裝配式建筑外墻掛板系統的設計分析“北京城市副中心”裝配式建筑

孫在久 汪建勇 向靜

隨著整個社會工業化、機械化、信息化進程的加快,國家大力發展裝配式建筑，用適用、經濟、安全、綠色、美觀的裝配式建筑服務發展方式轉變、提升群眾生活品質。發展裝配式建筑有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平，有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新產業新動能、推動化解過剩產能。裝配式外墻掛板作為建筑外帷幕構件，具有一般幕墻不能比擬的特點，其利用專業工廠設備和生產工藝，實現了幕墻的結構、防水保溫、外裝飾的一體化大板塊工廠組裝，實現了幕墻板塊高集成度的工廠化生產，確保了幕墻產品的出廠品質。本文以副中心裝配式預制混凝土外墻掛板為案例進行設計過程分析和解讀，對此類裝配式外墻掛板的設計思路進行剖析，對設計過程中遇到的問題進行總結，為日后同類型的項目設計提供參考。

2016年9月27日，國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，《意見》提出，要以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為重點推進地區，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進地區，其余城市為鼓勵推進地區，因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑。力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。裝配式建筑是用預制部品部件在工地裝配而成的建筑。發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平，有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新產業新動能、推動化解過剩產能。近年來，我國積極探索發展裝配式建筑，但建造方式大多仍以現場澆筑為主，裝配式建筑比例和規模化程度較低，與發展綠色建筑的有關要求以及先進建造方式相比還有很大差距。

我國預制混凝土發展較晚，20世紀70年代，預制混凝土施工技術第一次傳入我國國內。最初，預制混凝土主要應用于內澆外掛體系的預制混凝土外墻板反打施工中，并取得了進展。但后來，人們將外裝飾的目光都投諸于面磚和玻璃幕墻中，預制混凝土的應用和實踐幾乎處于停滯狀態。直至1997年，北京市設立了“結構長城杯工程”獎，開始推廣預制混凝土施工技術，預制混凝土才重獲發展，并出現了譬如海南三亞機場，首都機場，上海浦東國際機場航站樓、東方明珠的大型斜筒體等典型預制混凝土建筑物。近年來，隨著我國逐漸倡導節能環保和綠色施工理念，預制混凝土施工技術得到大力發展。我國預制混凝土施工技術從無到有，并逐漸成熟，已不再局限于道路橋梁、廠房和機場，在工業與民用建筑中也得到了應用。由中建三局北京公司作為總承包商建設的聯想研發基地，被建設部科技司列為“中國首座大面積預制混凝土建筑工程”，標志著我國預制混凝土已發展到了一個新的階段，是我國預制混凝土發展歷史上的一座重要里程碑。

一、項目背景

圖1 北京城市副中心A2項目總體規劃設計

北京城市副中心行政辦公區是一個集約、高效、本土、人文、樸素、典雅的建筑群。A2項目是包括主樓1座、副樓4座等的辦公區建筑群，它們形態各異、功能不同。外墻系統以大面積的預制混凝土掛板、裝配式石材幕墻、玻璃幕墻窗單元板塊為主，同時還有金屬板幕墻、金屬格柵等，簡約莊重、低調沉穩。本項目方正的建筑設計，明晰的外墻線條，f風格和構造均有規律可循，正因為如此奠定了本工程可以大量引入裝配式建筑的概念，保證裝配式預制板塊施工得以實現。各種預制板塊采取工廠化生產、現場裝配的方式，不僅可省時、省工、省錢，且無污染、少噪音、無粉塵，與綠色、低碳、節能、環保的可持續發展的精神相一致。本文著重介紹預制混凝土外墻掛板系統。

