超大規(guī)格UHPC材料在幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討
——以鄭州紫荊網(wǎng)絡(luò)安全園項(xiàng)目為例

谷文龍 北京中技金谷集成房屋科技有限公司

1 前言

建筑幕墻是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)，主要由結(jié)構(gòu)框架與鑲嵌板材組成，無(wú)需承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)載荷與作用[1]。建筑幕墻從1851 年英國(guó)倫敦國(guó)際展覽館—“水晶宮”為開(kāi)端，中國(guó)的建筑幕墻使用始于 1978 年北京長(zhǎng)城飯店，國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，截至目前，中國(guó)建筑幕墻從年產(chǎn)量和存量?jī)煞矫婢佑谑澜绲谝晃籟2]。

目前幕墻所采用的板材主要有玻璃、鋁單板、鋁塑板和石材等，傳統(tǒng)材料自身厚重、大尺寸限制、耐久性一般等缺陷，嚴(yán)重限制了建筑師設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新。隨著科技發(fā)展的日新月異，同時(shí)具備輕質(zhì)高強(qiáng)、超大分格、良好耐久性及造型優(yōu)雅、色彩豐富的UHPC 外墻裝飾板應(yīng)運(yùn)而生。UHPC 為ultra—high performance concrete panel 的簡(jiǎn)稱(chēng)，即超高性能混凝土板，1994 年由法國(guó)學(xué)者提出。UHPC板近年來(lái)在國(guó)外廣泛應(yīng)用于超大分格，如地中海歐洲文明博物館與樓頂U(kuò)HPC人行橋、邁阿密Dior 旗艦店UHPC 幕墻、米蘭世博會(huì)意大利館UHPC 幕墻等。

中國(guó)UHPC 幕墻項(xiàng)目開(kāi)端于2018 年深圳悅彩城展示中心幕墻，目前已從依靠進(jìn)口發(fā)展到以自主研發(fā)推動(dòng)規(guī)模化應(yīng)用階段。2019 年大規(guī)格UHPC 預(yù)制外墻板在上音歌劇院幕墻工程中首次大面積應(yīng)用（單板1 500 mm×4 200 mm）。UHPC 外墻板作為一種輕質(zhì)、超高強(qiáng)、可造型的新型材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了顯著提升建筑外墻耐用性、建筑視覺(jué)表現(xiàn)力更佳和良好的裝飾效果，受到建筑師和業(yè)主的廣泛青睞[3]。

目前限制UHPC 板推廣應(yīng)用的主要原因是缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一方面不同企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制良莠不齊，致使工程中時(shí)有UHPC外墻板收縮開(kāi)裂、翹曲、滲水、局部脫落等現(xiàn)象發(fā)生；另一方面現(xiàn)在UHPC 幕墻的設(shè)計(jì)安裝多參考或借用其他材料如GRC、金屬、石材或其他人造板材幕墻的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在材料性能要求、幕墻結(jié)構(gòu)和安裝設(shè)計(jì)等方面未能真正體現(xiàn)和發(fā)揮UHPC 性能。專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的缺失嚴(yán)重影響UHPC 材料在建筑幕墻工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，探索超大規(guī)格UHPC 板塊在幕墻工程中的應(yīng)用，豐富幕墻板材應(yīng)用形式，以期為后續(xù)同類(lèi)的工程應(yīng)用提供借鑒。

本文以鄭州紫荊網(wǎng)絡(luò)安全園項(xiàng)目為例來(lái)探討UHPC 大型單元板塊的材料性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)字化應(yīng)用問(wèn)題。

2 UHPC 材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

UHPC 是一種以耐堿玻璃纖維、有機(jī)纖維、鋼纖維等為增韌材料，白色硅酸鹽水泥或灰色硅酸鹽水泥為膠凝材料，砂子為集料，輔以活性粉末、外加劑、顏料、水等原料，是一種高強(qiáng)度、高韌性、孔隙率低的超高強(qiáng)水泥基材料。UHPC 板的基本配制原理為：通過(guò)提高組織成分的細(xì)度與活性，不使用粗骨料，使材料內(nèi)部的孔隙與微裂縫減到最少，從而獲得超高強(qiáng)度與高耐久性，采用澆筑或噴射工藝制成的板塊。

