幕墻結構體系在裝配式建筑上的應用

陳恩莉, 董 彪, 畢 瓊

(中國建筑西南設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

通過了解國家政策對裝配式建筑的導向，了解裝配式建筑在全國各地的發展狀況，參觀考察近10個裝配式建筑、2個裝配式預制構件工廠后，針對幕墻在裝配式建筑上的應用現狀進行分析，總結歸納適合裝配式結構體系的幕墻形式，提出適合幕墻在裝配式結構體系上的合理構造形式。

1 裝配式建筑與幕墻

建筑業是國民經濟的重要支柱產業，2015～2017年近三年，建筑業總產值占國內生產總值的比例依次均為26 %，占比均超國內生產總值的1/4。建筑業是國民經濟的重要支柱產業，是經濟社會發展的重要組成部分。

但是，隨著社會的不斷進步，建筑業現有的生產模式面臨著越來越多的問題和挑戰：科技貢獻率和機械化率低于農業；現澆工藝產生大量固體廢棄；安全事故頻發，僅次于交通事故；工程建設中的質量通病問題亟待解決；從業人員減少，職業技能不穩定；建造方式落后，核心競爭力不強；管理粗放，效率、效益偏低。我國建筑業目前仍是一個勞動密集型，建造方式相對落后的傳統產業，建筑業改革勢在必行！

發展裝配式建筑是促進建筑工業化，貫徹國家綠色發展理念，促進生態文明建設的重要舉措。2016年9月，國務院辦公廳發布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》指出：大力發展裝配式建筑，是建造方式的重大變革，推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措。裝配式建筑即為“建筑、結構、機電、內裝、幕墻”一體化集成設計。

2018年7月4日在合肥舉行的“從設計到實現——2018年裝配式建筑創新發展高峰論壇”會議上，上海中森建筑與工程設計顧問有限公司裝配式工程研究院李新華在報告中提到：“裝配式建筑單體的較高預制率指標，不能全面體現建筑工業化、先進性程度，需結合其他全建設周期內的提高質量、提高效率、減少人工等措施，尤其是外墻一體化集成產品、內裝高效成品安裝體系及專業配套施工設備等。”筆者對這一觀點深感認同，單純的把混凝土預制構件作為建筑裝配化的一個指標，使得推進行業裝配化難度加大，速度緩慢。裝配式建筑應該是本次會議大部分專家所提到的將內裝、設備、外圍護一體化考慮，納入裝配式建筑中的一個裝配體系。從幕墻外圍護角度來講，無論是預制混凝土掛板還是單元式幕墻整體圍護系統，其功能都能夠達到外墻的圍護、防水、保溫、和室內裝飾的目的。所以對一個裝配式建筑裝配化率的衡量，不應該離開幕墻施工裝配化對建筑整體的裝配化貢獻率而僅僅談論預制混凝土的裝配化率。幕墻作為外圍護系統，其本身為干作業方式，順應目前建筑行業整體的發展趨勢，提高幕墻施工的工廠化率，將幕墻構件在工廠進行組裝，使其到工地更加成品化，減少工地的加工工序，提高現場的安裝效率和質量。這樣不僅對幕墻本身來講，是一個長足的進步，同時，作為單一的工業化產品 ，對建筑整體來講，無論是在減少建筑整體周期，還是提高建筑技術含量上都能有不少貢獻。

2 目前幕墻在裝配式建筑中的應用情況

本年度結合課題對不同的幕墻結構體系在裝配式建筑上的應用優缺點進行考察并進行對比分析。考察項目按照幕墻形式分為三種情況：混凝土掛板體系形式、單元式幕墻結構體系形式、構件式幕墻結構體系形式。下面分別將三種幕墻形式以考察中的典型項目為例進行說明。

(1)混凝土掛板體系：以北京市副中心A2 項目為例進行說明。該項目是包括主樓1座、副樓4座的一個辦公區建筑群。外墻系統由大面積的預制混凝土掛板、石材幕墻和小單元玻璃幕墻窗組成，本項目外墻線條規律，大面積板塊模數統一，材料規格統一，特別適合以裝配式方式進行設計施工。

