裝配式混凝土外掛墻板研究進(jìn)展

肖 瀟 楊 瀅 周 燕 張 悅 尹浩丞 趙孟君

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

近年來，建筑行業(yè)一直在持續(xù)快速的發(fā)展，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)環(huán)境、節(jié)能等方面的要求越來越高，傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)模式自身存在的問題逐漸暴露出來，建筑耗能大、裝配率低、環(huán)境污染嚴(yán)重，材料利用率低等問題，嚴(yán)重阻礙了建筑業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。因此，開辟一條工業(yè)化程度高、施工周期短的新型建筑工業(yè)化發(fā)展道路，是我國建筑行業(yè)現(xiàn)階段應(yīng)該努力探索的方向。裝配式外掛墻板結(jié)合了其材料的性能特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的墻板相比，它具有生產(chǎn)效率高、施工速度快、輕質(zhì)節(jié)能、綠色環(huán)保、成本低廉、安全事故少等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑、建筑節(jié)能、環(huán)境保護(hù)的產(chǎn)業(yè)政策和社會(huì)發(fā)展需求[1]。外掛墻板的研究和應(yīng)用對(duì)促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展具有重要意義。

1 裝配式外掛墻板概念及其優(yōu)良性能

當(dāng)前我國正處于城鎮(zhèn)化的快速進(jìn)程中，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)年鑒分析，我國建筑業(yè)十幾年來一直處于高速增長態(tài)勢，2006-2018年建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)了增加值增速高于同期國民生產(chǎn)總值增速，年平均增速高達(dá)13.5%，逐步成長為國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱性產(chǎn)業(yè)[2]。然而，這些效益大都是以傳統(tǒng)的高能耗、高投入、高污染為代價(jià)取得的，探索一條工業(yè)化程度高、施工周期短、材料利用率高、綠色節(jié)能的新型建筑工業(yè)化發(fā)展道路，對(duì)推動(dòng)住宅產(chǎn)業(yè)化、建筑工業(yè)化有重大意義。

外掛墻板是裝配式建筑的主要構(gòu)件，外掛墻板的性能直接影響建筑能耗指標(biāo)和室內(nèi)生活舒適度。住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗中外墻占34%，樓梯間隔墻約占11%。開發(fā)優(yōu)質(zhì)外墻復(fù)合保溫板是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)節(jié)能建筑的重要途徑，一些發(fā)達(dá)國家的外掛墻板墻體材料生產(chǎn)占其國家墻體材料總產(chǎn)量的比例高達(dá)60%，但在中國只有3%[3]。目前衡量建筑裝配率的主要指標(biāo)是“三板”裝配率，即裝配式建筑中預(yù)制樓梯板、預(yù)制樓板、預(yù)制墻板(內(nèi)隔墻板、外掛墻板)的預(yù)制構(gòu)件使用率，這其中以外掛墻板要求最為復(fù)雜，不僅要滿足力學(xué)性能要求，同時(shí)還要滿足保溫隔熱、隔聲、防水等要求。與剪力墻相比，外掛墻板有圍護(hù)主體建筑、模數(shù)較固定、協(xié)調(diào)性較好等優(yōu)良性能，越來越多的建筑工程選擇裝配式外掛墻板。隨著近幾年裝配式建筑的快速發(fā)展和推廣，外掛墻板可以實(shí)現(xiàn)工廠化加工制作，現(xiàn)場進(jìn)行安裝，施工快速方便，有效縮短工期。集約型生產(chǎn)的外掛墻板，與現(xiàn)場作業(yè)相比降低了粉塵、減少了建筑垃圾；顯著減少現(xiàn)場人工操作，降低人工成本；降低了生產(chǎn)和施工成本，減少總造價(jià)[4]。

2 裝配式外掛墻板的種類及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 裝配式外掛墻板的種類

目前國內(nèi)用于裝配式建筑的外掛墻板按結(jié)構(gòu)類型分類主要有單一材料外掛墻板、內(nèi)保溫外掛墻板、外保溫外掛墻板、夾芯保溫外掛墻板。

(1)單一材料外掛墻板

單一材料外掛墻板是指采用單一材料制成的墻板，分為實(shí)心外掛墻板和空心外掛墻板。實(shí)心外掛墻板結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，制作工藝簡單，但重量偏大，運(yùn)輸與吊裝均十分不便，同時(shí)保溫隔熱性能相對(duì)較差；空心墻板指墻板中間采用空心結(jié)構(gòu)的外保溫隔熱作用，空心外掛墻板相較于實(shí)心外掛墻板重量更輕，便于運(yùn)輸安裝，但是制作工藝復(fù)雜。

