裝飾裝配式墻體技術研究
——裝配式墻體設計施工一體化技術在歷史風貌區(qū)建筑的應用

陳舟 寧東 方宏強 方為

(廣州珠江裝修工程有限公司)

近年來，隨著我國城鄉(xiāng)一體化建設步伐的不斷加快，以尊重歷史建筑與激活歷史風貌區(qū)為代表的可持續(xù)發(fā)展理念已成為我國建筑業(yè)發(fā)展的新熱潮。歷史風貌區(qū)內建筑時間跨度大，外立面新舊不一，破損老化嚴重，運營維修保養(yǎng)難度高；建筑外立面保護與修復要求高，如幕墻工程的結構件、飾面材料等使用環(huán)境特殊，難以匹配結構設計使用年限，需經常檢修更換；建筑內部及立面管線混亂、招商廣告牌安裝與設置隨意，不符合傳統(tǒng)風格重點建筑的建設要求，建筑的反復裝修不符合綠色低碳運營理念；重點空間界面不清晰，建筑商業(yè)活力不足，難以同時協(xié)調自身業(yè)態(tài)需求、城市發(fā)展和保留歷史文化需求等問題。

本文所提出的歷史風貌區(qū)建筑裝飾裝配式墻體設計施工技術，通過建筑裝飾內外墻工程的全正向設計，拉通裝配式內外墻設計、生產、施工及運維全流程，并落地了裝配式陶磚幕墻體系和基于蜂窩鋁結構的裝配式輕質隔墻體系應用，實踐了3D 打印技術在工程外墻裝飾的技術場景，可解決歷史風貌區(qū)建筑物外立面新舊不一致、保護修復要求高、運維成本高等問題。

1.建筑裝飾墻體“模圖實一致”技術

我國現階段可滿足應用基礎的BIM軟件已達40個以上，包括模型創(chuàng)建與建筑BIM 軟件、結構BIM 軟件、機電BIM軟件等[1]。此外，還有硬件設備及其配套軟件：三維掃描設備、測量機器人、虛擬現實設備等等[2]。目前，BIM 應用集中于土建設計施工階段，在建筑裝飾工程應用較少。本文提出建筑裝飾墻體的“模圖實一致”技術，通過裝飾正向設計、BIM 可視化技術、現場施工記錄及施工質量控制，實現最終施工成果與設計模型一致，呈現裝飾設計效果，保證施工質量，減少由于設計二三維分離、建筑裝飾中各專業(yè)不協(xié)調導致的設計變更或返工等問題。

1.1 建筑裝飾全正向設計流程

在建筑裝飾領域，實現全正向設計的關鍵在于建立BIM 模型并利用其進行全流程信息傳遞。通過劃分設計工程師與BIM 工程師工作界面，能夠有效地避免重復性工作或信息遺漏相互扯皮。并應用自主研發(fā)的正向導圖插件ReCAD，可實現全自動導出符合裝飾設計標準的施工圖，保證設計階段圖紙與BIM 模型的一致。

在各個設計階段具體的實施流程如下：

（1）設計準備階段：本階段主要任務為基礎數據信息獲取及項目建筑裝飾信息模型設計標準建立，是影響后續(xù)模型設計質量及整體設計效率的關鍵階段。本階段需從上游單位獲取土建、機電等主體建筑模型及相關設計資料，根據設計條件編制《項目BIM 設計任務書》并同步進行設計團隊組建及任務分配。同時，確立各階段BIM 專業(yè)模型精度要求及交付標準、BIM 族庫標準為后續(xù)的建模工作提供指導（如圖1）。

圖1 裝飾設計標準文件

（2）設計建模階段：本階段為設計任務實施階段，是設計質量控制與設計效率提升的關鍵階段。設計團隊按照分工開始建模工作，并通過進行自行校對完成第一次設計成果檢查與修正。然后，將裝飾、土建、機電、幕墻等專業(yè)模型進行整合，并進行模型精度標準與整體碰撞檢查完成第二次設計成果檢查與修正。本階段還應將幕墻部品部件的材料、尺寸、型號、廠家、價格和維保等信息錄入幕墻的族庫。在幕墻整體建模過程中，通過應用軟件和插件，輔助生成常規(guī)幕墻并創(chuàng)建幕墻大樣，為后續(xù)幕墻維護提供數據支持（詳圖2）。