本項目裝配組合板塊尺寸為4.5 m×4.2 m，投影面積18.9 m2，總重7.716 t。其中，清水混凝土構件表面積12 m2，重約6.8 t。

(2)單元式幕墻結構體系：以北京市朝陽區CBD核心區Z15地塊中國尊大廈為例進行說明。本項目位于北京CBD核心區域，是目前已知的北京市最高建筑，本工程總用地面積1.148×104m2,總建筑面積43.7×104m2,其中地上 35×104m2,地下8.7×104m2。建筑總高度528 m。

本工程采用筒中筒雙重抗側力結構體系，外框筒(巨柱-斜撐框筒)+核心筒，支承幕墻的主體結構為鋼結構外框筒部分，外幕墻為單元式板塊，安裝方式為單元式板塊整體安裝。外層玻璃幕墻大部分單元板塊尺寸為4.3 m×2.0 m，每個單元板塊重量約500 kg。

(3)構件式幕墻結構體系：以中國建筑西南設計研究院第三辦公區A棟辦公樓為例。該建筑主體為整體裝配式混凝土框架結構體系。主要軸網尺寸為8.4 m×8.4 m。該工程出地面層數為2～7層，屋面南北呈臺階狀，南邊低，北邊高，最低結構標高為4.85 m，最高結構標高為31.45 m；外幕墻主要為明框玻璃幕墻。玻璃幕墻分格大，玻璃配置高，玻璃分格約1.9 m×2.4 m，玻璃面材為鋼化雙中空鋼化超白LOW-e玻璃(10LOW-e+12Ar+8+12Ar+8 mm)，基于該玻璃板塊超大，玻璃本身總量大，僅單塊玻璃重達350 kg。

3 裝配式建筑上各幕墻結構體系的優缺點

以單元式幕墻作為參考，對混凝土掛板體系和構件式幕墻進行對比分析，分析情況如下。

3.1 預制混凝土掛板體系VS單元式幕墻

3.1.1 兩者共同優點

(1)可在工廠內進行工業化生產，施工現場可直接安裝，方便快捷，可大大縮短施工工期。

(2)在工廠采用機械化生產，產品質量更易得到有效控制。

(3)周轉料具投入量減少，料具租用費用降低。

(4)減少施工現場濕作業量，有利于環保。同時也可在一定程度上降低材料浪費。

(5)機械化程度高，可大大減少現場施工人員配備。

(6)安裝速度快，施工周期短。

3.1.2 預制混凝土外墻其相對于單元式幕墻優點

采用模具一體澆筑成型，板塊整體性更好，混凝土與保溫材料之間整體連接，熱橋少。

3.1.3 單元式幕墻相對于預制混凝土掛板的優點

(1)重量輕，幕墻形式的單元掛板龍骨采用鋁龍骨或鋼龍骨，面材一般為玻璃、金屬面材、石材以及各種適宜外墻使用的人造板材。這些面材使用厚度都相對薄。混凝土容重為2 500 kg/m2計算，則2 m×4 m面積的(100+50) mm厚內外墻面，其總重量為3 000 kg。相同面積的玻璃幕墻總重量約為450 kg，相同面積的鋁板幕墻總重量約為320 kg，相同面積石材幕墻總重量約為880 kg。以玻璃幕墻為例，相同面積預制混凝土掛板重量為玻璃幕墻重量的4倍。

(2)幕墻面材多種多樣，可根據建筑的外觀要求在相應的單元板塊組合不同的墻面材料。

(3)由于混凝土在工廠為濕作業，而其他幕墻材料為干作業，加工工廠不是同一廠家，這樣同一墻面既有混凝土墻面，又有幕墻時，需要大板塊多次運輸，進行墻面拼裝。采用同樣都是干作業的輕型幕墻面材，則沒有該問題。

