基于装配式钢结构的集成保温外墙研究

马思遥，陈 悦

（上海中森建筑与工程设计顾问有限公司，上海 200333）

0 引言

近年来，住建部明确提出要着力培育钢结构建筑新兴产业集群，规范我国装配式钢结构建筑建设，大力发展钢结构等装配式建筑，积极稳妥推广钢结构住宅，国家陆续批准四川、山东、湖南、浙江等为装配式钢结构试点省。

随着装配式钢结构住宅的发展上升为国家战略，各大企业也相继建设了一批多高层钢结构住宅，但装配式钢结构住宅的重难点之一是外围护系统存在不少问题，是制约装配式钢结构住宅推广的重要原因。目前，在装配式钢结构住宅外围护系统中普遍存在如下技术问题。

1）传统外墙外保温体系主要采用“湿贴”施工方式，“以粘为主、以锚为辅”，因此当胶粘剂失效后，连接件锚固深度不够，且保温钉自身强度不足以支撑保温板重量，导致保温板连带保温钉一起脱落，对人身财产安全产生威胁。

2）内保温热桥处理困难，易结露发霉，现场未严格执行设计或图集构造无法保证保温连续，且影响后期内装，易被破坏。

3）夹心保温体系构造中墙体偏厚、成本高；工艺复杂、加工效率低、质量控制要求高，且需要封边，存在热桥。

从以上技术问题可看出，当前装配式钢结构住宅外围护体系存在节能性、安全性与防火性不能同时兼顾的矛盾。目前与钢结构匹配的外墙板、保温体系不完善，传统工艺引发外墙外保温脱落、渗水、热桥等问题。

1 国内外研究概况

1.1 钢结构外墙体系发展与应用概述

2005年之前，我国建筑外墙材料主要以砌块材料为主。此后我国墙体改革研发了新型墙体材料，包括轻质加气混凝土砌块墙、板材墙及幕墙。作为传统砌块材料的替代品，轻质加气混凝土砌块仍需大量现场湿作业，不符合装配式钢结构施工周期短、装配化程度高的要求；板材墙和幕墙装配化程度高，现场作业效率高，但其造价及后期维护费用较高。因此，国内外在装配式钢结构建筑中开发了装配式复合墙板[1]。

国外装配式复合墙板主要发展自1970年后，美国的轻质墙板包含各种石膏板，以品种多、规格全、生产机械化程度高闻名，年产量居世界首位；日本石棉水泥板、玻璃纤维增强水泥板（GRC板）的生产居世界领先水平；德国、芬兰以空心轻质混凝土墙板生产为主。国外当前形成了法国第戎住宅群的FCIS墙板系统、意大利BSAIS工业化建筑外墙板、日本高层钢结构住宅PCa墙板等体系[2]。

国内研究的复合墙板可简单分为单一材料外墙和轻质复合外墙。单一材料外墙即由单一材料构成的外墙，如ALC板、ASA板等。此类板材轻质多孔，一般均具有良好的耐火性及隔声性能。但在节能要求较高的项目中，单一材料墙板厚度和重量大大增加，导致建筑实际使用面积减少。另一方面，由于单一材料多孔的特性，此类墙板吸水率高，易受冻融循环的影响而削弱其保温效果。轻质复合外墙相较单一材料外墙在当前是更为常用的选择，可归为金属面板夹芯板、钢筋混凝土夹芯复合墙板及钢丝网架水泥夹芯板这3种形式。轻质复合外墙按照安装方式可分为内嵌式、外挂式及嵌挂结合式；按照基层墙体构成又可分成预制复合条板墙、预制复合大板墙和龙骨现场复合墙。

1.2 外墙保温体系发展概述

20世纪40年代，德国最先开始对外保温技术的研究，20世纪60年代，美国从欧洲市场引入外保温技术，并进行适当改进，建筑节能效果显著，20世纪90年代外保温技术被广泛应用于建筑中。

目前装配式钢结构建筑主要采用的保温材料分为无机类和有机类，无机类材料以膨胀珍珠岩、岩棉制品为主，而有机类材料以模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）、聚氨酯制品、酚醛泡沫为主[3]。无机保温材料产品耐火、阻燃性强、无毒、安全性高但保温隔热功能相对较差，遇水性能大大降低、造价较高；有机保温材料保温隔热功能良好、轻质、具有憎水性，但易老化、易燃烧且有滴落物等[4]。

