加氣混凝土條板在超高層建筑中的應用研究

段昌莉，吳晨，李暉，毛建華

（1.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045；2.北京金隅集團有限責任公司，北京 102402）

0 引言

非承重內隔墻的選用需要考慮以下因素及設計要求：

（1）結構因素：內隔墻系統不承擔外部荷載、但要承擔自身重力荷載，并保證其側向受力的穩定性；同時對于超高層建筑，其自身質量不僅對基層樓層板有反作用要求，而且累加質量對整體大樓的自重有一定影響。

（2）變形因素：內隔墻系統要承受建筑物在風作用和地震作用下出現的整體結構變形，同時自身也會因溫差等效應產生變形，通過結構層間位移角進行定量要求。這也是超高層建筑特有需要考慮的因素。

（3）耐火因素：內隔墻要有足夠的耐火性能，通過耐火極限進行定量要求。

（4）密閉因素：內隔墻系統要有足夠的密閉性能，特別在結構變形情況下保持密閉性能。

（5）性能因素：內隔墻系統根據使用功能不同還需要具備隔聲、防水、隔熱等性能，此項性能也可通過附加構造層來增強。

（6）建造因素：超高層建筑更適用現場拼裝的干作業墻體，以提高建造速度。

（7）耐用因素：內隔墻系統要能保障在各種室內環境下的耐用度。

（8）成本因素：內隔墻系統的建造成本存在差異，要通過綜合經濟技術比選對造價進行控制。

（9）靈活因素：內隔墻系統應能根據功能要求，進行靈活的改變。

（10）空間因素：墻體厚度是墻體性能的決定因素之一，也是影響使用率的因素。

在充分分析、論證了上述因素后，北京中信大廈地上核心筒、設備層及避難層選用了加氣混凝土條板，地下采用了砂加氣混凝土砌塊，地上核心筒外使用空間則選用更靈活的輕鋼龍骨石膏板及成品隔斷。

1 加氣混凝土條板對于超高層建筑的適用性

1.1 超高層建筑結構專業對水平變形和荷載的限制

中信大廈主體結構為核心筒+巨柱+鋼桁架體系，其中核心筒為型鋼混凝土剪力墻結構，巨柱為鋼骨結構。樓層的樓板梁為鋼梁，樓板為組合結構（底層鋼板+上層鋼筋混凝土）。

對于風作用下層間位移角的控制要求最大層間位移角為1/500。例如層高4.5 m的普通樓層，最大層間水平變形值約10 mm，這就要求建筑內隔墻的選擇也應該能夠適應這一變形要求。

地震作用下層間位移角控制要求：小震不損壞，最大層間位移角1/500；中震可修復損壞，最大層間位移角1/500~1/100；大震不倒塌，最大層間位移角1/100。

由于超高層建筑自重大，減輕荷載對于結構合理性有極其重要的作用，因此在核心筒外空間未采用加氣混凝土條板，除了適用靈活性要求外，荷載也是重要考慮因素。

1.2 超高層建筑電梯井道活塞效應

高速電梯在井道運行時，會產生較大的活塞效應，尤其是單井道電梯（雙井道或多井道電梯運行方向不同會對活塞效應有一定消減，同時因為井道合并空間較大而減弱活塞效應）。中信大廈雖然對高速電梯盡可能采用多井道布置方式，但通過模擬，高速穿梭電梯依然會有墻體內外最大壓力差達到270 Pa。

1.3 室內墻體隔聲性能

超高層建筑的高速電梯及設備機房均有較大的低頻噪聲，具有較高強度的砌塊或條板隔墻隔聲性能較好，通常150 mm厚隔墻隔聲性能可以達到45 dB，200 mm厚可以達到50 dB。中信大廈的聲學要求極其嚴格，要求所采用的條板必須出具聲學檢測報告方可應用。

1.4 耐火性能要求

超高層建筑的消防安全應立足于自救，而加氣混凝土條板具有優良的耐火性能，其耐火極限通常遠大于消防規范要求，對于建筑防火抗火性能的提高有較大幫助。

1.5 風環境要求

對于超高層建筑，核心筒內有大量豎向通道，井道墻體的氣密性能對于控制煙囪效應有重要貢獻。

1.6 耐用度

機電設備機房、管井及電梯井道的分隔墻需要足夠的耐用度，以保障建筑運營維護壓力。

1.7 經濟因素

超高層建筑的垂直運輸能力受限，減少濕作業、現場作業對于控制工期及造價有較大貢獻。加氣混凝土條板其自身表面平整，6~8 mm的薄抹灰甚至采用專用飾面劑即可以滿足涂料面層、面磚面層的基層要求，而普通砌塊墻通常要20 mm厚的砂漿，單從裝飾濕作業的工作量來講，就減少了1/2~2/3的工作量。

