基于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的集成保溫外墻研究

馬思遙，陳 悅

（上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，上海 200333）

0 引言

近年來，住建部明確提出要著力培育鋼結(jié)構(gòu)建筑新興產(chǎn)業(yè)集群，規(guī)范我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅，國家陸續(xù)批準四川、山東、湖南、浙江等為裝配式鋼結(jié)構(gòu)試點省。

隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，各大企業(yè)也相繼建設(shè)了一批多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，但裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的重難點之一是外圍護系統(tǒng)存在不少問題，是制約裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣的重要原因。目前，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護系統(tǒng)中普遍存在如下技術(shù)問題。

1）傳統(tǒng)外墻外保溫體系主要采用“濕貼”施工方式，“以粘為主、以錨為輔”，因此當膠粘劑失效后，連接件錨固深度不夠，且保溫釘自身強度不足以支撐保溫板重量，導(dǎo)致保溫板連帶保溫釘一起脫落，對人身財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。

2）內(nèi)保溫熱橋處理困難，易結(jié)露發(fā)霉，現(xiàn)場未嚴格執(zhí)行設(shè)計或圖集構(gòu)造無法保證保溫連續(xù)，且影響后期內(nèi)裝，易被破壞。

3）夾心保溫體系構(gòu)造中墻體偏厚、成本高；工藝復(fù)雜、加工效率低、質(zhì)量控制要求高，且需要封邊，存在熱橋。

從以上技術(shù)問題可看出，當前裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護體系存在節(jié)能性、安全性與防火性不能同時兼顧的矛盾。目前與鋼結(jié)構(gòu)匹配的外墻板、保溫體系不完善，傳統(tǒng)工藝引發(fā)外墻外保溫脫落、滲水、熱橋等問題。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 鋼結(jié)構(gòu)外墻體系發(fā)展與應(yīng)用概述

2005年之前，我國建筑外墻材料主要以砌塊材料為主。此后我國墻體改革研發(fā)了新型墻體材料，包括輕質(zhì)加氣混凝土砌塊墻、板材墻及幕墻。作為傳統(tǒng)砌塊材料的替代品，輕質(zhì)加氣混凝土砌塊仍需大量現(xiàn)場濕作業(yè)，不符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工周期短、裝配化程度高的要求；板材墻和幕墻裝配化程度高，現(xiàn)場作業(yè)效率高，但其造價及后期維護費用較高。因此，國內(nèi)外在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中開發(fā)了裝配式復(fù)合墻板[1]。

國外裝配式復(fù)合墻板主要發(fā)展自1970年后，美國的輕質(zhì)墻板包含各種石膏板，以品種多、規(guī)格全、生產(chǎn)機械化程度高聞名，年產(chǎn)量居世界首位；日本石棉水泥板、玻璃纖維增強水泥板（GRC板）的生產(chǎn)居世界領(lǐng)先水平；德國、芬蘭以空心輕質(zhì)混凝土墻板生產(chǎn)為主。國外當前形成了法國第戎住宅群的FCIS墻板系統(tǒng)、意大利BSAIS工業(yè)化建筑外墻板、日本高層鋼結(jié)構(gòu)住宅PCa墻板等體系[2]。

國內(nèi)研究的復(fù)合墻板可簡單分為單一材料外墻和輕質(zhì)復(fù)合外墻。單一材料外墻即由單一材料構(gòu)成的外墻，如ALC板、ASA板等。此類板材輕質(zhì)多孔，一般均具有良好的耐火性及隔聲性能。但在節(jié)能要求較高的項目中，單一材料墻板厚度和重量大大增加，導(dǎo)致建筑實際使用面積減少。另一方面，由于單一材料多孔的特性，此類墻板吸水率高，易受凍融循環(huán)的影響而削弱其保溫效果。輕質(zhì)復(fù)合外墻相較單一材料外墻在當前是更為常用的選擇，可歸為金屬面板夾芯板、鋼筋混凝土夾芯復(fù)合墻板及鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板這3種形式。輕質(zhì)復(fù)合外墻按照安裝方式可分為內(nèi)嵌式、外掛式及嵌掛結(jié)合式；按照基層墻體構(gòu)成又可分成預(yù)制復(fù)合條板墻、預(yù)制復(fù)合大板墻和龍骨現(xiàn)場復(fù)合墻。