2 集成保温外墙设计

2.1 基本构造

针对现有装配式钢结构住宅外围护体系存在脱落、防火、开裂、渗水等问题，通过研发设计新型集成保温构造、高性能新材料和连接配件，以现有钢结构外挂墙板为研究起点，提供一种新型A级集成保温泡沫混凝土外墙解决方案，基层墙体为泡沫混凝土外挂墙板，外侧一体反打A级保温板。

新型集成A级保温外挂墙板与主体钢结构之间通过角钢与螺栓进行连接，水平拼缝处采用建筑密封胶、发泡聚乙烯棒、发泡氯丁橡胶气密条及耐火接缝材料进行防渗水处理，其基本构造如图1所示。

图1 集成保温外墙基本构造

2.2 外饰面层

为实现建筑外立面的品质化和多样化，适用于新型A级集成保温泡沫混凝土外墙的饰面材料可包括涂料、真石漆、水泥纤维板、金属板、面砖、软瓷、石材等，可满足用户对外立面的各类需求。

1）涂料、真石漆 涂料和真石漆属于喷涂类饰面材料，施工简单、效率高。但由于其成品保护难度高、损坏后不易修补，此类材料不适合在工厂内集成，因此工厂内可不作处理或仅进行预喷涂。

2）面砖、石材 此类饰面材料自重大、粘贴要求高，不适合在施工现场大规模湿作业。根据相关规范和文件要求，建议在工厂内采用反打、干挂等工艺成型以保证精度和质量。

3）软瓷、水泥纤维板、金属板 此类材料有别于面砖、石材等传统高品质饰面，具有轻质、耐腐蚀、可调节等特性，可实现清水、金属纹、木纹等丰富效果，常采用干挂方式或专用连接件固定于主体结构。

2.3 保温材料

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）第6.7.7条，若新型A级集成保温泡沫混凝土外墙采用B级保温材料进行集成，则每层需设置A级防火隔离带，严重影响加工和施工效率。因此，综合考虑导热系数、耐火等级、强度等指标，得出以下保温材料的选用要求：导热系数不应高于0.055W/（m·K）；耐火等级不应低于A2级；为满足涂装附着要求，应有较好的抗压强度、抗拉强度、抗折弯性（抗压强度建议值0.30MPa，垂直于板面抗拉强度建议值0.20MPa）；加工性能要求握钉力强、裁切方便、不易粉化、易于修补；其他要求包括与泡沫混凝土应有较好的结合度（与基层墙体有效黏结）、低吸水率、耐冻融、较大的软化系数。

2.4 保温连接件

与传统外保温以粘为主、以锚为辅的受力原理对比，新型A级集成保温泡沫混凝土外墙配套的保温连接件由连接件承担全部荷载，黏结力仅为安全储备，这也是连接件的计算原则，由此可杜绝因黏结层老化失效导致的脱落风险。连接件主体采用不锈钢材质，为阻断热桥，在不锈钢尾盘上增加尼龙包裹。连接件与墙板在工厂一体成型，具体安装方式为：保温板上打孔，孔洞直径稍小于连接件杆轴直径；连接件通过孔洞安装至保温板上；在保温板的另一侧浇筑混凝土，即可将连接件固定在基层墙体中。

2.5 工艺工法

保温板和保温连接件应按照排板图铺设。经切割后的保温板四周侧面应保证平直，保温板拼缝不大于2mm，拼缝处采取封堵措施，保温连接件需要先钻孔后安装。

1）构件加工生产工艺流程 安装模具→铺设A级保温板及连接件→喷洒侧模脱模剂→布置成型钢筋笼→安装预埋件→浇筑泡沫混凝土→养护脱模→检查是否损坏并进行修补处理→运输至堆场。

2）现场施工流程 测量放线→固定墙板位置控制木方→测量放置水平标高控制垫块→墙板吊装就位→安装斜支撑→预制墙板拼缝处理→检查验收。

3 技术对比

将新型A级集成保温泡沫混凝土外墙与夹心保温外墙、AAC条板等3种外墙做法进行对比，参考《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》（沪建建材〔2019〕157号）中对超低能耗建筑外墙平均传热系数的要求，并结合GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中的围护结构平壁传热系数（K值）计算公式，以K=0.32W/（m2·K）为计算基准，综合对比结果如表1所示。

表1 3种外墙做法综合对比

综合以上3种外墙做法的对比，新型A级集成保温泡沫混凝土外墙墙体厚度更薄，且重量相对较轻，主体结构可相应优化。从使用性能上来看，新型A级集成保温泡沫混凝土外墙安全性和防火性更可靠，且相较夹心保温外墙及内保温AAC条板，可一次浇筑成型、整板安装，生产和施工效率更高；从使用体验上来看，新型A级集成保温泡沫混凝土外墙大大降低热桥效应，消除渗水风险，其造价也低于夹心保温外墙。

