UHPC保溫裝飾一體化墻板在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與探索

廖 羿，郁文海，劉昌龍

（1.成都市建筑設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041；2.中國(guó)金茂東南區(qū)域公司，福建 福州 350001）

0 引言

“十三五”期間我國(guó)大力發(fā)展裝配式建筑，“十四五”發(fā)展規(guī)劃中也對(duì)新型建筑工業(yè)化的發(fā)展提出了明確要求。在我國(guó)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的大背景下，建筑行業(yè)已經(jīng)形成了以科研創(chuàng)新推動(dòng)建筑業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的浪潮，而外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為建筑的重要組成部分，在材料消耗、低碳運(yùn)營(yíng)等方面都有著極大的比重，因此針對(duì)其材料與構(gòu)造的相關(guān)研究、創(chuàng)新一直是行業(yè)討論的重點(diǎn)。近年來，一種新型超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）材料逐漸進(jìn)入人們的視野，因其具有高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的特點(diǎn)，使構(gòu)成的產(chǎn)品不易被污染、自潔能力強(qiáng)、不易損壞、具有極高的持久性，在上色后亦可長(zhǎng)時(shí)間保持原本顏色，現(xiàn)多被運(yùn)用于大跨橋梁、鋼橋面鋪裝和高層建筑。自超高性能混凝土概念被提出以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷對(duì)UHPC的摻和料、配合比、養(yǎng)護(hù)方式及力學(xué)性能等進(jìn)行研究。如今，UHPC的抗壓強(qiáng)度普遍能達(dá)到120 MPa～200 MPa，其中以120 MPa～150 MPa的產(chǎn)品居多[1]，抗拉強(qiáng)度約4 MPa，彎曲抗拉強(qiáng)度約50 MPa，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)廣泛運(yùn)用于公路、鐵路、橋梁等項(xiàng)目。

1 房建外圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

目前我國(guó)建筑領(lǐng)域碳排放占碳排放總量的20%左右，在建筑全生命周期碳排放過程中，運(yùn)營(yíng)階段碳排放量占比超過70%，因此控制建筑運(yùn)營(yíng)階段碳排放量對(duì)降低建筑碳排放起決定性作用[2]。其中，外墻的保溫性能又是建筑運(yùn)營(yíng)階段碳排放控制的關(guān)鍵要素之一。

1.1 傳統(tǒng)保溫外墻做法

現(xiàn)階段在傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，通常采用200 mm厚的砌體作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)基層（在嚴(yán)寒地區(qū)該項(xiàng)要求更高），加以保溫及飾面工序，如圖1所示。該做法工序復(fù)雜，保溫層與結(jié)構(gòu)分離，置于結(jié)構(gòu)外側(cè)，不僅難以做到“同壽命”，填充墻附加的剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)也導(dǎo)致填充墻在地震中易破壞開裂，而由于材料或構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理形成的任何細(xì)微的結(jié)構(gòu)或施工裂縫都有可能導(dǎo)致保溫系統(tǒng)潰散[3]，使建筑運(yùn)營(yíng)階段的保溫能力失效。部分商業(yè)建筑項(xiàng)目采用幕墻系統(tǒng)作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，雖然滿足規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)，但幕墻系統(tǒng)的工程造價(jià)較高，并不適用于所有建筑項(xiàng)目。施工方面，建筑外圍護(hù)常規(guī)施工做法是完成砌體結(jié)構(gòu)部分后，依次對(duì)保溫、隔聲、防水等構(gòu)造層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，施工工藝煩瑣，施工質(zhì)量因人而異，且大量濕作業(yè)帶來了大量的建筑垃圾與材料浪費(fèi)，增加了建筑業(yè)碳排放。

圖1 外墻保溫層的構(gòu)造

1.2 預(yù)制裝配式外墻

在現(xiàn)階段裝配式建筑與綠色建筑快速發(fā)展的背景下，部分城市開始采用裝配式圍護(hù)墻體，此類墻體大致可以分為兩類，一類是如ALC條板墻等以模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的輕質(zhì)圍護(hù)墻體，但這類墻板僅替代了傳統(tǒng)保溫外圍護(hù)墻的基層部分，保溫飾面施工仍是二次工序。另外，還出現(xiàn)了一些集成保溫裝飾的預(yù)制混凝土墻板產(chǎn)品，這類墻板將裝配式建筑設(shè)計(jì)與綠色建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)集成，例如三明治墻板，但由于其存在生產(chǎn)線流程較復(fù)雜、自重偏大、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝要求較高、拉結(jié)件成本較高等問題，導(dǎo)致這些外墻產(chǎn)品的綜合成本難以控制，推廣難度大。同時(shí)，此類墻板的建筑立面造型普遍缺少可塑性，皆是矩形平面，飾面也存在易被腐蝕污染的問題。

2 一種UHPC保溫裝飾一體化外圍護(hù)墻板設(shè)計(jì)

