鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅配套外墻板的研究進(jìn)展

苗紀(jì)奎胡藍(lán)皓鮑建光邱世君

(1.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南四建(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)住宅因其天然的、裝配化屬性和自重輕、抗震性能好、空間布置靈活等特點(diǎn)[1]，已經(jīng)成為適合工業(yè)化建造的最佳結(jié)構(gòu)形式，最有條件率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[2]。早在2001年住建部發(fā)布《鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則》以來(lái)，各地政府不斷出臺(tái)相關(guān)政策細(xì)則，鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅獲得了巨大的政策紅利，但直至今日，鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅仍處于試點(diǎn)推廣階段[3]，且市場(chǎng)接受度較低，其主要原因在于圍護(hù)體系及其部品與鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅匹配性較差[4]，存在外墻板安裝難以形成標(biāo)準(zhǔn)化、防水防滲措施不到位、相關(guān)圖集嚴(yán)重滯后等問(wèn)題[5]。雖然市場(chǎng)上外墻材料和構(gòu)造形式多樣，但適用于鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的外墻較少。為避免外墻成為鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展的瓶頸，應(yīng)把外墻板及其配套技術(shù)作為鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的研究重點(diǎn)[6]。

文章分類了鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅常用外墻板，介紹了其構(gòu)造組成和特點(diǎn)，調(diào)研了墻板國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了目前墻板研究中存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出一種新型復(fù)合保溫外墻板，并結(jié)合我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展前景，展望了今后墻板研究方向。

1 外墻板類型及特點(diǎn)

依據(jù)墻板的構(gòu)造形式的差異，目前常用于鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的外墻板可大致分為單一材質(zhì)輕型條板、輕鋼龍骨復(fù)合墻板和預(yù)制混凝土夾芯大板3類[7]。

1.1 單一材質(zhì)輕型條板

單一材質(zhì)輕型條板依據(jù)材料和制作工藝的不同，有加氣混凝土板(如圖1(a)所示)、陶?；炷涟?如圖1(b)所示)和泡沫混凝土板等眾多品類，此類板材容重較輕、強(qiáng)度較低，便于現(xiàn)場(chǎng)裁切、釘掛，熱工性能優(yōu)于普通混凝土、黏土磚等傳統(tǒng)墻材，但單一材質(zhì)輕型條板存在著以下問(wèn)題:

圖1 單一材質(zhì)輕型條板示例圖

(1)難以滿足寒冷地區(qū)的節(jié)能要求 板材導(dǎo)熱系數(shù)低于傳統(tǒng)墻材，但與高效保溫材料相比仍有較大差距，目前唯一能在寒冷地區(qū)滿足居住建筑65%節(jié)能設(shè)計(jì)要求的單一材質(zhì)輕型條板僅有加氣混凝土板，且厚度需＞300 mm[8]。近年來(lái)，山東、河北、新疆等地區(qū)紛紛將居住建筑節(jié)能率提高至75%[9-11]，北京市已實(shí)施80%的節(jié)能率指標(biāo)[12]，故在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，住宅僅依靠單一材質(zhì)輕型條板作為保溫隔熱的外墻構(gòu)造將被逐步淘汰。

(2)板材受濕度影響較大，抹灰層易空鼓、脫落 單一材質(zhì)輕型條板常用材料，如加氣混凝土、泡沫混凝土等，干濕循環(huán)下板材抗裂性和強(qiáng)度明顯降低[13]，且此類板材與普通砂漿之間干縮變形的屬性差異較大，兩者形變不同步，易形成界面收縮裂縫，造成抹灰層大面積龜裂、空鼓和脫落[14]。

(3)板縫多，現(xiàn)場(chǎng)工序相對(duì)繁瑣 單一材質(zhì)輕型條板板寬多以600 mm規(guī)格為主，相比于整開(kāi)間式大板，增加了墻板安裝、嵌縫等重復(fù)性工作及洞口加固等額外工序，排板設(shè)計(jì)也較為繁瑣。

