装配式混凝土外挂墙板研究进展

肖 潇 杨 滢 周 燕 张 悦 尹浩丞 赵孟君

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

近年来，建筑行业一直在持续快速的发展，但随着经济社会对环境、节能等方面的要求越来越高，传统建筑产业模式自身存在的问题逐渐暴露出来，建筑耗能大、装配率低、环境污染严重，材料利用率低等问题，严重阻碍了建筑业的持续健康发展。因此，开辟一条工业化程度高、施工周期短的新型建筑工业化发展道路，是我国建筑行业现阶段应该努力探索的方向。装配式外挂墙板结合了其材料的性能特点，与传统的墙板相比，它具有生产效率高、施工速度快、轻质节能、绿色环保、成本低廉、安全事故少等优点，符合绿色建筑、建筑节能、环境保护的产业政策和社会发展需求[1]。外挂墙板的研究和应用对促进装配式建筑的发展具有重要意义。

1 装配式外挂墙板概念及其优良性能

当前我国正处于城镇化的快速进程中，根据国家统计年鉴分析，我国建筑业十几年来一直处于高速增长态势，2006-2018年建筑业实现了增加值增速高于同期国民生产总值增速，年平均增速高达13.5%，逐步成长为国民经济重要的支柱性产业[2]。然而，这些效益大都是以传统的高能耗、高投入、高污染为代价取得的，探索一条工业化程度高、施工周期短、材料利用率高、绿色节能的新型建筑工业化发展道路，对推动住宅产业化、建筑工业化有重大意义。

外挂墙板是装配式建筑的主要构件，外挂墙板的性能直接影响建筑能耗指标和室内生活舒适度。住宅建筑围护结构能耗中外墙占34%，楼梯间隔墙约占11%。开发优质外墙复合保温板是实现住宅产业化，推进节能建筑的重要途径，一些发达国家的外挂墙板墙体材料生产占其国家墙体材料总产量的比例高达60%，但在中国只有3%[3]。目前衡量建筑装配率的主要指标是“三板”装配率，即装配式建筑中预制楼梯板、预制楼板、预制墙板(内隔墙板、外挂墙板)的预制构件使用率，这其中以外挂墙板要求最为复杂，不仅要满足力学性能要求，同时还要满足保温隔热、隔声、防水等要求。与剪力墙相比，外挂墙板有围护主体建筑、模数较固定、协调性较好等优良性能，越来越多的建筑工程选择装配式外挂墙板。随着近几年装配式建筑的快速发展和推广，外挂墙板可以实现工厂化加工制作，现场进行安装，施工快速方便，有效缩短工期。集约型生产的外挂墙板，与现场作业相比降低了粉尘、减少了建筑垃圾；显著减少现场人工操作，降低人工成本；降低了生产和施工成本，减少总造价[4]。

2 装配式外挂墙板的种类及国内外发展现状

2.1 装配式外挂墙板的种类

目前国内用于装配式建筑的外挂墙板按结构类型分类主要有单一材料外挂墙板、内保温外挂墙板、外保温外挂墙板、夹芯保温外挂墙板。

(1)单一材料外挂墙板

单一材料外挂墙板是指采用单一材料制成的墙板，分为实心外挂墙板和空心外挂墙板。实心外挂墙板结构简单，受力明确，制作工艺简单，但重量偏大，运输与吊装均十分不便，同时保温隔热性能相对较差；空心墙板指墙板中间采用空心结构的外保温隔热作用，空心外挂墙板相较于实心外挂墙板重量更轻，便于运输安装，但是制作工艺复杂。

(2)内保温外挂墙板

内保温外挂墙板是指在墙板内侧设置保温层，在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区应用广泛。其制作工艺既有将保温层与外挂墙板在工厂中一体浇筑成型的“一体式”，也有在墙板吊装完成后进行保温层安装的“分离式”，但无论何种制作工艺，都有一个重大缺陷，那就是由于保温层强度较低，耐久性较差，许多内保温外挂墙板的墙面均无法打孔进行窗帘、储物盒等挂件的安装，且内保温层在卫生间、厨房等部位极易因潮湿环境而脱落损坏。内保温外挂墙板安全性比外保温好，但若存有冷热桥时，结露水易引起保温系统发霉、开裂，外墙暴露易产生裂缝，且内保温外挂墙板会较多占用室内面积。该墙板适用于工厂化生产，但不宜与墙体结构层整体预制。

(3)外保温外挂墙板

外保温外挂墙板是指在墙板的外侧设置保温层。相较于内保温外挂墙板，外保温外挂墙板由于墙体结构层面向室内，对室内住户使用的影响较小，不会影响在墙壁上打孔安装挂件，既适用于北方冬季需要保温的采暖建筑，也适用于南方夏季需要保温的空调建筑；不仅适用于新建建筑，也适用于既有建筑节能改造。由于保温层外包，该种墙板不易形成冷热桥，保温效果较好，不影响室内面积。然而，由于外挂墙板保温层位于室外一侧，其保温层工作环境相较于内保温层更恶劣，通常保温材料耐久性不佳，故其使用年限较低。在暴雨、冰雹、台风等恶劣天气下，极易造成保温层脱落，甚至有可能会砸伤行人。同时，由于外保温材料强度不高，在预制、吊装过程中易损坏、修补困难，故通常不适合与墙体结构层整体预制。

(4)夹芯保温外挂墙板

夹芯保温外挂墙板是指将保温层布置在外挂墙板内外叶中间，形成三明治结构。国内现有的墙板主要有钢丝网水泥保温材料夹芯板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、聚苯夹芯保温复合墙板[5]等，这种墙板避免了将保温层暴露于室内或者室外，可有效保护保温层，保证其使用效果，可避免冷热桥，安全性较好，防火安全性高。但目前市场上的外挂墙板厚度较大，工厂化制作难度高，造价高。夹芯保温外挂墙板可实现墙体保温层、结构层整体预制，施工快捷方便，墙体内外叶间宜采用绝热型连接件，保温材料耐久性比较好，故该墙板是目前外挂墙板的主要研究方向。

