基于爬架施工全現澆混凝土外墻結構若干設計優化與措施分析

王 凱

（廈門經濟特區房地產開發集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

鋁合金模板與整體提升式腳手架（爬架）配合的施工體系由于其能夠實現工期提效、施工方便效率高、模板可回收利用、拼縫少、精度高、拆模后混凝土成型效果好等技術特點，在目前的高層及超高層建筑項目施工中逐漸得到廣泛運用［1］。對于傳統外墻結構調整為一次成型全現澆混凝土外墻結構，其調整過程中的設計優化與技術措施至關重要，本文梳理了全現澆混凝土外墻結構的若干設計優化與技術措施，并針對其中的關鍵技術措施——混凝土墻填充墻與承重墻間的柔性連接進行詳細分析，從結構受力機理與工程實例分析的角度研究其對工程質量與安全的影響。

1 一次成型全現澆混凝土外墻結構設計優化

出于施工質量與施工組織的考慮，鋁模+爬架施工體系往往要求薄抹灰/免抹灰全現澆混凝土外墻的設計。這是因為一方面全現澆混凝土外墻能夠提高施工質量，避免砌筑填充墻與外墻承重剪力墻、砌筑填充墻與墻面砂漿之間因為材料熱膨脹系數不同引起的空鼓開裂滲漏等質量通病；另一方面全現澆混凝土外墻可提高施工效率，充分利用鋁模體系施工優勢實現外墻一次成型，通過避免或減少外立面砌筑、抹灰、貼磚等濕作業等工程量有效實現穿插提效工期優化。基于以上分析，采用全現澆混凝土外墻并對原設計結構進行相應的設計優化，能夠更好地匹配鋁模+爬架施工體系，與該施工體系協調工作。

廈門市目前在建部分高層及超高層塔樓的結構施工中，采用鋁模+爬架工藝的全現澆混凝土外墻結構，不同程度分別采用了如下結構設計優化。

1）將原設計外墻調整優化為全現澆混凝土墻體，應確保結構能夠滿足抗震抗風等相關結構設計要求；

2）對于二次結構進行相應調整，將外墻砌體結構調整為混凝土結構與主體外墻剪力墻同步澆筑施工；

3）對于局部的砌體構件，如剪力墻邊的墻垛、門垛、凸窗板、窗臺墻、剪力墻開洞填充等調整為與主體梁板柱同標號混凝土同步澆筑施工；

4）對于門頂過梁調整為梁下掛板，與主體結構梁板采用同標號混凝土同步澆筑施工；

5）相應減少優化外立面線條與造型，避免線條復雜無法使用鋁模一次成型。

2 一次成型全現澆混凝土外墻結構技術措施

傳統外墻結構調整為全現澆混凝土外墻結構除了需要進行設計優化外，由于結構體系發生較大變化，針對調整為混凝土墻的填充外墻還需施行一定的技術措施，以保證結構按照原有設計狀態受力與工作，避免出現較大的工程質量與安全隱患，引發工程質量安全事故［2］。 同樣以廈門市為例，目前高層及超高層項目中采用的技術措施如下。

1）對于混凝土填充墻進行取孔處理，使用如聚氯乙烯（PVC）管等材料，預埋在填充外墻中，通過控制一定的取孔率控制新增混凝土墻體積，減少調整后外墻體系的重力變化，如圖1 所示。

圖1 取孔大樣圖示例

2）對于混凝土填充墻與混凝土承重墻或上下層梁板間進行柔性連接處理，一般使用聚氯乙烯（PVC）、增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材等材料。對于混凝土填充墻與混凝土承重墻或上下層梁板分別設置豎向與水平拉縫進行聯系，通過空腔構造的拉縫設置可以允許一定范圍的拉壓變形，以實現柔性連接，減少調整后外墻體系的剛度變化。拉縫節點大樣如圖2 所示。

