幕墙结构体系在装配式建筑上的应用

陈恩莉, 董 彪, 毕 琼

(中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川成都 610000)

通过了解国家政策对装配式建筑的导向，了解装配式建筑在全国各地的发展状况，参观考察近10个装配式建筑、2个装配式预制构件工厂后，针对幕墙在装配式建筑上的应用现状进行分析，总结归纳适合装配式结构体系的幕墙形式，提出适合幕墙在装配式结构体系上的合理构造形式。

1 装配式建筑与幕墙

建筑业是国民经济的重要支柱产业，2015～2017年近三年，建筑业总产值占国内生产总值的比例依次均为26 %，占比均超国内生产总值的1/4。建筑业是国民经济的重要支柱产业，是经济社会发展的重要组成部分。

但是，随着社会的不断进步，建筑业现有的生产模式面临着越来越多的问题和挑战：科技贡献率和机械化率低于农业；现浇工艺产生大量固体废弃；安全事故频发，仅次于交通事故；工程建设中的质量通病问题亟待解决；从业人员减少，职业技能不稳定；建造方式落后，核心竞争力不强；管理粗放，效率、效益偏低。我国建筑业目前仍是一个劳动密集型，建造方式相对落后的传统产业，建筑业改革势在必行！

发展装配式建筑是促进建筑工业化，贯彻国家绿色发展理念，促进生态文明建设的重要举措。2016年9月，国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》指出：大力发展装配式建筑，是建造方式的重大变革，推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措。装配式建筑即为“建筑、结构、机电、内装、幕墙”一体化集成设计。

2018年7月4日在合肥举行的“从设计到实现——2018年装配式建筑创新发展高峰论坛”会议上，上海中森建筑与工程设计顾问有限公司装配式工程研究院李新华在报告中提到：“装配式建筑单体的较高预制率指标，不能全面体现建筑工业化、先进性程度，需结合其他全建设周期内的提高质量、提高效率、减少人工等措施，尤其是外墙一体化集成产品、内装高效成品安装体系及专业配套施工设备等。”笔者对这一观点深感认同，单纯的把混凝土预制构件作为建筑装配化的一个指标，使得推进行业装配化难度加大，速度缓慢。装配式建筑应该是本次会议大部分专家所提到的将内装、设备、外围护一体化考虑，纳入装配式建筑中的一个装配体系。从幕墙外围护角度来讲，无论是预制混凝土挂板还是单元式幕墙整体围护系统，其功能都能够达到外墙的围护、防水、保温、和室内装饰的目的。所以对一个装配式建筑装配化率的衡量，不应该离开幕墙施工装配化对建筑整体的装配化贡献率而仅仅谈论预制混凝土的装配化率。幕墙作为外围护系统，其本身为干作业方式，顺应目前建筑行业整体的发展趋势，提高幕墙施工的工厂化率，将幕墙构件在工厂进行组装，使其到工地更加成品化，减少工地的加工工序，提高现场的安装效率和质量。这样不仅对幕墙本身来讲，是一个长足的进步，同时，作为单一的工业化产品 ，对建筑整体来讲，无论是在减少建筑整体周期，还是提高建筑技术含量上都能有不少贡献。

2 目前幕墙在装配式建筑中的应用情况

本年度结合课题对不同的幕墙结构体系在装配式建筑上的应用优缺点进行考察并进行对比分析。考察项目按照幕墙形式分为三种情况：混凝土挂板体系形式、单元式幕墙结构体系形式、构件式幕墙结构体系形式。下面分别将三种幕墙形式以考察中的典型项目为例进行说明。

(1)混凝土挂板体系：以北京市副中心A2 项目为例进行说明。该项目是包括主楼1座、副楼4座的一个办公区建筑群。外墙系统由大面积的预制混凝土挂板、石材幕墙和小单元玻璃幕墙窗组成，本项目外墙线条规律，大面积板块模数统一，材料规格统一，特别适合以装配式方式进行设计施工。