1.8 常用超高層建筑非承重內隔墻墻體材料性能對比分析（見表1）

表1 常用超高層建筑非承重內隔墻墻體材料性能對比

2 超高層建筑加氣混凝土條板構造研究

加氣混凝土條板自身的性能指標足夠滿足超高層建筑的需求，但是條板沒有大量應用的原因，部分來自于其施工過程中通常采用較為簡單的節點，導致條板在拼接和安裝時的縫隙成為整體墻體系統的薄弱環節。在確定墻體材料后，針對超高層建筑的特殊需求設計的專用節點，為保證整體墻體系統的性能奠定了基礎。

2.1 加氣混凝土條板節點構造研究概述

采用加氣混凝土條板圍合的空間（機電設備用房、管井、電梯井壁、疏散樓梯）要滿足自身穩定、結構變形、水平荷載、耐火極限、密閉性能等要求。這些外界要求需要通過墻板本身、板與板的連接方式、板與結構主體的固定方式及板縫的處理方式來實現。

在地震作用和風作用下，結構會發生較大的水平位移，這要求墻板能發生隨動，保證墻板本身不發生損壞和開裂。

首先要求加氣混凝土條板本身要有足夠的彈性變形能力，同時板與結構骨架頂部采用可吸收水平變形能力的節點，保證墻體的每塊墻板的變形都在允許范疇內。

墻體的密閉性能至關重要，板縫隙之間要進行可靠徹底的密閉處理，這是達到隔聲、耐火、氣密性能的基礎。

通過對現有蒸壓輕質加氣混凝土條板研究，提出蒸壓輕質加氣混凝土條板的一些節點構造做法的建議：（1）墻板與墻板的水平連接處采用TU槽，TU槽使板與板之間的縫隙空間為TU型空間，提高墻體密閉、隔聲、耐火等性能，且方便安裝。（2）板與結構主體的連接方式底部采用U型槽鋼剛性連接，頂部用L型“勾頭”螺栓把混凝土條板固定在L型通長角鋼的方式，具有一定的彈性連接特點，且方便安裝。（3）墻體與結構骨架水平方向的縫隙采用巖棉填充和密閉膠密封的做法，保證板縫在一定變形范圍內不開裂、不通透。

2.2 加氣混凝土板與結構骨架的連接方式

（見圖1、圖2）

圖1 頂部與結構板及鋼梁的固定方式

圖2 底部與結構梁或板的固定方式

2.3 加氣混凝土條板間的連接方式（見圖3）

圖3 加氣混凝土條板TU槽連接節點

2.4 與傳統節點的對比

加氣混凝土條板并不是新興材料，在日本已經應用了將近20年，在我國使用也在10年以上。但應用范圍遠不如日本，除了砌塊這種材料的經濟性，以及砌筑人工成本低外，其自身暴露的缺點也導致應用一直無法大范圍擴展。從2017年國家大力推動建筑向預制化發展以來，促使這種材料開始廣泛應用。但這種應用并不是以施工節點的優化為前提，導致在一定時間后對這種優質材料的負面反饋，甚至導致嚴重的質量后果。因此希望更多的設計師、業主、施工方能夠深入了解這種材料，正確應用。

中信大廈采用的條板節點上連接使用了“勾頭”螺栓，與主體牢固焊接，并用砂漿覆蓋，大洞口采用了角鋼過梁、豎向龍骨，下節點采用U型槽通長設置，既保證了條板與主體的牢固連接，也允許條板在建筑有些微位移時的變形量。針對這種節點，金隅公司專門進行了抗震實驗，結果證明這種連接節點有優異的抗震性能。反觀傳統節點，通常下節點采用木楔子，木楔插入墻體下部時造成的縫隙，僅簡單用水泥填塞，后填塞的水泥可能會造成大量空隙上節點采用U型卡，其與結構的縫隙通常不做任何處理，靠下節點的木楔插入減少縫隙，而這個縫隙無論多小，都是存在的。這樣的節點無論是聲學、防火還是抗震性能都無法保證，當其應用于防火墻時，如果完全暴露在外的U型卡失效，墻體傾覆的可能性極大，一旦傾覆，即使墻體自身有優良的耐火性能，也形同虛設。

