某装配式高层钢结构住宅外围护系统设计

2021-04-15陈选权周保平

工程技术研究 2021年5期

陈选权，吴雷，周保平，严明

1.中建钢构武汉蔡甸建设工程有限公司，湖北武汉 430000

2.中建科工投资发展公司，广东深圳 518000

目前我国市面上的外围护体系主要有三类，即ALC条板+涂料、ALC条板+硅钙板（黏锚）和铝板干挂。ALC条板+涂料的墙体自保温，无须单独保温构造层次，有价格优势，但是难以保证防水密封性及隔声性能等，且墙体自重会增加结构成本；ALC条板+硅钙板（黏锚）为墙体外侧保温装饰板，自重轻，墙体保温及隔声性能较好，但是成本高，钢构件处难以采用黏锚连接，且耐久性受年限限制；干挂铝板可以减轻建筑负荷，能保证建筑外形美观持久，且防水防腐，但经济成本高，安全性要求高。

文章结合某还建房8#楼项目，从设计角度进行创新，介绍了一种新型的建筑外围护系统：ALC条板+金属面板保温装饰一体板（干挂）。此设计能够保证连接节点构造要求，有较好的变形适应能力，施工完成面效果好。

1 装配式钢结构高层住宅外围护系统设计

1.1 工程概况

该项目位于武汉市蔡甸区奓山街，为一栋两个单元组合的还建住宅楼，项目建筑面积约为2.3万m2，主体结构设计使用年限为50年。项目所在地基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.50kN/m2；所在地基本气温最高值和最低值分别为37℃和-5℃；项目抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类。项目按装配式钢结构建筑设计建造，见图1。

图1 项目建筑效果图

1.2 ALC条板+金属面保温装饰一体板（干挂）设计

ALC条板+金属面保温装饰一体板（干挂），是由黏结层、保温装饰成品板、锚固件、密封材料等组成，由工厂预制，运至施工现场进行拼装的装配式建材。其具有质量批次稳定、产能提升、不受施工环境影响等优点。

（1）基墙板的比选。①空心条板。其具有重量轻、强度高、隔热、隔声、防水等性能。建筑物自重减轻，基础承载变小，可降低建筑造价；条板长度随建筑物的层高确定，可提高施工效率。空心条板主要用于工业与民用建筑的内隔墙，应用广泛，供应商资源丰富，但技术差距大，质量参差不齐。②ALC条板。此板材以硅砂、水泥和生石灰、石膏进行混合搅拌，加入少量铝粉制成浆料，经过发泡、静置获得初期强度后，再经高温高压蒸汽养护而成。由于发泡及高温蒸养，板材内部形成很多封闭的小孔，在减小材料密度的同时使板材具有良好的保温性能。发泡过程中产生的闭口式孔隙可以有效地防止雨水、潮气的渗透，同时微气孔具有一定的隔声效果，内部设置的钢筋网片令板材具有足够的强度，以抵抗风荷载和撞击力。③轻钢龙骨隔墙。轻钢龙骨隔墙重量轻、强度较高、耐火性好、内墙与管线一体化，干作业、环保节能，同时还具有工期短、施工简便、不易变形等优点。但由于墙内通常填充岩棉、泡沫混凝土等填充物，敲击回声空洞，隔声效果较差，国内住宅接受度较低，其主要用于商业办公建筑内隔墙。内隔墙性能见表1。

表1 内隔墙性能

（2）保温装饰一体板的比选。①预制钢筋混凝土夹芯保温外墙板，是一种自承重围护构件，由内叶板、保温板、外叶板以及连接件组成。内叶板结构受力由计算确定，可根据工程设计需要参与抗震计算；中间为保温层，通常采用EPS或XPS，保温层厚度可以依据当地节能要求调节；外叶板仅起到保护作用，一般为50mm厚，可在工厂做成清水、涂料、贴砖、石材等多种效果。②保温装饰一体板，由装饰层、载体层与保温层三种功能机构组成。表面装饰层材料种类众多。载体层有硅钙板、无机复合板、铝塑板等材料；保温材料包括岩棉、XPS、EPS、聚氨酯等。保温装饰一体板是置于建筑物墙体表面的保温及装饰系统保温效果优秀，并且长期冷桥作用少，比传统节能保温施工做法具有更多、更优的保温隔热功能。③玻璃幕墙，具有隔音、隔热、防结霜、防潮、抗风压强度大等优点。玻璃幕墙设计灵活、抗震能力强、系统化施工、更新维护方便。缺点是容易造成光污染，玻璃幕墙反射所产生的噪光，会致人产生眩晕，常常发生事故；玻璃安装后经常发生自爆；防火能力差，玻璃在遇到火灾时易融化和软化。外墙性能见表2。

表2 外墙性能

（3）外围护系统的选择。通过前文的比选，结合表1、表2数据可知几种外墙体各具优缺点。最终选取ALC条板为该工程的围护墙体，选取保温装饰一体板作为该工程的外墙围护体系。ALC板具有材料轻便、工厂预制、免除了墙体的抹灰施工、安装方便快捷等优点；保温装饰一体板具有外表美观、施工效率高的优点，两者均与装配式钢结构建筑的特点相符。同时，两者的结合更加体现了良好的防渗漏、保温以及隔声性能，可以解决该工程作为高层钢结构住宅的常见质量问题。

