加氣混凝土條板在超高層建筑中的應(yīng)用研究

段昌莉，吳晨，李暉，毛建華

（1.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2.北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 102402）

0 引言

非承重內(nèi)隔墻的選用需要考慮以下因素及設(shè)計(jì)要求：

（1）結(jié)構(gòu)因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)不承擔(dān)外部荷載、但要承擔(dān)自身重力荷載，并保證其側(cè)向受力的穩(wěn)定性；同時(shí)對(duì)于超高層建筑，其自身質(zhì)量不僅對(duì)基層樓層板有反作用要求，而且累加質(zhì)量對(duì)整體大樓的自重有一定影響。

（2）變形因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)要承受建筑物在風(fēng)作用和地震作用下出現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)自身也會(huì)因溫差等效應(yīng)產(chǎn)生變形，通過(guò)結(jié)構(gòu)層間位移角進(jìn)行定量要求。這也是超高層建筑特有需要考慮的因素。

（3）耐火因素：內(nèi)隔墻要有足夠的耐火性能，通過(guò)耐火極限進(jìn)行定量要求。

（4）密閉因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)要有足夠的密閉性能，特別在結(jié)構(gòu)變形情況下保持密閉性能。

（5）性能因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)根據(jù)使用功能不同還需要具備隔聲、防水、隔熱等性能，此項(xiàng)性能也可通過(guò)附加構(gòu)造層來(lái)增強(qiáng)。

（6）建造因素：超高層建筑更適用現(xiàn)場(chǎng)拼裝的干作業(yè)墻體，以提高建造速度。

（7）耐用因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)要能保障在各種室內(nèi)環(huán)境下的耐用度。

（8）成本因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)的建造成本存在差異，要通過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選對(duì)造價(jià)進(jìn)行控制。

（9）靈活因素：內(nèi)隔墻系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)功能要求，進(jìn)行靈活的改變。

（10）空間因素：墻體厚度是墻體性能的決定因素之一，也是影響使用率的因素。

在充分分析、論證了上述因素后，北京中信大廈地上核心筒、設(shè)備層及避難層選用了加氣混凝土條板，地下采用了砂加氣混凝土砌塊，地上核心筒外使用空間則選用更靈活的輕鋼龍骨石膏板及成品隔斷。

1 加氣混凝土條板對(duì)于超高層建筑的適用性

1.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)對(duì)水平變形和荷載的限制

中信大廈主體結(jié)構(gòu)為核心筒+巨柱+鋼桁架體系，其中核心筒為型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，巨柱為鋼骨結(jié)構(gòu)。樓層的樓板梁為鋼梁，樓板為組合結(jié)構(gòu)（底層鋼板+上層鋼筋混凝土）。

對(duì)于風(fēng)作用下層間位移角的控制要求最大層間位移角為1/500。例如層高4.5 m的普通樓層，最大層間水平變形值約10 mm，這就要求建筑內(nèi)隔墻的選擇也應(yīng)該能夠適應(yīng)這一變形要求。

地震作用下層間位移角控制要求：小震不損壞，最大層間位移角1/500；中震可修復(fù)損壞，最大層間位移角1/500~1/100；大震不倒塌，最大層間位移角1/100。

由于超高層建筑自重大，減輕荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)合理性有極其重要的作用，因此在核心筒外空間未采用加氣混凝土條板，除了適用靈活性要求外，荷載也是重要考慮因素。

1.2 超高層建筑電梯井道活塞效應(yīng)

高速電梯在井道運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的活塞效應(yīng)，尤其是單井道電梯（雙井道或多井道電梯運(yùn)行方向不同會(huì)對(duì)活塞效應(yīng)有一定消減，同時(shí)因?yàn)榫篮喜⒖臻g較大而減弱活塞效應(yīng)）。中信大廈雖然對(duì)高速電梯盡可能采用多井道布置方式，但通過(guò)模擬，高速穿梭電梯依然會(huì)有墻體內(nèi)外最大壓力差達(dá)到270 Pa。

1.3 室內(nèi)墻體隔聲性能

超高層建筑的高速電梯及設(shè)備機(jī)房均有較大的低頻噪聲，具有較高強(qiáng)度的砌塊或條板隔墻隔聲性能較好，通常150 mm厚隔墻隔聲性能可以達(dá)到45 dB，200 mm厚可以達(dá)到50 dB。中信大廈的聲學(xué)要求極其嚴(yán)格，要求所采用的條板必須出具聲學(xué)檢測(cè)報(bào)告方可應(yīng)用。