3.2 構件式幕墻結構體系VS單元式幕墻

3.2.1 構件式幕墻的優點

(1)在設計、計算、管理上均較簡單容易，能承受較大的安裝誤差；由于構件小，在工地上容易存放；因為設計計算簡單，安裝不需要很長的準備時間。

(2)由于制作簡單，安裝系統有彈性，這樣相對于單元式幕墻，較多幕墻的承建商都有能力建造該類幕墻。

3.2.2 構件式幕墻的缺點

(1)框架式幕墻整體安裝要在土建施工完畢后，現場幕墻施工人員從頂部向下安裝，需要較長的安裝時間，并且一定要借助腳手架或吊籃安裝，幕墻容易產生安裝誤差，構件不直，安裝不平整。

(2)由于工地受各種條件影響，建筑幕墻的施工工期比預期計劃要長，很難保證工期。

4 適合裝配式建筑的幕墻體系

根據本文對以上幾種目前應用較多的幕墻結構體系優缺點綜合分析對比，提出以下三種外幕墻結構體系。

4.1 預制混凝土掛板。

將預制混凝土掛板與幕墻的構造方式相結合，即將兩者的優點合并，將混凝土掛板輕量化，由原來的(50+50) mm以上厚度，改成30 mm厚甚至更薄，即現在的幕墻新材料-纖維水泥板(參見JG J336《人造板材幕墻工程技術規范》和JG/T 396《外墻用非承重纖維增強水泥板》)。將50 mm厚混凝土內部鋼筋網以更加纖細的玻璃纖維替代，這樣在不影響外觀效果且滿足板面強度的情況下，板的重量得以大大降低。這層纖維水泥板作為外墻的裝飾材料和防水層，相對于混凝土掛板墻體，還需要增加保溫和室內裝飾的功能。結合非透明幕墻的構造做法，保溫層可采用保溫巖棉或其他防火等級能達到建筑相應要求的輕質防火材料，固定于纖維水泥板背部。室內側可采用室內常用板材，如纖維水泥板、硅酸鈣板、輕質金屬材料等作為室內裝飾層。

這種組合外墻板材不僅能夠呈現清水混凝土的本身效果，還可以在色彩、形狀、鏤空效果等美觀要求上以多種形式呈現。這種輕型的混凝土掛板均以幕墻結構形式實現。這種材料容重為18～20 kN/m3，混凝土掛板容重為25 kN/m3。在容重相差不大的情況下，前者厚度為30 mm，后者厚度為150 mm，兩者重量相差近4倍。所以在外觀效果和功能都能滿足，甚至更佳的情況下，輕量化的混凝土掛板優于目前概念上的預制混凝土墻板。

輕型混凝土掛板特點(圖1)：

圖1 輕型混凝土掛板

(1)預制混凝土單元掛板：高度以一個層高為一個單元，寬度根據建筑效果及運輸等條件限制確定。

(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內墻板，及支承龍骨系統。

(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝，與主體結構連接，且相對主體結構有一定的位移。

4.2 單元式幕墻

通過考察收集，建筑主體作為裝配式形式呈現的建筑，其外形都比較簡潔，外墻尺寸比較有規律，外立面裝飾材料組合也相應的比較規則，這種建筑適合采用全單元式幕墻形式。全單元幕墻形式即幕墻的龍骨、外裝飾面材、內裝飾面材、墻體保溫都在工廠組合成大板塊，到現場進行吊裝上墻。該處所說的全單元形式其面板不僅限于玻璃幕墻，其面板泛指不同材質的幕墻面板材料，如金屬板材、天然石材、人造板材、玻璃等等、也可以是不同材料的組合形式。

單元式幕墻特點(圖2)：

圖2 單元式幕墻

(1)高度以一個層高為一個單元，寬度根據建筑效果及運輸等條件限制確定。

(2)單元板塊含外墻板(纖維水泥板)、保溫層、內墻板，及支承龍骨系統。

(3)單元板塊通過掛接形式整體安裝，與主體結構連接，且相對主體結構有一定的位移。

4.3 小單元幕墻

相對于上面所講的單元式幕墻，小單元幕墻是指僅幕墻龍骨組合成單元框架，面材以構件形式到現場安裝。或者幕墻面板和室內裝飾面板通過連接件組合成整體，龍骨體系以構件形式安裝，面板組件在現場與支承龍骨進行簡單掛接實現幕墻的整體性能。小單元幕墻適合外立面造型復雜，但幕墻結構體系有規律可循的建筑。下面以筆者參與設計的兩個項目為例進行說明。

