混凝土外掛板在建筑中的開拓性應用

■ 陳 燁 CHEN Ye

1 研究背景

幕墻作為建筑外圍護體系，在國內市場已應用了近30 年。從簡單的幕墻外圍護體系發展到明框、隱框玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻，再到因需加快現場安裝時間、縮短施工周期，但又需提高板塊精度而產生的單元式幕墻、系統門窗，這一系列的發展，使幕墻等外圍護體系的應用飛速普及且已相當成熟，但這并不意味著幕墻能完全滿足建筑師及業主的設計理念和要求。對于傳統幕墻在現代工程中應用，考慮到安全等問題，在相關政策、標準中有諸多規定，如：國家安全生產監督管理總局《關于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知》（建標[2015]38 號）中明確規定了“新建住宅、黨政機關辦公樓、醫院門診急診樓和病房樓、中小學校、托兒所、幼兒園、老年人建筑，不得在二層以上采用玻璃幕墻”；《建筑玻璃應用技術規程》（JGJ 113—2015）規定了安全玻璃的最大許用面積；《金屬與石材幕墻工程技術規范》（JGJ 133—2001）規定“石材面積不宜大于1.0 m2”等。另外，由于受型材擠壓設備的限制，鋁合金單元式幕墻的最大生產規格為2.5 m×6.7 m，這些規定限制了建筑立面造型的設計，致使現代建筑的外觀日趨同化。

隨著裝配式混凝土外掛板的出現，使得現代建筑的風格和生命力得到了提升。目前，混凝土外掛板限100 m 以下建筑使用，板塊分格大小也僅受運輸和掛裝的限制，即只要運輸許可且現場吊裝設備允許范圍內，皆可定制；而且混凝土可塑性強，混凝土外掛板的顏色、質感有仿石材、仿磚、多彩、透光、浮雕造型等多種形式，設計中可綜合考慮混凝土墻板的掛裝節點、荷載、藝術形式等，增強現代建筑的設計感和生命力。裝配式混凝土外掛板的應用符合國家大力倡導發展裝配式建筑的現狀。

2 混凝土外掛板設計關鍵技術

就混凝土外墻掛板的整體設計而言，傳統的PC 墻設計方式將外墻混凝土掛板做成鋼筋體系，對于公共建筑項目，此類體系的重量會造成外邊梁柱巨大的荷載。常規框架式玻璃幕墻的荷載為60 kg/m2，石材幕墻為80～100 kg/m2，若混凝土外墻掛板采用常規鋼筋體系，則重達350 kg/m2以上，設計時應重點考慮；此外，價格、施工周期、耐久性也是建筑考量的重點。因此，混凝土外墻掛板設計的關鍵技術是：易掛裝、輕量化、大分格、多造型。

2.1 易掛裝

在建筑外圍護體系掛裝方式中，典型的有單元式幕墻。它采用上掛的方式進行整體掛裝，利用型材之間的等壓腔雨屏原理提高圍護結構的水密性能（圖1、2）。

圖1 單元幕墻節點橫剖圖

圖2 單元幕墻節點豎剖圖

對于預制混凝土掛板，可借鑒此類設計方式。如九棵樹未來藝術中心的混凝土外墻掛板中，設計方采用下坐上拉的類幕墻節點，相鄰左右板塊之間亦采用了等壓雨屏原理，通過等壓腔，逐級減小室內外的壓差，以盡量防止或減少雨水和氣體的滲入，并通過“疏導”方式將雨水排出墻外；而上下相鄰板塊則采用幕墻陶板體系中的企口原理，讓水流無法滲入。同時，也可以現場進行水平方向、豎直方向、前后方向的三向調差，達到易掛裝的目的。

2.2 輕量化

常規混凝土板中，可以降低重量的部分主要為鋼筋系統和混凝土用量。從板面強度和受力計算中，借鑒外掛式幕墻體系，外掛的混凝土墻板并不參與主體結構抗震等的受力因素，可以采用幕墻系統的受力方式進行板面強度及受力桿件計算，在板面中采用豎向主體受力的方式，板內采用鋼龍骨及鋼筋網片的組合方式，可以有效降低外墻板（含保溫及室內裝飾裝修）重量至250 kg/m2左右。通過工廠化預制，可以精準地控制顏色和精度，使預制構件正反兩面均可達到最佳裝飾效果，產品一次掛裝即可同時完成室內、室外兩面裝飾（圖3）。

2.3 大分格、多造型

與外立面幕墻相比，混凝土外掛板可塑造性強，能夠實現大分格和多造型，有助于建筑師更好地闡述建筑的生命力。

圖3 混凝土外掛裝飾欄板室內外兩面掛裝示意圖

傳統概念上的單元板塊，由于受產品生產設備的局限性和標準規范的安全性要求，無法實現大跨度、大分格、多種造型的視覺效果。如考慮到玻璃短邊寬度不能大于2.4 mm、鋁型材的擠壓長度限制為6.7 m、單片石材面積不能大于1.0 m2、鋁單板的短邊寬度不能大于1.8 m 等要求，單元板塊的最大尺寸在2.5 m×6.7 m的范圍內。