1.4 耐火性能要求

超高層建筑的消防安全應(yīng)立足于自救，而加氣混凝土條板具有優(yōu)良的耐火性能，其耐火極限通常遠(yuǎn)大于消防規(guī)范要求，對(duì)于建筑防火抗火性能的提高有較大幫助。

1.5 風(fēng)環(huán)境要求

對(duì)于超高層建筑，核心筒內(nèi)有大量豎向通道，井道墻體的氣密性能對(duì)于控制煙囪效應(yīng)有重要貢獻(xiàn)。

1.6 耐用度

機(jī)電設(shè)備機(jī)房、管井及電梯井道的分隔墻需要足夠的耐用度，以保障建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)壓力。

1.7 經(jīng)濟(jì)因素

超高層建筑的垂直運(yùn)輸能力受限，減少濕作業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)對(duì)于控制工期及造價(jià)有較大貢獻(xiàn)。加氣混凝土條板其自身表面平整，6~8 mm的薄抹灰甚至采用專(zhuān)用飾面劑即可以滿(mǎn)足涂料面層、面磚面層的基層要求，而普通砌塊墻通常要20 mm厚的砂漿，單從裝飾濕作業(yè)的工作量來(lái)講，就減少了1/2~2/3的工作量。

1.8 常用超高層建筑非承重內(nèi)隔墻墻體材料性能對(duì)比分析（見(jiàn)表1）

表1 常用超高層建筑非承重內(nèi)隔墻墻體材料性能對(duì)比

2 超高層建筑加氣混凝土條板構(gòu)造研究

加氣混凝土條板自身的性能指標(biāo)足夠滿(mǎn)足超高層建筑的需求，但是條板沒(méi)有大量應(yīng)用的原因，部分來(lái)自于其施工過(guò)程中通常采用較為簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致條板在拼接和安裝時(shí)的縫隙成為整體墻體系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。在確定墻體材料后，針對(duì)超高層建筑的特殊需求設(shè)計(jì)的專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)，為保證整體墻體系統(tǒng)的性能奠定了基礎(chǔ)。

2.1 加氣混凝土條板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究概述

采用加氣混凝土條板圍合的空間（機(jī)電設(shè)備用房、管井、電梯井壁、疏散樓梯）要滿(mǎn)足自身穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變形、水平荷載、耐火極限、密閉性能等要求。這些外界要求需要通過(guò)墻板本身、板與板的連接方式、板與結(jié)構(gòu)主體的固定方式及板縫的處理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在地震作用和風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的水平位移，這要求墻板能發(fā)生隨動(dòng)，保證墻板本身不發(fā)生損壞和開(kāi)裂。

首先要求加氣混凝土條板本身要有足夠的彈性變形能力，同時(shí)板與結(jié)構(gòu)骨架頂部采用可吸收水平變形能力的節(jié)點(diǎn)，保證墻體的每塊墻板的變形都在允許范疇內(nèi)。

墻體的密閉性能至關(guān)重要，板縫隙之間要進(jìn)行可靠徹底的密閉處理，這是達(dá)到隔聲、耐火、氣密性能的基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板研究，提出蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板的一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法的建議：（1）墻板與墻板的水平連接處采用TU槽，TU槽使板與板之間的縫隙空間為T(mén)U型空間，提高墻體密閉、隔聲、耐火等性能，且方便安裝。（2）板與結(jié)構(gòu)主體的連接方式底部采用U型槽鋼剛性連接，頂部用L型“勾頭”螺栓把混凝土條板固定在L型通長(zhǎng)角鋼的方式，具有一定的彈性連接特點(diǎn)，且方便安裝。（3）墻體與結(jié)構(gòu)骨架水平方向的縫隙采用巖棉填充和密閉膠密封的做法，保證板縫在一定變形范圍內(nèi)不開(kāi)裂、不通透。

2.2 加氣混凝土板與結(jié)構(gòu)骨架的連接方式

（見(jiàn)圖1、圖2）

圖1 頂部與結(jié)構(gòu)板及鋼梁的固定方式

圖2 底部與結(jié)構(gòu)梁或板的固定方式

2.3 加氣混凝土條板間的連接方式（見(jiàn)圖3）

圖3 加氣混凝土條板TU槽連接節(jié)點(diǎn)

