UHPC保溫裝飾一體化墻板在建筑外圍護結構的應用與探索

廖 羿，郁文海，劉昌龍

（1.成都市建筑設計研究院，四川 成都 610041；2.中國金茂東南區(qū)域公司，福建 福州 350001）

0 引言

“十三五”期間我國大力發(fā)展裝配式建筑，“十四五”發(fā)展規(guī)劃中也對新型建筑工業(yè)化的發(fā)展提出了明確要求。在我國“碳達峰，碳中和”目標的大背景下，建筑行業(yè)已經(jīng)形成了以科研創(chuàng)新推動建筑業(yè)低碳轉型的浪潮，而外圍護結構作為建筑的重要組成部分，在材料消耗、低碳運營等方面都有著極大的比重，因此針對其材料與構造的相關研究、創(chuàng)新一直是行業(yè)討論的重點。近年來，一種新型超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）材料逐漸進入人們的視野，因其具有高強度、高韌性、低孔隙率的特點，使構成的產(chǎn)品不易被污染、自潔能力強、不易損壞、具有極高的持久性，在上色后亦可長時間保持原本顏色，現(xiàn)多被運用于大跨橋梁、鋼橋面鋪裝和高層建筑。自超高性能混凝土概念被提出以來，國內(nèi)外學者不斷對UHPC的摻和料、配合比、養(yǎng)護方式及力學性能等進行研究。如今，UHPC的抗壓強度普遍能達到120 MPa～200 MPa，其中以120 MPa～150 MPa的產(chǎn)品居多[1]，抗拉強度約4 MPa，彎曲抗拉強度約50 MPa，在國內(nèi)現(xiàn)廣泛運用于公路、鐵路、橋梁等項目。

1 房建外圍護結構現(xiàn)狀

目前我國建筑領域碳排放占碳排放總量的20%左右，在建筑全生命周期碳排放過程中，運營階段碳排放量占比超過70%，因此控制建筑運營階段碳排放量對降低建筑碳排放起決定性作用[2]。其中，外墻的保溫性能又是建筑運營階段碳排放控制的關鍵要素之一。

1.1 傳統(tǒng)保溫外墻做法

現(xiàn)階段在傳統(tǒng)建筑圍護結構設計方案中，通常采用200 mm厚的砌體作為圍護結構基層（在嚴寒地區(qū)該項要求更高），加以保溫及飾面工序，如圖1所示。該做法工序復雜，保溫層與結構分離，置于結構外側，不僅難以做到“同壽命”，填充墻附加的剛度效應和約束效應也導致填充墻在地震中易破壞開裂，而由于材料或構造設計不合理形成的任何細微的結構或施工裂縫都有可能導致保溫系統(tǒng)潰散[3]，使建筑運營階段的保溫能力失效。部分商業(yè)建筑項目采用幕墻系統(tǒng)作為外圍護結構，雖然滿足規(guī)范要求的各項指標，但幕墻系統(tǒng)的工程造價較高，并不適用于所有建筑項目。施工方面，建筑外圍護常規(guī)施工做法是完成砌體結構部分后，依次對保溫、隔聲、防水等構造層進行現(xiàn)場施工，施工工藝煩瑣，施工質(zhì)量因人而異，且大量濕作業(yè)帶來了大量的建筑垃圾與材料浪費，增加了建筑業(yè)碳排放。

圖1 外墻保溫層的構造

1.2 預制裝配式外墻

在現(xiàn)階段裝配式建筑與綠色建筑快速發(fā)展的背景下，部分城市開始采用裝配式圍護墻體，此類墻體大致可以分為兩類，一類是如ALC條板墻等以模數(shù)化、標準化生產(chǎn)的輕質(zhì)圍護墻體，但這類墻板僅替代了傳統(tǒng)保溫外圍護墻的基層部分，保溫飾面施工仍是二次工序。另外，還出現(xiàn)了一些集成保溫裝飾的預制混凝土墻板產(chǎn)品，這類墻板將裝配式建筑設計與綠色建筑設計進行有機集成，例如三明治墻板，但由于其存在生產(chǎn)線流程較復雜、自重偏大、對現(xiàn)場吊裝要求較高、拉結件成本較高等問題，導致這些外墻產(chǎn)品的綜合成本難以控制，推廣難度大。同時，此類墻板的建筑立面造型普遍缺少可塑性，皆是矩形平面，飾面也存在易被腐蝕污染的問題。