二、系統設計與分析

裝配式建筑外墻掛板系統設計主要包括三大部分，預制混凝土板塊設計、幕墻單元窗設計、保溫一體板設計。配合現場施工部分的防火、保溫、防雷，形成完整的系統。

1.預制混凝土板塊設計

（1）預制混凝土板塊受力分析與設計

預制混凝土構件作為裝配式組合外墻掛板的“骨架”，系統其它組成構件單元依附于混凝土板塊之上共同組成大板塊系統。因此，預制混凝土構件的設計就顯得尤為重要。

預制混凝土作為外帷幕構件使用一般都具有體積大、質量大的特點。板塊高度為樓層層高，寬度視建筑效果而定但保證有規律可循，減少后期模具類型。本工程預制混

北京城市副中心的建設是調整北京空間格局、治理大城市病、拓展發展新空間的需要，也是推動京津冀協同發展、探索人口經濟密集地區優化開發模式的需要。按照“世界眼光、國際標準、中國特色、高點定位、創造歷史、追求藝術”的原則，構建“典雅莊重、和諧宜人、智慧高效、綠色環保”的行政辦公區。凝土標準板塊寬4.2m、高4.5m，板塊自重達到6.8t。因此，其設計不同于傳統幕墻吊掛式的受力模式，給設計、施工帶來了巨大挑戰。眾所周知混凝土的特性是抗壓強度遠高于抗拉強度，因此，在設計過程中，主體結構以及預制混凝土構件主要受力點建議考慮是受壓而非受拉。以此要素建立系統受力模型分析，通過分析論證最終確定本系統預制板塊采用板塊下端承重、上下抗風壓的受力模型。

圖2 標準板塊三維示意

圖3 標準板塊受力模型

預制混凝土作為建筑外墻掛板的核心構件，整個組合板塊受力均是通過其傳遞到主體結構。混凝土板塊設計須保證其具有足夠強度、剛度，因此，對預制板塊材料選擇、以及制作工藝提出較高要求。本工程預制混凝土板塊材料選擇如下表（表1）所示：

表1

（2）預制混凝土板塊轉接系統設計

本裝配式外墻掛板系統板塊跨度大，由于主體結構、加工組裝、現場安裝累積起來的偏差會較大，因此，設計時應考慮轉接系統具備更大的調節能力。所以，本轉接系統設計三向六自由度的調節尺寸均不小于±30mm，保證足夠的三維調節余量，且可以通過改變轉接件尺寸來實現更大的偏差調節能力。

預制混凝土板塊轉接件均采用熱浸鍍鋅鋼件，連接螺栓選用不銹鋼螺栓。由于掛板尺寸大、質量大，要充分考慮由于自重和外力帶來的荷載，并留足夠富余量，通過計算確定材料規格型號的選擇。本工程鋼件材質為Q345B、厚度達到16mm，螺栓選用材質為A4-70、M24的不銹鋼螺栓。

本系統所有連接均為螺栓連接，機械連接是本系統作為裝配式外墻掛板的一大亮點。組合掛板的安裝以及其組件與預制混凝土板塊的連接均使用螺栓連接，大大提高施工效率，營造良好的施工環境。

預制混凝土板塊跟與其直接連接的轉接件之間采用非剛性連接。此連接位置鋼方墊片與轉接鋼件之間嚴禁焊接，并選用具有優良化學穩定性、耐腐蝕性、高潤滑不粘性和良好的抗老化耐力的聚四氟乙烯作為滑移片，使整個系統具有一定變形能力，以保證當溫度變化時，引起不同材料之間不同步熱脹冷縮，帶來的應力得到釋放，不至于對系統造成損壞。

本掛板系統承重設計是該系統一大創新點，重力豎直向下，承重裝置與之相對，但主體結構并非絕對水平，同時預制混凝土板塊預埋也存在一定程度上的偏差，這就要求承重裝置具有吸收角度偏差能力和高低調節能力，因而設計了一款可調節球鉸螺栓。

