陶瓷厚板建筑幕墙干挂技术研究

庄德辉

（广东金意陶陶瓷集团有限公司）

1 建筑幕墙与陶瓷厚板建筑幕墙

建筑幕墙（Curtain wall for building）是由面板与支撑结构体系（支撑装置与支撑结构）组成的、可相对主体结构有一定位移能力、不承担主体结构所受作用的建筑外围护墙（GB/T21086—2007《建筑幕墙》）。

建筑幕墙常用的面板材料有玻璃、天然石材、金属板（单层铝板、铝塑复合板、蜂窝铝板、彩色涂层钢板、搪瓷涂层钢板、锌合金板、不锈钢板、铜合金板、钛合金板等）、人造板材（陶板、瓷板、微晶玻璃板、木纤维板、石材蜂窝复合板、纤维水泥板、超高性能混凝土板UHPC 等）、组合材料（由玻璃、金属、石材、人造板材等不同面板组成）、无机防火保温一体化板等。

瓷板是建筑幕墙面板常用材料，属于人造板材。瓷板的质量要符合GB/T4100《陶瓷砖》、JGJ 336《人造板幕墙工程技术规范》和JG/T217《建筑幕墙用瓷板》的规定。建筑幕墙用瓷板厚度要求：背栓式连接≥12mm，其他连接方式≥13mm。

陶瓷厚板是瓷板的一种，指厚度≥20mm，吸水率小于0.5%的瓷质板材，这是近年来兴起的一种新型材料。陶瓷厚板用于建筑幕墙，主要性能指标均能达到国标最高等级要求，具有明显的优势（表1）。

表1 陶瓷厚板幕墙的主要性能指标

传统厚度12mm～15mm 的瓷砖，在用于幕墙时承受正负压载荷低，易被破坏，存在较大的安全隐患。以12mm 厚瓷砖背栓式干挂为例，背栓植入深度7mm，拉拔力1.50KN～2.57KN。而20mm 厚陶瓷厚板背栓植入深度可达12mm～15mm。背栓植入深度12mm 时，拉拔力5.69KN ～5.94KN；背栓植入深度15mm 时，拉拔力7.02KN～8.78KN，明显比普通瓷板拉拔力高得多，更安全耐用，适用性更广。

而相对于陶瓷薄板，陶瓷厚板幕墙具有强度高、不需与蜂窝铝板等复合、施工技术简单可靠，使用安全，施工成本低等优势。相对于石材，陶瓷厚板幕墙可以减少幕墙重量，节省钢材用量，降低工程造价和提高施工效率，同时不剥落、不变色，具有更好的耐候性、耐久性和安全性（表2）。同时以陶瓷厚板代替石材还有利于减少石材开采对环境造成的破坏。

2 陶瓷厚板干挂方式的比较

陶瓷厚板背栓干挂可以直接移植或借鉴现行石材干挂通用技术，设计、安装施工质量检查和验收、保养与维护可参照现有标准。

陶瓷厚板干挂方式主要有背栓式、背槽式、边槽式等。下面从陶瓷厚板整体受力状态、支撑点局部受力状态、抗平面内变形能力三个方面进行分析对比：

2.1 面板整体受力状态

建筑幕墙要考虑的可变荷载作用有三项即风荷载、地震作用和温度作用。一般情况下风荷载产生的效应最大，可达2.0kPa～5.0kPa，远远大于自重荷载（即使按最大地震作用系数考虑，也不过是0.1kPa～0.8kPa），起控制作用。这三种荷载都是均布荷载，好的干挂方法就是能够根据面板工作中的受力特点，选择较佳受力支撑点，使整块面板较大受力处所承受的弯矩相对较小，从而保证幕墙的安全性。

表2 陶瓷厚板幕墙与天然石材幕墙的比较

2.1.1 背栓式

背栓式干挂可通过有限元(1/5 左右)选择支撑点，通过背栓与陶瓷厚板之间的无应力柔性连接，使面板承受均布荷载的较大弯矩值较小，保证连接的安全性。背栓式广泛使用于石材、瓷板、陶板、玻璃、微晶玻璃和千思板等幕墙。

背栓分为单切面背栓和双切面背栓（也称抗震型背栓）。单切面背栓在陶瓷厚板背面开孔后植入背栓，背栓孔底位于陶瓷厚板厚度过半处。负风压时由孔底至陶瓷厚板背部厚度较大，椎体破坏面积比正风压时大，即它承受正风压时的最大荷载较负风压时的最大荷载要小。双切面抗震型背栓开孔时，在陶瓷厚板背面磨出一圆槽，安装背栓时在此处加一钢垫圈，由于钢垫圈圆面积大于背栓扩孔头，冲切破坏时厚度等于板厚，正风压时冲切破坏面积大于负压时的冲切破坏面积，其受力情况优于单切面背栓，可在任何建筑物、任何高度、任何部位、任何形式、任何地震台风地区使用。

