干挂石材幕墙系统应用研究进展

曾 兵

（1.中国建筑科学研究院（国家化学建筑材料测试中心），北京 100013；2.北京理工大学化学学院，北京 100081）

干挂石材幕墙系统应用研究进展

曾 兵1，2

（1.中国建筑科学研究院（国家化学建筑材料测试中心），北京 100013；2.北京理工大学化学学院，北京 100081）

从石材幕墙的发展历程、标准规范、发展趋势等方面对干挂石材幕墙的应用进展进行了综述，总结了不同连接型式的优缺点，指出了标准编制中存在的问题，提出了未来工程应用和基础研究可能的研究热点。

干挂石材；幕墙；胶粘剂；标准和规范

为了追求建筑物的华丽、节能、环保、自然，天然石材作为建筑内外墙饰面材料被广泛应用。20世纪30年代，石材幕墙开始应用于美国的高层建筑中，并得到了长足的发展。在我国，石材粘接最初采用湿粘的方式，直接用水泥砂浆将石材面板粘贴在外墙上，普遍存在石材表面泛碱现象，同时对施工高度有要求。20世纪90年代以来，干挂法从国外被引进，在外观、安全性、耐久性、可更换性方面具有较大的优势。工艺技术的更新使得干挂施工工艺逐渐成为主流，石材幕墙的应用范围迅速扩大。目前，我国已发展成为全球最大的石材生产和使用大国。根据中国建筑金属结构协会的统计，我国建筑幕墙的年产量从2001年的1 600 万平方米增至2014年的1.3亿平方米，年均复合增长率18%，已成为世界建筑幕墙第一生产大国，其中石材幕墙约占30%。干挂石材先后有2种连接形式：石材侧面连接和背面连接。侧面连接的金属挂件主要有：销钉挂件、T型挂件、短槽挂件、通槽挂件、L形挂件、复合挂件等。背面连接主要是锚栓。不同的连接形式各有利弊，目前以短槽挂件和锚栓为主。本文概述了国内干挂石材幕墙系统的发展历程，分析不同连接形式的优缺点，结合国内干挂石材幕墙的相关标准，提出目前存在的主要问题，探讨干挂石材系统当前应研究的重点和发展方向。

1　发展历程

石材作为装饰面材，与主体结构的连接方式通常有2种形式，即湿贴法和干挂法。20世纪80年代以前，内外墙装饰的花岗石或大理石均采用墙面加钢筋网片，用铜丝固定石块灌注水泥砂浆粘贴的湿贴法工艺。这种施工工艺在早期发挥了一定的作用，促进了石材幕墙施工的发展，但是在后期的应用过程中，出现的问题也越来越多，最常见的主要有以下几点：（1）容易造成墙面石材泛碱，进而影响墙面美观性及其使用效果；（2）容易出现开裂或者空鼓等问题，影响建筑物使用的安全性；（3）施工工艺导致整个石材幕墙质量增加，施工难度大，不利于应用在高层建筑中。石材干挂法是在主体结构上设主要受力点，通过金属挂件和粘接材料将石材固定在建筑物上，形成石材装饰幕墙。主要有以下优势：（1）规避了泛碱的问题，保证了石板的色泽和亮度；（2）受气候因素影响小，降低了施工成本，维修费用低；（3）幕墙系统的质量是混凝土墙板的1/5左右，大大减轻了建筑物的自重，施工工艺灵活，连接更加稳固，提高了抗震性。

20世纪80年代末以来，干挂法开始取代湿贴法在石材外饰面快速应用。干挂连接方式分为背钩式、钢销式、短槽式、通槽式和背栓式等。2000年以前，不锈钢销钉挂件大量使用在干挂石材中，该工艺是沿石块厚度方向钻孔，插入销钉，然后注入胶粘剂来固定和连接上下石块。这种挂件工艺简单，不需要特殊工具，但板块受力相互干扰，石材面拆卸困难，安全性差。2000年以后开槽式挂件，包括短槽式、通槽式，由于大幅提高了石材幕墙的可靠性和抗震能力，开始取代销钉式连接在石材幕墙中得到推广和应用。

