裝配式鋼結(jié)構(gòu)外圍護(hù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用分析

霍書泰，陳曉飛

（重慶市綦江區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理站，重慶 401420）

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是指房屋主要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠加工制作，構(gòu)件專業(yè)運(yùn)輸至施工場地進(jìn)行專業(yè)安裝的房屋建筑，其中裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是重點(diǎn)推進(jìn)的難點(diǎn)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑的重要組成部分，主要包括外圍護(hù)體、樓屋蓋及門窗系統(tǒng)，在我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷程中，裝配式外墻體系是除鋼結(jié)構(gòu)主體、設(shè)備與管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)之外的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對建筑美感和使用功能起著決定性作用[1]。其既要滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求，又要起到綠色節(jié)能的作用，還需具有足夠的剛度和強(qiáng)度以及良好的密封性能、隔聲性能、熱工性能和裝飾性能等[2]。其中，最關(guān)鍵在于它可以與鋼框架協(xié)調(diào)工作，確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全[3]。當(dāng)前，外圍護(hù)體系是我國建筑產(chǎn)業(yè)化及鋼構(gòu)住宅研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，本文參考國內(nèi)外幾大主要外圍護(hù)體系并結(jié)合實(shí)際案例提出外圍護(hù)應(yīng)用研究的相關(guān)建議。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展

20 世紀(jì)30 年代，鋼結(jié)構(gòu)住宅在一些科技發(fā)達(dá)國家，例如美國、德國、日本，得到廣泛應(yīng)用，由于這些國家研究發(fā)展和工程應(yīng)用都較早，當(dāng)前已進(jìn)入工業(yè)化的高水平、高質(zhì)量階段，國外鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展為我國提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

在我國，鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展起步較晚。2016 年9 月27 日，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》 強(qiáng)調(diào)了因地制宜大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑。2019年9 月經(jīng)住建部批復(fù)，浙江、山東、四川、湖南、江西、河南六省開展鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅試點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化推進(jìn)較快，但與之匹配的圍護(hù)體系工業(yè)化推進(jìn)較慢。外圍護(hù)系統(tǒng)體系的建立，應(yīng)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、制作運(yùn)輸、安裝施工及運(yùn)營維護(hù)全過程，并進(jìn)行一體化協(xié)同設(shè)計(jì)，確定外圍護(hù)系統(tǒng)的性能要求、模數(shù)協(xié)調(diào)要求等；明確外墻圍護(hù)系統(tǒng)和屋面圍護(hù)系統(tǒng)各部品之間的連接做法，以及外圍護(hù)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的連接做法，建立與外圍護(hù)系統(tǒng)各部品及其連接相匹配的計(jì)算模型、設(shè)計(jì)方法[4]。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的類別

目前，外圍護(hù)體系主要分為8 個(gè)類別，分別是：①蒸壓加氣混凝土條板（ALC）；②預(yù)制混凝土外掛板；③預(yù)制混凝土“三明治”夾心外墻板；④復(fù)合夾心條板；⑤FK 輕型預(yù)制外圍護(hù)系統(tǒng)；⑥骨架組裝類；⑦幕墻類；⑧3D 打印膜殼式圍護(hù)墻。通過對比項(xiàng)目應(yīng)用不同外圍護(hù)墻體的性能和造價(jià)可知，ALC 板材和3D 打印維護(hù)墻為性價(jià)比較高的產(chǎn)品（表1），本文著重就此進(jìn)行分析。

表1 外墻板性能、造價(jià)對比

3 ALC 外墻和3D 打印維護(hù)墻分析

3.1 ALC 外墻

2014—2017 年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“綠色建筑及建筑工業(yè)化”重點(diǎn)專項(xiàng)課題《工業(yè)化建筑圍護(hù)體系、構(gòu)配件及部品的高效鏈接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)研究》，在ALC 外墻研究方面作出了以下貢獻(xiàn)：

（1）完善了ALC 外墻板籠式配筋技術(shù)，即在上下鋼筋網(wǎng)片之間設(shè)置了拉結(jié)鋼片，形成籠式配筋，增強(qiáng)了ALC 外墻板整體性，形成銷鍵作用，提高了承載力，如圖1 所示。配筋質(zhì)量對節(jié)點(diǎn)極限承載力影響較大，合適的鋼筋保護(hù)層厚度和堅(jiān)固的縱橫鋼筋網(wǎng)，有助于提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力[5]；

圖1 ALC外墻板籠式配筋技術(shù)