1.2 輕鋼龍骨復(fù)合墻板

輕鋼龍骨復(fù)合墻板(如圖2所示)是以冷彎薄壁型鋼龍骨為受力骨架，兩側(cè)覆有輕質(zhì)薄板，中間填充保溫芯板的復(fù)合墻板。墻板受力骨架多采用C形或U形龍骨，保溫芯板可采用無(wú)機(jī)保溫砂漿板、聚苯乙烯泡沫保溫板、泡沫混凝土板等材料，內(nèi)面板多用紙面石膏板或纖維增強(qiáng)硅酸鈣板，外面板多采用纖維增強(qiáng)水泥板或纖維增強(qiáng)硅酸鈣板。

圖2 輕鋼龍骨復(fù)合墻板示例圖

輕鋼龍骨復(fù)合墻板的施工多采用工廠定制、現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式[15]，即依據(jù)外墻單元?jiǎng)澐趾蛪Π逶O(shè)計(jì)尺寸在工廠中定制各構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)拼裝龍骨后依次固定外面板、保溫芯板和內(nèi)面板。基于這一特定工序，該類墻板可在龍骨間隙內(nèi)布設(shè)管線，拆卸維修方便、回收利用率較高，但該類墻板還存在以下問(wèn)題:

(1)墻板熱工性能存在缺陷 面板多通過(guò)自攻釘釘掛到龍骨上，交界面易形成層間通縫，且自攻釘與龍骨均屬金屬材質(zhì)，易形成貫通性熱橋；此外，龍骨與保溫芯板構(gòu)成的芯層是非勻質(zhì)的，造成墻板內(nèi)表面溫度場(chǎng)不均勻分布，龍骨處熱流率較大[16]。

(2)綜合成本高 龍骨骨架需進(jìn)行鍍鋅防火處理，且橫、豎龍骨采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，其作業(yè)量大，與組裝工序作業(yè)范圍重疊，導(dǎo)致工期長(zhǎng)、整體成本較高。

1.3 預(yù)制混凝土夾芯大板

預(yù)制混凝土夾芯大板(如圖3所示)由內(nèi)、外葉混凝土板和夾芯保溫層構(gòu)成，各構(gòu)造層通過(guò)柔性連接件、鋼筋或混凝土肋等形式復(fù)合在一起。內(nèi)葉板作為結(jié)構(gòu)層，往往厚度較大，而外葉板起到保護(hù)芯板的作用，其厚度比內(nèi)葉板薄。此類墻板以整開(kāi)間為設(shè)計(jì)尺寸，一次預(yù)制成型，目前較成熟的有混凝土聚苯乙烯復(fù)合外墻板、薄壁混凝土巖棉復(fù)合外墻板、混凝土膨脹珍珠巖復(fù)合外墻板等。預(yù)制混凝土夾芯大板的構(gòu)造特點(diǎn)決定了其板縫較少，強(qiáng)度、防火性能和耐久性較好，同時(shí)也存在以下問(wèn)題:

圖3 預(yù)制混凝土夾芯大板示例圖

(1)自重大，與鋼結(jié)構(gòu)不協(xié)同 墻板尺寸較大，內(nèi)外面板多采用混凝土材質(zhì)，導(dǎo)致單一構(gòu)件重量較大，給墻板吊裝、位置調(diào)整等工序帶來(lái)不便，與鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)不協(xié)同，已不適于鋼結(jié)構(gòu)建筑，尤其是高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

(2)連接件存在技術(shù)瓶頸 傳統(tǒng)金屬連接件存在明顯的熱橋[17]，目前預(yù)制混凝土夾芯大板多采用纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP)連接件，F(xiàn)RP材料導(dǎo)熱系數(shù)低，有助于提高墻板整體保溫性能，但抗拉彈性模量?jī)H為鋼材的23%，抗剪強(qiáng)度僅為鋼材抗拉強(qiáng)度的5%～20%[18]，同時(shí)還存在造價(jià)高、易老化等缺陷。

1.4 各類墻板對(duì)比分析

通過(guò)調(diào)研各類墻板的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題:

(1)單一材質(zhì)輕型條板單獨(dú)用作圍護(hù)墻體時(shí)，設(shè)計(jì)方為強(qiáng)行滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，盲目增大墻板厚度，雖然墻材容重較低，但墻板自重較大，故很多項(xiàng)目將墻板與薄抹灰保溫系統(tǒng)結(jié)合，采用“半裝配、半濕作業(yè)”的方式，使得裝配率大打折扣。

(2)輕鋼龍骨復(fù)合墻板由于現(xiàn)場(chǎng)工序繁瑣、綜合成本稍高，且龍骨需定制設(shè)計(jì)，墻板規(guī)格的通用化程度低，故應(yīng)用相對(duì)較少。同時(shí)，很多單位基于簡(jiǎn)化施工的考慮，嘗試將墻板現(xiàn)場(chǎng)組裝的工序移至工廠內(nèi)完成，但都未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

(3)預(yù)制混凝土夾芯大板自重大，與鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同性較差，但由于很多單位沿襲了混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，此類墻板反而在鋼結(jié)構(gòu)工程中較為多見(jiàn)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)自重過(guò)大，尤其在中低層鋼結(jié)構(gòu)住宅中，墻板吊裝費(fèi)用占比明顯增加。

綜合上述分析，歸納3類墻板的適用性見(jiàn)表1，可以看出在現(xiàn)有技術(shù)下，3類墻板均難以滿足鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的需求。

表1 3類墻板綜合分析結(jié)果表

2 墻板研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)70年代便開(kāi)始了裝配式墻板的研究，技術(shù)相對(duì)成熟。近年來(lái)，其研究和應(yīng)用多以預(yù)制混凝土夾芯大板為主。KIM等[19]分別研究了帶有W、Z和J形金屬連接件的預(yù)制混凝土夾芯大板的熱工性能，基于熱交互作用會(huì)隨連接件間距的增大而減弱的原理，得出W形連接件具有更低的傳熱效率，且驗(yàn)證了W形連接件更有助于提高墻板的熱阻；意大利Edilmatic公司利用FRP材料研發(fā)了一種斷橋式連接件，使得溫度在板內(nèi)正常分布，且借助尖角構(gòu)造，連接件易于推入并穿透保溫材料，簡(jiǎn)化了墻板制作工藝[20]；LAMEIRAS等[21]提出了一種由鋼纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土板和玻璃鋼(Glass-Fiber Reinforced Plastic，GFRP)連接件組成的新型夾芯板，解決了傳統(tǒng)金屬連接件的熱橋問(wèn)題，并通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)證明了GFRP連接件可使內(nèi)、外葉板可靠連接；WOLTMAN等[22]進(jìn)一步研究了GFRP連接件的直徑、布置間隔對(duì)墻板抗剪性能的影響，試驗(yàn)證明了GFRP連接件抗剪強(qiáng)度可達(dá)60～112 MPa，遠(yuǎn)高于普通FRP連接件；BAI等[23]結(jié)合了墻板剪切變形和抗彎強(qiáng)度等因素，推導(dǎo)并驗(yàn)證了泡沫混凝土夾芯板的離散模型，為今后墻板夾芯構(gòu)造層的力學(xué)研究提供了較為嚴(yán)格的分析方法。

在墻板研發(fā)方面，也取得了大量成果。MYDIN等[24]將薄壁型鋼面板與輕質(zhì)泡沫混凝土復(fù)合，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)泡沫混凝土可有效抑制鋼板向內(nèi)彎曲，間接證明了這一新型墻板的可行性；STEPHEN等[25]將相變材料用于墻板，通過(guò)對(duì)其蓄熱能力的研究，證明了相變墻體可有效降低建筑冬夏季能耗并改變夏季峰值用電負(fù)荷；AGURTO等[26]研發(fā)了一種適應(yīng)性強(qiáng)、成本低的預(yù)制集熱墻體，通過(guò)對(duì)其冬夏兩季溫度的監(jiān)測(cè)，證明了該墻板可明顯提高室內(nèi)熱舒適度并延長(zhǎng)熱舒適時(shí)長(zhǎng)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