圖4 板塊連接節點示意

圖5 承重節點示意

（3）預制混凝土板塊預留預埋設計

裝配式預制混凝土板塊由標準板塊衍生出多種規格，不同規格板塊的造型設計、以及預留預埋設計，是本系統的設計重點。裝配式建筑的一大優點是實現了大量施工任務工廠化，這就要求各組成構件模數化。因此孔位的設計需考慮與之配合的組件的批量化生產，同時也是預制混凝土構件自身批量化生產的前提，不同功能性的預留孔位應具有明顯特征，同一功能用途的預留預埋應具有規律，這樣方便生產和檢查。預制構件均采用定制的鋼制模具生產，模具設計、預制混凝土配筋設計均由專業公司完成，并交于專業廠家完成預制混凝土板塊的生產任務。

預制混凝土板塊預留預埋共計六大類，幕墻窗單元固定點、保溫一體板固定點、轉接系統連接點、承重預埋點、安裝吊點以及脫模吊點。所有預留孔位均與該系統其它組件有一一對應的配合關系，如幕墻窗單元、保溫一體板等。因此，對預制混凝土板塊生產提出更高的要求，預留預埋必須有更高的精度控制。具體要求如下表2、表3所示：

表2

表3

圖6 標準板塊預埋孔位示意圖

2.高集成裝配式窗系統設計

本系統裝配式窗高度集成化，可在工廠實現標準化生產，具備與預制混凝土板塊適應功能，窗與預制混凝土板塊連接方式進行了專門的設計，窗板塊大，自重大，保證室內空間高通透性的的同時，對窗受力模型、保溫性能、防水性能、施工安裝等提出了新的要求，窗系統還包含泛光照明、隱藏式紗窗、回形裝飾板等安裝配合設計。

（1）高集成裝配式窗材料設計

本系統窗專為配合預制混凝土板塊設計，面積大，對窗型材受力要求較高，窗框、窗中挺、窗中橫梁材料需要較高的強度及剛度，型材模圖的設計需根據計算要求，適當加大型材截面及厚度，應力集中點設置加鍍鋅鋼板加強件，保證窗型材受力滿足要求，型材表面氟碳噴涂處理，鋁合金型材材質宜采用6063-T6，型材應符合國家現行標準《鋁合金建筑型材》GB/5237規定的質量要求。

圖7 單元窗受力模型示意

玻璃外觀顏色的選用需要考慮整體建筑外立面效果，與預制混凝土板塊顏色相適應，玻璃外觀質量和技術指標，應符合現行標準《浮法玻璃》GB11614的建筑級的有關規定，中空玻璃還應符合《中空玻璃》GB11944，所有玻璃均進行倒棱、倒角、磨邊處理，窗玻璃采用全鋼化三玻兩腔Low-e玻璃，可達到較好的保溫隔熱及隔聲性能。

（2）窗系統集成化設計

本系統窗面積大，室內空間通透性高，集泛光照明、隱藏式紗窗、藝術窗花于一體，在方案設計時充分考慮了各種功能銜接與配合，在窗框四周設置可開啟試槽口，配合后期泛光照明專業安裝燈具及走線，在開啟扇窗寬頂部設置有隱藏式紗窗盒安裝槽口，紗窗盒可安裝在槽口里面，紗窗盒不外漏，窗整體外視效果好，窗底部設計有回形藝術窗花，窗花背面設置鋁背襯板及保溫巖棉，確保窗密封性能及防水性能。

圖8 型材加強示意

圖9 集成式窗構件示意圖

（3）窗系統功能性設計

①抗風壓設計：本系統窗面積較大，承受風壓較大，采用大截面6063-T6型材，局部受力較大部位型材需要有加強構造，窗框組角需要有加強措施，采用大截面中橫梁，增強窗整體剛度，以滿足窗抗風壓性能要求。

②防水設計：窗防水以疏堵結合，以堵為主的原則，在固定玻璃部位設置三道密封線，防止雨水滲透，在開啟窗扇部位設置三道EPDM 膠條防水線，在開啟窗扇下端設置排水孔，使其通過窗排水系統排水孔，可將開啟部位少量滲漏水排出到室外。