混凝土外掛板目前可根據模臺和場地的大小、形式自由調整造型，在僅考慮當地運輸條件和吊裝設備制約情況下，常規寬高比尺寸可以做到3 m×18 m。如九棵樹未來藝術中心板塊尺寸為2.54 m×7.2 m、西郊國際菜場板塊尺寸為4.2 m×5.26 m、法國百達翡麗辦公樓板塊尺寸為12 m×2.5 m，等等。另外，同一模塊的不同交錯組合，也可形成有趣的立面造型效果，使整個建筑顯得生動活潑，如圖4 所示法國電力公司檔案館的立面造型。

3 混凝土外掛板施工安裝特點

混凝土外墻掛板工廠制作，現場施工安裝，可推動實現“像搭積木一樣造房子”，外立面整體工期可降低50%以上。另外，現場干法施工，可減少施工揚塵、降低施工噪聲，實現綠色施工。

以山東某建筑項目為例，其外墻面積約2 萬m2。經測算分析，采用傳統框架式幕墻的現場施工周期約為10 個月，單元式幕墻的施工周期約為6 個月；而混凝土外墻掛板單塊板面積約9 m2，完成整個外立面只需約3 個月的時間，可促進整個施工周期的降低（圖5）。

圖4 法國電力公司檔案館立面造型圖

圖5 山東某項目混凝土外墻板吊裝現場

4 混凝土外掛板的推廣應用

4.1 應用案例

混凝土外墻掛板能適用于多種建筑立面造型，使建筑富有生命感。隨著國家和地方層面對建筑裝配化程度要求的日益提高，混凝土外掛板的應用市場將不斷拓展，尤其在商場、劇院、酒店、商業園區等公共建筑中的應用。目前，上海已經使用此類材料的項目有九棵樹未來藝術中心、中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院、上海西郊國際農產品交易中心等，應用效果良好。

九棵樹未來藝術中心位于森林腹地，用地面積120 522 m2，總建筑面積71 700 m2，主要功能為文化場館設施、藝術創作中心及相關配套。基于建造過程低污染、低能耗等考慮，項目采用混凝土預制構件，為了確保大塊面混凝土掛板色彩的穩定性，生產單位嚴格控制材料配比，最終立面材質呈現出一種柔和淡雅的米黃色，能夠與四季森林的深淺綠色形成強烈而悅目的對比效果（圖6）。

在中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院（圖7）的建設中，充分發揮了預制構件在成本控制方面的優勢。生產單位通過前期優化設計，將外墻預制構件的尺寸規格數量控制到最低，只通過巧妙的位置或方向調整，以達到視覺變化的要求，在實現最佳視覺效果的同時，大量減少模具數量，進而大幅降低制作成本。

圖6 九棵樹未來藝術中心效果圖

圖7 中國福利會國際和平婦幼保健院奉賢分院效果圖

圖8 上海西郊國際農產品交易中心效果圖

相對于現場澆筑，工廠化生產的預制構件更容易實現各種復雜造型，這一優勢在上海西郊國際農產品交易中心項目中得以充分體現（圖8）。該項目為多層大型綜合型物流建筑，總建筑面積117 044 m2，其模擬流線型船頭部分由近400 塊曲面造型的外墻板組成，通過在工廠預制，使用BIM 系統控制模具制作，確保了產品的最佳造型和尺寸精確度。

4.2 重點研究方向

除了易掛裝、輕量化、大分格等系統設計要求，為擴大產品的應用范圍和規模，模具、顏色也將成為混凝土外掛板研發與設計中重點考慮的方向。

圖9 上海某預制混凝土墻板項目遠景

圖10 上海某項目預制混凝土墻板細部特寫

目前，市場上常見的模具有木模、鋼模、硅膠模，考慮到成本問題，可使用硅膠模或研發出更多種類的異型模具，使混凝土的可塑性得以充分發揮。為提升外墻混凝土掛板的表現力和生命力，通常需做到顏色自然，而非單純的統一顏色。如圖9、10 中所展示的預制混凝土墻板，遠看為純色，近看則有混凝土所特有的水化紋路，且這些紋路并不是固定的，會隨氣候不同而變化，一般的涂料或修色劑很難產生如此效果。

5 結語

綜上所述，混凝土外墻掛板在建筑外立面的使用極具價值，需要深入設計、研發和制造，并開拓性地應用于項目中。未來，可通過設計細化、優化產品性能，以進一步降低現場施工成本；或者將大數據時代的BIM信息與板面生產結合，對整個建筑的全生命周期運維提供基礎服務。