2.4 與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的對(duì)比

加氣混凝土條板并不是新興材料，在日本已經(jīng)應(yīng)用了將近20年，在我國(guó)使用也在10年以上。但應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不如日本，除了砌塊這種材料的經(jīng)濟(jì)性，以及砌筑人工成本低外，其自身暴露的缺點(diǎn)也導(dǎo)致應(yīng)用一直無(wú)法大范圍擴(kuò)展。從2017年國(guó)家大力推動(dòng)建筑向預(yù)制化發(fā)展以來(lái)，促使這種材料開(kāi)始廣泛應(yīng)用。但這種應(yīng)用并不是以施工節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化為前提，導(dǎo)致在一定時(shí)間后對(duì)這種優(yōu)質(zhì)材料的負(fù)面反饋，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量后果。因此希望更多的設(shè)計(jì)師、業(yè)主、施工方能夠深入了解這種材料，正確應(yīng)用。

中信大廈采用的條板節(jié)點(diǎn)上連接使用了“勾頭”螺栓，與主體牢固焊接，并用砂漿覆蓋，大洞口采用了角鋼過(guò)梁、豎向龍骨，下節(jié)點(diǎn)采用U型槽通長(zhǎng)設(shè)置，既保證了條板與主體的牢固連接，也允許條板在建筑有些微位移時(shí)的變形量。針對(duì)這種節(jié)點(diǎn)，金隅公司專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了抗震實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明這種連接節(jié)點(diǎn)有優(yōu)異的抗震性能。反觀傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，通常下節(jié)點(diǎn)采用木楔子，木楔插入墻體下部時(shí)造成的縫隙，僅簡(jiǎn)單用水泥填塞，后填塞的水泥可能會(huì)造成大量空隙上節(jié)點(diǎn)采用U型卡，其與結(jié)構(gòu)的縫隙通常不做任何處理，靠下節(jié)點(diǎn)的木楔插入減少縫隙，而這個(gè)縫隙無(wú)論多小，都是存在的。這樣的節(jié)點(diǎn)無(wú)論是聲學(xué)、防火還是抗震性能都無(wú)法保證，當(dāng)其應(yīng)用于防火墻時(shí)，如果完全暴露在外的U型卡失效，墻體傾覆的可能性極大，一旦傾覆，即使墻體自身有優(yōu)良的耐火性能，也形同虛設(shè)。

至于水平節(jié)點(diǎn)，除采用了TU槽外，為了保證氣密性，還在側(cè)邊貼覆巖棉條，在條板間擠壓安裝時(shí)，保證了縫隙的嚴(yán)密，巖棉也應(yīng)用于與其他材料的平口連接處。而傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通常僅靠砂漿擠壓密閉條板間縫隙，普通建筑應(yīng)用時(shí)可能沒(méi)有問(wèn)題，當(dāng)應(yīng)用于有變形的建筑，例如超高層建筑時(shí)，輕微變形也會(huì)導(dǎo)致水泥砂漿硬連接的失效而產(chǎn)生縫隙。

2.5 施工過(guò)程中的優(yōu)化

由于施工的實(shí)際情況，加氣混凝土條板設(shè)計(jì)需經(jīng)過(guò)一系列調(diào)整。

2.5.1 條板厚度變化

出于聲學(xué)的要求，設(shè)計(jì)在設(shè)備機(jī)房、可能產(chǎn)生噪聲的電梯井道均采用了200 mm厚的鋼筋混凝土條板，以得到50 dB的隔聲量，但在實(shí)際施工中，隨著高度的提升，200 mm厚條板對(duì)于施工運(yùn)輸及施工堆場(chǎng)、施工界面都形成了較大壓力。因此在過(guò)程中對(duì)200 mm厚條板進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)研究，通過(guò)對(duì)空間需求進(jìn)行精細(xì)分析，僅在高速電梯井道保留了極少的200 mm厚條板，以保證其可以應(yīng)對(duì)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣壓，其余條板均減少至150 mm厚。在有聲學(xué)要求的部位采用增加巖棉隔聲的措施來(lái)保證整體隔聲量，或采用雙層墻體。施工希望可以減少至100 mm厚，但100 mm厚的條板墻體無(wú)法采用TU槽，這意味即使墻體自身性能可以滿(mǎn)足空間需求，由于節(jié)點(diǎn)密閉性的降低，墻體整體性能可能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，同時(shí)因中信大廈層高較高，即使修改為100 mm厚墻體，部分可以修改的部位也已經(jīng)達(dá)到其高度極限，因此綜合考量，最終維持了150 mm厚的選擇。