(1)單一材質(zhì)輕型條板研究現(xiàn)狀

單一材質(zhì)輕型條板在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，針對(duì)其力學(xué)性能和不利工況的研究較多。張國(guó)偉等[27]為研究加氣混凝土板抗彎性能的影響因素，通過(guò)6塊墻板的四分點(diǎn)加載試驗(yàn)，觀察到板材以受剪破壞為主，在較大荷載下板材與鋼筋產(chǎn)生粘結(jié)滑移，并將兩者粘結(jié)力低的原因總結(jié)為鋼筋銹蝕、加氣混凝土強(qiáng)度低、漿體流動(dòng)性差等因素；肖偉[28]以B04級(jí)加氣混凝土板為例，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了其抗震性能，得出墻板可適應(yīng)較大彈塑性層間變形、內(nèi)嵌墻板提高結(jié)構(gòu)剛度的作用大于外掛墻板等結(jié)論；為防治墻板的開(kāi)裂、空鼓等問(wèn)題，李海洲[29]提出了控制加氣混凝土裂縫的預(yù)壓原理和相對(duì)最小收縮原理，其研究對(duì)象雖局限于砌塊墻，但也為加氣混凝土板抹灰層的裂縫防治提供了參考；孫鋼柱等[30]分析了含水率對(duì)加氣混凝土板保溫性能的影響，驗(yàn)證了墻板導(dǎo)熱系數(shù)與含水率呈線性正相關(guān)，并基于傳熱系數(shù)要求提出了不同含水率下加氣混凝土板的合理板厚；丁楊等[31]對(duì)泡沫混凝土分別展開(kāi)了濕熱循環(huán)、凍融循環(huán)等5種耐候性試驗(yàn)，通過(guò)分析孔結(jié)構(gòu)、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律揭示了泡沫混凝土的耐候性能，為其應(yīng)用于外墻板提供了理論支撐。

近年來(lái)，隨著綠色建筑理念的推廣，學(xué)者們從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度，對(duì)固體廢棄物在加氣混凝土板中的利用進(jìn)行了研究。劉敏[32]以陶瓷廢渣為原料改良蒸壓加氣混凝土的性能，初步確定了原料配比和工藝流程；周學(xué)軍等[33]利用這一改良材料研發(fā)出新型自保溫墻板，通過(guò)理論與試驗(yàn)分析，得到了墻板承載能力、變形性能和裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律，驗(yàn)證了墻板用做裝配式外墻的可行性；趙田田等[34]公開(kāi)了蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板的制作方法，同時(shí)編訂了相應(yīng)技術(shù)導(dǎo)則[35]并在山東省內(nèi)推廣。此外，在以粉煤灰為硅質(zhì)原料、以鋁粉為發(fā)氣劑的加氣混凝土板制作工藝的基礎(chǔ)上，董泓江[36]以鋁灰做發(fā)氣劑、田鍵等[37]以硅泥代替粉煤灰、張巨松等[38]以礦渣作硅質(zhì)原料并摻入硅灰，分別改良了加氣混凝土板的工藝和配比，為墻板實(shí)現(xiàn)廢棄物消納做出一定探索。另外，墻板熱工性能和綜合效益逐漸得到重視，李悅[39]采用數(shù)值模擬的方法確定了不同厚度泡沫混凝土板的有效導(dǎo)熱系數(shù)，驗(yàn)證了墻板對(duì)室外溫度波動(dòng)的衰減延遲作用，為暖通空調(diào)負(fù)荷和能耗計(jì)算提供了依據(jù)；樊娟莉[40]針對(duì)加氣混凝土板，建立了全壽命周期碳排放和能耗計(jì)算式，并量化分析了墻板的綜合效益。