(2)內(nèi)保溫外掛墻板

內(nèi)保溫外掛墻板是指在墻板內(nèi)側(cè)設(shè)置保溫層，在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用廣泛。其制作工藝既有將保溫層與外掛墻板在工廠中一體澆筑成型的“一體式”，也有在墻板吊裝完成后進(jìn)行保溫層安裝的“分離式”，但無論何種制作工藝，都有一個(gè)重大缺陷，那就是由于保溫層強(qiáng)度較低，耐久性較差，許多內(nèi)保溫外掛墻板的墻面均無法打孔進(jìn)行窗簾、儲(chǔ)物盒等掛件的安裝，且內(nèi)保溫層在衛(wèi)生間、廚房等部位極易因潮濕環(huán)境而脫落損壞。內(nèi)保溫外掛墻板安全性比外保溫好，但若存有冷熱橋時(shí)，結(jié)露水易引起保溫系統(tǒng)發(fā)霉、開裂，外墻暴露易產(chǎn)生裂縫，且內(nèi)保溫外掛墻板會(huì)較多占用室內(nèi)面積。該墻板適用于工廠化生產(chǎn)，但不宜與墻體結(jié)構(gòu)層整體預(yù)制。

(3)外保溫外掛墻板

外保溫外掛墻板是指在墻板的外側(cè)設(shè)置保溫層。相較于內(nèi)保溫外掛墻板，外保溫外掛墻板由于墻體結(jié)構(gòu)層面向室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)住戶使用的影響較小，不會(huì)影響在墻壁上打孔安裝掛件，既適用于北方冬季需要保溫的采暖建筑，也適用于南方夏季需要保溫的空調(diào)建筑；不僅適用于新建建筑，也適用于既有建筑節(jié)能改造。由于保溫層外包，該種墻板不易形成冷熱橋，保溫效果較好，不影響室內(nèi)面積。然而，由于外掛墻板保溫層位于室外一側(cè)，其保溫層工作環(huán)境相較于內(nèi)保溫層更惡劣，通常保溫材料耐久性不佳，故其使用年限較低。在暴雨、冰雹、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣下，極易造成保溫層脫落，甚至有可能會(huì)砸傷行人。同時(shí)，由于外保溫材料強(qiáng)度不高，在預(yù)制、吊裝過程中易損壞、修補(bǔ)困難，故通常不適合與墻體結(jié)構(gòu)層整體預(yù)制。

(4)夾芯保溫外掛墻板

夾芯保溫外掛墻板是指將保溫層布置在外掛墻板內(nèi)外葉中間，形成三明治結(jié)構(gòu)。國內(nèi)現(xiàn)有的墻板主要有鋼絲網(wǎng)水泥保溫材料夾芯板、薄壁混凝土巖棉復(fù)合外墻板、聚苯夾芯保溫復(fù)合墻板[5]等，這種墻板避免了將保溫層暴露于室內(nèi)或者室外，可有效保護(hù)保溫層，保證其使用效果，可避免冷熱橋，安全性較好，防火安全性高。但目前市場上的外掛墻板厚度較大，工廠化制作難度高，造價(jià)高。夾芯保溫外掛墻板可實(shí)現(xiàn)墻體保溫層、結(jié)構(gòu)層整體預(yù)制，施工快捷方便，墻體內(nèi)外葉間宜采用絕熱型連接件，保溫材料耐久性比較好，故該墻板是目前外掛墻板的主要研究方向。

2.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對(duì)裝配式建筑起步比較早。美國從20世紀(jì)20年代開始采用預(yù)制混凝土作為建筑物的外墻板。美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(PCI)[6]已經(jīng)編寫并出版了相關(guān)規(guī)范，對(duì)預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻的設(shè)計(jì)(包括生產(chǎn))的各個(gè)方面提供了指導(dǎo)，運(yùn)輸、安裝、裝飾等，從1970年開始，美國大量采用面磚、石材飾面的預(yù)制混凝土保溫墻板作為建筑外墻。與傳統(tǒng)的外掛墻板相比，其自重較小，保溫效果明顯，因此在北歐和北美這些寒冷的地方得到廣泛應(yīng)用[7]，在發(fā)達(dá)國家已普遍使用性能良好的保溫、隔熱材料作為復(fù)合墻板，例如在丹麥、瑞典、法國均已占在建房屋70%以上[8]；在西歐、北歐、日本等發(fā)達(dá)國家，預(yù)制混凝土外掛墻板的研究已形成體系并展開了一系列的應(yīng)用。二十一世紀(jì)以來，混凝土外掛墻板得到了進(jìn)一步發(fā)展，一方面其應(yīng)用越來越廣泛，另一方面隨著深入研究發(fā)現(xiàn)其潛能還可進(jìn)一步挖掘，近些年混凝土復(fù)合外掛墻板為主要研究方向，An Chen,Thomas G.[9]等人開展 FRP 拉結(jié)筋?yuàn)A芯板受彎性能的試驗(yàn)研究與有限元分析；James S[10]等人開展了部分復(fù)合泡沫保溫混凝土夾芯結(jié)構(gòu)分析，得到芯材為泡沫混凝土的混凝土夾芯板抗彎承載力的影響因素；Y.H. Mugahed Amran,A.A[11]等人開展軸向加載預(yù)制泡沫混凝土夾芯板的結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，研究了芯材為泡沫混凝土的夾芯板在豎向荷載下的破壞現(xiàn)象。目前由于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工管理方式的改善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面得到了提高，裝配式外掛墻板研究也在不斷地發(fā)展和改善[12]。