短槽式干挂法是将上下2块石材面板共同固定在“T”形挂件或“蝴蝶”挂件上，然后再与骨架固定。挂件型材为不锈钢或铝合金材质，在销钉式挂件的基础上改进而成，属目前常用的固定方式。相对于销钉式挂法，“T”形挂件或“蝴蝶”挂件增大了与石材板边的接触面积，使得承载力增大，且工艺简单，但仍属于板边点式固定，石材板边易崩落。且短槽式石材幕墙系统的面板多数情况是在现场开槽，现场加金属挂件，精度低、效率低、噪音大、污染环境。短槽式干挂法成本较低，但安全性不高，通常用于石材质量不太大或者安全系数要求不太高的石材幕墙系统。通槽式干挂是采用“L”型或“T”型通长的插片式挂件作为龙骨，将切好槽的石材安装在“L”型或“T”型龙骨上，形成石材幕墙。通槽式方法大大增加了龙骨作为支撑构件的受力面积，克服了挂件受力面积小、应力集中等力学性能差的缺点。采用支承边通槽锚固，比点式锚固方式的安全性能大为改进，但同样存在上下扣齿板和弹性扣件的疲劳问题，不太适用于过高的建筑幕墙。工程实践表明销钉挂件、“T”型挂件、“蝴蝶”挂件等的可靠性、可拆性较差，市场正逐渐缩小。因此，新型挂件如SE型挂件应运而生，SE型挂件是一种组合挂件,由一个主挂件和一个S型副挂件、一个E型副挂件组成，如图1所示。SE型挂件简化了石材幕墙安装方式，提高了安装质量和安装速度；石材装饰板和副件之间可以使用固化时间较长的环氧树脂石材干挂胶粘接，提高了粘接强度和可靠性；通过主件和副件的滑动配合方式，实现了石材幕墙可移动和可拆卸，方便了幕墙保养和维修。

背槽式石材干挂法是利用专用器具在石材板背后开燕尾槽，每个石材面板开4个槽口，插入铝合金锚固件，通过连接件和龙骨连接，可通过燕尾槽的深度来调节由于石材面板厚度不均引起的幕墙外表面的不平整。背槽式石材幕墙系统的总体性能良好，在减轻石材幕墙质量、抗意外冲击破坏、锚固连接及方便施工方面有着显著特点[1]。该工艺可以采用单元式石块幕墙预制工艺，将花岗石镶在金属骨架内形成单元式预制幕墙进行整体吊装。随着建筑高度的增加，石材幕墙的高度随之不断增加，为提高石材幕墙的安全性，高层建筑的石材多采用背槽式技术，但石材开槽工艺难度较大，成本略高。

背栓式干挂法是采用在专业设备上由与锚栓匹配的金刚石钻头进行拓孔，通过锚栓凸形结合与框架支撑协调组合而成的干挂石材的新技术、新工艺。锚栓在拓孔部分与锚固基础形成凸形结合，通过啮合将荷载传给锚固基底，如图2所示。背栓连接方法为石材幕墙和玻璃（金属）幕墙形成组合幕墙创造了条件。花岗石属脆性材料，在与不锈钢硬性扩胀抵触时，易造成胀应力，成孔的质量是决定背栓与板材能否牢固连接的关键环节。按构造主要有旋进式背栓和膨胀式背栓，施工不规范也会出现背栓从石材孔中拔出和由于应力集中造成石材孔边崩裂的现象[2]。背栓连接方法和工艺一直在持续改进，该工艺易于石材面板的更换，使用维修比较方便，可实现现场装配式作业，适用于高层幕墙，但对开孔技术具有较高要求。

图1　短槽式石材系统Fig.1　Short-slot type stone curtain system

随着绿色建筑理念的不断兴起，装配式构件越来越受到关注，石材幕墙设计上出现了小单元式干挂法。小单元式干挂法与钢销式、短槽式在设计构思上完全不同。石材面板虽然还是通过铝合金挂钩与骨架相连，但不同的是上下石材面板均是独立与骨架相连。这种连接方式使干挂石材幕墙的设计方法、加工方法、安装方法、物理性能等都得到了彻底的改变。板块与骨架采用防震胶条柔性连接，改变了以往压块式结构不能弹性变形的缺陷，具有更优的抗震性能，可拆卸性好。小单元式组件可以在工厂通过工业化生产，提高了生产效率。但石材开槽工艺比较复杂，对安装人员的技术水平要求较高。