圖2 幕墻部品部件族庫

（3）設計校審階段：本階段應完成設計模型問題的篩查與修正，通過二三維同步校審，完成合規(guī)性審查和碰撞檢查，并進行施工工藝模擬完成施工可行性分析。通過多次校審，實現模型設計問題的修正與施工問題的提前解決。

（4）完成BIM 正向設計建模后，可以應用自主研發(fā)的Revit 出圖插件（詳圖3）。根據幕墻的制圖標準和技術要求，設定導出字體并劃分建筑底圖、玻璃、陶磚、連接件等圖層。這樣做可以大量減少幕墻細節(jié)的手動調整工作。

圖3 ReCAD 二維出圖插件導出外墻平面布置圖

1.2 BIM 三維模型指導施工

通過全正向設計流程建立的模型包含構件細部構造、材料規(guī)格、設備布置等具體建筑信息，可對各關鍵部位施工進行可視化指導；施工過程中，通過模型與實際施工現場的對比，可以直觀地發(fā)現潛在問題并進行調整，確保按照模型的要求進行施工。

BIM 三維樣板的應用，可覆蓋施工各復雜構造、專業(yè)交接面等關鍵質量控制節(jié)點。通過施工模擬技術可預測施工過程中可能出現的沖突和問題，并進行優(yōu)化和調整。節(jié)點深化可對施工過程中關鍵節(jié)點進行細致的建模和分析，以確保施工的順利進行。圖模會審則是在模型的基礎上進行多方協(xié)同，檢查和協(xié)調設計中的沖突和問題，提前解決潛在的施工難題。通過上述BIM 技術應用，形成施工可視化技術指導文件系統(tǒng)。在技術交底環(huán)節(jié)，以可視化視頻及技術文件作為核心，開展技術培訓和現場巡查。通過可視化展示，施工人員可以更加清晰地理解關鍵技術要點和操作流程，提高施工質量和效率。

同時，為了保證施工全流程按模進行，建立現場模型管理制度。借助BIMface 云平臺和移動設備，在施工現場進行模型的查看與核對。施工人員可以通過移動設備隨時訪問BIM 模型，核實施工細節(jié)和要求，避免二維圖紙信息不全導致的施工誤差。

1.3 設計變更管理制度

建立設計變更管理制度是確保BIM 模型與實際工程一致性的重要措施（具體實施流程詳見圖4）。該制度規(guī)定了設計變更的程序和流程，施工人員需根據變更圖紙和模型更新文件進行實際施工，以確保施工過程符合最新的設計要求。此管理制度有助于保證竣工交付時錄入的BIM 模型信息與實際工程一致，確保項目的成功交付和管理效果，并為后續(xù)運維和管理提供準確的數據支持。

圖4 “模圖實一致”的實施流程

2.一種新型裝配式陶磚外墻施工技術

目前陶磚幕墻常見做法如下：

（1）通過鋼筋植筋，形成鋼筋網架來固定陶磚[3]。

（2）用標準化的固定構件將陶磚架起來[4]。

（3）將陶土磚通過圓管、不銹鋼螺栓連接固定在掛件上，其掛件焊接在橫向骨架上[5]。

上述做法皆無法實現靈活組裝、定制造型。為滿足歷史風貌區(qū)建筑個性化陶磚搭配玻璃幕墻的外立面設計風格，提出一種新型的裝配式陶磚外墻施工技術（樣板墻詳見圖5），通過干法施工實現異型陶磚的靈活組裝，既保證建筑外立面快速安裝，又保證立面完工后的泛光照明和整體效果；同時干掛陶磚幕墻連接可靠性高，有效保證外立面施工安裝的合格率，可降低陶磚安裝的后期維護成本。

圖5 定制的新型陶磚樣板墻

2.1 新型裝配式陶磚外墻施工技術

新型裝配式陶磚外墻施工技術采用精細化串聯設計，確保外立面的穩(wěn)定性、可靠性及可逆性。首先，通過預埋件將骨架體系與建筑主體結構固定，確保整個幕墻系統(tǒng)與建筑緊密連接。然后，利用豎向不銹鋼支撐件和不銹鋼套筒將陶磚與骨架體系鏈接，形成穩(wěn)定的外墻裝飾結構。預埋件通過螺栓連接在豎向龍骨上，確保了幕墻與主體結構的連接牢固。豎向不銹鋼支撐桿上串聯可再生的陶磚和尼龍墊塊，形成單元式陶磚幕墻。頂部采用T 型橫梁固定在主龍骨上，進一步增強了幕墻的穩(wěn)定性（詳圖6）。