本项目装配组合板块尺寸为4.5 m×4.2 m，投影面积18.9 m2，总重7.716 t。其中，清水混凝土构件表面积12 m2，重约6.8 t。

(2)单元式幕墙结构体系：以北京市朝阳区CBD核心区Z15地块中国尊大厦为例进行说明。本项目位于北京CBD核心区域，是目前已知的北京市最高建筑，本工程总用地面积1.148×104m2,总建筑面积43.7×104m2,其中地上 35×104m2,地下8.7×104m2。建筑总高度528 m。

本工程采用筒中筒双重抗侧力结构体系，外框筒(巨柱-斜撑框筒)+核心筒，支承幕墙的主体结构为钢结构外框筒部分，外幕墙为单元式板块，安装方式为单元式板块整体安装。外层玻璃幕墙大部分单元板块尺寸为4.3 m×2.0 m，每个单元板块重量约500 kg。

(3)构件式幕墙结构体系：以中国建筑西南设计研究院第三办公区A栋办公楼为例。该建筑主体为整体装配式混凝土框架结构体系。主要轴网尺寸为8.4 m×8.4 m。该工程出地面层数为2～7层，屋面南北呈台阶状，南边低，北边高，最低结构标高为4.85 m，最高结构标高为31.45 m；外幕墙主要为明框玻璃幕墙。玻璃幕墙分格大，玻璃配置高，玻璃分格约1.9 m×2.4 m，玻璃面材为钢化双中空钢化超白LOW-e玻璃(10LOW-e+12Ar+8+12Ar+8 mm)，基于该玻璃板块超大，玻璃本身总量大，仅单块玻璃重达350 kg。

3 装配式建筑上各幕墙结构体系的优缺点

以单元式幕墙作为参考，对混凝土挂板体系和构件式幕墙进行对比分析，分析情况如下。

3.1 预制混凝土挂板体系VS单元式幕墙

3.1.1 两者共同优点

(1)可在工厂内进行工业化生产，施工现场可直接安装，方便快捷，可大大缩短施工工期。

(2)在工厂采用机械化生产，产品质量更易得到有效控制。

(3)周转料具投入量减少，料具租用费用降低。

(4)减少施工现场湿作业量，有利于环保。同时也可在一定程度上降低材料浪费。

(5)机械化程度高，可大大减少现场施工人员配备。

(6)安装速度快，施工周期短。

3.1.2 预制混凝土外墙其相对于单元式幕墙优点

采用模具一体浇筑成型，板块整体性更好，混凝土与保温材料之间整体连接，热桥少。

3.1.3 单元式幕墙相对于预制混凝土挂板的优点

(1)重量轻，幕墙形式的单元挂板龙骨采用铝龙骨或钢龙骨，面材一般为玻璃、金属面材、石材以及各种适宜外墙使用的人造板材。这些面材使用厚度都相对薄。混凝土容重为2 500 kg/m2计算，则2 m×4 m面积的(100+50) mm厚内外墙面，其总重量为3 000 kg。相同面积的玻璃幕墙总重量约为450 kg，相同面积的铝板幕墙总重量约为320 kg，相同面积石材幕墙总重量约为880 kg。以玻璃幕墙为例，相同面积预制混凝土挂板重量为玻璃幕墙重量的4倍。

(2)幕墙面材多种多样，可根据建筑的外观要求在相应的单元板块组合不同的墙面材料。

(3)由于混凝土在工厂为湿作业，而其他幕墙材料为干作业，加工工厂不是同一厂家，这样同一墙面既有混凝土墙面，又有幕墙时，需要大板块多次运输，进行墙面拼装。采用同样都是干作业的轻型幕墙面材，则没有该问题。

3.2 构件式幕墙结构体系VS单元式幕墙

3.2.1 构件式幕墙的优点

(1)在设计、计算、管理上均较简单容易，能承受较大的安装误差；由于构件小，在工地上容易存放；因为设计计算简单，安装不需要很长的准备时间。

(2)由于制作简单，安装系统有弹性，这样相对于单元式幕墙，较多幕墙的承建商都有能力建造该类幕墙。

3.2.2 构件式幕墙的缺点

(1)框架式幕墙整体安装要在土建施工完毕后，现场幕墙施工人员从顶部向下安装，需要较长的安装时间，并且一定要借助脚手架或吊篮安装，幕墙容易产生安装误差，构件不直，安装不平整。