2.5.2 條板機(jī)電安裝要求

在選擇加氣混凝土條板時(shí)，其可以采用專(zhuān)用工具完成機(jī)電末端的埋設(shè)也是考量的因素之一。但實(shí)際實(shí)施時(shí)，由于已經(jīng)施工的地下室墻體上機(jī)電末端出現(xiàn)反復(fù)，對(duì)墻體破壞較大，因此采用了管線明敷的方案。管線明敷確保了條板墻體的完整性，但也犧牲了部分空間的視覺(jué)效果。

2.6 應(yīng)用展望

設(shè)計(jì)原本希望加氣混凝土條板的安裝能夠達(dá)到較先進(jìn)的水平，因此也啟動(dòng)研究了DL工法，希望采用更簡(jiǎn)潔的栓接節(jié)點(diǎn)來(lái)替代現(xiàn)有的“勾頭”螺栓，減少焊接工作。焊接無(wú)疑對(duì)工作環(huán)境及人工要求更高，也對(duì)施工防火有更大的壓力，而栓接相對(duì)會(huì)簡(jiǎn)單的多。但這項(xiàng)工作啟動(dòng)較晚，而且由于其對(duì)條板生產(chǎn)有更高要求，造價(jià)將更高，因此很遺憾沒(méi)有在這個(gè)項(xiàng)目中實(shí)施，但這種工法應(yīng)該是今后發(fā)展的方向。

3 其他項(xiàng)目應(yīng)用情況

由于部分項(xiàng)目對(duì)于條板質(zhì)量控制及施工節(jié)點(diǎn)控制沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的要求，導(dǎo)致效果并不理想，從而對(duì)進(jìn)一步推廣這種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品帶來(lái)了負(fù)面作用。例如，在筆者設(shè)計(jì)的另外一個(gè)宿舍樓項(xiàng)目中，也選用了加氣混凝土條板，但實(shí)際建成后隔聲效果并不理想。推測(cè)有以下原因：

（1）條板本身質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。中信大廈的條板隔聲需要提供聲學(xué)顧問(wèn)測(cè)定的試驗(yàn)結(jié)果，且經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)確認(rèn)，但宿舍樓項(xiàng)目設(shè)計(jì)僅提供要求，未完全跟蹤其落實(shí)情況。

（2）節(jié)點(diǎn)未做槽間加巖棉的要求，可能的縫隙會(huì)降低整體隔聲效果。

（3）宿舍樓最常見(jiàn)的是插座在同一位置上，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)槽封堵不嚴(yán)或出現(xiàn)插座完全對(duì)穿現(xiàn)象會(huì)造成隔聲的失效。雖然在設(shè)計(jì)說(shuō)明及交底時(shí)再三明確不能對(duì)穿，但不可避免有對(duì)穿現(xiàn)象存在。

4 結(jié)語(yǔ)

中信大廈是首個(gè)大量應(yīng)用加氣混凝土條板的超高層建筑，上海環(huán)球中心僅在超高速電梯井道中應(yīng)用了這種墻體材料，雖然應(yīng)用量較多，但也限于電梯井道和樓梯間，而中信大廈在分析了條板與輕鋼龍骨石膏板墻體的優(yōu)缺點(diǎn)后，首次在核心筒內(nèi)以及設(shè)備避難層大量應(yīng)用，以取得更好的防火、聲學(xué)、氣密性能，并根據(jù)其特點(diǎn)制定了性能標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)制定了技術(shù)規(guī)格書(shū)，從條板的隔聲性能、防火性能、抗沖擊性能、傳熱系數(shù)、質(zhì)量損失等方面規(guī)定了性能指標(biāo)，保障了使用的條板基本質(zhì)量。從性能指標(biāo)和節(jié)點(diǎn)控制的雙控才能保障加氣混凝土條板的最終效果，才能更好地推廣這種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。