(2)輕鋼龍骨復(fù)合墻板研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)輕鋼龍骨復(fù)合墻板的研究起步較晚，其中又以墻板力學(xué)性能和連接節(jié)點(diǎn)的研究居多。白鈺山[41]通過(guò)抗風(fēng)承載力試驗(yàn)，驗(yàn)證了龍骨復(fù)合墻板在我國(guó)大部分城市＜150 m建筑中的適用性，并模擬分析了龍骨間距、厚度、截面尺寸等參數(shù)對(duì)墻板抗風(fēng)承載力的影響；張海霞等[42]提出了一種新型節(jié)點(diǎn)，即通過(guò)角鋼連接件與鋼梁焊接、與龍骨螺栓連接，從而實(shí)現(xiàn)墻板與結(jié)構(gòu)的連接，并通過(guò)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該節(jié)點(diǎn)較好的延性性能；談成龍等[43]通過(guò)數(shù)值模擬分析了龍骨規(guī)格、布置間距等參數(shù)對(duì)墻板抗彎承載力的影響，并針對(duì)不同建筑高度和風(fēng)壓，提出了適宜的墻板規(guī)格。

近年來(lái)，學(xué)者們開(kāi)始針對(duì)墻板熱工性能進(jìn)行探索。劉振岐[44]開(kāi)創(chuàng)性地利用S形龍骨在墻板外緣形成企口，解決了傳統(tǒng)C形龍骨處的通縫問(wèn)題；張亞偉[45]采用聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)型材代替C形龍骨腹板的中間段鋼板，提出了全新的斷橋式龍骨；武勝等[46]通過(guò)腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體的傳熱性能試驗(yàn)，得出了腹板開(kāi)孔構(gòu)造形式可降低墻體熱損失、顯著改善墻體保溫性能的結(jié)論。

此外，針對(duì)一體化預(yù)制的輕鋼龍骨復(fù)合墻板，彭歡佳等[47]研發(fā)了一種整體裝配式的輕鋼龍骨復(fù)合墻板，并在龍骨和外葉板間附加一層巖棉板用于阻斷熱橋；錢臻旭等[48]提出了一種輕鋼龍骨混凝土組合墻板，即以混凝土板代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻板外側(cè)的輕質(zhì)薄板，通過(guò)剪力釘在混凝土板和龍骨骨架間形成8 mm厚的空氣層，從而加強(qiáng)了墻板的保溫性能；田穩(wěn)苓等[49]提出了一種新型泡沫混凝土輕鋼龍骨復(fù)合墻板，采用蒙皮板為內(nèi)、外葉板并兼做免拆模板，外葉板通過(guò)方鋼管與龍骨相連，板內(nèi)空腔澆筑泡沫混凝土，同時(shí)推導(dǎo)出其抗剪承載力計(jì)算公式，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以修正，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

(3)預(yù)制混凝土夾芯大板研究現(xiàn)狀

預(yù)制混凝土夾芯大板的發(fā)展受發(fā)達(dá)國(guó)家影響，起步較早，其力學(xué)性能的研究相對(duì)豐富。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)該類墻板的研究多集中在連接件和輕量化墻板研發(fā)兩方面。

傳統(tǒng)預(yù)制混凝土夾芯大板多采用金屬板式連接件，隨著熱橋問(wèn)題逐漸被重視，2007年同濟(jì)大學(xué)等單位借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一代FRP連接件[50]。隨后，楊佳林等[51]通過(guò)對(duì)預(yù)制夾芯保溫墻板中FRP連接件的拔出和抗剪試驗(yàn)，驗(yàn)證了其力學(xué)性能具有較大的安全儲(chǔ)備，同時(shí)通過(guò)紅外成像，觀測(cè)到連接件部位表面溫度趨于均勻、無(wú)明顯熱橋；薛偉辰等[52-53]通過(guò)FRP連接件抗拔、抗剪性能的加速老化試驗(yàn)，觀測(cè)到FRP連接件在侵蝕條件下，劣化區(qū)域內(nèi)的纖維與周圍樹(shù)脂間出現(xiàn)明顯脫粘，且抗剪和抗拔強(qiáng)度隨著侵蝕時(shí)長(zhǎng)明顯降低；在此基礎(chǔ)上，江煥芝等[54]以高強(qiáng)鋼絲為內(nèi)芯、外包玻璃纖維樹(shù)脂層，提出一種新型鉤形鋼芯復(fù)合連接件，并通過(guò)抗拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證了其具備較高的安全儲(chǔ)備。

