装配式外挂围护墙体的研究应用探索

2018-03-29阮锦发

福建建筑 2018年3期

阮锦发

(福建建工集团有限责任公司福建福州 350001)

0 引言

装配式建筑的标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理等特点，使其能够应对我国人口红利减少对用工造成的不利影响，减轻建筑给环境造成的负担，提高建筑品质，节省建造成本，从而在我国建筑行业转型升级阶段进入了快速发展的特殊历史时期。目前，装配式领域结构体系的发展对象主要集中在装配式的混凝土结构、钢结构、木结构以及相应的组合、混合结构的观点得到业内普遍认可，但是单纯的体系建设并不能完全满足建筑使用功能的要求。装配式围护墙体作为装配式建筑的重要组成部分，在建筑物的功能划分、保温隔热、挡雨防风等方面起到关键作用。墙体与主体结构连接的安全与否关系到人身财产的安全，墙体的集成程度影响着使用的舒适性。作为装配式围护墙体组成之一的装配式外挂围护墙体，由于易于工厂化生产、便于现场安装施工、较容易的接缝处理等特点，在装配式建筑围护系统中得到逐步推广使用。

1 装配式外挂墙体的类型

常见的装配式外挂围护墙体按照组成材料大致可以分为水泥基墙体、石材墙体、瓷砖饰面墙体和复合材料墙体。墙体支承在主体结构上，主体结构在荷载或地震作用下的变形可能对外挂墙体产生不利影响，需要合理选择墙体在主体结构上的支承形式。常见的外挂墙体的支承形式可分为线支承连接和点支承连接，线支承连接在荷载、地震作用和主体结构变形时受力复杂，点支承连接由于受力情况较线支承连接简单，在工程上使用较为广泛。按约束形式的不同，点支承连接可以分为平移型、转动型和固定型，如图1～图3所示。由于主体框架的层间位移，使得相邻楼层梁、柱上下端存在相对位移，平移型支承连接适用于墙体长度方向尺寸大于宽度方向且支撑点位于相邻楼层受力构件的情形，转动型支承连接适用于墙体宽度方向尺寸大于长度方向且支撑点位于相邻楼层受力构件的情形，固定型支承连接适用于支撑点位同一受力构件的情形。

图1 平移型支承图2 转动型支承图3 固定型支承

2 装配式外挂围护墙体的设计

2.1 墙体分割

墙体分割应整体统筹，多方面考虑。墙体分割时应考虑建筑外立面装饰的需要，考虑道路运输对墙体宽度、高度的限制，还应考虑墙体脱模、运输和吊装时的起吊能力。为节省造价，应进行墙体标准化设计，增加模具的利用率。根据板拼缝设置，为达到美观目的，建议水平分割缝可位于梁腹范围内，做到视觉美观不外露，位于墙板上缘的连接件，应能够被楼板遮盖，且遮盖厚度至少能符合传统梁筋保护层的要求。对于包梁的墙体，其下方连接件的位置应尽量设置在梁侧，考虑连接件能够被天花板遮蔽。垂直分割缝可位于室内墙厚的中心，中心宜对齐轴线，垂直分割缝位于柱两侧时，宜考虑下方铁件的遮蔽问题和施工的方便性。

2.2 墙体接缝设计

在墙体自身物理、力学性能符合使用性和安全性要求的前提下，合理的墙体拼缝设计保证了水密、气密、防火、热工和隔声等性能的要求。构造方面，为保证雨水不侵入建筑物室，国内外常采用建筑室内高、室外低的企口方式作为墙体的水平缝做法，企口高低可以根据所在地区风压与台风发生频率确定。水平拼缝处从室外至室内常依次设置密封胶、背称材料、气密条和防火封堵，具体设置如图4所示。墙体的垂直缝做法同样根据所在地区的风压与台风影响频率确定，常采用带减压腔的槽口形式与不带减压腔的平直形式。竖直拼缝材料设置类似水平拼缝，具体设置如图5所示。当第一道防水失效，水汽进入墙体，可在一定间隔的楼层处通过设置断水措施，检查漏水位置并防止水汽影响过多楼层。同时，通过设置导水措施，可以将水汽排到墙外，保证室内的干燥。断水导水措施如图6所示。

图4 水平缝示意图

图5 竖直缝示意图

图6 断水和导水示意图

至于气密、热工与隔声性能，通常利用墙体接缝处材料的性能来保证。国内主流建筑用密封胶条主要有聚氨酯密封胶条、聚硫密封胶条、硅酮密封胶条、苯丙密封胶条、纯丙密封胶条和醋丙密封胶条，各密封胶条特点如表1所示[1]。建筑防火方面，通常做法是在墙体拼缝近室内侧、墙体同主体结构的金属连接件和墙体同主体结构间空隙中填充或覆盖防火封堵材料。国家现行标准《防火封堵材料》GB23864[2]对防火封堵材料的性能进行了规定与要求。