性能優(yōu)勢(shì)：超高性能混凝土主要指超高的力學(xué)性能和超高的耐久性。在顯微鏡下GRC 材料內(nèi)部呈現(xiàn)為絮狀體，分布松散；UHPC 材料內(nèi)部呈現(xiàn)為顆粒狀，排布緊密，致密度高。UHPC 超高性能混凝土板相比于常見(jiàn)的GRC 板具有更高的強(qiáng)度和耐久性（見(jiàn)表1）。相較于傳統(tǒng)材料GRC，UHPC 致密度高，吸水率大大降低，不易變形，材料性能幾乎不隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而降低，其體積的穩(wěn)定性保證了在環(huán)境中產(chǎn)生開(kāi)裂和變形的風(fēng)險(xiǎn)大為降低。相比于GRC 材料存在的易老化性，UHPC 性能方面有很大的優(yōu)勢(shì)。在凍融循環(huán)、海洋環(huán)境、硫鋁酸鹽侵蝕、弱酸侵蝕和碳化下，能夠耐受各種有害物質(zhì)滲透到基體內(nèi)部，同時(shí)具有自愈能力，防水效果非常好[4]。

表1 UHPC 材料與傳統(tǒng)GRC 材料物理性能對(duì)比表

成本優(yōu)勢(shì)：UHPC 的超高性能和原材料決定了它的工藝和材料成本會(huì)略高于GRC，但也正是因?yàn)樗某咝阅苁鬼?xiàng)目和構(gòu)件的后期維護(hù)成本大幅度降低，同時(shí)UHPC 強(qiáng)度發(fā)展快，構(gòu)件制作周期較GRC 短，從整體項(xiàng)目角度分析，綜合成本并不一定明顯高于GRC。同時(shí)UHPC的優(yōu)異流動(dòng)性使構(gòu)件表面細(xì)膩致密，邊線棱角清晰完整，大大減少后期的修補(bǔ)，不僅可以降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，而且具有比GRC 更好的表觀效果。

外觀優(yōu)勢(shì)：UHPC 水泥基材料與金屬纖維和有機(jī)纖維的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的有機(jī)平衡，具備良好的延展性。相對(duì)于傳統(tǒng)的GRC 外墻板外墻裝飾板，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的優(yōu)雅造型。同時(shí)UHPC 外墻裝飾板具備的紋理多樣、色彩可調(diào)等特點(diǎn)可滿足建筑師個(gè)性化設(shè)計(jì)風(fēng)格的特殊要求，開(kāi)闊了建筑師和設(shè)計(jì)師自由想象、創(chuàng)造的空間，能夠?yàn)閭€(gè)性化建筑設(shè)計(jì)提供解決方案[5]。因此UHPC是作為幕墻板材的絕佳材料。

3 UHPC 大型單元板塊在幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

圖1 UHPC 墻板主應(yīng)力云圖

鄭州紫荊網(wǎng)絡(luò)科技安全園項(xiàng)目是為承辦2020年國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全宣傳周以及“強(qiáng)網(wǎng)杯”網(wǎng)絡(luò)安全大賽所建，是河南省重點(diǎn)項(xiàng)目及鄭州市一類(lèi)民生工程。項(xiàng)目分為洲際酒店和科技館兩棟建筑體，建筑主體采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，幕墻系統(tǒng)單元中多數(shù)板面寬度為2 000 ～3 000 mm，板面高度為4 000 ～5 000 mm。本項(xiàng)目難點(diǎn)在于尋求一種高性能的外立面材料，能夠滿足建筑超大分格的需求，比如規(guī)格2 900 mm×6 765 mm，并完美解決異型拼接問(wèn)題。