此外，在預(yù)制混凝土夾芯大板的輕量化設(shè)計(jì)方面，中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位以真空絕熱板為芯材，研發(fā)了超薄絕熱保溫復(fù)合墻板，由于芯材相比于一般保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)更小，使得墻板夾芯保溫層和外葉板厚度得以降低[55]；唐劍[56]采用輕骨料混凝土澆筑內(nèi)外面板，以達(dá)到降低自重、加強(qiáng)保溫的目的，同時(shí)為兼顧力學(xué)性能，確定了墻板達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)特性時(shí)的最佳骨料摻量；孫源澤等[57]將混凝土板置于墻板外側(cè)抵抗風(fēng)荷載，將保溫材料置于混凝土板和內(nèi)裝石膏板之間，提出了一種集成式墻板，并通過(guò)在混凝土板內(nèi)部設(shè)混凝土肋、肋間空腔填擠塑板的方式進(jìn)行減重。

2.3 各類墻板研究中存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)以上調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前上述3類墻板的研究還存在以下問(wèn)題:

單一材質(zhì)輕型條板的研究主要集中在墻材配合比改良和墻板的力學(xué)性能上?，F(xiàn)有技術(shù)下，墻材骨料配合比的改良很難對(duì)墻板導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，近年來(lái)以消納廢棄物、降低造價(jià)為目的而研發(fā)的很多板材，由于導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于高效保溫材料，并未改變墻板過(guò)厚過(guò)重的現(xiàn)狀，故此類研究對(duì)于提高墻板與鋼結(jié)構(gòu)適配性的作用十分有限。而墻板力學(xué)性能的研究大多以單塊板材為試驗(yàn)對(duì)象，缺乏針對(duì)墻板系統(tǒng)的整體性分析，尤其是對(duì)開(kāi)洞墻面的試驗(yàn)研究，故對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義有限。此外，關(guān)于板縫的研究相對(duì)較少，工程中板縫多遵循構(gòu)造措施進(jìn)行施工，還缺乏防火、隔聲、防滲漏等方面的理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

輕鋼龍骨復(fù)合墻板的熱橋問(wèn)題逐漸得到重視，但現(xiàn)有研究大多通過(guò)墻板內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，定性地評(píng)價(jià)其熱工性能，并未針對(duì)龍骨處不均勻溫度場(chǎng)所引起的熱應(yīng)力和形變進(jìn)行定量分析，并且墻板內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布大多通過(guò)穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)下的模擬分析得出，尚缺乏瞬態(tài)傳熱條件下的相關(guān)研究。此外，近年來(lái)研發(fā)的很多一體化輕鋼龍骨復(fù)合墻板，在關(guān)注其構(gòu)造設(shè)計(jì)和力學(xué)性能時(shí)，很少涉及防火、隔聲和耐候性能的研究，連接節(jié)點(diǎn)缺乏承載力計(jì)算和抗震試驗(yàn)。此外，很少有學(xué)者針對(duì)墻板規(guī)格和開(kāi)洞尺寸給出龍骨數(shù)量、間距、規(guī)格等參數(shù)的選用依據(jù)，給此類一體化墻板的推廣帶來(lái)很大阻力。

預(yù)制混凝土夾芯大板實(shí)質(zhì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)配套墻板轉(zhuǎn)型而來(lái)的產(chǎn)物，墻板自重大，并不適于鋼結(jié)構(gòu)建筑，故墻板輕量化設(shè)計(jì)成為目前研究的熱點(diǎn)，其中又以輕骨料混凝土的應(yīng)用研究居多，將輕骨料混凝土用于外葉板，起到一定減重、保溫的作用，但也存在抗拉強(qiáng)度低、收縮變形大等問(wèn)題，而針對(duì)這方面的研究比較匱乏。尤其對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，輕骨料混凝土外葉板將很難滿足風(fēng)荷載的要求，需加厚外葉板，甚至使內(nèi)外葉板等厚，這一形式的墻板的力學(xué)性能也有待深入探究。此外，目前FRP連接件強(qiáng)度較低、造價(jià)高和易老化等難題尚未攻克，其應(yīng)用雖廣，但僅作為現(xiàn)有產(chǎn)品的最優(yōu)選，遠(yuǎn)非連接件的理想選擇。

