雨水和氣體的滲入，并通過“疏導(dǎo)”方式將雨水排出墻外；而上下相鄰板塊則采用幕墻陶板體系中的企口原理，讓水流無法滲入。同時，也可以現(xiàn)場進(jìn)行水平方向、豎直方向、前后方向的三向調(diào)差，達(dá)到易掛裝的目的。

2.2 輕量化

常規(guī)混凝土板中，可以降低重量的部分主要為鋼筋系統(tǒng)和混凝土用量。從板面強度和受力計算中，借鑒外掛式幕墻體系，外掛的混凝土墻板并不參與主體結(jié)構(gòu)抗震等的受力因素，可以采用幕墻系統(tǒng)的受力方式進(jìn)行板面強度及受力桿件計算，在板面中采用豎向主體受力的方式，板內(nèi)采用鋼龍骨及鋼筋網(wǎng)片的組合方式，可以有效降低外墻板（含保溫及室內(nèi)裝飾裝修）重量至250 kg/m2左右。通過工廠化預(yù)制，可以精準(zhǔn)地控制顏色和精度，使預(yù)制構(gòu)件正反兩面均可達(dá)到最佳裝飾效果，產(chǎn)品一次掛裝即可同時完成室內(nèi)、室外兩面裝飾（圖3）。

2.3 大分格、多造型

與外立面幕墻相比，混凝土外掛板可塑造性強，能夠?qū)崿F(xiàn)大分格和多造型，有助于建筑師更好地闡述建筑的生命力。

圖3 混凝土外掛裝飾欄板室內(nèi)外兩面掛裝示意圖

傳統(tǒng)概念上的單元板塊，由于受產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備的局限性和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全性要求，無法實現(xiàn)大跨度、大分格、多種造型的視覺效果。如考慮到玻璃短邊寬度不能大于2.4 mm、鋁型材的擠壓長度限制為6.7 m、單片石材面積不能大于1.0 m2、鋁單板的短邊寬度不能大于1.8 m 等要求，單元板塊的最大尺寸在2.5 m×6.7 m的范圍內(nèi)。

混凝土外掛板目前可根據(jù)模臺和場地的大小、形式自由調(diào)整造型，在僅考慮當(dāng)?shù)剡\輸條件和吊裝設(shè)備制約情況下，常規(guī)寬高比尺寸可以做到3 m×18 m。如九棵樹未來藝術(shù)中心板塊尺寸為2.54 m×7.2 m、西郊國際菜場板塊尺寸為4.2 m×5.26 m、法國百達(dá)翡麗辦公樓板塊尺寸為12 m×2.5 m，等等。另外，同一模塊的不同交錯組合，也可形成有趣的立面造型效果，使整個建筑顯得生動活潑，如圖4 所示法國電力公司檔案館的立面造型。

3 混凝土外掛板施工安裝特點

混凝土外墻掛板工廠制作，現(xiàn)場施工安裝，可推動實現(xiàn)“像搭積木一樣造房子”，外立面整體工期可降低50%以上。另外，現(xiàn)場干法施工，可減少施工揚塵、降低施工噪聲，實現(xiàn)綠色施工。

以山東某建筑項目為例，其外墻面積約2 萬m2。經(jīng)測算分析，采用傳統(tǒng)框架式幕墻的現(xiàn)場施工周期約為10 個月，單元式幕墻的施工周期約為6 個月；而混凝土外墻掛板單塊板面積約9 m2，完成整個外立面只需約3 個月的時間，可促進(jìn)整個施工周期的降低（圖5）。

圖4 法國電力公司檔案館立面造型圖

圖5 山東某項目混凝土外墻板吊裝現(xiàn)場

4 混凝土外掛板的推廣應(yīng)用

4.1 應(yīng)用案例

混凝土外墻掛板能適用于多種建筑立面造型，使建筑富有生命感。隨著國家和地方層面對建筑裝配化程度要求的日益提高，混凝土外掛板的應(yīng)用市場將不斷拓展，尤其在商場、劇院、酒店、商業(yè)園區(qū)等公共建筑中的應(yīng)用。目前，上海已經(jīng)使用此類材料的項目有九棵樹未來藝術(shù)中心、中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院、上海西郊國際農(nóng)產(chǎn)品交易中心等，應(yīng)用效果良好。