3.2 幕墻板材確定

鄭州紫荊網(wǎng)絡(luò)信息安全科技館與假日酒店工程主體為鋼結(jié)構(gòu)，外立面要求板幅面大、輕薄，且較大比例板塊上有用于燈光透射的開(kāi)孔。目前市場(chǎng)上超大規(guī)格尺寸的玻璃幕墻安全問(wèn)題突出，金屬板和GRC 需要背負(fù)加強(qiáng)筋（鋼架）無(wú)法實(shí)現(xiàn)輕薄目標(biāo)，經(jīng)過(guò)多方論證最終確定采用新型的UHPC 外墻板以實(shí)現(xiàn)幕墻預(yù)期效果。

3.3 UHPC 單元板塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于國(guó)內(nèi)尚未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，這種2 900 mm×6 765 mm 超大規(guī)格板塊在幕墻設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。為確保建筑幕墻設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)材料性能及鄭州中原地區(qū)氣候特性通過(guò)有限元計(jì)算分析及加工廠配合試驗(yàn)，歷經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整。

為確保建筑幕墻設(shè)計(jì)得以達(dá)到預(yù)期效果，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造以及運(yùn)營(yíng)全周期的管理過(guò)程中，避免出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)原因造成的連接件失效、幕墻滲漏及幕墻防火3 大類(lèi)建筑幕墻安全問(wèn)題[6]。工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極掌握應(yīng)用新技術(shù)、新方法，對(duì)建筑幕墻設(shè)計(jì)流程的不斷優(yōu)化提升。

本文主要從單元板塊設(shè)計(jì)與連接方式設(shè)計(jì)兩方面來(lái)闡述本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.3.1 單元板塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中幕墻系統(tǒng)UHPC 單元板塊多數(shù)板面為2 000 ～3 000 mm，板面高度為4 000 ～5 000 mm，由UHPC 面板、背負(fù)鋼制框架、鋼制掛件組合而成。

前期板厚暫定為60 mm，連接件直接與UHPC 澆筑為一個(gè)整體，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于材料類(lèi)型較少、工序簡(jiǎn)單，但弊端卻很明顯。板塊整體自重大、成本造價(jià)高、運(yùn)輸困難、對(duì)連接件強(qiáng)度要求高，施工難度大。經(jīng)過(guò)多次電腦模擬和試件試驗(yàn)后，最終板材厚度降為30 mm，為減小撓度變形量，板塊后方設(shè)置背負(fù)鋼制框架并以植釘方式澆筑為整體結(jié)構(gòu)。

通過(guò)優(yōu)化UHPC 單元板厚度板塊自重減少了近一半，施工安全、成本造價(jià)、運(yùn)輸安裝等多方面得到大幅度改善。

3.3.2 連接方式設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用槽式預(yù)埋件，槽式預(yù)埋件預(yù)埋位置靈活調(diào)節(jié)，預(yù)埋件安裝簡(jiǎn)單，安裝效率高；在模板安裝時(shí)，固定好預(yù)埋件即可，操作簡(jiǎn)單，施工速度快。槽型預(yù)埋件與構(gòu)件轉(zhuǎn)接件采用T 型螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)不需要焊接，安裝非常方便。在位移方面，槽型預(yù)埋件通過(guò)在其槽口內(nèi)能夠自由水平滑動(dòng)的M16T 型螺栓與12 mm 厚的鋼制基座相連接，在連接處豎直方向上開(kāi)長(zhǎng)形孔，UHPC 單元板塊的鋼制掛鉤設(shè)置M12×50 mm 的不銹鋼調(diào)節(jié)螺栓，這樣可以在幕墻龍骨安裝時(shí)實(shí)現(xiàn)XYZ 的三位調(diào)整。