接缝处的缝宽常考虑温度与层间位移因素分别按下式计算[3]：

(1)温度变化下节点位移

(1)

δ=k·α·l·Δt(1-K)

(2)

式中：

W——接缝宽 (mm)；

δ——节点位移 (mm)；

M1——填缝材料的设计伸缩率或剪切位移率(%) ；

t——接缝宽度施工容许误差 (mm)；

k——修正系数；

Δt——墙体表面温度差 (℃)；

l——墙体设计长 (mm) ；

K——节点位移折减率。

(2)层间位移下节点位移

(3)

ΔL=h×δ×(1-K)

(4)

式中：

W——接缝宽 (mm)；

ΔL——层间位移(mm)；

M2——填缝材料的设计伸缩率或剪切位移率(%)；

h——层高 (mm) ；

δ——层间位移 (mm)。

2.3 墙体结构设计

装配式外挂墙体在荷载和地震作用下，墙体自身和连接件应满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求。主要计算内容包括荷载和地震作用的计算，墙体同主体结构的连接计算，墙体自身力学性能的计算，荷载和地震作用按照行业现行标准《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1[4]计算。根据计算简图如图7所示，容易推导得连接计算公式如下。

图7 节点连接计算简图

2.3.1点挂式连接计算

(1)连接处竖直荷载和作用的效应计算应按下式确定：

(5)

(6)

式中：

ex——连接处竖直方向的作用效应在面内的水平方向的偏心值(m)；

ey——连接处竖直方向的作用效应在面外的水平方向的偏心值(m)；

l——连接锚栓水平间距(m)；

h——连接锚栓竖直间距(m)。

(2)连接处水平荷载和作用的效应计算应按下式确定：

(7)

(8)

(9)

式中：

2.3.2墙体受弯承载力

图9 某生产基地服务中心及其墙板连接构造示意图

对于不开洞的干挂式墙体，墙体的最大弯矩可以梁端为简支的方式根据力学概念计算，计算跨度可取挂点间几何长度，计算简图如图8所示，根据力学知识推导得下列计算公式。

(10)

(11)

式中：M(x)max，M(y)max——分别为墙板x，y两方向最大弯矩 (kN·m)；

l0x，l0y——分别为墙板x，y两方向计算跨度(m)；

p——墙板承受均布荷载(kN/m2)。

当墙板只受弯曲作用，即面内薄膜应力忽略不计，只存在弯曲应力的情况下，弯曲应力可按照行业现行标准《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133[5]的规定计算。对于开洞的干挂式墙体，墙体的最大弯矩计算可参考《PC帷幕墙之设计与施工》[3]中的计算公式。

图8 不开洞干挂式墙体计算简图

3 工程案例

某生产基地服务中心为9层钢筋混凝土框架结构，部分外墙采用外挂条板墙与预制梁柱结合，墙材使用面积约10 000m2。施工现场主要采用机械化拼装，减少了手工劳动和湿作业，工期与现浇施工相比减少30%，工程照片及墙板连接构造示意图如图9所示。该工程外挂墙板采用平移型支承，下端为承重型连接件，固定于主体结构。上端为调整型连接件，通过在连接处开水平长孔以吸收水平方向的位移从而实现墙板的滑移功能。

某综合服务楼为4层装配式钢框架结构，外墙采用装配式钢骨架外墙板，钢骨架通过螺栓连接于方钢管柱上焊接的挂件，钢骨架两侧分别为铆钉连接的水泥板和钢塑板，实现了装配式墙板同钢结构主体的合理连接，工程照片及墙板连接构造示意图如图10所示。该工程外挂墙板采用固定型支承，上下端采用连接形式完全相同的连接件将墙板连接于主体结构，并通过限制连接件1和连接件2的相对位移，实现墙板的固定连接。

某健身中心体育馆为装配式钢结构，外墙采用氟碳漆喷涂的自保温一体化外挂墙板，实现了围护、保温、隔音和装饰功能的集成，整个工程在3个月内完工，工程照片及墙板连接构造示意图如图11所示。该工程外挂墙板采用转动型支承，上下端采用形式完全相同的弓形连接件将墙板连接于主体结构。通过在外墙板、连接件和托板上开设竖直或水平长孔，实现墙板的滑移与转动。