圖6 陶磚安裝平面示意圖

陶磚自帶安裝槽孔與尼龍墊塊、尼龍緊固件沿槽孔滑入不銹鋼支撐桿。通過尼龍緊固件的連接，保證了陶磚與不銹鋼支撐桿的穩(wěn)定連接和微調性。同時，不銹鋼套筒具有內、外螺紋，通過與不銹鋼豎向支撐桿上、下螺紋的適配，實現微調和調整幕墻的整體平整度，滿足施工質量驗收要求。除與主體結構的焊接連接外，其他部分如龍骨、陶磚、不銹鋼支撐件等均采用機械連接方式進行固定。整個幕墻系統(tǒng)具有可靠的緊固性，同時也具備靈活可拆卸的特點，便于進行快速維修和更替。

應用BIM 模型制作三維樣板（詳見圖7），并進行施工模擬，確認可行性的同時為施工提供技術指導；后續(xù)制作實際樣板進行二次檢驗，確保工藝成功落地。

圖7 陶磚幕墻施工模擬

2.2 外墻BIM 技術一體化應用.

BIM 三維信息模型具有精確度高、信息唯一和時效性好的優(yōu)點。基于BIM 技術，進行外墻專項一體化的應用，有效地實現了幕墻工程的優(yōu)化和提升。

設計階段，利用BIM 模型和企業(yè)級構件樣式庫管理系統(tǒng)，可以進行精確的構件族搭建，并建立標準化入庫制度，可以確保信息的唯一性和時效性。同時，整合多專業(yè)模型，進行碰撞檢查和可視化檢查，可以在設計階段就發(fā)現問題并及時解決，減少返工率和管理費用。此外，設計全程輔以可視化渲染，可以提前展現裝飾效果，幫助提高設計質量。

生產及施工階段，利用BIM 模型建立節(jié)點三維樣板，并與制作的BIM 施工模擬視頻一同推送至現場，能夠輔助廠家核對構件信息并進行施工交底。同時，通過部品部件族庫和工程量清單，可以實現物料下單的自動化，提高工程的時效性和成本控制。

運維階段，BIM 模型的信息可以用于現場巡查和快速更換維修（詳圖8）。通過掃描二維碼，可以快速定位并獲取構件的相關信息，實現快速更換和維修，解決幕墻構件和異型陶磚的維護問題。

圖8 構件溯源導圖

3.基于蜂窩鋁的裝配式輕質隔墻體系

作為一種新型墻體材料，輕質隔墻具備眾多優(yōu)越性能，如施工快捷、墻面平整度高、隔聲隔熱性好、可重復利用等[6]。西方發(fā)達國家在輕質墻體領域的研究一直處于領先地位，最初由Lester M Sohns 提出一種可用于裝配式建筑外墻板的連接構件，在當時具有較好的可實施性和創(chuàng)新性，為以后裝配式建筑墻板連接構件的發(fā)展與成熟奠定了基礎。David H.WolfJames S.等人提出了一種通過結構槽作為龍骨的預制墻板的具體連接實施方法[7]。Kian Heng Liew 提出了一種基于卡扣的裝配式建筑預制外墻板剛性結構連接方式[8]。B.Abediniangerabi 等人中提出了一種創(chuàng)新的超高性能纖維混凝土（UHP-FRC）墻板體系，可以通過利用UHP-FRC 的高結構強度和延展性從而獲得更大的熱絕緣空間來潛在地降低建筑能耗[9]。此外，Lucelia Rodrigues 進行了一項實驗研究，探索了一種增加保溫層與內外構造層連接強度的處理方式[10]。

基于蜂窩鋁結構的裝配式輕質隔墻體系，在上述工藝的基礎上，通過將鋁芯蜂窩結構復合多種飾面材料，解決裝配式內墻表面質感單一、受力性能一般等問題；通過建立輕質隔墻部品部件一體化生產施工流程，提升輕質墻板的生產效率；建立一種可快速安拆的墻間連接構造節(jié)點，實現全裝配式可逆可拆卸施工。

3.1 新型輕質隔墻體系

由于歷史風貌區(qū)的建筑內墻飾面材料常受到清潔劑或其他化學物品的侵蝕，承受溫度和潮濕環(huán)境的變化，對耐腐蝕、強度、高度要求較高。同時，為了提高觀感質量和裝飾效果，常采用瓷磚、石材等物理化學性質穩(wěn)定、耐久性能較好的材料作為飾面材料。