(2)由于工地受各种条件影响，建筑幕墙的施工工期比预期计划要长，很难保证工期。

4 适合装配式建筑的幕墙体系

根据本文对以上几种目前应用较多的幕墙结构体系优缺点综合分析对比，提出以下三种外幕墙结构体系。

4.1 预制混凝土挂板。

将预制混凝土挂板与幕墙的构造方式相结合，即将两者的优点合并，将混凝土挂板轻量化，由原来的(50+50) mm以上厚度，改成30 mm厚甚至更薄，即现在的幕墙新材料-纤维水泥板(参见JG J336《人造板材幕墙工程技术规范》和JG/T 396《外墙用非承重纤维增强水泥板》)。将50 mm厚混凝土内部钢筋网以更加纤细的玻璃纤维替代，这样在不影响外观效果且满足板面强度的情况下，板的重量得以大大降低。这层纤维水泥板作为外墙的装饰材料和防水层，相对于混凝土挂板墙体，还需要增加保温和室内装饰的功能。结合非透明幕墙的构造做法，保温层可采用保温岩棉或其他防火等级能达到建筑相应要求的轻质防火材料，固定于纤维水泥板背部。室内侧可采用室内常用板材，如纤维水泥板、硅酸钙板、轻质金属材料等作为室内装饰层。

这种组合外墙板材不仅能够呈现清水混凝土的本身效果，还可以在色彩、形状、镂空效果等美观要求上以多种形式呈现。这种轻型的混凝土挂板均以幕墙结构形式实现。这种材料容重为18～20 kN/m3，混凝土挂板容重为25 kN/m3。在容重相差不大的情况下，前者厚度为30 mm，后者厚度为150 mm，两者重量相差近4倍。所以在外观效果和功能都能满足，甚至更佳的情况下，轻量化的混凝土挂板优于目前概念上的预制混凝土墙板。

轻型混凝土挂板特点(图1)：

图1 轻型混凝土挂板

(1)预制混凝土单元挂板：高度以一个层高为一个单元，宽度根据建筑效果及运输等条件限制确定。

(2)单元板块含外墙板(纤维水泥板)、保温层、内墙板，及支承龙骨系统。

(3)单元板块通过挂接形式整体安装，与主体结构连接，且相对主体结构有一定的位移。

4.2 单元式幕墙

通过考察收集，建筑主体作为装配式形式呈现的建筑，其外形都比较简洁，外墙尺寸比较有规律，外立面装饰材料组合也相应的比较规则，这种建筑适合采用全单元式幕墙形式。全单元幕墙形式即幕墙的龙骨、外装饰面材、内装饰面材、墙体保温都在工厂组合成大板块，到现场进行吊装上墙。该处所说的全单元形式其面板不仅限于玻璃幕墙，其面板泛指不同材质的幕墙面板材料，如金属板材、天然石材、人造板材、玻璃等等、也可以是不同材料的组合形式。

单元式幕墙特点(图2)：

图2 单元式幕墙

(1)高度以一个层高为一个单元，宽度根据建筑效果及运输等条件限制确定。

(2)单元板块含外墙板(纤维水泥板)、保温层、内墙板，及支承龙骨系统。

(3)单元板块通过挂接形式整体安装，与主体结构连接，且相对主体结构有一定的位移。

4.3 小单元幕墙

相对于上面所讲的单元式幕墙，小单元幕墙是指仅幕墙龙骨组合成单元框架，面材以构件形式到现场安装。或者幕墙面板和室内装饰面板通过连接件组合成整体，龙骨体系以构件形式安装，面板组件在现场与支承龙骨进行简单挂接实现幕墙的整体性能。小单元幕墙适合外立面造型复杂，但幕墙结构体系有规律可循的建筑。下面以笔者参与设计的两个项目为例进行说明。

