超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系研究

徐陽(yáng)，褚作勇，王曉波

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000；2.北京中清恒業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100044）

0 引言

隨著我國(guó)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系和墻體材料已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展要求。目前，我國(guó)建筑業(yè)能耗占社會(huì)總能耗的35%-40%。我國(guó)既有的近400億m2建筑中的99%為高耗能建筑，新建建筑中95%以上仍屬于高耗能建筑，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家新建建筑的3倍以上[1]。傳統(tǒng)建筑仍處于粗放式發(fā)展，消耗巨大的資源，其保溫效果差，施工工序多而復(fù)雜，對(duì)環(huán)境造成污染大，對(duì)工人來(lái)說(shuō)勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作環(huán)境差，超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系成功解決了以上問(wèn)題[1]。該結(jié)構(gòu)體系保溫效果好，組成該體系的模塊可以在工廠預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)靈活拼裝，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系施工質(zhì)量有保證且施工速度快，需要投入的人員設(shè)備少，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小。由于國(guó)家對(duì)綠色節(jié)能要求越來(lái)越高，超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系具有更大的發(fā)展空間。

1 保溫建筑模塊的分類(lèi)及組合方式

1.1 植物纖維混凝土保溫建筑模塊

植物纖維混凝土保溫建筑模塊是由外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板和連接塊組成，外側(cè)板和內(nèi)側(cè)板相互平行設(shè)置并具有一定的間距，其通過(guò)連接塊相連。外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板和連接塊采用植物纖維混凝土整體澆筑預(yù)制為一體，且外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板的上下邊緣有企口以便拼接，連接塊上設(shè)置有限位槽，用來(lái)放置水平鋼筋，內(nèi)側(cè)板和外側(cè)板中的小空腔放置輕質(zhì)保溫材料。如圖1所示。

圖1 模塊示意圖

該模塊的優(yōu)勢(shì)：內(nèi)、外側(cè)板和連接塊采用植物纖維混凝土，而植物纖維混凝土是由植物纖維和水泥基料組成的復(fù)合材料，由于纖維的抗拉強(qiáng)度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及延伸率和韌性得以提高，同時(shí)植物纖維始終綠色材料，因此模塊具有更好的力學(xué)性質(zhì)和環(huán)保效果;解決了模板的安裝、拆卸問(wèn)題，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)，提高了施工質(zhì)量;完美解決了防火問(wèn)題，防火等級(jí)高，并且結(jié)構(gòu)整體性好、抗震強(qiáng)度高;設(shè)置的空腔能夠解決自保溫、水電管線(xiàn)的鋪放問(wèn)題;該建筑模塊可以由工廠預(yù)制，施工現(xiàn)場(chǎng)組裝，加快了施工速度，降低了施工難度。

總體而言，該模塊是一種免拆內(nèi)置、保溫一體化、綠色節(jié)能的新型模塊。

1.2 模塊的分類(lèi)

植物纖維混凝土保溫建筑模塊為了適應(yīng)建筑構(gòu)造做法，根據(jù)產(chǎn)品外形可把空腔模塊分為塊直板空腔模、直角空腔模塊、T型空腔模塊、十字型空腔模塊及扶壁柱墻體空腔模塊。

直板空腔模塊根據(jù)適用不同的建筑部位分為3種規(guī)格，如圖2所示。

圖2 直板空腔模塊

直角型空腔模塊根據(jù)適用不同的建筑部位分為4種規(guī)格，如圖3所示。

圖3 直角型空腔模塊

T型空腔模塊根據(jù)適用不同的建筑部位分為4種規(guī)格，如圖1.4所示。

圖4 T型空腔模塊

十字型空腔模塊根據(jù)適用不同的建筑部位分為2種規(guī)格，如圖5所示。

圖5 十字型空腔模塊

扶壁柱墻體空腔模塊根據(jù)適用不同的建筑部位分為5種規(guī)格，如圖6所示

圖6 扶壁柱墻體空腔模塊

圖7 連接塊

1.3 適用結(jié)構(gòu)與構(gòu)造模塊設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)不同的建筑構(gòu)造節(jié)點(diǎn)做法，盡量減少施工過(guò)程中對(duì)模塊的切割工作和節(jié)約成本，可采用不同類(lèi)型的空腔模塊。不同類(lèi)型空腔模塊的應(yīng)用位置如下所述。