2 一種UHPC保溫裝飾一體化外圍護墻板設計

通過以上分析，本文基于某項目的外圍護結構，提出了一種運用UHPC新材料的新型保溫裝飾一體化外墻，以下將分別就該項目（處于方案策劃階段）和該產(chǎn)品構型進行說明。

2.1 對象項目

項目由193 m塔樓和4層底部裙樓組成，準備運用新產(chǎn)品作為裙樓部分，其首層層高6.5 m，其余三層層高5.4 m，主要功能為餐廳、會議、檔案以及部分商業(yè)，立面造型凹凸不一，采用裝配式鋼框架結構，如圖2所示，目標裝配式建筑評價等級為AAA級，需采用裝配式圍護墻體。方案設計立面圍護墻體僅層間存在拼縫，色彩要求統(tǒng)一，預計最大墻板尺寸為高6.5 m、寬2 m。此尺寸板材若為整體輕質(zhì)墻板則無法保證強度，需在層高內(nèi)進行拼接，同時難以展現(xiàn)立面效果；若為預制混凝土外墻產(chǎn)品則質(zhì)量過重，生產(chǎn)運輸安裝都存在難點和痛點，成本不可控；若為傳統(tǒng)石材幕墻體系，則表面拼縫較多，且石材顏色難以控制，隨時間推移或出現(xiàn)反堿變色等情況影響立面效果。故根據(jù)此項目立面復雜、裝配率高、要求高的特性，將UHPC作為圍護墻體材料納入考量。

圖2 UHPC保溫裝飾一體化墻板剖面

2.2 構型研究

UHPC外掛墻板的高強度可使其擁有覆蓋本項目需求的構件尺度，且可以做到非常輕薄，節(jié)省材料，減輕構件重量，在運輸、安裝過程中不易損壞，不增加吊裝成本；同時，高強度也使其有一定的可塑性，可以形成凹凸、曲面等構件外表。此外，UHPC表面質(zhì)感是由模具質(zhì)感決定，使用較細顆粒，則可以表現(xiàn)細膩的質(zhì)感和紋理，其還可以復制各種其他質(zhì)感效果，是理想的仿真材料。它可與乳膠漆、氟碳漆等結合，仿制出花崗巖、砂巖、紅磚、瓷磚、木材、金屬等各種質(zhì)感，極大地增加了裝飾的多樣性。

由于墻板自身的材料保溫性能僅稍微超越混凝土，加之形成的構件較薄，保溫性能并未達到要求，因此還應對保溫層進行設計。基于建筑業(yè)“雙碳”目標及新型建筑工業(yè)化的考慮，保溫層設置應盡量減少現(xiàn)場濕作業(yè)，避免復雜工序導致質(zhì)量不可控、措施成本增加，故考慮在工廠集成生產(chǎn)保溫材料與墻板。而有機保溫材料雖有良好的保溫性能卻極易燃燒，在建筑中應用容易引發(fā)火災，反觀泡沫混凝土保溫材料不燃、耐老化，且與UHPC皆是水泥基材料，具有相似相容特性，可形成天然可靠的相互連接，相較三明治墻板的構造，可以省去大量連接件。同時，由于發(fā)泡混凝土僅作為保溫材料，可以盡量做到低密度，一些低密度發(fā)泡混凝土材料導熱系數(shù)接近0.054 W/（m·K）[4]。經(jīng)計算，為滿足不同地區(qū)的保溫要求，保溫層厚度可取70～120 mm。

綜上，對于本項目，最終構型與造型如圖2所示，墻板設計總厚度為200 mm，由內(nèi)頁、中空、保溫層以及外頁板組成，其中內(nèi)、外頁板厚度均為30 mm，發(fā)泡混凝土層厚度在項目地取70 mm即滿足保溫要求，內(nèi)外頁板分別進行預制并由金屬埋件互相連接，簡化生產(chǎn)流線[5]。中空可作為保溫層的一部分協(xié)助提高保溫性能，墻板與玻璃幕墻水平連接或是互相水平連接，接縫通過XPS（extruded polystyrene，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）材料設置保溫連續(xù)性構造，并用防水密封膠封堵，單個最重構件重量可控制在1.85 t左右。