通過以上分析，本文基于某項(xiàng)目的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了一種運(yùn)用UHPC新材料的新型保溫裝飾一體化外墻，以下將分別就該項(xiàng)目（處于方案策劃階段）和該產(chǎn)品構(gòu)型進(jìn)行說明。

2.1 對(duì)象項(xiàng)目

項(xiàng)目由193 m塔樓和4層底部裙樓組成，準(zhǔn)備運(yùn)用新產(chǎn)品作為裙樓部分，其首層層高6.5 m，其余三層層高5.4 m，主要功能為餐廳、會(huì)議、檔案以及部分商業(yè)，立面造型凹凸不一，采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，目標(biāo)裝配式建筑評(píng)價(jià)等級(jí)為AAA級(jí)，需采用裝配式圍護(hù)墻體。方案設(shè)計(jì)立面圍護(hù)墻體僅層間存在拼縫，色彩要求統(tǒng)一，預(yù)計(jì)最大墻板尺寸為高6.5 m、寬2 m。此尺寸板材若為整體輕質(zhì)墻板則無法保證強(qiáng)度，需在層高內(nèi)進(jìn)行拼接，同時(shí)難以展現(xiàn)立面效果；若為預(yù)制混凝土外墻產(chǎn)品則質(zhì)量過重，生產(chǎn)運(yùn)輸安裝都存在難點(diǎn)和痛點(diǎn)，成本不可控；若為傳統(tǒng)石材幕墻體系，則表面拼縫較多，且石材顏色難以控制，隨時(shí)間推移或出現(xiàn)反堿變色等情況影響立面效果。故根據(jù)此項(xiàng)目立面復(fù)雜、裝配率高、要求高的特性，將UHPC作為圍護(hù)墻體材料納入考量。

圖2 UHPC保溫裝飾一體化墻板剖面

2.2 構(gòu)型研究

UHPC外掛墻板的高強(qiáng)度可使其擁有覆蓋本項(xiàng)目需求的構(gòu)件尺度，且可以做到非常輕薄，節(jié)省材料，減輕構(gòu)件重量，在運(yùn)輸、安裝過程中不易損壞，不增加吊裝成本；同時(shí)，高強(qiáng)度也使其有一定的可塑性，可以形成凹凸、曲面等構(gòu)件外表。此外，UHPC表面質(zhì)感是由模具質(zhì)感決定，使用較細(xì)顆粒，則可以表現(xiàn)細(xì)膩的質(zhì)感和紋理，其還可以復(fù)制各種其他質(zhì)感效果，是理想的仿真材料。它可與乳膠漆、氟碳漆等結(jié)合，仿制出花崗巖、砂巖、紅磚、瓷磚、木材、金屬等各種質(zhì)感，極大地增加了裝飾的多樣性。

由于墻板自身的材料保溫性能僅稍微超越混凝土，加之形成的構(gòu)件較薄，保溫性能并未達(dá)到要求，因此還應(yīng)對(duì)保溫層進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诮ㄖI(yè)“雙碳”目標(biāo)及新型建筑工業(yè)化的考慮，保溫層設(shè)置應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，避免復(fù)雜工序?qū)е沦|(zhì)量不可控、措施成本增加，故考慮在工廠集成生產(chǎn)保溫材料與墻板。而有機(jī)保溫材料雖有良好的保溫性能卻極易燃燒，在建筑中應(yīng)用容易引發(fā)火災(zāi)，反觀泡沫混凝土保溫材料不燃、耐老化，且與UHPC皆是水泥基材料，具有相似相容特性，可形成天然可靠的相互連接，相較三明治墻板的構(gòu)造，可以省去大量連接件。同時(shí)，由于發(fā)泡混凝土僅作為保溫材料，可以盡量做到低密度，一些低密度發(fā)泡混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)接近0.054 W/（m·K）[4]。經(jīng)計(jì)算，為滿足不同地區(qū)的保溫要求，保溫層厚度可取70～120 mm。

綜上，對(duì)于本項(xiàng)目，最終構(gòu)型與造型如圖2所示，墻板設(shè)計(jì)總厚度為200 mm，由內(nèi)頁、中空、保溫層以及外頁板組成，其中內(nèi)、外頁板厚度均為30 mm，發(fā)泡混凝土層厚度在項(xiàng)目地取70 mm即滿足保溫要求，內(nèi)外頁板分別進(jìn)行預(yù)制并由金屬埋件互相連接，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流線[5]。中空可作為保溫層的一部分協(xié)助提高保溫性能，墻板與玻璃幕墻水平連接或是互相水平連接，接縫通過XPS（extruded polystyrene，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）材料設(shè)置保溫連續(xù)性構(gòu)造，并用防水密封膠封堵，單個(gè)最重構(gòu)件重量可控制在1.85 t左右。