（2）驗(yàn)證了“搖擺法”節(jié)點(diǎn)，自復(fù)位減震節(jié)點(diǎn)和“內(nèi)嵌、外掛加空氣夾層”三種安裝節(jié)點(diǎn)在地震情況下的可靠性。進(jìn)行了足尺試件的振動臺試驗(yàn)，試驗(yàn)表明試件性能良好，滿足相關(guān)規(guī)范要求，耐久性優(yōu)秀；ALC 板材具有良好的連接性能，其提供了一定的柔性變形能力，滿足彈塑性層間位移角達(dá)到1/50 時(shí)，節(jié)點(diǎn)不發(fā)生破壞和減輕板材節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞，具備中震、大震作用下適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)層間變形能力，保證小震完好、中震主體不壞、大震局部損傷。圍護(hù)墻對整體結(jié)構(gòu)承載力和側(cè)向剛度都有很大影響，隨著抗側(cè)剛度增加，結(jié)構(gòu)自振周期減小，相應(yīng)地震力增大，需充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度影響。多次震災(zāi)表明，圍護(hù)墻體會在地震中嚴(yán)重破壞，因此必須以有效的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證圍護(hù)墻與主體結(jié)構(gòu)之間的可靠連接；

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)了ALC 外墻“雙板”防水構(gòu)造體系，首次提出了外墻板界面封閉處理劑。同時(shí)，西安建筑科技大學(xué)通過使用spp防水涂料封閉AAC 板材的接縫處，解決了墻體接縫處防水漏風(fēng)等問題，并對使用了外墻板界面封閉處理劑的部件進(jìn)行了AAC墻板的四性試驗(yàn)。其中墻板氣密性達(dá)到4 級，水密性達(dá)到2 級，抗風(fēng)壓性能為4 級，平面外變形能力3 級，整體性能達(dá)標(biāo)。

3.2 3D 打印維護(hù)墻

2016 年8 月，住建部發(fā)布的《2016—2020 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》提出積極開展建筑業(yè)3D 打印技術(shù)用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)示范應(yīng)用。建筑業(yè)3D 打印技術(shù)用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)以“增材”材料為水泥基混凝土，要求其具有良好的擠出性、流動性、可建造性以及高強(qiáng)度（表2）。3D 打印建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)對水泥基材料性能的要求如下所示。

表2 混凝土可打印性要求及檢驗(yàn)方法

（1）可擠出性與流動性

3D 打印水泥基材料的可擠出性是指在打印過程中混凝土勻速通過管道，不堵管；流動性主要是打印材料從打印頭連續(xù)流出，不出現(xiàn)間斷現(xiàn)象，混凝土不能過稠與過稀。因此，打印基質(zhì)的使用十分重要，為維持良好的可擠出性能，需要盡量避免大骨料原料的使用，防止過大的顆粒堵塞打印管道及噴嘴，案例中的打印混凝土骨料為2～3mm，煤矸石摻入量為20%左右，具有很好的擠出性與流動性；經(jīng)過科學(xué)的調(diào)配，能夠大摻量使用固廢材料，可將煤矸石與其它建筑或工業(yè)固廢的利用率提高到50%～60%左右，并且能夠在保證前期強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的可持續(xù)打印。

（2）可支撐性

3D 打印建筑材料最重要的特征就是需要具備可支撐性，即要保證在進(jìn)行逐層建造時(shí)，下層能夠承受住上層的壓力，不會變形、坍塌。影響可支撐性的2 個(gè)主要因素為較高的早期強(qiáng)度與適宜的凝結(jié)時(shí)間，案例中的打印混凝土初凝時(shí)間為0.3～0.8h，終凝時(shí)間0.5～1.5h，可滿足3D 打印過程中材料在短時(shí)間內(nèi)快速凝結(jié)的性能要求，且滿足3D 打印過程中的豎直堆積性能。

（3）早期強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間

3D 打印建筑水泥基材料的早期強(qiáng)度對于整個(gè)建造過程起著關(guān)鍵性作用，決定著建筑是否能夠建立起來，而早期強(qiáng)度要求受所選用的打印混凝土配合比和打印設(shè)備的打印速度影響。其中，初、終凝時(shí)間間隔（不同溫度、濕度），構(gòu)件打印路徑長短等數(shù)據(jù)之間形成非線性關(guān)系，利用外加劑的選用、級配的調(diào)控等方式來進(jìn)行協(xié)調(diào)與優(yōu)化控制。

