結(jié)構(gòu)與保溫一體化的外墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 研究背景

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻是一種新型的保溫墻體形式，具有保溫效果好、可實(shí)現(xiàn)墻體保溫與主體結(jié)構(gòu)同壽命的特點(diǎn)，是今后國內(nèi)節(jié)能建筑墻體發(fā)展與應(yīng)用的趨勢。

1.1 墻體與連接件介紹

按照保溫材料的設(shè)置位置，工程中常用的保溫墻體分為外保溫墻體、內(nèi)保溫墻體和夾心保溫墻體3種。結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻也稱為預(yù)制混凝土夾心保溫墻體，是由內(nèi)外頁混凝土墻板、保溫結(jié)構(gòu)中間層、連接件組成。由于將保溫結(jié)構(gòu)層設(shè)置于墻體中部，避免了外保溫墻體火災(zāi)、自然凍融循環(huán)等自然災(zāi)害對保溫材料的危害，同時又降低了內(nèi)保溫墻體熱橋效應(yīng)的影響，提高了墻體的保溫效果。

連接件是結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的關(guān)鍵組成部件，其主要作用是連接墻體內(nèi)、外混凝土墻板與中間保溫層，抵抗兩頁混凝土墻板之間的層間剪切和相互分離。目前，常用的墻體連接件分為金屬合金連接件、普通金屬連接件和FRP連接件（圖1）。

FRP連接件采用纖維增強(qiáng)塑料材料，價格適中，同時抗腐蝕性好，傳熱能力低，是目前國內(nèi)節(jié)能建筑外墻中新興使用的連接件產(chǎn)品，在建筑工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1]。

1.2 研究與應(yīng)用

圖1 連接件分類

西方國家對結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻的研究與應(yīng)用較早，早在上世紀(jì)90年代初，美國Seeber，德國Kurama、Ramm,W等就開展了墻體及FRP連接件的研究工作，通過FRP連接件的拔出、抗剪試驗(yàn)以及墻體靜力性能試驗(yàn)確定了連接件和墻體的受力性能與破壞形態(tài)[2-6]。結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體和FRP連接件在美國、歐洲等地區(qū)的工業(yè)建筑、住宅、辦公樓、溫室得到了廣泛的應(yīng)用。

相比之下，國內(nèi)對結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的研究與應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的外墻及FRP連接件，對墻體及連接件的理論研究也較少。黑龍江、天津、北京等地建造的一些節(jié)能建筑采用的墻體和連接件大都直接購買國外產(chǎn)品，建造成本較高。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于FRP連接件在歐美等國家的應(yīng)用時間較長，國外已專門針對結(jié)構(gòu)與保溫一體化的外墻和FRP連接件編寫了多部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如AC320、ESR-1746等。

國內(nèi)尚未頒布FRP連接件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只是在《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）、《裝配整體式混凝土住宅體系設(shè)計(jì)規(guī)程》（DG/TJ 08-2071—2010）中提到了墻體和FRP連接件的設(shè)計(jì)、構(gòu)造及施工等相關(guān)內(nèi)容。

2 外墻設(shè)計(jì)

2.1 外墻與連接件開發(fā)

針對上述國內(nèi)對結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的研究較少，國內(nèi)墻體與連接件產(chǎn)品應(yīng)用匱乏等問題，上海建工集團(tuán)與同濟(jì)大學(xué)等單位合作[7]，在國內(nèi)首次開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的墻體及FRP連接件產(chǎn)品（圖2），并對墻體及FRP連接件開展了力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

圖2 結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體及FRP連接件

開發(fā)的結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體適用于夏熱冬冷地區(qū)，墻體由厚55 mm混凝土外墻板、厚40 mm泡沫混凝土中間層、厚180 mm混凝土內(nèi)墻板和FRP連接件組成，連接件在墻體中采用矩形或梅花形布置，布置間距為500 mm。

用于連接內(nèi)外層混凝土板的FRP連接件呈棒狀，由FRP連接體和塑料套環(huán)組成，連接體截面形狀為十字形。

2.1.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

針對開發(fā)的FRP連接件開展了拔出和抗剪性能試驗(yàn)（圖3），試驗(yàn)結(jié)果表明（表1），連接件的抗拔承載力和抗剪承載力均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并有一定的安全儲備。

圖3 連接件抗拔及抗剪試驗(yàn)

表1 FRP連接件拔出及抗剪試驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合理論分析，得出了連接件的抗拔承載力和抗剪承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

棒狀連接件的抗拔及抗剪承載力按式（1）、（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：h0——錐體的高度；

D1——連接件截面寬度；

ft——混凝土抗拉強(qiáng)度；

t——中性軸橫穿FRP連接件位置的連接件寬度；

α——連接件彎曲效應(yīng)系數(shù)，α=15-0.2L；

L——保溫層厚度；Sz

*、Iz、τf、σf可參考材料力學(xué)的定義計(jì)算。

FRP連接件拔出、抗剪承載力試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對比如表2所示。

表2 連接件拔出、抗剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

可以看出，F(xiàn)RP連接件抗拔與抗剪承載力公式計(jì)算值與試驗(yàn)值之間誤差較小。

2.1.2 熱工性能試驗(yàn)