③窗保溫隔熱設計：本系統窗型材采用隔熱斷橋型材，較少熱傳遞，在熱橋部位兩隔熱條空腔中填充保溫巖棉，減少熱橋空腔兩側型材熱量損失，玻璃選用三玻兩腔TP8+12Ar黑色暖邊+TP6+12Ar黑色暖邊+TP6雙中空Low-E鋼化超白玻璃，三玻兩腔結構、黑色暖邊、氬氣填充玻璃，使其具備良好的保溫隔熱性能。

圖10 窗防水密封系統

圖11 窗保溫隔熱系統

（4）窗系統安裝方案設計

本系統窗專為預制混凝土板塊配合設計，待窗加工完成后，在工廠將窗安裝在預制混凝土板塊上，調試完成后，運輸到施工現場，與預制混凝土板塊一體吊裝，進行最終的定位調節，最后在窗與預制混凝土板塊之間的拼縫中填充保溫巖棉，打膠密封完成整個裝配式窗的安裝流程。

此幕墻窗規格為3.3x3m，通過受力分析優化受力模型，嚴格計算分析，取最優化的受力模型體系，共設置8個支點，選取窗側兩點為主承重點，其余各支點為主抗風壓點。通過科學的轉接系統設置，消除幕墻窗的安裝誤差，吸收窗系統的應力變形。

圖12 單元窗組合示意

窗與預制混凝土板塊間采用特制鋁合金連接件連接，承重掛點開橫向長條孔，實現左右方向調節功能，風載荷掛點開豎向長條孔，實現上下方向調節功能。

窗與預制混凝土板塊拼縫中填充保溫巖棉，室外面打膠密封,確保保溫性能級密封性能。

3.裝配式保溫一體板設計

（1）裝配式保溫一體板的構造分析

裝配式保溫一體板為非承重結構構件, 不承受建筑物載荷, 只承擔自重、 風壓、地震、溫差等產生的應力。具體材料要求如下表（表4）所示

表4

圖13

（2）裝配式保溫一體板與裝配板塊的連接設計

本工程裝配式建筑保溫一體板體系同樣歸類于夾芯保溫板類型，但為了使該保溫系統更加合理地融入裝配式外墻掛板體系，采用同步設計和安裝的方式，在連接構造上進行了優化，以達到幕墻裝配板塊和保溫體系在風壓、溫差、地震作用下同步變形和位移。

此保溫一體板自身自帶骨架，自成體系，除自身體系的結構受力需滿足要求外，重點關注保溫一體板與裝配板塊之間的連接，考慮預埋預留的點位布置，裝配的誤差控制，組裝的難易，好的連接構造推薦設計為螺栓連接或者掛接形式，盡量避免焊接，為后期的保溫板維護提供更換便利（如下圖所示）。

圖14 螺栓連接節點示意

圖15 掛接形式節點示意

（3）保溫一體板防水性能與密封性能的處理

保溫一體板主要考慮其自身的防水和與裝配板塊間的密封處理。保溫板自身的密封通常采用密封膠嵌縫來實現，在工廠組裝時即可完成。與裝配板塊的密封處理，可選擇膠條或密封膠嵌縫處理。

總之使保溫一體板作為裝配式板塊的內層防水體系，保證整個裝配板塊的雙層防水系統。

圖16

（4）保溫一體板室內裝飾面的要求

在實際安裝過程中，保溫一體板一個樓層內每一個單元分上下兩塊，采用密拼方式連接，以采光區窗為控制輪廓，進行保溫板和創型材之間的密拼交接處理，在相應裝配板塊轉接件位置，同樣需要考慮構件避讓問題。也就是說裝配式幕墻板塊完成掛裝后，其背面即為室內可視的完成面，保溫一體板同時作為室內的內墻基礎面，表面進行抹灰處理即完成室內墻面的裝修。