石材侧面干挂连接结构件经过30多年的应用，从最初的销钉式挂件发展到T型挂件、短槽挂件、通槽挂件等，到后来的背栓式、背挂式、SE型等新型挂件，干挂石材幕墙结构正向生态型、舒适型和智能型方向发展。干挂件不断改善，配合环氧树脂干挂胶的应用，石材幕墙高度已超过200 m。实践经验表明，配套SE型挂件的短槽式石材系统和背栓式石材系统是目前的主流干挂形式。

2　标准规范

2001年《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133出台，从金属与石材幕墙工程的设计、材料选用、性能要求、加工制作、安装施工和工程验收等方面做出了规定[3]。基于当时的生产和加工技术，其中对石材幕墙的适用范围规定有抗震设防地区的石材幕墙适用建筑高度不大于100 m，设防烈度不大于8度。石材面板的设计形式主要有钢销式、短槽式和通槽式。《天然花岗石建筑板材》GB/T 18601—2001、《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》GB/T 3098.6-2014、《铝合金建筑型材》GB/T 5237.1—2008、《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776—2005等分别从石材、金属锚固件、密封材料等方面对石材幕墙系统所使用的材料做出了规定[4～7]。JGJ 133标准在2013年进行了修订，取消了石材面板高度的限制，规定当幕墙高度超过100 m时应采用花岗石。最初采用的插销式干挂，由于在面板棱边开孔，容易崩边，面板损耗大，已被淘汰，主要以开槽式干挂和背栓式干挂为主。修订稿中增加了对粘接材料的要求，特别是对石材与挂件起粘接作用的环氧树脂胶粘剂，由于其具有良好的耐久性，也称干挂胶或AB胶，应符合《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》JC 887—2001[8]的规定，且不得采用不饱和聚酯树脂胶。对于用于石材定位、修补等非结构承载粘接用途的云石胶，应符合《非结构承载用石材胶粘剂》JC/T 989—2006[9]的规定，其特点是固化速度较快，但韧性较差，耐水性差[10]。现行《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》JC 887—2001按固化速度将环氧胶粘剂分为快固型和普通型，但工程现场则大量使用云石胶替代快固型环氧干挂胶。目前没有相应的规范对此粘接材料的工程复检的检测项目做出强条规定，而通过现行产品标准中规定的标准条件下的压剪强度区分不出环氧类干挂胶与不饱和聚酯树脂类云石胶的区别。近年来，石材碎裂、脱胶、坠落、伤人毁物事件频发，与此类粘接材料的滥用有很大关系，且已严重影响到石材幕墙的结构安全性和耐久性。此外现行《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》JC 887已运行15年，检测方法还需要进一步细化，制样工艺的不同会影响到测试结果的差异[11，12]，部分指标参数和检测方法已不太适应现行石材幕墙结构安全和耐久性的要求[13，14]。

国外相关标准ASTM E2167—2001（2008）《石材固结剂的选择和使用标准指南》、DIN EN 12326-2—2004《搭接屋顶材料和覆面用石板和石材 第2部分：试验方法》、NF B10-615—1999《天然石材的试验方法 实密度、表观密度、总孔隙率和开放孔隙率的测定》等从石材、金属挂件以及各种辅助材料、施工工具等各方面对石材幕墙系统做出了详细的规定[15～17]。发达国家经过长期研究，开发了各种类型的高性能材料，形成了较为完善的干挂技术的理论体系，大大促进了工程技术的全面发展。

3　发展趋势和研究方向

随着对材料性能和施工工艺提出更高的要求，新的材料和工艺逐渐被应用于干挂石材系统中。比如：S•E型小单元式可拆装的石材幕墙挂件，采用铝矽镁合金材料，它的技术特点是将石材装饰板与S•E型安装组合件在工厂完成定位切槽，特别适用于高层建筑和抗震建筑的石材幕墙，并且解决了隔热断冷技术，不同材质防静电防腐蚀技术。背栓式挂件，通过在石材背面钻倒锥形孔嵌入背栓，拧紧螺母从而使胀管端面扩展固定石材，再配合铝合金联接组件将石材固定在龙骨架或弯板上。虽然目前这些组件结构比较复杂，工程造价很高，尚未广泛应用，但仍是未来的一个发展方向。