3 新型復(fù)合保溫外墻板

基于以上國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀調(diào)研和存在問(wèn)題分析，課題組結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅對(duì)外墻板的性能要求，提出一種新型裝配式加氣混凝土復(fù)合保溫外墻板[58]，簡(jiǎn)稱復(fù)合保溫外墻板(如圖4所示[59])。該墻板主要由加氣混凝土條板基層、有機(jī)保溫層和燃燒性能為A級(jí)的保溫漿料防護(hù)層組成，加氣混凝土板基層采用配筋蒸壓加氣混凝土板，保溫層可采用模塑板、擠塑板、聚氨酯板等有機(jī)保溫板，保溫漿料防護(hù)層采用?；⒅榛蚰z粉聚苯顆粒保溫漿料。經(jīng)開(kāi)槽處理的保溫板通過(guò)粘結(jié)砂漿與經(jīng)專用界面劑處理后的加氣混凝土板基層復(fù)合后，再在保溫層上側(cè)澆筑保溫漿料并使其將保溫板完全包裹，最后借助塑料錨栓將各構(gòu)造層機(jī)械錨固在一起。復(fù)合保溫外墻板運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)墻板基層上的錨固件與主體鋼結(jié)構(gòu)連接，在墻板外側(cè)依次涂抹15 mm厚保溫漿料找平層、抗裂砂漿抹面層和飾面層后，形成復(fù)合保溫外墻板系統(tǒng)[60]。

圖4 裝配式加氣混凝土復(fù)合保溫外墻板基本構(gòu)造圖

與傳統(tǒng)外墻相比，復(fù)合保溫外墻板系統(tǒng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):

(1)熱工性能優(yōu)良 復(fù)合保溫外墻板采用高效的有機(jī)保溫材料作為保溫層，加氣混凝土條板基層和保溫漿料防護(hù)層在各自發(fā)揮其承重、防火作用的同時(shí)，也在一定程度上提高了墻板的保溫隔熱性能，滿足了嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)對(duì)墻體熱工性能的要求，常用規(guī)格墻板傳熱系數(shù)見(jiàn)表2，其中墻板保溫層均采用石墨擠塑板，而保溫漿料均采用膠粉聚苯顆粒保溫漿料。

(2)自重輕 由表2可知，復(fù)合保溫外墻板自重僅為預(yù)制混凝土夾芯墻板的1/6～1/4，借助簡(jiǎn)易機(jī)具即可完成安裝，精度易于控制，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)自重，降低了基礎(chǔ)處理費(fèi)用，有利于充分發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑自重輕、抗震性能好的優(yōu)勢(shì)。

表2 常用規(guī)格復(fù)合保溫外墻板傳熱系數(shù)和自重表

(3)整體性好，連接安全性高 復(fù)合保溫外墻板各構(gòu)造層間采用無(wú)空腔構(gòu)造，加氣混凝土板基層采用專用界面劑處理，提高了保溫層與基層的粘結(jié)強(qiáng)度，以滿足保溫層與基層粘結(jié)強(qiáng)度≥0.10 MPa的要求。通過(guò)在保溫板表面開(kāi)設(shè)鍵槽，增加了保溫漿料防護(hù)層與保溫層的粘結(jié)面積與咬合力，并通過(guò)增設(shè)塑料錨栓輔助機(jī)械錨固，從而保證了各構(gòu)造層間的連接安全性。