空腔直板型模塊主要有3種規(guī)格，如圖3所示的圖a模塊適用于房屋內(nèi)外墻、承重墻及非承重墻；圖b所展示的模塊與圖a相比，內(nèi)側(cè)版變?yōu)閷?shí)心板，適用于基礎(chǔ)；圖c所展示的模塊與圖b相比，內(nèi)、外側(cè)板相差一個(gè)樓板厚度，適用于外墻與樓面板交界處。模塊的模數(shù)基數(shù)為3M，尺寸為900×300×300（長(zhǎng)×寬×高）、600×300×300、300×300×300。空腔直板型模塊的連接塊（是由圓臺(tái)和圓柱的，如圖7）位于模塊的中部。圓柱體兩側(cè)各有一個(gè)限位槽（如有需要更多的鋼筋可以增加更多的限位槽），在限位槽上放置水平鋼筋，其大小一般能放置8～12mm鋼筋,并距離連接塊最外側(cè)的距離要滿(mǎn)足現(xiàn)澆混凝土墻的最小保護(hù)層厚度即15mm。這樣使每一塊空腔模塊在澆筑混凝土后，形成更穩(wěn)定、更均勻和更有效的受力體。

空腔直角型模塊和T型模塊是為墻體轉(zhuǎn)角處保溫系統(tǒng)的整體性提供保證。傳統(tǒng)外墻保溫體系，由于自身材料的缺陷，保濕板的拼接（尤其是墻體轉(zhuǎn)角處的拼接）密封性比較差，植物纖維混凝土保溫建筑模塊利用自身可塑的優(yōu)勢(shì)，很好的解決了墻體轉(zhuǎn)角模塊密封的問(wèn)題。空腔直角型模塊和T型模塊與直角型模塊一樣，都是用于內(nèi)外墻體、基礎(chǔ)及墻體與樓層交界處。直角型模塊尺寸為725mm×300mm×300mm和425mm×300mm×300mm。T型模塊延外墻方向壁長(zhǎng)600mm，延內(nèi)墻方向壁長(zhǎng)為175mm或475mm，寬度為300mm，高度為300mm。

十字型模塊適用于內(nèi)墻十字交叉處，在交叉處設(shè)置暗柱，不僅能加強(qiáng)墻體之間的剛度和穩(wěn)定性，也起到了增大使用空間和減少支模工序。十字型模塊長(zhǎng)邊425mm，短邊125mm，高度300mm，寬度300mm。

扶壁柱墻體空腔模塊作為加強(qiáng)柱的專(zhuān)用模塊，主要是應(yīng)對(duì)房間跨度過(guò)大，需要設(shè)置加強(qiáng)柱時(shí)的補(bǔ)充。

1.4 模塊的拼裝要點(diǎn)

在水平拼裝時(shí)，將直角空腔模塊、T型空腔模塊和扶壁柱墻體空腔模塊定位、固定牢固，然后插入直板空腔模塊[2]。為了使空腔模塊拼裝起來(lái)更牢固，要進(jìn)行企口對(duì)齊拼接。與傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)施工一樣，為保證墻體的強(qiáng)度，模塊在拼裝時(shí)也需要錯(cuò)縫插接。如前文所述，同一類(lèi)型的模塊設(shè)計(jì)有不同的尺寸，利用不同的兩種尺寸在上下層相互交錯(cuò)拼裝。

2 纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)