2.1.2 背槽式

背槽式需要从陶瓷厚板侧边开槽进去，导致槽底部与端部应力集中，总板厚计算应扣除切槽厚度。背槽式主要受力依靠环氧树脂，安全性大大低于其他的干挂工艺。在JGJ133—2001《金属及石材幕墙工程技术规范》修订时删除了背槽法。

2.1.3 边槽式

边槽式是通过在陶瓷厚板上下两边开槽（分为通槽和短槽）来支撑固定，由于该工艺存在着层层受力和抗弯强度差，所以在JGJ133—2001《金属及石材幕墙工程技术规范》和JGJ336—2016《人造板材幕墙工程技术规程》中对它进行了规定，使其成为单块受力，而且对其厚度作出了要求，工程造价和安装难度增加。

2.2 支撑点的局部受力状态

支撑点的受力状态从面板整体受力折算到支撑点的较大反作用力和抗疲劳能力两方面分析。

2.2.1 背栓式

背栓式由于采用有限元原理选择了较佳着力点，为板材1/5 处，通过四点支撑连接，使得陶瓷厚板在承受正压时以背部支撑点整体受力，而负风压时受锚固深度和倒椎体（通常为135°椎体破坏）影响，可用抗拉拔试验方法确定其承载力，将背栓植得更深以提高负风压时的荷载。

我国是地震和台风多发国家，幕墙主要破坏因素是风载荷和地震载荷，幕墙面板承受的正压负压不断变化循环。在抗疲劳强度方面，背栓通过缓冲垫把陶瓷厚板与挂装件夹紧，利用转接件（角码）挂在龙骨上，通过三百万次正负风压循环试验(可满足100 年风荷载疲劳)，试件保持完好，具有极强的抗疲劳能力。

2.2.2 背槽式

从表面来看背槽经侧面开槽进入，以板面1/5 定位，很象四点支撑的背栓原理。但由于受切槽影响，板材强度大幅下降，故在扣除其切槽厚度同时，还需套用边槽公式才能满足。其抗疲劳强度更需要认真考虑。因为背槽件与瓷板是用环氧树脂胶结固定的，环氧树脂粘结力随着时间下降(石材和瓷板幕墙不允许胶接受力)，安全性得不到保证。

2.2.3 边槽式

边槽式采用T 型插板或蝶形插板扣住陶瓷厚板边上的通槽或短槽边，瓷板开槽加工、挂装和使用过程中易出现损伤（图1）。该工艺存在着层层受力，幕墙越高压力越大，其插板处弯曲应力也越大，工程存在安全隐患。

图1 边槽式工艺对材料损伤施工后表现

2.3 抗平面内变形能力

当地震和台风发生时，建筑物会发生变形(层间位移)，因此幕墙必须考虑抵御变形的能力。陶瓷厚板幕墙与建筑物的连接要求位移量大于1/180，一般地震试验要求位移量大于1/100；且单块面板能独立位移，以避免被挤压破坏。

2.3.1 背栓式

陶瓷厚板通过背栓铰接挂到安装于龙骨的角码上，陶瓷厚板与挂件和挂件与角码的连接都有缓冲垫，能够有效避免建筑物层间位移对陶瓷厚板的挤压，大大减少震动冲击。

2.3.2 背槽式

由于该工艺主要靠环氧树脂来承载扭应力和剪应力，而环氧树脂的性能随时间而降低，幕墙的安全可靠性无法保证。

2.3.3 边槽式

边槽式是通过往陶瓷厚板边上的通槽或短槽内注环氧树脂或502 胶来固定插板，上下面板之间近乎刚性连接，抗位移变形能力差，容易出现损伤。

综合上述三个方面对比分析，背栓式干挂能选择较佳受力支撑点，使陶瓷厚板在相同条件下受力较小，支撑点承载力能够发挥陶瓷厚板本身的较大效用，抗疲劳能力优越，抗震能力极强，有很高的安全性，适用于高层和超高层外墙饰面；且加工和组装方便、现场安装三维调节灵活、易于单片独立更换。

3 陶瓷厚板与主体结构连接

陶瓷厚板背栓干挂可以直接移植或借鉴现行石材干挂通用技术和配件，不需要单独开发，节约了时间和成本。

陶瓷厚板背栓干挂的连接件主要包括将面板与龙骨相连接的背栓和铝合金挂装件等。

3.1 背栓

陶瓷厚板背栓干挂一般选用旋进式不锈钢背栓（图2），不建议采用敲击式背栓。背栓应采用无应力植入，不得采用敲击等外力措施植入。

图2 三件套旋进式背栓（左）/ 两件套旋进式背栓（右）

根据瓷板厚度确定背栓的锚固深度，锚固深度为瓷板厚度的1/2 到2/3，再根据锚固深度确定背栓型号。20mm厚的瓷板一般选择锚固深度12mm～15mm，选择背栓型号旋进式M6×12、M6×15 或M8×15。材质一般分为304 和316（L）两种，可根据项目要求适当选择，多数工况使用304 材质。