2.2 国内外发展现状

国外对装配式建筑起步比较早。美国从20世纪20年代开始采用预制混凝土作为建筑物的外墙板。美国预应力混凝土协会(PCI)[6]已经编写并出版了相关规范，对预制混凝土夹芯保温外墙的设计(包括生产)的各个方面提供了指导，运输、安装、装饰等，从1970年开始，美国大量采用面砖、石材饰面的预制混凝土保温墙板作为建筑外墙。与传统的外挂墙板相比，其自重较小，保温效果明显，因此在北欧和北美这些寒冷的地方得到广泛应用[7]，在发达国家已普遍使用性能良好的保温、隔热材料作为复合墙板，例如在丹麦、瑞典、法国均已占在建房屋70%以上[8]；在西欧、北欧、日本等发达国家，预制混凝土外挂墙板的研究已形成体系并展开了一系列的应用。二十一世纪以来，混凝土外挂墙板得到了进一步发展，一方面其应用越来越广泛，另一方面随着深入研究发现其潜能还可进一步挖掘，近些年混凝土复合外挂墙板为主要研究方向，An Chen,Thomas G.[9]等人开展 FRP 拉结筋夹芯板受弯性能的试验研究与有限元分析；James S[10]等人开展了部分复合泡沫保温混凝土夹芯结构分析，得到芯材为泡沫混凝土的混凝土夹芯板抗弯承载力的影响因素；Y.H. Mugahed Amran,A.A[11]等人开展轴向加载预制泡沫混凝土夹芯板的结构性能试验，研究了芯材为泡沫混凝土的夹芯板在竖向荷载下的破坏现象。目前由于设计、生产及施工管理方式的改善，技术经济方面得到了提高，装配式外挂墙板研究也在不断地发展和改善[12]。

国内对装配式外挂墙板的研究工作起步较晚，对于装配式混凝土外挂墙板大部分研究还是主要集中在墙体的力学性能和连接件方面。2015年以前，我国装配式建筑行业发展缓慢，民用建筑装配率不足10%，从2015年开始，中国发布一系列装配式建筑规划。2015年底，中国发布了《工业化建筑评价标准》[13]，决定从2016年起在全国大力推广装配式建筑，自此之后对装配式外挂墙板的研究紧密展开，中南大学卢逢煦[14]研究了钢筋桁架式夹芯混凝土板受力性能，研究得出钢筋桁架式夹芯混凝土板在经济成本、受力性能、抗震性能、变形性能等方面具有一定优势；兰州大学姚远[15]研究了预制带肋底板混凝土叠合板的设计方法，并深入探讨了叠合板在施工阶段和正常使用阶段的设计方法；兰州大学张敬书[16]研究了预制带肋底板叠合板抗震性能，研究表明预制带肋叠合板具有良好的整体性，其适用范围与现浇板基本相同。目前装配式结构主要采用预制楼梯、叠合板、预制剪力墙、预制楼板梁、预制框架柱等结构主体受力构件，外墙板等非主要受力预制构件在装配式预制构件施工中的应用也越来越多[17]。在外挂墙板的不断研发、发展、演变过程中，已逐步实现工厂预制，现场装配、安装进度高、施工效率高、节约了大量的人力物力、综合效益显著[18]。

3 装配式外挂墙板研究应用中存在的问题

装配式外挂墙板与传统的墙板相比有很大的优势，尤其是生产效率高、保温隔热性能好、经济节能，能有效提升居住环境的舒适度，但现有的外挂墙板结构设计、构造设计、工厂化制作等方面仍存有不完善之处[19]，有待进一步研究提升。

(1)目前外挂墙板都是在工厂制作，现场安装，在运输过程中容易造成墙板开裂损坏；对于内部设置矩形钢筋桁架的墙板来说，在运输过程中，会在矩形桁架部位产生“冷桥效应”，会对墙板整体热工性能造成不良影响。

(2)外挂墙板混凝土面密度较大，强度较低，在实际工程施工中，会导致相关施工工艺难以在混凝土材料上实施，降低建筑工程外墙板的安装效率，延误相关工程建设的施工进度[20]，因此，外挂墙板施工工艺还有待改进。

(3)现阶段对外挂墙板的研究还是以施工效率为目标，大多数外挂墙板仍然采用普通的混凝土，对新型材料在外挂墙板中的应用研究相对较少，如利用轻骨料混凝土等作为面层材料的外挂墙板受力性能还有待进一步研究。

(4)节点处理是装配式建筑结构体系的重要问题。现在对装配式墙板的研究方向主要是墙板构件的力学性能方面，对墙板之间的节点构造研究还不足，找到一种新型有效的节点形式，让外挂墙板能充分发挥作用是需要进一步研究的问题[21]。

4 结论与展望

近年来，国家大力推进建筑工业化，发展绿色建筑，在围护结构中，评价建筑工业化水平的关键指标是外墙的装配度，大规模的应用外挂墙板不仅可以改变传统建筑使用过程中高耗能的缺点，而且提高了工程质量、缩短工期。现阶段，装配式建筑外墙板的研究、生产和应用取得了很大进展，综合国内外对其研究现状，未来外挂墙板还有很大的发展空间。随着对外挂墙板研究的深入、理论技术的逐渐完善、新技术、新型材料的应用、节点连接等细部构造的改进，将有效地促进外挂墙板在装配式建筑行业的应用。