1.2 外墻保溫體系發(fā)展概述

20世紀40年代，德國最先開始對外保溫技術(shù)的研究，20世紀60年代，美國從歐洲市場引入外保溫技術(shù)，并進行適當改進，建筑節(jié)能效果顯著，20世紀90年代外保溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑中。

目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主要采用的保溫材料分為無機類和有機類，無機類材料以膨脹珍珠巖、巖棉制品為主，而有機類材料以模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）、擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）、聚氨酯制品、酚醛泡沫為主[3]。無機保溫材料產(chǎn)品耐火、阻燃性強、無毒、安全性高但保溫隔熱功能相對較差，遇水性能大大降低、造價較高；有機保溫材料保溫隔熱功能良好、輕質(zhì)、具有憎水性，但易老化、易燃燒且有滴落物等[4]。

2 集成保溫外墻設(shè)計

2.1 基本構(gòu)造

針對現(xiàn)有裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護體系存在脫落、防火、開裂、滲水等問題，通過研發(fā)設(shè)計新型集成保溫構(gòu)造、高性能新材料和連接配件，以現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板為研究起點，提供一種新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻解決方案，基層墻體為泡沫混凝土外掛墻板，外側(cè)一體反打A級保溫板。

新型集成A級保溫外掛墻板與主體鋼結(jié)構(gòu)之間通過角鋼與螺栓進行連接，水平拼縫處采用建筑密封膠、發(fā)泡聚乙烯棒、發(fā)泡氯丁橡膠氣密條及耐火接縫材料進行防滲水處理，其基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 集成保溫外墻基本構(gòu)造

2.2 外飾面層

為實現(xiàn)建筑外立面的品質(zhì)化和多樣化，適用于新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻的飾面材料可包括涂料、真石漆、水泥纖維板、金屬板、面磚、軟瓷、石材等，可滿足用戶對外立面的各類需求。

1）涂料、真石漆 涂料和真石漆屬于噴涂類飾面材料，施工簡單、效率高。但由于其成品保護難度高、損壞后不易修補，此類材料不適合在工廠內(nèi)集成，因此工廠內(nèi)可不作處理或僅進行預(yù)噴涂。

2）面磚、石材 此類飾面材料自重大、粘貼要求高，不適合在施工現(xiàn)場大規(guī)模濕作業(yè)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文件要求，建議在工廠內(nèi)采用反打、干掛等工藝成型以保證精度和質(zhì)量。

3）軟瓷、水泥纖維板、金屬板 此類材料有別于面磚、石材等傳統(tǒng)高品質(zhì)飾面，具有輕質(zhì)、耐腐蝕、可調(diào)節(jié)等特性，可實現(xiàn)清水、金屬紋、木紋等豐富效果，常采用干掛方式或?qū)Ｓ眠B接件固定于主體結(jié)構(gòu)。

2.3 保溫材料

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）第6.7.7條，若新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻采用B級保溫材料進行集成，則每層需設(shè)置A級防火隔離帶，嚴重影響加工和施工效率。因此，綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)、耐火等級、強度等指標，得出以下保溫材料的選用要求：導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)高于0.055W/（m·K）；耐火等級不應(yīng)低于A2級；為滿足涂裝附著要求，應(yīng)有較好的抗壓強度、抗拉強度、抗折彎性（抗壓強度建議值0.30MPa，垂直于板面抗拉強度建議值0.20MPa）；加工性能要求握釘力強、裁切方便、不易粉化、易于修補；其他要求包括與泡沫混凝土應(yīng)有較好的結(jié)合度（與基層墻體有效黏結(jié)）、低吸水率、耐凍融、較大的軟化系數(shù)。