植物纖維混凝土保溫建筑模塊作為墻體的現(xiàn)澆免拆模板，可在滿(mǎn)足自承重的前提下根據(jù)水平荷載等要求，配筋形成隔墻，也可按照相關(guān)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)承重墻。

該墻體構(gòu)件體系是輕鋼型龍骨、水平鋼筋及模塊組成，如圖8、圖9所示。輕鋼型龍骨是冷彎C型鋼，一般為Q235或Q345鋼材，其表面有大橢圓開(kāi)孔、半橢圓開(kāi)孔和兩側(cè)翼緣，大橢圓開(kāi)孔有利于減少鋼材用量和增大混凝土與鋼材的粘結(jié)力，兩側(cè)半橢圓開(kāi)孔有利于水平鋼筋的固定免去綁扎，翼緣有助于增強(qiáng)鋼材的剛度和與混凝土之間的咬合力。該模塊外側(cè)可以選擇性進(jìn)行裝飾，因纖維膜殼自身可以作為裝飾面，當(dāng)需要另進(jìn)行粉刷裝飾時(shí)，可在墻體的內(nèi)、外側(cè)依次做找平層、抹面層及飾面層，所形成的保溫承重墻體系統(tǒng)即纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)。

在纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)中，模塊墻體作為結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，由于纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)的洞口較多，體系的應(yīng)用有一定的局限性。適用范圍為抗震設(shè)防烈度8度及8度以下地區(qū)，層高不宜大于3.3m的24m以下且層數(shù)不大于7層的三級(jí)抗震等級(jí)的保溫承重墻體工程[3]。

纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體構(gòu)件的重要特點(diǎn)是模塊按照錯(cuò)縫搭接的原則拼裝空腔模塊，在空腔內(nèi)放置輕鋼型龍骨和水平分布鋼筋，并現(xiàn)澆輕質(zhì)混凝土，模塊、鋼筋和輕鋼型龍骨形成受力體系用來(lái)承受水平和豎向荷載。該墻體構(gòu)件系統(tǒng)集承重結(jié)構(gòu)與保溫一體化，結(jié)構(gòu)受力介于配筋砌塊和剪力墻之間，用龍骨代替豎向鋼筋用模塊代替模板，不但做到承重與保溫一體化也使構(gòu)造及施工簡(jiǎn)單，并節(jié)省能源和符合綠色建筑要求。總之，該墻體構(gòu)件與低層住宅對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求相對(duì)較弱的特點(diǎn)相吻合，所以纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)應(yīng)用于低層和多層住宅具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖8 纖維膜殼格構(gòu)式混凝土墻體系統(tǒng)

圖9 輕鋼型龍骨

3 超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系的樓板

超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系具有保溫、施工簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，如果繼續(xù)使用現(xiàn)澆混凝土樓板就違背了該體系施工簡(jiǎn)便和環(huán)保的原則。該結(jié)構(gòu)體系的樓板構(gòu)件采用MDF金屬網(wǎng)狀箱空心樓蓋系統(tǒng)。樓板是由密肋梁、分布鋼筋、鋼筋體和MDF金屬網(wǎng)狀箱組成，如圖10所示。MDF金屬網(wǎng)狀箱可以在工廠預(yù)制也可以在現(xiàn)場(chǎng)由金屬網(wǎng)折疊組成。

MDF金屬網(wǎng)狀箱空心樓蓋的重要特點(diǎn)是降低建筑層高，增加凈空高度；減少土方挖掘量，節(jié)約土建造價(jià)；加快施工進(jìn)度，縮短施工工期；節(jié)約配套建筑材料，降低建筑成本；保溫隔音，節(jié)能環(huán)保；剛度大變形小，抗震性能好；施工抗浮簡(jiǎn)便，抑制裂紋發(fā)展。