2.3 結構連接

考慮到UHPC保溫裝飾一體墻板本身剛度較大，其與結構主體的連接考慮采用剛度影響較小的外掛形式，每片墻板根據(jù)自重設置4～6個連接點，均分置于墻板頂部與底部，以螺栓及鋼埋件與主體梁柱連接，螺栓采用8.8級高強螺栓[6]。

2.4 造價分析

在確定構型與連接形式以后，筆者團隊走訪了多家生產(chǎn)企業(yè)與施工企業(yè)，對相關材料、機械及人工成本進行了調(diào)研收集，并對該產(chǎn)品的造價進行了初步估算，如表1所示，成本約為996.84元/m2。把傳統(tǒng)石材幕墻作為比較對象，常規(guī)做法包含石材、龍骨、人工等費用（不含保溫），單塊石材越大則造價越高，經(jīng)多方詢價，平均成本約為1100元/m2，可見，該產(chǎn)品成本尚具有一定優(yōu)勢。

表1 UHPC保溫裝飾一體化墻板組價

3 應用前景

通過上述論述，可以認為本產(chǎn)品策劃具有一定競爭力，筆者團隊將在接下來的項目階段中開展進一步工作，繼續(xù)進行深入研究與實踐，目前就分析研究所得的產(chǎn)品優(yōu)勢做如下應用展望。

3.1 新建項目

長期以來，提到裝配式建筑，人們最先想到的就是方塊、積木等，這是因為當前我國的多數(shù)高裝配率裝配式建筑方案造型較為平整，多以橫縱交線的標準化、模數(shù)化輪替進行立面塑造。另一方面，受限于材料強度及造價限制，過于復雜的立面帶來諸多成本增量與材料浪費，在方案階段就遭到了淘汰。而本文研究的一體化墻板，因其可塑性高（保溫層可隨外頁板變化形狀）、成本增量可控、裝飾面層多樣等特點，為裝配式建筑方案設計提供了一種全新的可能性，為拓展裝配式圍護墻及建筑立面表達做出了貢獻。

除此之外，該產(chǎn)品還可以在全生命周期為降低新建建筑碳排放做出貢獻：通過減少材料用量來降低生產(chǎn)碳排放；通過減少構件重量來降低安裝碳排放；通過集成技術取消二次濕作業(yè)來降低施工碳排放；通過“同壽命”高耐久的保溫性能來降低建筑運營碳排放等。

3.2 改造升級項目

在“雙碳”背景下，建筑業(yè)趨勢必將從大拆大建轉變?yōu)閷Ω吣芎慕ㄖ袄吓f建筑的改造升級。可以預見，在不久的將來將有一批建筑物達到使用年限層，隨之而來的將是大量的鑒定加固與改造升級項目。此類項目多為多層建筑，位于建筑、人口密度較大的中心城區(qū)，街區(qū)可能較為狹窄，城市規(guī)劃又對這類建筑提出了不同的立面要求以體現(xiàn)不同地域、區(qū)域的城市特色。故此，本文述及的一體化圍護墻體，因其自重輕、安裝快速（街道占用時長短）、運輸便利、高可塑性、高耐久的特點，將會在這類改造項目中占據(jù)一席之地，改變眼下老舊小區(qū)立面改造僅是“穿衣戴帽”工程的現(xiàn)狀，真正提升建筑節(jié)能性能，提升居住環(huán)境質(zhì)量。

4 結語

本文基于某實際項目方案策劃，提出了一種適用于多種場景的新型建筑工業(yè)化產(chǎn)品——UHPC保溫裝飾一體化墻板，相較于普通混凝土外掛墻板等外圍護體系，其集成了可靠的保溫性能，降低了在運輸?shù)跹b及使用過程中自身的破損率，減少了材料用量以及包含塔吊在內(nèi)的施工措施費，同時提高了裝飾面層耐久度和圍護墻體強度，拓展了裝配式建筑的立面表達邊界，可以使裝配式建筑脫離“都是方盒子”的刻板印象。除此之外，該產(chǎn)品在建筑全生命周期對降低碳排放能起到的作用亦不可忽視。希望以此文為建筑行業(yè)的低碳轉型提供一種可行的思路與參考。