本輕質隔墻體系基于新型蜂窩鋁結構設計；蜂窩結構為正六角形的形狀，確保了高度的密合度，最大限度地利用了所需材料，提供最大的可使用空間。蜂窩鋁芯材作為墻體主要結構具有高強度和穩(wěn)定性的特點，而聚氨酯和增強玻纖鋁型材作為粘結層，確保了墻體的平整度和質感。蜂窩鋁新型基層墻板體系通過高溫高壓將蜂窩鋁材料、PUR+玻璃纖維、瓷磚或硅酸鈣板等飾面材料一次性成型（具體結構詳下圖9），可復合各種風格、檔次和材質的面材，尺寸規(guī)格和形狀不受限制，有利于實現各種非常規(guī)設計構想。本體系解決了裝配式內裝表面質感單一、受力性能一般等問題，實現了建筑裝飾內墻的工業(yè)化生產與個性化需求的協(xié)調統(tǒng)一，可滿足歷史風貌區(qū)的建筑內墻飾面性能、設計要求。

圖9 九層蜂窩鋁結構

3.2 新型輕質隔墻性能檢測

新型輕質隔墻所采用的原材料包括鋁蜂窩、聚氨酯、玻纖和瓷磚，具有穩(wěn)定的材料特性，結構剛性優(yōu)秀，不易變形、彎曲，平面度差異小于2mm，具體力學性能檢測結果詳下表1。經過測試，該蜂窩復合基材僅重3Kg，常規(guī)瓷磚密度為22Kg/m2，則每平方米墻體的總重量僅為25Kg。其結構致密且受力均勻，能夠有效分散受力，并具備出色的沖擊性能：經過15次30kg 沙袋（國標的兩倍重量）沖擊試驗，墻體仍無損壞。該隔墻具備超過自身重量8 倍的抗沖擊和抗彎能力。

表1 力學性能檢測結果表

在隔聲性能方面，蜂窩結構將墻體空間分割為密閉的氣室，限制了空氣流動，從而有效阻礙了聲音的傳播。因此，與其他結構墻體相比，蜂窩復合墻體展現出良好的隔音和吸音效果。經過測試驗證，經過隔音處理后的墻體隔音量超過35dB，超過了國家對輕質隔墻隔音量32dB 的標準要求。

此外，該輕質隔墻具備出色的環(huán)保性能。經過甲醛、VOC 等有害物質檢測，結果顯示有害物質含量遠低于國家室內潔凈空氣標準要求(詳見表2)，遠超E0 標準。

表2 有害物質含量檢測結果

3.3 新型輕質隔墻體系的節(jié)點連接構造

節(jié)點采用可拆卸連接固定件連接設計，包括平角蝴蝶芯和燕尾型定位器等（詳見圖10），可解決輕質隔墻的現場快速安裝需求。平角蝴蝶芯能夠快速固定墻板并提供穩(wěn)定的連接效果，使安裝和拆卸變得簡便。燕尾型定位器則用于轉角連接，采用燕尾形狀設計，確保連接穩(wěn)固，并配合橡膠密封條實現良好的密封效果。該連接件經過高溫高壓模具壓制制造，保證結構穩(wěn)定耐用，并采用榫卯結構，簡化安裝拆卸過程，可實現現場施工無粉塵、無噪音，廢棄后可回收利用，生產和施工過程全程環(huán)保（安裝模擬流程詳見圖11）。

圖10 平角蝴蝶芯與燕尾型定位器

圖11 節(jié)點連接安裝模擬

3.4 裝飾裝修部品部件一體化流程系統(tǒng)

本流程體系為一套完整的針對建筑裝飾裝配式構件的設計-生產（下單）-進場-運維的全流程系統(tǒng)（詳見圖12）。首先將裝修BIM 整體模型導入裝配式內裝設計生產軟件。通過軟件，實施輕質隔墻模塊族庫的調用、墻板排布及飾面材料選擇。以軟件內置的速成360 預覽功能對模型進行全方位的預覽，調整設計效果。完成設計后，一鍵生成輕質墻體的工程量清單，生成生產文件，并將訂單信息傳遞給工廠進行下單操作，工廠實時進行部品部件生產。

圖12 數字化生產

生產過程中，采用數控機器手臂結合激光焊接機進行操作，無需借助模具，將隔墻板的主要框架按照設計進行預制和切割。針對非標準尺寸的瓷磚面材，可以使用瓷磚切割機和水刀機進行切割。蜂窩鋁材料與飾面石材則通過淋膠機和加熱壓力機進行高壓加熱一次成型。為了滿足個性化需求，還可以借助數控雕刻機等設備進行定制化的飾面加工（詳見圖13）。