根據(jù) 《混凝土3D 打印技術(shù)規(guī)程》[7]（T/CECS 786—2020），3D打印混凝土與普通混凝土的建造方式不同，通過打印設(shè)備擠出的混凝土拌合物與層疊堆積的3D 打印建筑物或構(gòu)件，其硬化后的混凝土強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)方式成型的3D 打印混凝土試件比，具有一定的強(qiáng)度折減率，規(guī)程針對此特點(diǎn)提出了打印強(qiáng)度折減率的指標(biāo)要求；同樣由于3D 打印施工工藝特點(diǎn)，規(guī)程規(guī)定了層間粘結(jié)強(qiáng)度和層間劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)要求（表3）。

表3 硬化混凝土性能技術(shù)要求及檢驗(yàn)方法

3.3 3D 打印建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)對打印設(shè)備的要求

簡而言之，打印設(shè)備就是一個(gè)能夠向所有方向靈活運(yùn)動的打印頭，連著一個(gè)混凝土攪拌機(jī)和泵，由計(jì)算機(jī)指揮各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作。打印混凝土在一定壓力作用下通過輸送管道輸送到泵的位置，然后泵將混凝土材料輸送到打印噴頭后，混凝土材料從打印噴頭中擠出進(jìn)行打印。打印噴頭根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行打印命令，以一定的速度與角度，連續(xù)不間斷地逐層打印堆疊成結(jié)構(gòu)構(gòu)件[7]。

3.4 3D 打印建筑部品、構(gòu)件性能的驗(yàn)收要項(xiàng)

3D 打印外墻板應(yīng)滿足《混凝土輕質(zhì)條板》（JG/T 350—2011）、《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》（JG/T 169—2016）相關(guān)規(guī)定。為使3D 打印建筑部品、構(gòu)件驗(yàn)收有章可循，提出3D 打印建筑部品、構(gòu)件的驗(yàn)收要項(xiàng)：

（1）3D 打印材料（油墨）是介于混凝土和砂漿之間的水泥基材料，3D 打印建筑部品、構(gòu)件建議參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土輕質(zhì)條板》《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》和建標(biāo)《混凝土3D 打印技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行驗(yàn)收；

（2）3D 打印材料（油墨）的強(qiáng)度等級尤其是強(qiáng)度折減后應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；

（3）3D 打印建筑部品、構(gòu)件的外觀質(zhì)量不應(yīng)有一般缺陷和嚴(yán)重缺陷，對已出現(xiàn)的缺陷，應(yīng)由生產(chǎn)制作單位進(jìn)行專業(yè)處理，對經(jīng)過處理的部位應(yīng)重新驗(yàn)收；

（4）3D 打印建筑部品、構(gòu)件應(yīng)采用合理、可靠的連接方式。

4 工程實(shí)例

4.1 ALC 外墻安裝

2018 年，重慶綦江區(qū)根據(jù)重慶市住建委相關(guān)文件要求，開展了鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)示范，綦江區(qū)新都匯鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目建筑面積2.5 萬m2，1 號樓1.7 萬m2，28 層，2 號樓8000m2，8 層。外圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中比較了全國各地區(qū)建成鋼結(jié)構(gòu)住宅采用的圍護(hù)方案，最終決定采用內(nèi)隔墻ALC 條板、外墻ALC 條板100+50（空氣夾層）+100 內(nèi)嵌外掛方案。項(xiàng)目優(yōu)先截取了一個(gè)單元住宅約100 m2面積先行試驗(yàn)預(yù)安裝施工樣板，后期最終業(yè)主決策時(shí)受成本增量、獎勵政策滯后等因素制約，放棄了外墻內(nèi)嵌外掛方案，但超前實(shí)施的ALC 內(nèi)嵌外掛施工樣板成為了ALC條板內(nèi)嵌外掛體系的研究模型（圖2）。其中，該模型有兩個(gè)不利情況值得注意：

圖2 綦江區(qū)新都匯ALC內(nèi)嵌外掛條板安裝

（1）受冬季連續(xù)降雨影響，該1∶1 建筑單元外墻ALC 條板內(nèi)嵌外掛安裝后，只簡單進(jìn)行了膩?zhàn)邮┕ぃ瑑赡晡催M(jìn)行外墻漆施工（圖3）；

