水泥聚苯模殼格構式墻體綠色裝配式可行性行研究

劉子碩

(遼寧工程技術大學建筑與交通學院，遼寧 阜新123000)

我國目前的建筑墻體普遍采黏土磚和混凝土小空心磚。其中燒制黏土磚會造成資源與土地浪費；混凝土小空心磚保溫隔熱隔聲效果不佳，通常在建筑的外墻還要單獨外掛一層保溫層，而市場目前大部分保溫材料均為聚苯板，聚苯板在生產過程中同樣會造成資源浪費和對環境的二次污染。水泥聚苯模殼格構式墻體可解決上述問題，勢必會在我國發展迅速。

1 水泥聚苯模殼格構式墻體

1.1 格構式墻體概念

格構式墻體體系也稱為納士塔(R A S T R A)體系，最早是20世紀70年代奧地利的R A S T R A公司申請的一項專利技術，在2004年引入國內。格構式墻體是一種由自密實免振搗混凝土在模殼內形成水平和垂直的網格狀格構柱和格構梁的新型混凝土墻體。

1.2 水泥聚苯模殼格構式墻體概念

水泥聚苯模殼格構式墻體是用聚苯顆粒、外加劑和水泥等按照規格在工廠內軋模成型，直接當作格構式墻體的模板和墻體本身。這種復合式墻體可解決包括墻體承重、墻體保溫、墻體隔聲等問題。

1.3 水泥聚苯模殼格構式墻體特性

水泥聚苯模殼格構式墻體本身分為內外2個結構部分。外部結構為輕質材料制成的水泥聚苯材料，骨料為聚苯顆粒，該部分具有自重輕、保溫性能良好等節能特性；內部結構為墻體的承重部分，由預埋鋼筋做骨架和水泥聚苯模殼做模板現澆筑自密實免振搗混凝土形成格構柱、格構梁和加強格構柱。內外2部分結構的整合造就了集承重、保溫、防火、隔聲等多種性能于一身的新型墻體。

1.4 水泥聚苯模殼格構式墻體應用現狀

自2004年該墻體體系引入國內以來，具體建成項目屈指可數。其原因主要為國內格構式墻體研究范圍較小，研究主要方向大多為墻體的力學分析、抗震性能和保溫系數計算；國外對于格構式墻體雖然有完整的體系，但大多應用于低層公共建筑或獨棟住宅等小型建筑，以至于有些學者認為該墻體體系在我國不適用，認為該墻體具有抗震性能差、建筑造價高等。實際上根據格構式墻體的相關力學分析研究表明，該墻體應用于6層住宅建筑或其他民用建筑完全沒有問題，而且根據阜新市東方龍城回遷小區項目實踐表明，聚苯模殼格構式墻體的造價低于正常磚混住宅。所以水泥聚苯模殼格構式墻體體系雖然發展較為緩慢，但的確是適用于我國現狀的新型綠色節能墻體。

1.5 水泥聚苯模殼格構式墻體現階段問題

1)研究范圍窄 關于該類墻體的研究不應局限于墻體的力學性能和保溫性能等，應該發散性思考，如是否試用于高層建筑、聚苯模殼生產時的材料問題、建筑使用過程中墻體的維護、建筑生命周期結束之后聚苯模殼的回收和聚苯顆粒的二次利用等。

2)應用范圍小 目前該墻體主要應用于自建廠房或平房，建造使用聚苯模殼格構式墻體的目的就是為縮減成本，而不是由于其出色的節能性。

3)水泥聚苯模殼生產廠家少 大部分國內建筑材料生產廠家都不了解該墻體的生產方式和聚苯模殼構件的設計尺寸，擁有生產該墻體能力的工廠少之又少。

4)相關設計人員不足 水泥聚苯模殼格構式墻體體系是預制構件和現場澆筑相結合的裝配式建筑，在建筑設計中需要有專業的格構式墻體體系設計人員配合制定構件尺寸及建筑造型和施工圖紙，目前從事該設計行業的設計師較少。