圖10 MDF金屬網(wǎng)狀箱空心樓蓋

樓板的施工流程：①在支持架上拼裝樓蓋模板;②鋪設(shè)抗裂鋼絲網(wǎng)和地板筋;③綁扎梁鋼筋;④在密肋梁中預(yù)埋水管電線(xiàn);⑤安裝MDF鋼板網(wǎng)箱構(gòu)件;⑥鋪設(shè)上翼緣鋼筋;⑦進(jìn)行抗浮處理;⑧調(diào)整定位鋼網(wǎng)箱做好隱蔽驗(yàn)收和記錄;⑨采用泵送混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑;⑩振動(dòng)、平整上翼緣板;?養(yǎng)護(hù)樓蓋混凝土，達(dá)到強(qiáng)度要求后拆模。

MDF空心樓蓋優(yōu)勢(shì)：金屬網(wǎng)狀箱作為填充體能有效的解決空心樓蓋填充體存在的隔離、位移、破損、自重大、抗浮等缺陷，具有運(yùn)輸方便、安裝簡(jiǎn)便、施工便利等優(yōu)點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)整體性好，可適用于大跨度、大荷載、大空間的工業(yè)與民用建筑。

4 對(duì)超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系施工模擬

超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系的房屋主體的建造工藝應(yīng)按下列順序進(jìn)行：測(cè)量放線(xiàn)；地基基礎(chǔ)施工和輕鋼型龍骨固定；條形基礎(chǔ)頂面或地梁上表面測(cè)量放線(xiàn)和表面找平；窗下空腔墻體組合及校正；澆筑墻體混凝土；門(mén)窗墻垛及上部空腔墻體組合支護(hù)樓面模板；MDF金屬網(wǎng)狀箱空心樓蓋拼裝和澆筑；繼續(xù)上一層墻體和樓面施工[4]。

利用3DMAX對(duì)超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系施工模擬，如圖11所示。

圖11 結(jié)構(gòu)施工模擬圖

5 小結(jié)

超低能耗纖維膜殼格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)體系，它采用免拆模板、分層支模、分層澆筑，保溫和混凝土墻體一次成型，保證了外墻保溫與結(jié)構(gòu)施工同步化，簡(jiǎn)化了施工工序；工人操作簡(jiǎn)便，提高了工效效率；結(jié)構(gòu)永久牢固可靠，與傳統(tǒng)在建筑外表面貼保溫層相比，不會(huì)出現(xiàn)保溫層日久脫落現(xiàn)象。目前，墻體構(gòu)件模塊進(jìn)一步改進(jìn)，由雙側(cè)保溫變成單側(cè)保溫，單側(cè)保溫層加厚。為了便于加工生產(chǎn)連接件，其位置進(jìn)一步改為模塊的上下邊緣，連接件的形狀由圓柱改進(jìn)為有半圓柱和梯形組合體，具有更高的強(qiáng)度和減少對(duì)墻體的削弱。骨架不只是單一的輕鋼型龍骨，可以是由自主研發(fā)的預(yù)制焊接桁架柱作為龍骨。預(yù)制焊接桁架柱比輕鋼型龍骨體積小、強(qiáng)度更高和受力更合理等優(yōu)點(diǎn)。空心樓蓋采用施加預(yù)應(yīng)力的方法，和金屬網(wǎng)狀箱結(jié)合在一起，具有更高的承載能力。

總而言之，新型結(jié)構(gòu)體系中的空心模塊可工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，提高了建筑工業(yè)化程度，施工簡(jiǎn)單易行，極大地縮短建筑物的施工周期。該技術(shù)可以應(yīng)用于農(nóng)村城鎮(zhèn)住宅 (如雄安新區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃的農(nóng)村住宅樓)、災(zāi)后重建、寒冷地區(qū)住宅和工人臨時(shí)居住所。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)體系也要隨時(shí)代發(fā)展做出更新，面對(duì)日益缺乏的資源和對(duì)人們對(duì)住房空間、安全和舒適度的要求，該結(jié)構(gòu)體系技術(shù)應(yīng)該朝著更加節(jié)能環(huán)保、造價(jià)低、易于搭建和回收的方向發(fā)展。