圖3 綦江區(qū)新都匯樣板房外景

（2）1∶1 建筑單元體施工樣板截取，造成了該套住宅東南西北各向全是外墻。

但是在長達(dá)2年周期中，該樣板房無一外墻滲漏，同時(shí)在兩年期夏季最酷熱時(shí)室內(nèi)隔熱性能良好（中午地表溫度60℃～70℃，室內(nèi)溫度僅32℃）。查閱資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)目前有南京旭建辦公樓（圖4）、萬科南京上坊公寓（2012）等少量建筑采用了此體系，即100+50（空氣）+100；收集已建成的兩棟房屋建筑的保修情況，發(fā)現(xiàn)ALC“雙板”體系質(zhì)量保修表現(xiàn)良好，十年以上無外墻滲漏，保溫隔熱性能優(yōu)良。

圖4 南京萬科上坊6-05保障性公寓

重慶市綦江區(qū)實(shí)施的ALC 內(nèi)嵌外掛樣本，在幾種最不利情況下均表現(xiàn)出了優(yōu)異的熱工性能、防水性能、抗開裂性能。外掛板將梁柱都包在外掛板內(nèi)側(cè)，在排板合理、安裝精確的條件下不會產(chǎn)生構(gòu)造性冷橋，使得體系整體熱工性能、防水性能、抗開裂性能良好[6]。

4.2 3D 打印維護(hù)墻

重慶綦江區(qū)住建委根據(jù)住建部《2016—2020 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》要求，嘗試3D 打印膜殼式圍護(hù)體系試點(diǎn)，按“先點(diǎn)后面”“先易后難”新技術(shù)推進(jìn)原則，前期主要將其應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)廠房的外圍護(hù)，遠(yuǎn)期目標(biāo)為裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)部品、構(gòu)件，新成立的3D 打印建筑部品、構(gòu)件應(yīng)用推進(jìn)小組實(shí)施了以下工作：

（1）小組選取了綦江區(qū)綠色建筑產(chǎn)業(yè)基地1 號工業(yè)廠房?/33—35 軸圍護(hù)墻，將燒結(jié)磚砌塊等效置換為3D 打印墻（圖5）；

圖5 重慶綦江區(qū)3D打印工廠正在打印（試點(diǎn)）圍護(hù)墻

（2）由設(shè)計(jì)單位和小組共同進(jìn)行了3D 打印圍護(hù)墻和鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)主體節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)；

（3）墻體在工廠打印，現(xiàn)場裝配。打印混凝土直接采用盈創(chuàng)建筑科技（上海）有限公司提供的“油墨”混凝土母料，混凝土配合比由盈創(chuàng)建筑科技（上海）有限公司提供。墻體現(xiàn)場安裝好并驗(yàn)收。經(jīng)過兩個(gè)夏季和一個(gè)冬季，觀察3D 打印圍護(hù)墻使用情況；

（4）同步和市建科院、市勘察設(shè)計(jì)協(xié)會等部門共同成立課題組，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，有序?yàn)橄虏?D 打印部品、構(gòu)件的地方標(biāo)準(zhǔn)、圖集編制做好技術(shù)儲備。

5 結(jié)語

重慶市具有得天獨(dú)厚的石英砂資源，ALC 條板生產(chǎn)廠12 家，設(shè)計(jì)產(chǎn)能約500 萬m3,ALC 條板內(nèi)隔墻生產(chǎn)、應(yīng)用已日趨成熟。重慶市《裝配式建筑內(nèi)隔墻墻板圖集》已于2018 年8 月1 日施行，但是在鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)應(yīng)用中，ALC 條板雙板典型體系應(yīng)用還有所欠缺。通過相關(guān)研究進(jìn)行的ALC 板材足尺試件的振動臺試驗(yàn)以及幕墻四性試驗(yàn)，結(jié)果表明：ALC 板材具備滿足中震、大震作用下適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的層間變形能力，保證小震完好、中震主體不壞、大震局部損傷；通過涂抹SPP 防水涂料密封AAC 板材的接縫，可使四性試驗(yàn)中氣密性達(dá)到4 級，水密性達(dá)到2 級，抗風(fēng)壓性能為4 級，平面外變形能力3 級，整體性能達(dá)標(biāo)，是一種基本和結(jié)構(gòu)同壽命的外圍護(hù)體系。

重慶市2020 年之前一直是產(chǎn)煤地區(qū)，累存了大量的煤矸石，僅綦江區(qū)就有2000 萬噸存量。3D 打印建筑部品、構(gòu)件的混凝土摻入量為30%左右，可以消耗煤矸石這一固廢，其它建筑或工業(yè)固廢的摻入量也可達(dá)到50%左右。有序推進(jìn)3D 打印建筑部品、構(gòu)件的推廣應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展、建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要補(bǔ)充。