圖2 拉縫大樣圖示例（單位：mm）

3 關鍵技術措施分析

上述設計優化與技術措施中，出于經濟效益的考慮，建設單位與施工單位對于設計優化落實較為到位。但是對于保證工程質量與安全的技術措施，往往由于相應技術措施費工費料，加上對于未實行技術措施帶來的結構危害不夠了解從而沒有引起足夠重視，并未落實到位。故針對以拉縫為代表的柔性連接這一保障工程質量與安全的關鍵技術措施進行詳細分析，闡述其技術機理，并以工程實例為例建模比對分析未施行該技術措施將帶來的質量安全隱患與危害。

3.1 拉縫措施工藝與機理

結構拉縫技術措施是在混凝土填充墻與承重剪力墻的豎向或橫向接縫部位，填充柔性材料，將填充墻體與承重墻體柔性連接，能夠有效隔斷填充墻同相連剪力墻及上下層梁柱，實現填充墻與承重墻的一次性澆筑成型［3］。結構拉縫技術措施的工作機理在于：一方面，通過橫向拉縫的設置使混凝土填充墻的豎向荷載不會直接傳遞到墻底的梁，而是通過豎向拉縫與錨固鋼筋將填充混凝土墻自身的重力傳遞到主要受力豎向構件上，有效降低了由高層累計的豎向荷載作用引起的底層梁局部結構破壞，降低梁體結構裂縫；另一方面，通過柔性連接能夠避免引起原設計結構剪力墻剛度變化，否則結構在地震作用下沒有進入預先設計的受力工作狀態，發生局部屈服破壞或剪切變形等不利工況。如有必要還可以在拉縫處增設阻尼構件，實現地震下耗能，進一步降低地震下響應［4］。

拉縫依據分隔連接的不同劃分為豎向拉縫與水平拉縫兩類。豎向拉縫用以連接同層相鄰的混凝土填充墻與承重剪力墻，橫向拉縫用以連接混凝土填充墻與其上下的樓層梁/板。拉縫柔性材料使用如聚氯乙烯（PVC）、增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材等。型材腔體內設置彎曲塑料片。通過腔體設置實現柔性連接，并預留孔洞以備穿拉結筋與兩側混凝土形成整體共同工作。豎向拉縫板材兩側突出卡槽對稱構造布置用以實現擋水；水平拉縫板型材在室外方向設置企口，外高內低以利于防水［5］（見圖3）。

圖3 PVC 拉縫板型材

3.2 工程實例分析

以廈門市某住宅項目為例，結構設計參數如下：建筑高度 99 m，地下室層數 2 層，地上層數 32 層，上部結構體系為剪力墻結構，建筑結構安全等級為二級；抗震設防參數如下：所在地區抗震設防烈度 7 度，設計基本地震加速度 0.15 g，設計地震分組第三組，場地類別II 類場地，場地特征周期 g=0.45s，水平地震影響系數amax在多遇、設防、罕遇地震下為 0.12、0.34、0.72；抗風設防參數如下：50 年一遇基本風壓 0.8 kN/m2，地面粗糙度 B 類。按不考慮全現澆混凝土外墻設計，結構設計按《廈門市住宅工程質量常見問題防治—若干技術措施》（2014）與《福建省住宅工程設計若干技術規定》（2018）執行。

依據上述的設計參數與建筑結構平面布置圖建模，得到外墻非全混凝土結構模型 STM-01。各項荷載取值依據 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》確定。在外墻非全混凝土結構模型 STM-01 基礎上，按照外墻全混凝土進行調整，且針對拉縫技術措施的設置對照組，分別得到外墻全混凝土拉縫結構模型 STM-02 與外墻全混凝土未拉縫結構模型 STM-03。通過對 3 個工況模型建模計算，研究混凝土填充墻與混凝土承重墻間是否設置拉縫等柔性連接技術措施對于結構地震下響應的影響。

其中對于外墻全混凝土拉縫結構模型 STM-02，增加的外墻混凝土墻部分由于設置拉縫，故在地震作用下不參與工作。按照混凝土墻體恒載取代外墻非全混凝土結構模型 STM-01 中的砌體填充外墻恒載，荷載取值如表1 所示（暫按不采用取孔措施考慮）。對于外墻全混凝土未拉縫結構模型，由于取代砌體墻的混凝土墻填充墻未與承重墻間使用柔性連接，故將參與結構的承重受力，故對該部分混凝土墻按照等厚度剪力墻布置進行考慮。