(1)自贡规划馆项目(图3)，为自贡市规划展览馆，建筑造型兼具地方化、国际化和个性化。将自贡千年盐都、恐龙之乡、南国灯城三大元素运用到建筑中，是展示自贡城市形象的标志性建筑，建筑造型相对复杂。以展览馆为例进行说明，该主体结构为钢结构。该单体幕墙选用水泥纤维平板600 mm×1 200 mm分格错缝布置，形成砌砖效果，整体效果为各大面成三角形，两个面之间成不同角度(120～249 °不等)，与地面也形成+15 °和-15 °两种内外倾形式。受到以上条件限制，考虑到本工程幕墙施工难度，为尽量降低幕墙施工的复杂性，确保施工质量，减少施工周期，节约工程成本，幕墙设计采用以下方式：采用砌砖的思维方式，将1 200 mm×600 mm的内外墙板通过钢附框组合成小单元板块，该组合件兼具外墙防水、外墙防护、墙体保温、内墙装饰的功能。现场安装好横竖向龙骨后，作为小单元“砖块”的支承构件，将组合砖块逐块进行安装，并与横向龙骨上的角片进行螺栓连接固定。

图3 自贡规划馆

(2)中铁轨道交通酒店项目(图4)，位于成都市天府新区兴隆湖南岸，属于中铁轨道研发设计中心项目一部分。项目分为酒店和写字楼两部分。本建筑外立面采用幕墙窗形式，采用大板块玻璃形式，最大的单块玻璃尺寸达到1.9 m×2.8 m。本建筑设计上幕墙形式比较有规律，以标准幕墙窗形式呈折线效果。所以，本工程采用了幕墙龙骨小单元式系统，工艺上沿用传统窗的安装工艺，幕墙龙骨系统及转接件在工厂组框形成标准单元框架，龙骨系统整体运输到现场后，通过螺栓将转接件与预埋件连接，省去现场龙骨组接的过程。

图4 中铁轨道交通

通过实际工程案例的实践，小单元幕墙应用更灵活，受施工项目规模、施工单位生产及施工能力、建筑外立面造型是否复杂，这些条件的限制较小，所以是本文中笔者最为推荐的一种幕墙体系。

5 结论与展望

从建筑主体结构角度来讲，无论主体结构是否为装配式，都不影响本文结论中所提出的三种适合装配的幕墙结构体系的应用。也就是说轻量化的预制混凝土挂板、单元式幕墙、小单元幕墙在现浇主体结构、装配式主体结构中均适用。呼应本文开篇提到的。“装配式建筑主体的预制率指标，不能全面体现建筑工业化、先进性程度，需结合其他全建设周期内提高质量、提高效率、减少人工等措施，尤其是外墙、内墙、设备一体化集成产品等。”幕墙作为建筑全周期中的一个相对独立的单项构造体系，自身的装配化率对建筑全周期的提高质量、节约工期都有不可小觑的贡献值。对本文提出的观点总结如下：

(1)轻量化预制混凝土板，可替换目前装配式预制混凝土构件中的非承重预制外墙挂板，目的在于使现有概念的混凝土挂板轻量化、幕墙化，减少建筑整体重量，降低建筑成本，方便施工安装。

(2)小单元幕墙结构体系，将目前止步不前的单元式幕墙体系和装配率不高的构件幕墙体系进行结合，在设计环节把控装配率，做好设计交底工作，引导幕墙施工朝装配化、工业化方向发展。小单元幕墙的加工和组装可在国内大多数幕墙厂家进行，受设备条件限制不大，这样，大多数施工企业能进行生产施工，才能带动行业整体健康发展。

作为外围护结构的设计者，在平时的工程设计中，我们应在每一个设计细节中，都植入创新和环保意识，目的在于提高实际工程质量、节约建筑成本，提高工程管理效率，带动幕墙施工向工业化方向发展，从而推动幕墙行业健康发展。期待建筑施工更加工业化、更绿色、更健康！