4 试制试验研究

4.1 力学性能试验研究

在验算集成保温墙体系统的连接件受力时，连接件承担与保温层、饰面层相关的全部荷载（自重、风荷载、地震作用），不考虑保温板与基层墙体间的黏结作用，仅将黏结作用作为安全储备；同时《上海市外墙保温系统及材料应用统一技术规定》（沪建建材〔2021〕113号）明确要求预制混凝土反打保温外墙板薄抹灰系统拉伸黏结强度不应小于0.2MPa。因此需对连接件承载力和拉伸黏结性能分别开展独立的力学性能试验。

试验墙板由硅墨烯保温板与混凝土基层墙体反打制备而成，针对硅墨烯保温板是否采用双层钢丝网加强，设置3个对照组，保温板厚度分别为20，100，150mm，对墙板连接件承载力和拉伸黏结性能进行比较。对开展连接件承载力测试的试验墙板采用塑料薄膜将保温板和混凝土基层墙体物理隔绝，确保试验符合计算假定。试验结果表明，连接件承载力和拉伸黏结性能均满足相关规范、规定的要求。

4.2 耐候性能试验研究

参考并基于JGJ 144—2019《外墙外保温工程技术标准》、GB/T 35169—2017《建筑外墙外保温系统耐候性试验方法》、JG/T 429—2014《外墙外保温系统耐候性试验方法》国内标准和《External Thermal Insulation Composite Systems with Rendering》（ETAG 004） 欧洲技术认证指南，在国内标准要求的“80次高温-淋水循环”“5次加热-冷冻循环”的基础上，设计一种条件严苛的加强版耐候性试验方法：将高温-淋水循环次数增加到160次，加热-冷冻循环次数增加到10次，同时额外增加80次冻融循环。

试验墙板由面砖、涂料、抹面胶浆、耐碱网格布、硅墨烯保温板和混凝土基层墙体等制备而成。试验分别测试饰面层与保温板、保温板与混凝土之间的拉伸黏结强度。试验结果表明，试验墙板表面无裂缝、粉化、空鼓、剥落现象，20次试验的系统拉伸黏结强度平均值0.28MPa，最小值0.22MPa，破坏界面在保温板内部，均符合要求。

5 工程实例介绍

为贯彻落实“碳达峰”“碳中和”行动方案，上海市开展了多个集成保温外墙项目的实践和探索。

1）自贸区临港新片区PDC1-0302单元06-02地块项目为临港新城首个高品质装配式超低能耗住宅，总建筑面积8.2万m2，其外围护系统采用100mm厚A2级硅墨烯保温板和断热型不锈钢连接件组成集成保温反打体系，外围护平均传热系数K值达0.39。该项目预计每年可节约用电159.4万kW·h，节约天然气3.1万m3，减少二氧化碳排放279.60t。

2）杨浦区江浦社区R-09地块项目总建筑面积12.8万m2，设计遵循“被动优先、主动优化”的原则，优先采用外遮阳、节能门窗、围护结构保温等被动式措施大幅降低建筑能耗。其外围护突破保温板常规尺寸，采用单板跨度3.0m的双层钢丝网加强型硅墨烯保温板做到层高方向无拼缝，通过保温反打和免拆模板工法，实现墙体与保温集成，大大提高建造效率，经济效益显著。

项目实践表明，集成保温外墙能有效确保建筑安全耐久、提高项目建造效率、满足高标准节能减排要求，在经济、社会、生态三大效益方面具有显著优势。

6 结语

通过整理并分析市面常规装配式钢结构住宅外墙做法，创新性地提出一种新型A级集成保温泡沫混凝土外墙解决方案，并对其连接构造、组成部分、加工工艺、力学和耐候性能等方面展开研究。研究表明，新型A级集成保温泡沫混凝土外墙是更适合装配式钢结构住宅的围护系统，相比市面上常规外墙系统，其在墙板组成材料、安全耐久性、生产施工、保温性能等方面均具有较大优势。

装配式钢结构住宅设计灵活、加工安装便捷，与之配套的外围护系统需满足大型化、标准化、工业化、多功能化的发展要求。新型A级集成保温泡沫混凝土外墙能够实现饰面保温高度集成、整板快速拼装，可大幅提高建造效率，确保建筑质量和品质，减少建筑垃圾，节约综合成本，其推广与应用能有效服务健康中国战略部署，对提升建筑节能水平和推动行业转型升级具有十分重要的意义。