(1)自貢規劃館項目(圖3)，為自貢市規劃展覽館，建筑造型兼具地方化、國際化和個性化。將自貢千年鹽都、恐龍之鄉、南國燈城三大元素運用到建筑中，是展示自貢城市形象的標志性建筑，建筑造型相對復雜。以展覽館為例進行說明，該主體結構為鋼結構。該單體幕墻選用水泥纖維平板600 mm×1 200 mm分格錯縫布置，形成砌磚效果，整體效果為各大面成三角形，兩個面之間成不同角度(120～249 °不等)，與地面也形成+15 °和-15 °兩種內外傾形式。受到以上條件限制，考慮到本工程幕墻施工難度，為盡量降低幕墻施工的復雜性，確保施工質量，減少施工周期，節約工程成本，幕墻設計采用以下方式：采用砌磚的思維方式，將1 200 mm×600 mm的內外墻板通過鋼附框組合成小單元板塊，該組合件兼具外墻防水、外墻防護、墻體保溫、內墻裝飾的功能。現場安裝好橫豎向龍骨后，作為小單元“磚塊”的支承構件，將組合磚塊逐塊進行安裝，并與橫向龍骨上的角片進行螺栓連接固定。

圖3 自貢規劃館

(2)中鐵軌道交通酒店項目(圖4)，位于成都市天府新區興隆湖南岸，屬于中鐵軌道研發設計中心項目一部分。項目分為酒店和寫字樓兩部分。本建筑外立面采用幕墻窗形式，采用大板塊玻璃形式，最大的單塊玻璃尺寸達到1.9 m×2.8 m。本建筑設計上幕墻形式比較有規律，以標準幕墻窗形式呈折線效果。所以，本工程采用了幕墻龍骨小單元式系統，工藝上沿用傳統窗的安裝工藝，幕墻龍骨系統及轉接件在工廠組框形成標準單元框架，龍骨系統整體運輸到現場后，通過螺栓將轉接件與預埋件連接，省去現場龍骨組接的過程。

圖4 中鐵軌道交通

通過實際工程案例的實踐，小單元幕墻應用更靈活，受施工項目規模、施工單位生產及施工能力、建筑外立面造型是否復雜，這些條件的限制較小，所以是本文中筆者最為推薦的一種幕墻體系。

5 結論與展望

從建筑主體結構角度來講，無論主體結構是否為裝配式，都不影響本文結論中所提出的三種適合裝配的幕墻結構體系的應用。也就是說輕量化的預制混凝土掛板、單元式幕墻、小單元幕墻在現澆主體結構、裝配式主體結構中均適用。呼應本文開篇提到的。“裝配式建筑主體的預制率指標，不能全面體現建筑工業化、先進性程度，需結合其他全建設周期內提高質量、提高效率、減少人工等措施，尤其是外墻、內墻、設備一體化集成產品等。”幕墻作為建筑全周期中的一個相對獨立的單項構造體系，自身的裝配化率對建筑全周期的提高質量、節約工期都有不可小覷的貢獻值。對本文提出的觀點總結如下：

(1)輕量化預制混凝土板，可替換目前裝配式預制混凝土構件中的非承重預制外墻掛板，目的在于使現有概念的混凝土掛板輕量化、幕墻化，減少建筑整體重量，降低建筑成本，方便施工安裝。

(2)小單元幕墻結構體系，將目前止步不前的單元式幕墻體系和裝配率不高的構件幕墻體系進行結合，在設計環節把控裝配率，做好設計交底工作，引導幕墻施工朝裝配化、工業化方向發展。小單元幕墻的加工和組裝可在國內大多數幕墻廠家進行，受設備條件限制不大，這樣，大多數施工企業能進行生產施工，才能帶動行業整體健康發展。

作為外圍護結構的設計者，在平時的工程設計中，我們應在每一個設計細節中，都植入創新和環保意識，目的在于提高實際工程質量、節約建筑成本，提高工程管理效率，帶動幕墻施工向工業化方向發展，從而推動幕墻行業健康發展。期待建筑施工更加工業化、更綠色、更健康！