為了確定結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體在實(shí)際使用過程中的節(jié)能保溫效果，我們進(jìn)行了墻體的熱工性能試驗(yàn)（圖4）。墻體的熱工性能檢測結(jié)果為：墻體熱流量值Q=13.02 W/m2，墻體熱阻值R=0.74 m2·K/W，外墻傳熱阻值R0=0.89 m2·K/W，外墻傳熱系數(shù)K=1.12 W/（m2·K），內(nèi)墻傳熱阻值R0=0.96 m2·K/W，內(nèi)墻傳熱系數(shù)K=1.04 W/（m2·K）。

圖4 外墻板熱工性能檢測

由結(jié)果可知，作外墻時，傳熱系數(shù)K=1.12 W/（m2·K）；作內(nèi)墻時，傳熱系數(shù)K=1.04 W/（m2·K）。兩者均小于規(guī)范對住宅建筑節(jié)能的限值要求[限值為1.50 W/（m2·K）]。

2.2 連接設(shè)計(jì)

構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造是預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它直接影響到整個結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能。為了避免墻體在連接節(jié)點(diǎn)處的滲水和冷熱橋現(xiàn)象，增加墻體的整體保溫效果，我們專門針對墻體的連接構(gòu)造進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.2.1 外墻與梁的連接

在結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻上部墻板中預(yù)留插筋并伸入L形梁中形成錨固。在現(xiàn)澆梁中預(yù)埋插筋并在預(yù)制墻體下部預(yù)留一豎孔，安裝時將梁中預(yù)埋插筋插入孔中。上下墻體間的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖5所示。

圖5 外墻與梁的連接示意

2.2.2 外墻與柱的連接

在結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻端部墻板內(nèi)預(yù)留插筋并伸入柱中形成錨固。插筋的直徑與布置間距應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，兩片墻體間的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖6所示。

圖6 外墻與柱的連接示意

2.2.3 外墻與剪力墻的連接

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻與現(xiàn)澆剪力墻通過接駁器連接，接駁器的直徑與布置間距應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，兩片墻體外側(cè)混凝土板的縫隙用聚苯乙烯棒條和防水材料密封處理，如圖7所示。

圖7 外墻與剪力墻的連接示意

3 外墻施工

外墻的施工步驟主要分為前期外墻的運(yùn)輸、施工準(zhǔn)備工作、外墻現(xiàn)場起吊、安裝與調(diào)整等步驟。

3.1 運(yùn)輸保護(hù)技術(shù)

由于此次開發(fā)的結(jié)構(gòu)與保溫一體化墻體的外側(cè)混凝土板較薄，故對墻板的運(yùn)輸提出了更高的要求。為此，特別研發(fā)了針對墻體的運(yùn)輸架，并針對不同墻體尺寸，設(shè)計(jì)了A形架運(yùn)輸和矩形網(wǎng)架運(yùn)輸2種方式。

當(dāng)墻板構(gòu)件的尺寸較大，尤其是寬度方向尺寸較大時，宜采用A形架運(yùn)輸方式；當(dāng)墻板構(gòu)件尺寸適中，且標(biāo)準(zhǔn)化程度較高時，宜采用矩形網(wǎng)架運(yùn)輸方式。在運(yùn)輸過程中，應(yīng)將外墻的內(nèi)側(cè)混凝土板與鋼架接觸，以便保護(hù)保溫材料和外側(cè)混凝土板。

3.2 現(xiàn)場安裝技術(shù)

3.2.1 工作流程

外墻施工（包括其他構(gòu)件）的總體流程為：引測控制軸線→樓面彈線→水平標(biāo)高測量→預(yù)制墻板逐塊安裝（控制標(biāo)高墊塊放置→起吊、就位→臨時固定→脫鉤、校正→錨固筋安裝、梳理）→現(xiàn)澆柱、墻板鋼筋綁扎（機(jī)電暗管預(yù)埋）→支撐排架搭設(shè)→柱、墻板模板安裝→疊合樓板、疊合陽臺板安裝→現(xiàn)澆樓板鋼筋綁扎（機(jī)電暗管預(yù)埋）→混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→預(yù)制樓梯吊裝。

3.2.2 前期準(zhǔn)備

預(yù)制外墻板采用豎直翻轉(zhuǎn)后運(yùn)輸，為保護(hù)外墻外立面，外墻插筋向內(nèi)、正向放置，構(gòu)件放置角度不應(yīng)小于30°，以防止傾覆。

構(gòu)件均通過運(yùn)輸架進(jìn)行運(yùn)輸。預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場后，直接連同運(yùn)輸架一起堆放在塔吊有效范圍的施工空地上。墻板采用靠放，用槽鋼制作滿足剛度要求的三角支架，應(yīng)對稱堆放，外飾面朝外，傾斜度保持在5～10°之間。

按照最大單件吊裝、裝配起重量的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)選型、比較，平面控制采用網(wǎng)狀控制法，施工采用方格控制網(wǎng)。