圖13 基于數字化的柔性智能生產

通過本系統(tǒng)，實現了圖紙、產品和部品之間的數字貫通和柔性定制。同時，工業(yè)化生產的應用簡化了裝飾裝修現場的管理流程，大大提高了施工效率和質量，為裝配構件的工業(yè)化生產和裝飾施工管理提供解決方案。

4.3D 打印技術在建筑裝飾中的應用

建筑3D 打印源于Pegna[11]提出的一種以水泥基材料組成累加為基本原理的異型構件建造方式。然而，目前3D 打印在工程施工領域的應用仍在探索階段。自中建集團利用定制的3D 打印機（長32m，寬10m，高6.6m，占地面積達籃球場大小）耗時60h 打印出一棟約230m2的二層小樓后，行業(yè)內尚未出現建筑與3D 打印結合更深入的技術突破。[12]

3D 打印技術應用于建筑裝飾領域，可解決裝飾部品部件的特殊尺寸需求。在某歷史風貌區(qū)商業(yè)樓幕墻工程中，設計陶磚為非標準楔形，為實現幕墻陶磚安裝，將陶磚按雙孔開孔。同時，考慮建筑外立面使用環(huán)境特殊，使用中可能需經常性檢修、更換，設計上考慮建筑設計使用年限提出更換磚的開孔方案（詳見圖14）。該磚形狀復雜，工廠開模難度大，成品的損耗率較高，采用傳統(tǒng)燒制小批量生產成本過高，利用3D 打印異型構件模具的方法，可實現此類特殊尺寸要求的構件制作。

圖14 標準陶磚和可更換陶磚開孔尺寸圖

3D 打印構造異型陶磚模具主要分為建立三維數字模型、切片處理、漿體擠出與打印三大步驟（詳見圖15-17）：

圖15 3D 打印陶磚建模

圖16 3D 打印實拍照片

圖17 模具組裝和陶泥澆筑

建立三維數字模型，在三維建模軟件中精確創(chuàng)建出節(jié)點構造三維模型；切片處理，從建模軟件中導出后綴名為.stl格式的模型文件，并將.stl 格式模型文件在與3D 打印機配套的切片軟件UltiMaker Cura 5.3.0 中打開，進行切片處理，將模型切成一層一層3D 打印機程序可識別狀態(tài)，形成后綴名為G 代碼；漿體擠出與打印，將G 代碼通過SD 卡與3D打印機連接，即可正式打印出3D 模型。

模具打印原材料采用PLA 樹脂；其具有均勻性好、穩(wěn)定性高和可重復利用等特點，可滿足構件造型尺寸自由設計，成品精度，控制誤差的高要求，實現異形裝飾造型，且全過程自動化操作，一次成型，材料消耗少。

5.總結

目前，本研究已在白鵝潭展示中心與廣州珠江星火1926 應用（圖18）。該兩個項目皆位于廣州核心舊城區(qū)，通過裝配式墻體設計施工一體化技術，在降本增效的同時，實現了具有歷史記憶的裝飾風格與居民現代化使用功能。白鵝潭展示中心由沖口倉遺址保護性活化而成，實現了原倉儲歷史風貌與新建陶磚內外裝飾的有效融合，已成為廣州城市更新代表性展廳。珠江星火1926 是廣州農講所舊址紀念館旁的新商業(yè)樓，以個性化陶磚與幕墻相結合的創(chuàng)新造型，有機融入廣州歷史文化名城，成為老城區(qū)新的商業(yè)紐帶。

圖18 廣州白鵝潭展示中心（左）和廣州珠江星火1926（右）建成效果

隨著城市化步伐加快，人民日益增長的居住環(huán)境改善需求，此類城市更新項目將逐步增多，城市更新將成為實現空間優(yōu)化、功能完善、文化傳承的重要手段。本文所提出的建筑裝飾裝配式墻體設計施工技術可實現歷史風貌區(qū)建筑的特殊裝飾需求，有效地提升了施工質量與效率。同時，解決了傳統(tǒng)設計中常見的因圖模出入大導致的設計變更多等問題，并可實現節(jié)能節(jié)材、可持續(xù)建設。該技術為后續(xù)城市更新微改造提供思路和借鑒，可廣泛應用于歷史街區(qū)、風貌區(qū)的各類新建與舊改等城市更新項目，具有推廣價值。