陶瓷厚板背栓开孔尺寸要求（表3）。

表3 2cm 陶瓷厚板背栓开孔要求

陶瓷厚板开孔边距（图3）。

图3 陶瓷厚板开孔边距

3.2 挂装件

陶瓷厚板通过固定于其背面的锚栓上的挂件与安装在龙骨上的角码连接，常用的挂装件有h 型、R 型（耳挂）和C 型（子母挂）挂件等（图4），材质为铝合金，表面经氧化处理。

图4 挂装件类型

h 型挂件配套双向调节螺丝，安装时可以自由调节，使用简单，易于安装，但是咬合力较小，咬合深度稍嫌不足，挂件成本相对便宜，适合于20mm 以下的普通瓷板或石材。

R 型挂件（耳挂）又分平耳挂和凹耳挂，平耳挂适合与敲击式、齐平式背栓搭配使用，凹耳挂适合与旋进式背栓搭配使用。R 型挂件安装简单，咬合力比h 型挂件好，挂件成本适中，适用于2cm 陶瓷厚板和各种厚度的石材。

C 型挂件（子母挂）由两片铝合金主体以及调节螺栓组成，前片和背栓相连固定在面板上，后片固定在连接龙骨的角码上，安装时两片紧密咬合在一起。C 型挂件比h 型挂件和R 型挂件可承载更大的作用力，适用于各种厚度面板的干挂，安全性能最好，挂件成本相对h型挂件和R 型挂件要高一些。

干挂节点图（图5）。

图5 干挂节点图

4 陶瓷厚板幕墙实际应用

成都东航基地项目（图6）位于成都市临港路一段与西航港大道交汇处，是目前为止距离双流国际机场最近，集航空总部、综合办公、主题餐饮、精品购物及休闲娱乐等功能于一体的临空商办综合体。

图6 成都东航基地项目

项目总规划用地面积88.72 亩，总建筑面积约为22.8 万m2。设1～5#楼，共由9 栋建筑单体组成，最高12 层。T1、T2 号楼为写字楼区域，T3 作为东航四川分公司总部办公楼，T4、T5 号楼为商业中心。项目于2016 年1 月动工建设，2018 年10 月正式投入运营。

成都东航基地幕墙采用陶瓷厚板背栓干挂，施工流程如下：

幕墙设计→施工准备→测量放线→预埋件处理→连接角码安装→立柱安装→防水挡板安装→横梁安装→陶瓷厚板装配组件制作安装→清洁检查→竣工验收

4.1 陶瓷厚板拓孔

用拓孔设备在陶瓷厚板背面进行开孔，选用M8×15 旋进式背栓，开孔直径9.5mm，扩孔直径11.5mm，锚固深度15mm。每打30～50 个孔使用测孔器进行测孔以保证孔位合格。

4.2 安装挂件

在陶瓷背面的孔内植入背栓，旋进锚栓，使扩压环扩大挤紧孔壁形成机械嵌固。在锚杆上安装铝合金子母挂前片（图7）。

图7 安装好挂件的陶瓷厚板

4.3 陶瓷厚板安装

陶瓷厚板安装分区进行，由下至上安装。在角钢（横龙骨）上安装角码，通过六角螺丝将子母挂后片固定在角码上。将安装好子母挂前片的陶瓷厚板抬起安装到角码上（图8）。为了保证缝隙的一致性，可以在每条缝隙安置两条厚度与缝宽相同的塑料或玻璃片（待打硅胶时取出）。检查高度、垂直度，通过调节螺丝调整达到设计要求后拧紧固定。

图8 陶瓷厚板幕墙安装

4.4 嵌缝打胶

陶瓷厚板之间的预留接缝为6mm，接缝处嵌入聚乙烯泡沫棒（直径要大于板间缝隙，密度不应大于37kg/m3）作填充材料，深入板面6mm～10mm，最后用嵌缝枪把中性硅酮结构密封胶打入缝隙内。

图9 成都东航基地项目完工后的照片

5 结语

新型建筑材料的发展和应用是推动建筑幕墙创新发展的基础之一，没有新型建筑材料的发展，就难以形成新的建筑幕墙技术和新的建筑幕墙产品。随着陶瓷厚板这一新材料的研发成功，陶瓷厚板幕墙在近几年也不断出现，弥补了我国在高层和超高层建筑外墙装饰面板采用石材和传统瓷板等所难以解决的各种问题，在安全性、耐久性、可更换性和降低工程造价等方面具有相当大的优势。陶瓷厚板在建筑幕墙装饰工程中将得到越来越广泛的应用，取得更大的经济效益和社会效益。