5)專業性研究較少 雖然國外已有比較完整的納士塔體系設計和施工工藝，但國內建筑行業對于該體系了解度不夠，研究項目很少。

1.6 水泥聚苯模殼生產問題

調研表明，在阜新市東方龍城回遷小區項目中，水泥聚苯模殼在實際的生產過程中并沒有明確的模數及模板的參考，也不具備相關規范，一切用料配比包括尺寸確定均為遼寧省漢石科技自己摸索，可生產水泥聚苯模殼之間的廠商合作性不夠。該項目水泥聚苯模殼的生產經歷了多次試驗，配比才達到CECS173:2004《水泥聚苯模殼格構式混凝土墻體住宅技術規程》的要求。同時形狀和規格尺寸的設計也經過多次設計優化才最終確定。最終模殼尺寸收錄于《水泥聚苯模殼格構式墻體構造節點》中。

2 水泥聚苯模殼格構式墻體裝配式建筑的可能性

格構式墻體體系建筑由于其沒有結構柱、建筑的承重部分均由墻體內部的格構柱組成等特性，與混凝土裝配式建筑有相似的建造方法。而談到裝配式建筑就離不開BIM技術和建筑產業化，現在BIM技術和建筑產業化技術已非常成熟。

2.1 建筑產業化

建筑產業化是以工廠生產的方式建造建筑，把建筑作為一種工廠化生產的產品，根據相同的結構形式和標準，集中將建筑的各個組成配件進行大批量生產，再在施工工地進行機械化安裝。

在阜新市東方龍城回遷小區項目中，通過實地調研發現，建設房屋時遇到了一些問題，水泥聚苯模殼墻體需在工地現場澆筑，由于該項目是阜新地區第一次對聚苯模殼格構式墻體進行嘗試，一切現場施工都是在摸索中進行(見圖1)。

圖1 水泥聚苯模殼墻體施工

2.1.1 施工過程

首先進行基礎梁或圈梁混凝土、預留插筋檢查和修整；再進行安裝面清理，同時找平模殼安裝位置；然后進行邊緣構件和加強結構柱的縱向鋼筋和箍筋的敷設；最后吊裝水泥聚苯模殼。

該項目設計凈高為2.4 m，把墻體分為上下兩部分，每部分高1.2 m，分前后2次施工，1.2 m的高度剛好是水泥聚苯模殼單個模塊的高度；模殼吊裝完成后進行模殼校正、打膠和安裝，校正方法是在模殼中點位置打孔(打孔位置不能在穿過澆筑混凝土的孔洞位置)，并安裝預埋對拉螺栓，打膠主要是模殼橫向之間的連接和填縫，由于聚苯模殼本身就是混凝土澆筑時的模具，在澆筑混凝土時要防止混凝土在孔隙中泄露；打膠完成后設置臨時支撐并清理孔洞；清理之后放置橫向鋼筋，放置橫向鋼筋是目前施工中最大的現實難題，在該項目中，橫向鋼筋和縱向鋼筋沒有綁扎，只是在澆筑之前沿模殼孔洞放置1根橫向鋼筋，而且不設加強格構梁，雖滿足阜新地區抗震設防要求，但對于該墻體體系的發展并不好；進行墻體隱蔽鋼筋檢查的同時完成墻體轉角部分的模殼安裝；先沿墻體芯孔逐層澆筑自密實免振搗混凝土完成墻體底部的固定，但由于自密實免振搗混凝土在阜新市生產運輸造價經濟性不高，所以該項目澆筑普通混凝土用小型振搗棒進行密實和排氣處理；進行混凝土養護之后安裝墻體上半部分的模具安裝及混凝土澆筑。該項目每層的建設周期平均為7 d。

2.1.2 問題出現的原因

1)工廠生產模殼只生產單個結構柱模殼不經濟，所以工廠生產的模殼為4塊一體，由工地現場進行切割，這在增加人力浪費的同時由于現場切割存在一定失誤的可能，降低了模殼的有效利用率。