2016年的政府工作报告中指出要大力发展钢结构和装配式建筑。对于干挂石材系统，其中单元式石材墙体系统和组合式石材墙体系统将会是一个发展趋势。单元式石材用铝合金制作，以一个横向分格及一个楼层高度为基本的幕墙单元。因为该体系大部分工作在工厂进行，所以加工和组装质量能得到保证，且可统筹安排施工计划。但因单个石材板块一般在1 200 mm×3 700 mm左右，重量很大，给施工过程中的吊运和安装提出了很高的要求，成本较高。组合式石材墙体系统，通过合理的结构和构造设计，使石材板块彼此独立，可随时拆卸和安装，使石材幕墙易于维护；通过合理布置连接点的数量和位置，改变石材板面的受力模型，使石材幕墙系统更加安全可靠；该体系以一个横向分格和一个竖向分格为基本的单元，一般板块大小在1 m2左右，质量轻，安装方便，且具有单元式石材幕墙的优点，附框制作与现场龙骨安装可同时进行，缩短工期，易于工厂化生产，质量容易控制，而且耐腐蚀性好。

此外，干挂石材系统的基础应用研究落后于其工程应用。目前该行业市场混乱，普遍存在材料以次充好。石材自身的缺陷以及在加工过程中产生的损伤，会直接影响到其服役过程中的安全性，同时石材受环境因素的影响，其强度随时间会发生衰减，也会影响到干挂石材的结构安全。结构承载用环氧胶粘剂起到将石材面板粘接到金属挂件上的作用，目前国内普遍用不饱和树脂胶粘剂代替环氧树脂胶粘剂，不饱和树脂的耐久性和韧性均不如环氧树脂，如果作为主要的胶粘剂应用于承重结构，将给建筑工程留下安全隐患。石材幕墙用建筑密封胶因长期接触空气，受光、热、水等综合因素的影响，密封胶会老化[18～20]，从而对石材幕墙的适用性和安全性产生影响。目前尚无有效现场检测石材强度的方法，与石材相连的金属挂件以及背栓的耐久性也关系到干挂石材系统的使用安全。随着石材幕墙安全隐患事件的频发，如何对既有干挂石材系统的安生性和耐久性进行评定也将成为未来一段时间的研究焦点。

4　小结

（1）配套SE型挂件的短槽式石材系统和背栓式石材系统是目前石材幕墙的主流干挂形式。

（2）国内与干挂石材幕墙相关的现行标准规范均已执行10多年，标准的要求已不能满足应用的要求，需要进行修订，特别是要对起结构承载作用的环氧胶粘剂要在验收中进行强制规定。

（3）装配式构配件的发展将为单元式石材墙体系统和组合式石材墙体系统迎来一个黄金发展期。

（4）石材幕墙用胶粘剂的耐久性研究以及既有干挂石材系统安生性和耐久性的评定将成为未来一段时间的研究焦点。

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Progress on application research of dry-fixing stone curtain wall system

ZENG Bing1,2

(1.China Academy of Building Research (China National Center for Test of Chemical Building Materials), Beijing 100013, China; 2.Chemistry College of Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The progress on application research of dry-fixing stone curtain wall was reviewed from the development process, standards, specifications and development trend in this article. The advantages and disadvantages of various connection types were summarized, the problems existing in the standard drafting were pointed out, the feasible research focuses in the engineering application and the basic research were indicated.

dry-fixing stone; curtain wall; adhesive; standard and specification

TQ437+.1

A

1001-5922（2016）10-0053-04

2016-06-29

曾兵（1981-），男，在读博士，副研究员，研究方向为建筑材料的耐久性检测与评定技术的研究。E-mail：zbing1981@163.com。

中国建筑科学研究院应用技术研究课题（20140112330730052）。