2.4 保溫連接件

與傳統(tǒng)外保溫以粘為主、以錨為輔的受力原理對比，新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻配套的保溫連接件由連接件承擔全部荷載，黏結(jié)力僅為安全儲備，這也是連接件的計算原則，由此可杜絕因黏結(jié)層老化失效導(dǎo)致的脫落風險。連接件主體采用不銹鋼材質(zhì)，為阻斷熱橋，在不銹鋼尾盤上增加尼龍包裹。連接件與墻板在工廠一體成型，具體安裝方式為：保溫板上打孔，孔洞直徑稍小于連接件桿軸直徑；連接件通過孔洞安裝至保溫板上；在保溫板的另一側(cè)澆筑混凝土，即可將連接件固定在基層墻體中。

2.5 工藝工法

保溫板和保溫連接件應(yīng)按照排板圖鋪設(shè)。經(jīng)切割后的保溫板四周側(cè)面應(yīng)保證平直，保溫板拼縫不大于2mm，拼縫處采取封堵措施，保溫連接件需要先鉆孔后安裝。

1）構(gòu)件加工生產(chǎn)工藝流程 安裝模具→鋪設(shè)A級保溫板及連接件→噴灑側(cè)模脫模劑→布置成型鋼筋籠→安裝預(yù)埋件→澆筑泡沫混凝土→養(yǎng)護脫?！鷻z查是否損壞并進行修補處理→運輸至堆場。

2）現(xiàn)場施工流程 測量放線→固定墻板位置控制木方→測量放置水平標高控制墊塊→墻板吊裝就位→安裝斜支撐→預(yù)制墻板拼縫處理→檢查驗收。

3 技術(shù)對比

將新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻與夾心保溫外墻、AAC條板等3種外墻做法進行對比，參考《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（滬建建材〔2019〕157號）中對超低能耗建筑外墻平均傳熱系數(shù)的要求，并結(jié)合GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中的圍護結(jié)構(gòu)平壁傳熱系數(shù)（K值）計算公式，以K=0.32W/（m2·K）為計算基準，綜合對比結(jié)果如表1所示。

表1 3種外墻做法綜合對比

綜合以上3種外墻做法的對比，新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻墻體厚度更薄，且重量相對較輕，主體結(jié)構(gòu)可相應(yīng)優(yōu)化。從使用性能上來看，新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻安全性和防火性更可靠，且相較夾心保溫外墻及內(nèi)保溫AAC條板，可一次澆筑成型、整板安裝，生產(chǎn)和施工效率更高；從使用體驗上來看，新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻大大降低熱橋效應(yīng)，消除滲水風險，其造價也低于夾心保溫外墻。

4 試制試驗研究

4.1 力學(xué)性能試驗研究

在驗算集成保溫墻體系統(tǒng)的連接件受力時，連接件承擔與保溫層、飾面層相關(guān)的全部荷載（自重、風荷載、地震作用），不考慮保溫板與基層墻體間的黏結(jié)作用，僅將黏結(jié)作用作為安全儲備；同時《上海市外墻保溫系統(tǒng)及材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定》（滬建建材〔2021〕113號）明確要求預(yù)制混凝土反打保溫外墻板薄抹灰系統(tǒng)拉伸黏結(jié)強度不應(yīng)小于0.2MPa。因此需對連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能分別開展獨立的力學(xué)性能試驗。

試驗墻板由硅墨烯保溫板與混凝土基層墻體反打制備而成，針對硅墨烯保溫板是否采用雙層鋼絲網(wǎng)加強，設(shè)置3個對照組，保溫板厚度分別為20，100，150mm，對墻板連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能進行比較。對開展連接件承載力測試的試驗墻板采用塑料薄膜將保溫板和混凝土基層墻體物理隔絕，確保試驗符合計算假定。試驗結(jié)果表明，連接件承載力和拉伸黏結(jié)性能均滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)定的要求。