2 装配式钢结构高层住宅外围护系统节点设计

2.1 节点设计

（1）龙骨连接节点。考虑主体框架为钢框架，该项目拟先在龙骨相应位置钢梁上翼缘布设L型角钢连接件（在楼板混凝土浇筑前预设，或焊接在钢梁翼缘下），并与钢梁上翼缘焊接固定。后期龙骨直接与预设的角钢焊接固定连接，见图2（a）。龙骨布设完成后，龙骨与一体板之间通过沉头自钻自攻螺钉进行固定连接。螺钉规格与间距满足相关设计要求，见图2（b）。

图2 龙骨与主体/一体板节点设计图

（2）干挂一体板阴阳角节点。铝板面保温装饰一体板，其阳角位置可以整体折弯，不需要考虑现场竖板拼缝，现场只需要与两侧一体板进行连接并用PE棒及耐候密封胶填充即可；对于阴角位置处，同样需要将一体板之间顶紧严密，拼缝位置处采用耐候密封胶进行封堵密实，相关节点设计见图3。

图3 干挂一体板阴阳角节点

（3）干挂一体板窗户节点。干挂一体板在窗户节点周边，先根据定位布设龙骨。铝板面一体板提前测量好尺寸，并在工厂将一体板整体折弯，与ALC或者窗户副框顶紧并侧面打胶密封。在窗台上下口，应考虑坡口留设，确保满足构造防水要求。具体节点设计要求见图4。

图4 窗户一体板的干挂设计节点

2.2 基墙板防开裂设计

该工程中ALC条板、砌体等围护体系与钢结构的连接节点均采用柔性连接，降低了钢结构建筑中墙体由于温度变形与干缩变形的不协调、墙板与面层材料黏结力差、墙板沉降、荷载应力集中等原因开裂的风险。

（1）ALC条板与钢框架管卡连接试验的目的是验证基墙板与主体钢框架柔性连接防开裂性能，其实验内容是对四组试件做试验（见表3）：①记录墙体荷载-位移曲线，以纵坐标表示荷载，横坐标表示位移展示结果；②观察裂缝开展情况，描述裂缝开展情况。

表3 试验内容

（2）试验数据分析。实验所得荷载-位移曲线数据见图5，其结果如下：①随着荷载加载位移的增大，试件所受承载力增大。②此管卡柔性连接工况下试件破坏情况，加载至32mm时，上梁与板材连接处的管卡一半已经失去工作性能，板材角部及砂浆连接处大部分破坏，此时最大承载力为53.41kN（初始力为23.40kN）。③由荷载-位移曲线可以看出，试件加载至32mm后，承载力下降，40mm后板材关键部位几乎完全破坏，无法承载，故取其40mm加载前的荷载位移曲线。④采用管卡柔性连接合理构造措施，可以确保ALC条板钢框架在地震作用下能协同工作和共同受力，可以应用于钢结构建筑中。

图5 ALC墙板与钢框架管卡连接试验

2.3 防水体系设计

三道防水体系为防水界面剂、防水透气膜、一体板防水，见图6。在施工完成的砌体表面抹灰，使砌体和ALC条板完成面保持一致，在外围涂刷专用防水界面剂并抹5mm厚1∶3的水泥砂浆保护层；外围基墙体防水界面剂、一体板预埋锚固件施工完成后，在钢梁与ALC条板交接处满铺一层防水透气膜，避免连接方式对外围基墙体防水界面剂层的破坏。对于龙骨干挂连接方式的一体板，需要确保龙骨连接件与钢结构相连，避免在ALC或砌体墙上连接造成防水层的破坏，然后在一体板缝隙处填充防水密封胶。

图6 三道防水体系

3 装配式钢结构高层住宅外围护系统的现场施工应用

3.1 施工工艺流程

具体施工过程如下：ALC条板排版设计→预埋件安装→基墙板安装→基墙板层验收及基层处理→测量放线→主辅材料预加工→龙骨安装→金属保温装饰一体板板材安装→填缝密封→板面清理。

3.2 信息化管理

项目采用BIM精细化设计手段，设计效果见图7。

图7 基于BIM技术的一体板外墙设计

3.3 施工要点

（1）龙骨安装。①定位放线后先装竖龙骨，依次运用点焊、满焊将其安装在预设的梁柱角钢连接件上。②安装横龙骨，严格控制横龙骨水平度，水平公差应控制在±1mm以下。横竖龙骨之间应采用螺栓连接。③安装板材，采用热镀锌不带PVC垫的自攻自钻螺丝将安装固定边固定到龙骨基层上。自攻螺钉要先轻打入2/3后，用螺丝批或专用旋具旋入至紧固状态。

（2）一体板安装。安装时必须每2人一组，1人负责将板材扶正并托住板材，1人负责找到自攻螺钉打入的合适位置（一般位于企口1/3处，具体视板材实际长度选择加固点）。施工人员一手扶正自攻钉，然后将螺钉初步打入，确保螺钉是垂直进入角度后继续轻轻打入至2/3，最后用螺丝批或专用旋具旋入至紧固状态。

（3）板缝注胶。保温装饰板安装完毕后，用清洁剂将金属面板表面清洁干净，清洁后的材料必须在1h内用耐候密封胶嵌缝，进行密封，保证保温装饰一体化系统的气密性和水密性。注胶宽度与注胶深度之间最合适的尺寸比率是2∶1（宽度∶深度）；注密封胶时，应用美纹纸保护胶缝两侧的材料，使其不受污染。