九棵樹未來藝術(shù)中心位于森林腹地，用地面積120 522 m2，總建筑面積71 700 m2，主要功能為文化場館設(shè)施、藝術(shù)創(chuàng)作中心及相關(guān)配套?；诮ㄔ爝^程低污染、低能耗等考慮，項目采用混凝土預(yù)制構(gòu)件，為了確保大塊面混凝土掛板色彩的穩(wěn)定性，生產(chǎn)單位嚴(yán)格控制材料配比，最終立面材質(zhì)呈現(xiàn)出一種柔和淡雅的米黃色，能夠與四季森林的深淺綠色形成強烈而悅目的對比效果（圖6）。

在中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院（圖7）的建設(shè)中，充分發(fā)揮了預(yù)制構(gòu)件在成本控制方面的優(yōu)勢。生產(chǎn)單位通過前期優(yōu)化設(shè)計，將外墻預(yù)制構(gòu)件的尺寸規(guī)格數(shù)量控制到最低，只通過巧妙的位置或方向調(diào)整，以達(dá)到視覺變化的要求，在實現(xiàn)最佳視覺效果的同時，大量減少模具數(shù)量，進(jìn)而大幅降低制作成本。

圖6 九棵樹未來藝術(shù)中心效果圖

圖7 中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院效果圖

圖8 上海西郊國際農(nóng)產(chǎn)品交易中心效果圖

相對于現(xiàn)場澆筑，工廠化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件更容易實現(xiàn)各種復(fù)雜造型，這一優(yōu)勢在上海西郊國際農(nóng)產(chǎn)品交易中心項目中得以充分體現(xiàn)（圖8）。該項目為多層大型綜合型物流建筑，總建筑面積117 044 m2，其模擬流線型船頭部分由近400 塊曲面造型的外墻板組成，通過在工廠預(yù)制，使用BIM 系統(tǒng)控制模具制作，確保了產(chǎn)品的最佳造型和尺寸精確度。

4.2 重點研究方向

除了易掛裝、輕量化、大分格等系統(tǒng)設(shè)計要求，為擴大產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和規(guī)模，模具、顏色也將成為混凝土外掛板研發(fā)與設(shè)計中重點考慮的方向。

圖9 上海某預(yù)制混凝土墻板項目遠(yuǎn)景

圖10 上海某項目預(yù)制混凝土墻板細(xì)部特寫

目前，市場上常見的模具有木模、鋼模、硅膠模，考慮到成本問題，可使用硅膠?；蜓邪l(fā)出更多種類的異型模具，使混凝土的可塑性得以充分發(fā)揮。為提升外墻混凝土掛板的表現(xiàn)力和生命力，通常需做到顏色自然，而非單純的統(tǒng)一顏色。如圖9、10 中所展示的預(yù)制混凝土墻板，遠(yuǎn)看為純色，近看則有混凝土所特有的水化紋路，且這些紋路并不是固定的，會隨氣候不同而變化，一般的涂料或修色劑很難產(chǎn)生如此效果。

5 結(jié)語

綜上所述，混凝土外墻掛板在建筑外立面的使用極具價值，需要深入設(shè)計、研發(fā)和制造，并開拓性地應(yīng)用于項目中。未來，可通過設(shè)計細(xì)化、優(yōu)化產(chǎn)品性能，以進(jìn)一步降低現(xiàn)場施工成本；或者將大數(shù)據(jù)時代的BIM信息與板面生產(chǎn)結(jié)合，對整個建筑的全生命周期運維提供基礎(chǔ)服務(wù)。