(4)防火性能好 該墻板保溫層兩側(cè)的加氣混凝土和保溫漿料均為不燃材料，且保溫漿料將保溫層完全包裹，加強(qiáng)了板縫處的防火要求，墻板保溫漿料防護(hù)層達(dá)35 mm，而現(xiàn)場(chǎng)涂抹的保溫漿料找平層為15 mm，使保溫層兩側(cè)不燃材料厚度均＞50 mm，符合現(xiàn)行防火設(shè)計(jì)規(guī)范的6.7.3條的規(guī)定[61]。

(5)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制作方便 連接節(jié)點(diǎn)采用下托上拉的方式，加氣混凝土條板無(wú)需設(shè)置預(yù)埋件，而是在正常工藝生產(chǎn)的條板上機(jī)械開(kāi)孔并設(shè)置錨固件，墻板通過(guò)錨固件和連接件與主體結(jié)構(gòu)連接，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便，解決了在加氣混凝土條板中設(shè)置預(yù)埋件、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制作困難等問(wèn)題，也解決了常規(guī)連接構(gòu)造存在的節(jié)點(diǎn)熱橋問(wèn)題。

(6)滿足工廠化制造、裝配化施工的要求 復(fù)合保溫外墻板是在工廠預(yù)制成型的一種保溫與結(jié)構(gòu)一體化墻板，工廠生產(chǎn)時(shí)按照排板圖分類編碼，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)依據(jù)排板圖采用裝配化方式進(jìn)行安裝，并借助BIM技術(shù)解決墻板與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的碰撞問(wèn)題，保證墻板的現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，提高墻板的安裝效率。

(7)板縫處理簡(jiǎn)單，施工方便 在復(fù)合墻板外側(cè)設(shè)置了保溫漿料找平層，可以通過(guò)調(diào)整漿料層的厚度滿足墻面找平的要求，不僅解決了條板接縫多、板縫構(gòu)造處理復(fù)雜的問(wèn)題，還可將板縫嵌縫材料完全覆蓋，提高了墻板系統(tǒng)的耐久性。

(8)生產(chǎn)工業(yè)化程度高、質(zhì)量易于控制 復(fù)合保溫外墻板生產(chǎn)線主要由全封閉儲(chǔ)料送料系統(tǒng)、干混砂漿攪拌系統(tǒng)、保溫漿料攪拌系統(tǒng)、自動(dòng)上板系統(tǒng)、板材輸送系統(tǒng)、自動(dòng)出板系統(tǒng)、下板碼垛系統(tǒng)等組成，干粉砂漿攪拌機(jī)、保溫漿料攪拌機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料、電子計(jì)量，生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。

(9)實(shí)現(xiàn)了建筑保溫與墻體同壽命的目的 有機(jī)保溫層位于內(nèi)側(cè)的加氣混凝土板和外側(cè)的保溫漿料層之間，避免了直接受紫外線照射的影響和火災(zāi)侵害，提高了保溫材料的耐久性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合保溫外墻板與主體結(jié)構(gòu)同壽命的目的。

(10)綠色環(huán)保 加氣混凝土板基層是綠色環(huán)保材料，具有制作材料來(lái)源廣泛、材質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)輕、保溫、隔熱、隔聲等優(yōu)點(diǎn)，且可加工性好，可鋸、可鉆、可釘、可開(kāi)槽，解決了墻體釘掛重物與開(kāi)槽布設(shè)管線難題；且墻板采用裝配式干法作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)墻板無(wú)切割，減少了建筑垃圾與施工污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

4 展望

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門下發(fā)的“關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)”，明確提出要大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑，鼓勵(lì)醫(yī)院、學(xué)校等公共建筑優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)，積極推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅和農(nóng)房建設(shè)。但在現(xiàn)有技術(shù)水平下，鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅與其配套外墻板不協(xié)同的問(wèn)題仍然存在。因此，現(xiàn)階段應(yīng)加快新型墻板的研發(fā)及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的研究，在滿足外墻板功能性、安全性與耐久性的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖集，規(guī)范外墻板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工與驗(yàn)收，做到在推廣鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅時(shí)能夠有優(yōu)質(zhì)墻板可用、有圖集規(guī)范可依，從而推動(dòng)我國(guó)建筑工業(yè)化的發(fā)展。