4.裝配式預制混凝土掛板系統常規性能設計

（1）防水設計

裝配式預制混凝土掛板系統的防水設計分為兩部分構成，預制混凝土板塊自身防水和板塊之間拼縫防水。本工程預制混凝土板塊由專業廠家提供產品服務，因此預制混凝土自身防水由專業廠家完成，內表面滿涂專用防水涂料，以防止室內外溫差形成的冷凝水對預制混凝土的侵蝕，外表面主要通過特殊涂料來實現預制混凝土的表面處理，以達到其外觀效果及防水要求；板塊拼裝縫通過密封材料形成澆圈的防水密封層，密封膠選擇專用硅酮耐候密封膠。預制混凝土外視面斜坡的造型設計，形成良好的排水坡度，再加上滴水檐的設置，引導大量的水有序排走。

本系統防水采用兩道水密線設計。外道采用專用硅酮耐候密封膠形成第一道密封，作為主要防水密封圈；內側豎向縫之間采用三元乙丙膠條密封，橫向采用臺階造型的設計，組合以形成第二道水密線。

圖17 防水節點示意

（2）防火設計

本工程耐火等級為一級，在防火材料的選擇上需達到燃燒性能A級，滿足2小時防火。因此，選擇100mm厚密度不低于110㎏/m3的防火巖棉，采用1.5mm厚鍍鋅鋼板承托。

本系統防火由兩部分組成，相鄰樓層之間的樓板處，同一樓層的不同防火分區之間的隔墻處。樓層之間防火采用1.5mm厚熱浸鍍鋅鋼板承托100mm厚防火巖棉，水平設置連續隔斷層；同一樓層的不同防火分區之間防火隔斷用1.5mm厚鍍鋅鋼板制作，設置兩面封閉的鋼板，中間鋪設100mm厚防火巖棉。防火巖棉均采用鋁箔包裹嚴密，以免受潮及防止巖棉飛絮危害健康。防火隔斷鋼板周邊使用防火密封膠密封嚴實，防火巖棉應填塞緊實無間隙。

圖18 防火豎剖節點示意

圖19 防火橫剖節點示意

（3）保溫設計

本系統保溫設計分采光區和非采光區兩部分。采光區主要采用斷橋隔熱鋁型材和雙中空Low-e玻璃來實現保溫設計，為達到保溫性能玻璃還采用黑色暖邊和中空層充氬氣設計；非采光區部分的保溫設計，作為室內可視面部分均采用保溫一體板，層間隱蔽部分采用依附于結構的連續保溫層設計。保溫材料均選用不小于100mm厚、110㎏/m3，燃燒性能A級不燃材料的保溫巖棉。所有保溫棉應設有防止散落、飛揚等可靠措施。

圖20 裝配式掛板保溫示意

（4）防雷設計

本項目防雷等級為一級，所有幕墻立面要考慮防側擊雷，所有壓頂等位置要考慮做接閃器，防直擊雷。所有防雷措施要接入主體結構防雷體系。

三、結語

通過本次裝配式建筑外墻掛板系統設計的解讀與分析，深感裝配式建筑無與倫比的魅力，裝配式建筑以其高集成度、模塊化的設計、工廠化的生產為主要特點。本次設計主要是針對“骨架”是預制混凝土這一形式的外墻掛板，混凝土具有自然和諧的質感，能夠展現返樸歸真的自然美感，達到了人、建筑、自然的和諧統一，詮釋了樸素、典雅的建筑特點。預制混凝土具有良好的整體性、可塑性，工廠化一次澆筑成型，可以實現不同的外觀需求。我認為只有合理的設計才能做出合格的產品，隨著越來越多案例的成功應用，必將推動預制混凝土相關技術的發展、提升和完善，不斷打造精品工程。而裝配式外墻掛板形式更是多種多樣，其“骨架”可以是本系統的預制混凝土板塊，也可以是鋼材、鋁型材等，飾面材料可以是石材、玻璃、金屬板等，這些材料不同的組合形式得到不同美感的組合體，其超強的適應性也是其他幕墻形式無可比擬的。在國家大力倡導發展裝配式建筑的時代大背景之下，相信裝配式建筑發展前景一定是無比廣闊，我們每一個建設者更應不遺余力為此而努力。