國內(nèi)對(duì)裝配式外掛墻板的研究工作起步較晚，對(duì)于裝配式混凝土外掛墻板大部分研究還是主要集中在墻體的力學(xué)性能和連接件方面。2015年以前，我國裝配式建筑行業(yè)發(fā)展緩慢，民用建筑裝配率不足10%，從2015年開始，中國發(fā)布一系列裝配式建筑規(guī)劃。2015年底，中國發(fā)布了《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，決定從2016年起在全國大力推廣裝配式建筑，自此之后對(duì)裝配式外掛墻板的研究緊密展開，中南大學(xué)盧逢煦[14]研究了鋼筋桁架式夾芯混凝土板受力性能，研究得出鋼筋桁架式夾芯混凝土板在經(jīng)濟(jì)成本、受力性能、抗震性能、變形性能等方面具有一定優(yōu)勢；蘭州大學(xué)姚遠(yuǎn)[15]研究了預(yù)制帶肋底板混凝土疊合板的設(shè)計(jì)方法，并深入探討了疊合板在施工階段和正常使用階段的設(shè)計(jì)方法；蘭州大學(xué)張敬書[16]研究了預(yù)制帶肋底板疊合板抗震性能，研究表明預(yù)制帶肋疊合板具有良好的整體性，其適用范圍與現(xiàn)澆板基本相同。目前裝配式結(jié)構(gòu)主要采用預(yù)制樓梯、疊合板、預(yù)制剪力墻、預(yù)制樓板梁、預(yù)制框架柱等結(jié)構(gòu)主體受力構(gòu)件，外墻板等非主要受力預(yù)制構(gòu)件在裝配式預(yù)制構(gòu)件施工中的應(yīng)用也越來越多[17]。在外掛墻板的不斷研發(fā)、發(fā)展、演變過程中，已逐步實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場裝配、安裝進(jìn)度高、施工效率高、節(jié)約了大量的人力物力、綜合效益顯著[18]。

3 裝配式外掛墻板研究應(yīng)用中存在的問題

裝配式外掛墻板與傳統(tǒng)的墻板相比有很大的優(yōu)勢，尤其是生產(chǎn)效率高、保溫隔熱性能好、經(jīng)濟(jì)節(jié)能，能有效提升居住環(huán)境的舒適度，但現(xiàn)有的外掛墻板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)、工廠化制作等方面仍存有不完善之處[19]，有待進(jìn)一步研究提升。

(1)目前外掛墻板都是在工廠制作，現(xiàn)場安裝，在運(yùn)輸過程中容易造成墻板開裂損壞；對(duì)于內(nèi)部設(shè)置矩形鋼筋桁架的墻板來說，在運(yùn)輸過程中，會(huì)在矩形桁架部位產(chǎn)生“冷橋效應(yīng)”，會(huì)對(duì)墻板整體熱工性能造成不良影響。

(2)外掛墻板混凝土面密度較大，強(qiáng)度較低，在實(shí)際工程施工中，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)施工工藝難以在混凝土材料上實(shí)施，降低建筑工程外墻板的安裝效率，延誤相關(guān)工程建設(shè)的施工進(jìn)度[20]，因此，外掛墻板施工工藝還有待改進(jìn)。

(3)現(xiàn)階段對(duì)外掛墻板的研究還是以施工效率為目標(biāo)，大多數(shù)外掛墻板仍然采用普通的混凝土，對(duì)新型材料在外掛墻板中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，如利用輕骨料混凝土等作為面層材料的外掛墻板受力性能還有待進(jìn)一步研究。

(4)節(jié)點(diǎn)處理是裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的重要問題。現(xiàn)在對(duì)裝配式墻板的研究方向主要是墻板構(gòu)件的力學(xué)性能方面，對(duì)墻板之間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究還不足，找到一種新型有效的節(jié)點(diǎn)形式，讓外掛墻板能充分發(fā)揮作用是需要進(jìn)一步研究的問題[21]。

4 結(jié)論與展望

近年來，國家大力推進(jìn)建筑工業(yè)化，發(fā)展綠色建筑，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，評(píng)價(jià)建筑工業(yè)化水平的關(guān)鍵指標(biāo)是外墻的裝配度，大規(guī)模的應(yīng)用外掛墻板不僅可以改變傳統(tǒng)建筑使用過程中高耗能的缺點(diǎn)，而且提高了工程質(zhì)量、縮短工期。現(xiàn)階段，裝配式建筑外墻板的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，綜合國內(nèi)外對(duì)其研究現(xiàn)狀，未來外掛墻板還有很大的發(fā)展空間。隨著對(duì)外掛墻板研究的深入、理論技術(shù)的逐漸完善、新技術(shù)、新型材料的應(yīng)用、節(jié)點(diǎn)連接等細(xì)部構(gòu)造的改進(jìn)，將有效地促進(jìn)外掛墻板在裝配式建筑行業(yè)的應(yīng)用。