2)由于格構柱的承重特點，其上下層豎向格構柱要求有連貫性，施工過程中要先豎向搭接鋼筋之后再插入模殼，而橫向孔洞過小，模殼內部縱橫鋼筋無法搭接；空洞內部空間過小，無法用振搗棒排氣，所以每層要現澆2次混凝土，以減少格構柱內混凝土氣泡。

3)由于建設開始缺少建筑產業化設備，建筑最終未采用裝配式建造方案。

針對這些施工問題，通過建筑產業化技術可在工廠內解決大部分問題，還可大大縮短工期，同時還能解決現場施工困難的問題。具體構想如下。

由工廠車床生產改性水泥聚苯模殼，分為閉合與非閉合2類。在工廠內直接將鋼筋與模殼組裝，在加強格構柱處采用非閉合模殼，并在加強格構柱處將水平鋼筋與豎向鋼筋進行綁扎搭接，增強格構式墻體的力學性能。在工廠內將墻體澆筑成型，并留出施工現場搭接孔洞位置，然后把澆筑好的墻體運送至施工現場進行現場吊裝及接縫澆筑。

2.2 基于BIM技術的3 D協同設計

水泥聚苯模殼墻體建筑將傳統的“設計-現場施工”傳統模式轉變為“設計-制造-安裝”信息化模式。通過在Revit中建立完整模型，可實現對建筑的全生命周期管理。

BIM軟件可精確計算出建筑內的聚苯模殼構件數量、尺寸及類型，并建立聚苯模殼的構件族將建筑中所用到的聚苯模殼進行分類編號設計，然后將聚苯模殼構件的尺寸及編號發往生產廠家進行生產，編號的聚苯模殼構件可更方便安裝。BIM軟件還可確定建筑內加強格構柱、圈梁和門窗過梁等在墻體內的位置，并對每一面墻進行單獨編號，方便在工廠內進行組裝。BIM軟件還能在模型內進行管線碰撞檢查，在設計的同時確定墻體開洞位置，免除在施工現場現找位置現開洞的問題，縮減施工時間。改性水泥聚苯模殼材料本身雖然是綠色節能的建筑材料，但聚苯顆粒對環境并不友好，通過BIM軟件的管理，在建筑生命周期結束后還可對水泥聚苯模殼墻體進行拆卸及二次利用，可更好地保護環境。

2.3 水泥聚苯模殼裝配式建筑設計流程

預制裝配式建筑的核心是預制構件，而施工階段中預制構件能否按計劃直接拼裝取決于預制構件中的設計質量，因此預制裝配式建筑的設計階段很重要。水泥聚苯模殼建筑需要在設計中解決的問題有墻體的留孔開洞、預埋、防水、墻體內格構柱的配筋和連接件等，在設計是這些構件要進行精確計算并可直接生產成型。

2.3.1 初步設計

初步設計時，先設計房屋尺寸及建筑模型，從而選擇聚苯模殼的形狀、大小及尺寸，并考慮是否需要新建構建模型，如果需要將構件添加到構件庫中。

2.3.2 中期設計

中期設計時，在確定好墻體尺寸及構件形狀后，將建筑完整模型進行查錯檢查，建筑、結構模型、機電模型進行沖突檢測，三維管線綜合，豎向凈空優化等基本應用。從而確定墻體開孔位置及墻體內鋼筋配比，并將需要留預留孔洞的構件進行單獨編號生產，方便施工時安裝。

2.3.3 后期深化設計

在后期深化設計階段，預制水泥聚苯模殼相關參與方分別提出各自要求，通過設計院的綜合，繪制施工圖紙，送往生產水泥聚苯模殼的生產商。

3 結語

水泥聚苯模殼格構式墻體建筑還有很大的發展空間，本文也只是通過BIM技術對該體系提出裝配式建筑的可能性，用裝配式建造該體系建筑可實現更綠色、經濟的施工辦法，并配合聚苯模殼建筑本身的節能特點，將對我國建筑節能的發展起到很大的推進作用。