表1 STM-01與STM-02 模型外墻非承重墻墻體荷載對比

使用 YJK2.0 結構計算軟件進行建模與計算，求解STM-01、STM-02、STM-03 三個模型在地震與風振作用下的等效側向剛度比、位移比、最大層間位移角等響應指標，結果如表2 所示。其中規范要求指標取自 GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》（2016 修訂）、GB 50 010－2010《混凝土結構設計規范》（2015 修訂）、JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結構技術規程》。

通過上述響應指標比較，可以得到如下結論。

1）全混凝土現澆外墻對于結構性能不論是否經過拉縫處理均存在不同程度的不利影響。外墻全混凝土拉縫結構與外墻全混凝土未拉縫結構的剛重比分別減少至 6.366、7.132，位移比分別增加至 1.27、1.23，層間位移比分別增大至 1.37、1.27，層間位移角分別變為1/1 024、1/1 142，但均仍在規范允許范圍內。

表2 外墻非全混凝土、外墻全混凝土拉縫、外墻全混凝土未拉縫結構模型響應對比

2）外墻全混凝土拉縫結構模型相較外墻非全混凝土結構模型，僅結構剪重比變化較大，超過了規范允許區間；但其可通過剪力調整系數對相應樓層剪力進行調整，進而對部分剪力墻配筋調整即可滿足規范要求。外墻全混凝土工況下進行拉縫處理實際上帶來了結構成本的增加，但對結構設計受力狀態與工程質量安全并無顯著不利影響。

3）外墻全混凝土未拉縫結構模型相較外墻非全混凝土結構模型，最大層間位移與位移比最大值由塔樓頂部的 32 層改變至塔樓中部的 15 層處，改變了結構原設計受力狀態。雖然最大層間位移相較原結構有所減少，但是剛度比與受剪承載力均無法滿足規范要求，從而出現薄弱層在地震作用下易發生脆性破壞，存在重大安全隱患。究其原因，從結構設計概念角度出發，由于增加剪力墻使得結構剛度增加因此位移減少，但是增加的剪力墻由于地下室空間限制，無法貫通布置到地下室以及地基基礎上，因此對整體結構存在較為嚴重的不利影響。

4 結論

本文對于基于爬架施工的一次成型全現澆混凝土外墻結構系統歸納提出了若干設計優化與技術措施，并針對其中結構拉縫這一關鍵技術措施從結構受力機理出發進行了全面的剖析。以某實際工程為例，比對了外墻非全混凝土、外墻全混凝土拉縫處理、外墻全混凝土未拉縫處理 3 種工況下的結構響應。得到如下結論。

1）調整為全現澆混凝土外墻結構需要在保證抗震抗風等結構設計要求的前提下，對于原砌體構件及砌體外墻部分進行相應設計優化，將砌體調整為與相應結構承重構件同標號的混凝土同步澆筑，提高了施工工效和工程質量；

2）取孔、拉縫等技術措施對于全現澆混凝土外墻結構的工程質量與安全具有重要影響，需要嚴格落實相應的技術措施以保證結構在地震作用下按照能夠符合設計規范要求的設計受力狀態工作，由此保證工程質量與安全；

3）全現澆混凝土外墻結構對于結構拉縫這一關鍵技術措施，若未設縫或不做縫，將導致混凝土填充墻承受荷載，而混凝土填充墻與承重墻不同，未貫通布置在地下室與地基基礎上，故結構受力模式發生較大的變化，剛度比與受剪承載力等指標無法滿足規范要求，導致結構出現薄弱層，地震下優先發生脆性破壞，存在較大的工程質量安全隱患。故在設計與施工過程中需要格外重視全現澆混凝土外墻的拉縫措施設計合理布置以及施工落實到位。