UHPC 單元板塊背負(fù)鋼架由尺寸為80 mm×50 mm×4 mm 矩形鋼管為主龍骨，50 mm×50 mm×4 mm 矩形鋼管為次龍骨組合焊接而成（板塊大小不同，龍骨會(huì)有所調(diào)整）。背負(fù)鋼架通過(guò)植筋、植釘與UHPC 澆筑為一個(gè)整體，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)出成品板塊。UHPC 單元板塊上方采用8 mm 鋼制構(gòu)件作為單元掛點(diǎn)，每塊單元板塊上方掛點(diǎn)大于2 個(gè)。該鋼制構(gòu)件通過(guò)焊接與背負(fù)鋼架連接，前端設(shè)置14 mm×75 mm 溝槽，上方設(shè)置機(jī)絲套筒，配合M12×50 mm 不銹鋼螺栓以實(shí)現(xiàn)Z 方向的調(diào)節(jié)。與槽型埋件連接的12 mm 厚的鋼制基座上方與單元掛點(diǎn)配合位置設(shè)置50 mm×15 mm槽口，防止UHPC 單元板塊在安裝調(diào)整過(guò)程中滑脫情況的出現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，個(gè)別位置預(yù)埋件會(huì)由于埋深不足、邊距過(guò)小等原因出現(xiàn)承力不良的情況，此時(shí)應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件做可靠的加固處理，如在12 mm 厚的鋼制基座后方增加設(shè)置后置埋件與基座通過(guò)M12 螺栓連接，確保結(jié)構(gòu)安全性。

3.4 UHPC 單元板塊安裝中的數(shù)字化應(yīng)用

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，為更順利地進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，以施工圖為依據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)整體幕墻的UHPC 板塊做了犀牛建模及安裝過(guò)程的演示動(dòng)畫(huà)。在進(jìn)行全過(guò)程虛擬建造中提前發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題與施工問(wèn)題。以實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)化模型可以精確、直觀的表現(xiàn)出每塊板材的尺寸、角度和造型。在設(shè)計(jì)下單過(guò)程中可以提供有效數(shù)據(jù)，保證面板下單準(zhǔn)確率，大大縮短下料時(shí)間；在施工過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示，讓施工人員更好地掌握安裝流程，模型中每塊板塊的定位坐標(biāo)都可提取，從而提高安裝效率。

本項(xiàng)目在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)有限元計(jì)算分析及加工廠配合試驗(yàn)，多次優(yōu)化調(diào)整將自重減少了近一半，施工安全、成本造價(jià)、運(yùn)輸安裝等多方面得到大幅度改善；以施工圖為依據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)整體幕墻的UHPC 板塊做了犀牛建模保證面板下單準(zhǔn)確率，大大縮短下料時(shí)間； BIM 安裝動(dòng)畫(huà)施工模擬演示，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，可以起到很好的指導(dǎo)作用。

3.5 其它優(yōu)化措施

幕墻板的顏色均勻性依靠預(yù)混料品質(zhì)和預(yù)制工藝環(huán)節(jié)保證，避免了使用表面涂層；預(yù)制板直接形成開(kāi)孔，增加了脫模難度，后采用切孔方法實(shí)現(xiàn)。此外，酒店項(xiàng)目采用預(yù)制UHPC 淋浴房底板，輕薄可裝配，剛性防水效果好，值得推廣應(yīng)用。本項(xiàng)目通過(guò)綜合應(yīng)用有限元計(jì)算、犀牛建模及安裝過(guò)程的演示動(dòng)畫(huà)等多項(xiàng)技術(shù)方法，從安全性、功能性及美觀性等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高了設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

UHPC 材料與傳統(tǒng)GRC 材料相比，具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，是作為幕墻板材的絕佳材料。本文的鄭州紫荊網(wǎng)絡(luò)安全園項(xiàng)目板幅面較大、異型拼接且較大比例板塊上有用于燈光透射的開(kāi)孔，UHPC外墻板是最佳選擇。本項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，綜合考慮了幕墻的效果、板塊構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)安全等因素，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算、三維建模及數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)，完美呈現(xiàn)了原設(shè)計(jì)師的構(gòu)想，可為后續(xù)同類(lèi)項(xiàng)目的提供借鑒。

通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的工程技術(shù)規(guī)程促進(jìn)UHPC 幕墻工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與質(zhì)量控制、安裝等的科學(xué)化、合理化與規(guī)范化，做到既安全可靠又美觀適用且經(jīng)濟(jì)合理，提升UHPC 在建筑幕墻領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)水平，為UHPC 外墻板的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到積極的支撐作用。