通過地面上設(shè)置的控制網(wǎng)，在建筑物的地下室頂板面上設(shè)置垂直控制點(diǎn)，形成十字相交，組成十字平面控制網(wǎng)，避開每層的柱、梁、墻，并且點(diǎn)與點(diǎn)之間應(yīng)不被核心筒、柱子等的預(yù)留鋼筋擋住視線。

3.2.3 外墻現(xiàn)場起吊

為防止單點(diǎn)起吊引起構(gòu)件變形，本外墻應(yīng)采用鋼扁擔(dān)起吊就位。構(gòu)件的起吊點(diǎn)應(yīng)合理設(shè)置，保證構(gòu)件能水平起吊，避免磕碰構(gòu)件邊角。構(gòu)件起吊平穩(wěn)后再勻速移動吊臂，靠近建筑物后由人工對中就位。

3.2.4 外墻安裝與調(diào)整

本外墻板吊裝的順序?yàn)椋和鈮Π暹M(jìn)場、編號、按吊裝流程清點(diǎn)數(shù)量→各逐塊吊裝的預(yù)制保溫外墻板擱（放）置點(diǎn)清理、按標(biāo)高控制線墊放硬墊塊→按編號和吊裝流程，對照軸線、墻板控制線逐塊就位設(shè)置墻板與樓板限位裝置→設(shè)置構(gòu)件支撐及臨時固定，調(diào)節(jié)墻板垂直尺寸→塔吊吊點(diǎn)脫鉤，進(jìn)行下一墻板安裝并循環(huán)重復(fù)。

3.3 施工安全防護(hù)技術(shù)

3.3.1 外墻安全防護(hù)

為了在外墻安裝施工過程中能夠保護(hù)操作人員的安全，我們專門制作了結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻圍擋，如圖8所示。

圖8 外墻安全圍擋示意

該安全操作圍擋的高度為1.8 m，用以滿足安全技術(shù)施工要求。圍擋的尺寸根據(jù)外墻的不同尺寸定做，共分為12種規(guī)格。

圍擋材料選用方形管，尺寸分別為25 mm×25 mm×2 mm、25 mm×40 mm×2 mm、30 mm×40 mm×2 mm，鋼絲網(wǎng)選用10 mm×10 mm方孔鍍鋅網(wǎng)。連接、固定采用在預(yù)制墻板上口預(yù)埋φ40 mm接駁器，通過連接件與結(jié)構(gòu)連接。

3.3.2 安全操作

針對研發(fā)的外墻，我們制定了外墻施工安全操作系列步驟：

1）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板運(yùn)輸至工地，在外墻板內(nèi)側(cè)預(yù)埋拉結(jié)點(diǎn)上設(shè)置纜風(fēng)繩。

2）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板起吊，樓層內(nèi)操作人員在該塊墻板位置佩帶穿心自鎖保險(xiǎn)帶，并與樓層內(nèi)預(yù)埋件螺栓孔拉結(jié)、扣牢。

3）結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板起吊至需要安裝樓層的外側(cè)位置，操作人員用自制的專用拉鉤將纜風(fēng)繩引至樓層內(nèi)。

4）操作人員通過纜風(fēng)繩將結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻板拉至裝配樓層位置。

5）操作人員在室內(nèi)裝置外墻板與樓層限位器。

6）操作人員在室內(nèi)裝置外墻板與樓層調(diào)節(jié)桿。

7）外墻板固定就位，吊鉤脫鉤、移離。

8）操作人員解除穿心自鎖保險(xiǎn)帶與樓層的連接，移到下一順序的外墻板位置，并與該外墻板預(yù)埋螺栓孔拉結(jié)、扣牢。

9）重復(fù)分解上述步驟，依次循環(huán)。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻具有保溫效果好、耐久性強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時可實(shí)現(xiàn)墻體保溫與主體結(jié)構(gòu)同壽命，是節(jié)能建筑墻體發(fā)展的趨勢，在國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的戰(zhàn)略背景下具有光明的應(yīng)用前景。

國外已開展了一系列結(jié)構(gòu)與保溫一體化FRP連接件的研究與工程應(yīng)用工作，并制定了連接件的相關(guān)技術(shù)規(guī)程和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。相對而言，國內(nèi)對FRP連接件的研究與應(yīng)用工作尚處于起步階段。

本文總結(jié)了結(jié)構(gòu)與保溫一體化外墻的國內(nèi)外研究與應(yīng)用進(jìn)展、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了本課題組開發(fā)的外墻及FRP連接件，并針對外墻的設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，在今后的工作中，課題組還應(yīng)開展以下研究工作：

1）在工程實(shí)際使用過程中，外墻及FRP連接件往往受到風(fēng)荷載和地震荷載的組合作用，應(yīng)進(jìn)一步研究外墻及FRP連接件的抗震性能。

2）建立熱工模型，對墻體與梁、柱節(jié)點(diǎn)的熱工性能進(jìn)行整體模擬計(jì)算，以確定墻體在實(shí)際使用過程中的保溫節(jié)能效果。