2.3 結(jié)構(gòu)連接

考慮到UHPC保溫裝飾一體墻板本身剛度較大，其與結(jié)構(gòu)主體的連接考慮采用剛度影響較小的外掛形式，每片墻板根據(jù)自重設(shè)置4～6個(gè)連接點(diǎn)，均分置于墻板頂部與底部，以螺栓及鋼埋件與主體梁柱連接，螺栓采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓[6]。

2.4 造價(jià)分析

在確定構(gòu)型與連接形式以后，筆者團(tuán)隊(duì)走訪了多家生產(chǎn)企業(yè)與施工企業(yè)，對(duì)相關(guān)材料、機(jī)械及人工成本進(jìn)行了調(diào)研收集，并對(duì)該產(chǎn)品的造價(jià)進(jìn)行了初步估算，如表1所示，成本約為996.84元/m2。把傳統(tǒng)石材幕墻作為比較對(duì)象，常規(guī)做法包含石材、龍骨、人工等費(fèi)用（不含保溫），單塊石材越大則造價(jià)越高，經(jīng)多方詢價(jià)，平均成本約為1100元/m2，可見，該產(chǎn)品成本尚具有一定優(yōu)勢(shì)。

表1 UHPC保溫裝飾一體化墻板組價(jià)

3 應(yīng)用前景

通過上述論述，可以認(rèn)為本產(chǎn)品策劃具有一定競(jìng)爭(zhēng)力，筆者團(tuán)隊(duì)將在接下來的項(xiàng)目階段中開展進(jìn)一步工作，繼續(xù)進(jìn)行深入研究與實(shí)踐，目前就分析研究所得的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)做如下應(yīng)用展望。

3.1 新建項(xiàng)目

長(zhǎng)期以來，提到裝配式建筑，人們最先想到的就是方塊、積木等，這是因?yàn)楫?dāng)前我國(guó)的多數(shù)高裝配率裝配式建筑方案造型較為平整，多以橫縱交線的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化輪替進(jìn)行立面塑造。另一方面，受限于材料強(qiáng)度及造價(jià)限制，過于復(fù)雜的立面帶來諸多成本增量與材料浪費(fèi)，在方案階段就遭到了淘汰。而本文研究的一體化墻板，因其可塑性高（保溫層可隨外頁板變化形狀）、成本增量可控、裝飾面層多樣等特點(diǎn)，為裝配式建筑方案設(shè)計(jì)提供了一種全新的可能性，為拓展裝配式圍護(hù)墻及建筑立面表達(dá)做出了貢獻(xiàn)。

除此之外，該產(chǎn)品還可以在全生命周期為降低新建建筑碳排放做出貢獻(xiàn)：通過減少材料用量來降低生產(chǎn)碳排放；通過減少構(gòu)件重量來降低安裝碳排放；通過集成技術(shù)取消二次濕作業(yè)來降低施工碳排放；通過“同壽命”高耐久的保溫性能來降低建筑運(yùn)營(yíng)碳排放等。

3.2 改造升級(jí)項(xiàng)目

在“雙碳”背景下，建筑業(yè)趨勢(shì)必將從大拆大建轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)高能耗建筑及老舊建筑的改造升級(jí)?？梢灶A(yù)見，在不久的將來將有一批建筑物達(dá)到使用年限層，隨之而來的將是大量的鑒定加固與改造升級(jí)項(xiàng)目。此類項(xiàng)目多為多層建筑，位于建筑、人口密度較大的中心城區(qū)，街區(qū)可能較為狹窄，城市規(guī)劃又對(duì)這類建筑提出了不同的立面要求以體現(xiàn)不同地域、區(qū)域的城市特色。故此，本文述及的一體化圍護(hù)墻體，因其自重輕、安裝快速（街道占用時(shí)長(zhǎng)短）、運(yùn)輸便利、高可塑性、高耐久的特點(diǎn)，將會(huì)在這類改造項(xiàng)目中占據(jù)一席之地，改變眼下老舊小區(qū)立面改造僅是“穿衣戴帽”工程的現(xiàn)狀，真正提升建筑節(jié)能性能，提升居住環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文基于某實(shí)際項(xiàng)目方案策劃，提出了一種適用于多種場(chǎng)景的新型建筑工業(yè)化產(chǎn)品——UHPC保溫裝飾一體化墻板，相較于普通混凝土外掛墻板等外圍護(hù)體系，其集成了可靠的保溫性能，降低了在運(yùn)輸?shù)跹b及使用過程中自身的破損率，減少了材料用量以及包含塔吊在內(nèi)的施工措施費(fèi)，同時(shí)提高了裝飾面層耐久度和圍護(hù)墻體強(qiáng)度，拓展了裝配式建筑的立面表達(dá)邊界，可以使裝配式建筑脫離“都是方盒子”的刻板印象。除此之外，該產(chǎn)品在建筑全生命周期對(duì)降低碳排放能起到的作用亦不可忽視。希望以此文為建筑行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供一種可行的思路與參考。