4.2 耐候性能試驗研究

參考并基于JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標準》、GB/T 35169—2017《建筑外墻外保溫系統(tǒng)耐候性試驗方法》、JG/T 429—2014《外墻外保溫系統(tǒng)耐候性試驗方法》國內(nèi)標準和《External Thermal Insulation Composite Systems with Rendering》（ETAG 004） 歐洲技術(shù)認證指南，在國內(nèi)標準要求的“80次高溫-淋水循環(huán)”“5次加熱-冷凍循環(huán)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種條件嚴苛的加強版耐候性試驗方法：將高溫-淋水循環(huán)次數(shù)增加到160次，加熱-冷凍循環(huán)次數(shù)增加到10次，同時額外增加80次凍融循環(huán)。

試驗墻板由面磚、涂料、抹面膠漿、耐堿網(wǎng)格布、硅墨烯保溫板和混凝土基層墻體等制備而成。試驗分別測試飾面層與保溫板、保溫板與混凝土之間的拉伸黏結(jié)強度。試驗結(jié)果表明，試驗墻板表面無裂縫、粉化、空鼓、剝落現(xiàn)象，20次試驗的系統(tǒng)拉伸黏結(jié)強度平均值0.28MPa，最小值0.22MPa，破壞界面在保溫板內(nèi)部，均符合要求。

5 工程實例介紹

為貫徹落實“碳達峰”“碳中和”行動方案，上海市開展了多個集成保溫外墻項目的實踐和探索。

1）自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)PDC1-0302單元06-02地塊項目為臨港新城首個高品質(zhì)裝配式超低能耗住宅，總建筑面積8.2萬m2，其外圍護系統(tǒng)采用100mm厚A2級硅墨烯保溫板和斷熱型不銹鋼連接件組成集成保溫反打體系，外圍護平均傳熱系數(shù)K值達0.39。該項目預(yù)計每年可節(jié)約用電159.4萬kW·h，節(jié)約天然氣3.1萬m3，減少二氧化碳排放279.60t。

2）楊浦區(qū)江浦社區(qū)R-09地塊項目總建筑面積12.8萬m2，設(shè)計遵循“被動優(yōu)先、主動優(yōu)化”的原則，優(yōu)先采用外遮陽、節(jié)能門窗、圍護結(jié)構(gòu)保溫等被動式措施大幅降低建筑能耗。其外圍護突破保溫板常規(guī)尺寸，采用單板跨度3.0m的雙層鋼絲網(wǎng)加強型硅墨烯保溫板做到層高方向無拼縫，通過保溫反打和免拆模板工法，實現(xiàn)墻體與保溫集成，大大提高建造效率，經(jīng)濟效益顯著。

項目實踐表明，集成保溫外墻能有效確保建筑安全耐久、提高項目建造效率、滿足高標準節(jié)能減排要求，在經(jīng)濟、社會、生態(tài)三大效益方面具有顯著優(yōu)勢。

6 結(jié)語

通過整理并分析市面常規(guī)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻做法，創(chuàng)新性地提出一種新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻解決方案，并對其連接構(gòu)造、組成部分、加工工藝、力學(xué)和耐候性能等方面展開研究。研究表明，新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻是更適合裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護系統(tǒng)，相比市面上常規(guī)外墻系統(tǒng)，其在墻板組成材料、安全耐久性、生產(chǎn)施工、保溫性能等方面均具有較大優(yōu)勢。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計靈活、加工安裝便捷，與之配套的外圍護系統(tǒng)需滿足大型化、標準化、工業(yè)化、多功能化的發(fā)展要求。新型A級集成保溫泡沫混凝土外墻能夠?qū)崿F(xiàn)飾面保溫高度集成、整板快速拼裝，可大幅提高建造效率，確保建筑質(zhì)量和品質(zhì)，減少建筑垃圾，節(jié)約綜合成本，其推廣與應(yīng)用能有效服務(wù)健康中國戰(zhàn)略部署，對提升建筑節(jié)能水平和推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有十分重要的意義。