至于水平節點，除采用了TU槽外，為了保證氣密性，還在側邊貼覆巖棉條，在條板間擠壓安裝時，保證了縫隙的嚴密，巖棉也應用于與其他材料的平口連接處。而傳統節點通常僅靠砂漿擠壓密閉條板間縫隙，普通建筑應用時可能沒有問題，當應用于有變形的建筑，例如超高層建筑時，輕微變形也會導致水泥砂漿硬連接的失效而產生縫隙。

2.5 施工過程中的優化

由于施工的實際情況，加氣混凝土條板設計需經過一系列調整。

2.5.1 條板厚度變化

出于聲學的要求，設計在設備機房、可能產生噪聲的電梯井道均采用了200 mm厚的鋼筋混凝土條板，以得到50 dB的隔聲量，但在實際施工中，隨著高度的提升，200 mm厚條板對于施工運輸及施工堆場、施工界面都形成了較大壓力。因此在過程中對200 mm厚條板進行了專項研究，通過對空間需求進行精細分析，僅在高速電梯井道保留了極少的200 mm厚條板，以保證其可以應對高速運行時產生的氣壓，其余條板均減少至150 mm厚。在有聲學要求的部位采用增加巖棉隔聲的措施來保證整體隔聲量，或采用雙層墻體。施工希望可以減少至100 mm厚，但100 mm厚的條板墻體無法采用TU槽，這意味即使墻體自身性能可以滿足空間需求，由于節點密閉性的降低，墻體整體性能可能無法達到設計預期，同時因中信大廈層高較高，即使修改為100 mm厚墻體，部分可以修改的部位也已經達到其高度極限，因此綜合考量，最終維持了150 mm厚的選擇。

2.5.2 條板機電安裝要求

在選擇加氣混凝土條板時，其可以采用專用工具完成機電末端的埋設也是考量的因素之一。但實際實施時，由于已經施工的地下室墻體上機電末端出現反復，對墻體破壞較大，因此采用了管線明敷的方案。管線明敷確保了條板墻體的完整性，但也犧牲了部分空間的視覺效果。

2.6 應用展望

設計原本希望加氣混凝土條板的安裝能夠達到較先進的水平，因此也啟動研究了DL工法，希望采用更簡潔的栓接節點來替代現有的“勾頭”螺栓，減少焊接工作。焊接無疑對工作環境及人工要求更高，也對施工防火有更大的壓力，而栓接相對會簡單的多。但這項工作啟動較晚，而且由于其對條板生產有更高要求，造價將更高，因此很遺憾沒有在這個項目中實施，但這種工法應該是今后發展的方向。

3 其他項目應用情況

由于部分項目對于條板質量控制及施工節點控制沒有達到應有的要求，導致效果并不理想，從而對進一步推廣這種優質產品帶來了負面作用。例如，在筆者設計的另外一個宿舍樓項目中，也選用了加氣混凝土條板，但實際建成后隔聲效果并不理想。推測有以下原因：

（1）條板本身質量未達到設計要求。中信大廈的條板隔聲需要提供聲學顧問測定的試驗結果，且經過設計確認，但宿舍樓項目設計僅提供要求，未完全跟蹤其落實情況。

（2）節點未做槽間加巖棉的要求，可能的縫隙會降低整體隔聲效果。

（3）宿舍樓最常見的是插座在同一位置上，現場開槽封堵不嚴或出現插座完全對穿現象會造成隔聲的失效。雖然在設計說明及交底時再三明確不能對穿，但不可避免有對穿現象存在。

4 結語

中信大廈是首個大量應用加氣混凝土條板的超高層建筑，上海環球中心僅在超高速電梯井道中應用了這種墻體材料，雖然應用量較多，但也限于電梯井道和樓梯間，而中信大廈在分析了條板與輕鋼龍骨石膏板墻體的優缺點后，首次在核心筒內以及設備避難層大量應用，以取得更好的防火、聲學、氣密性能，并根據其特點制定了性能標準和專用節點。設計專門制定了技術規格書，從條板的隔聲性能、防火性能、抗沖擊性能、傳熱系數、質量損失等方面規定了性能指標，保障了使用的條板基本質量。從性能指標和節點控制的雙控才能保障加氣混凝土條板的最終效果，才能更好地推廣這種優質產品。