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鋼結(jié)構(gòu)建筑裝配式外墻系統(tǒng)設(shè)計

作者：蔡昭昀 林莉 李懷玉    
時間：2012-02-14 15:20:16 [收藏]
本文詳細介紹鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻系統(tǒng)功能要求、類型及材料、公共建筑外墻系統(tǒng)設(shè)計。
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 外墻 設(shè)計

    1.研究背景
    隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的建筑采用鋼結(jié)構(gòu)，尤其是公共建筑更適合采用鋼結(jié)構(gòu)。配合鋼結(jié)構(gòu)建筑的維護體系也需要與鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)相配套發(fā)展，才能真正體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。維護體系的研究以求達到民用建筑對外墻系統(tǒng)保溫、防火、防水、安全等功能要求，并使之向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
    裝配式圍護系統(tǒng)，材料分為金屬類和非金屬類。主要考慮能滿足鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的需求，以達到快速設(shè)計、快速安裝、滿足使用要求的目的。
    2.鋼結(jié)構(gòu)外墻系統(tǒng)功能要求
    鋼結(jié)構(gòu)建筑區(qū)別于混凝土建筑，應(yīng)采用裝配式圍護系統(tǒng)。
    裝配式圍護系統(tǒng)應(yīng)具備以下技術(shù)要求：
    2.1保溫隔熱要求
    我國幅員遼闊，各地氣候差異很大，為了使建筑物適應(yīng)各地不同的氣候條件，滿足節(jié)能要求，應(yīng)根據(jù)建筑物所處的建筑氣候分區(qū)，確定建筑圍護結(jié)構(gòu)合理的熱工性能參數(shù)。建筑上考慮傳熱的出發(fā)點有兩個：一個是保溫，主要針對嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)；另一個是隔熱，主要針對夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)。保溫和隔熱都是為了提高建筑環(huán)境的
    熱舒適度，其共同點均為提高圍護結(jié)構(gòu)的熱阻，即降低其傳熱系數(shù)。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB 50189-2005，不同氣候區(qū)外墻圍護系統(tǒng)傳熱系數(shù)要求見表2-1：
    表2-1 不同氣候區(qū)建筑物外墻傳熱系數(shù)要求
    氣候區(qū)
    體形系數(shù)
    T
    外墻傳熱系數(shù)K
    W/(?·K)
    代表性城市
    嚴寒地區(qū)A區(qū)
    T≤0.3
    ≤0.45
    哈爾濱、佳木斯、克拉瑪依
    0.3<T≤0.4
    ≤0.4
    嚴寒地區(qū)B區(qū)
    T≤0.3
    ≤0.5
    長春、烏魯木齊、吐魯番、銀川
    0.3<T≤0.4
    ≤0.45
    寒冷地區(qū)
    T≤0.3
    ≤0.6
    北京、太原、喀什、徐州、蘭州
    0.3<T≤0.4
    ≤0.5
    夏熱冬冷地區(qū)
     
    ≤1.0
    南京、長沙、上海、成都、桂林
    夏熱冬暖地區(qū)
     
    ≤1.5
    福州、廣州、南寧、?？?/span>
    2.2防火要求
    鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的耐火極限通常為二級，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006中表5.1.1規(guī)定，非承重外墻構(gòu)件的燃燒性能應(yīng)為不燃燒體，構(gòu)件的耐火極限應(yīng)滿足1小時要求；因此在選擇鋼結(jié)構(gòu)建筑的圍護系統(tǒng)材料時，首先應(yīng)滿足防火規(guī)范的相關(guān)要求，其次構(gòu)造設(shè)計應(yīng)經(jīng)過防火性能測試，以達到1小時的耐火極限要求。
    裝配式圍護系統(tǒng)的材料組成，一般分為兩類，即金屬材料和非金屬材料，支撐骨架一般為冷彎薄壁型鋼及輕鋼龍骨，均為不燃燒體，但其組合后的體系目前欠缺權(quán)威部門的耐火極限測試報告，本課題選用的構(gòu)造經(jīng)理論分析滿足防火規(guī)范要求。
    2.3防水要求
    鋼結(jié)構(gòu)建筑在選用輕型裝配式圍護系統(tǒng)時，系統(tǒng)必須具備可靠的防水性能。裝配式圍護系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)置若處理不當(dāng)，會存在大量縫隙，易使外部雨水滲漏，造成系統(tǒng)氣密性不足。
    輕型圍護系統(tǒng)通常采用有空隙的無機纖維材料進行保溫，這種材料的特點是干燥時保溫性能十分優(yōu)異，潮濕后大幅度喪失保溫能力，而且在長期潮濕的環(huán)境中宜霉變，不但不能起到保溫作用，而且還污染環(huán)境。因此，加強系統(tǒng)氣密性，提高系統(tǒng)水密性，才能有效提高裝配式圍護系統(tǒng)的防水性能。
    2.4抗變形能力要求
    鋼結(jié)構(gòu)變形能力強，可以滿足結(jié)構(gòu)抗震的需要，但同時要考慮解決承重結(jié)構(gòu)與圍護系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)變形能力，否則建筑物的圍護系統(tǒng)極易開裂變形，影響建筑使用效果和壽命。
    鋼結(jié)構(gòu)建筑不宜選用砌體作為圍護系統(tǒng)，因為砌體砌筑后剛度很大，與鋼結(jié)構(gòu)的變形不一致，容易在相交處產(chǎn)生裂縫。
    鋼結(jié)構(gòu)適合選擇裝配式的材料，連接節(jié)點考慮變形能力，材料間也預(yù)留出一定的縫隙，允許其變形。但要處理好縫隙，不能使之影響圍護結(jié)構(gòu)的正常功能。
    2.5安全要求
    由于裝配式外墻系統(tǒng)采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的施工方式，采用專用連接件彼此連接，與砌體結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有著十分顯著區(qū)別，所以圍護系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)之間的連接的可靠性以及構(gòu)件之間連接的緊固程度對于建筑的安全性起到了至關(guān)重要的作用，同時構(gòu)件之間咬合的緊密性以及螺栓、螺釘?shù)膹姸纫矔绊懻麄€系統(tǒng)的安全。此外，金屬構(gòu)件易腐蝕生銹，所以金屬構(gòu)件宜采用鍍鋅處理或使用不銹鋼材料，以達到防腐的目的。
    3.鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻系統(tǒng)類型與材料
    鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻系統(tǒng)主要分為兩大類：金屬外墻系統(tǒng)及非金屬外墻系統(tǒng)。
    3.1金屬板外墻系統(tǒng)
    金屬板外墻系統(tǒng)由墻梁作為墻體的支撐結(jié)構(gòu)，室外側(cè)通過自攻螺釘把壓型鋼板或夾芯板等金屬板材固定在墻梁上，室內(nèi)側(cè)可以直接將金屬板材固定在墻梁上，也可以單獨設(shè)置輕鋼龍骨系統(tǒng)固定石膏板或其它裝飾板材，以適應(yīng)不同室內(nèi)空間的需要。
    墻體龍骨空腔內(nèi)部填充保溫材料，在保溫層外側(cè)鋪設(shè)防水透汽層，以保證外墻系統(tǒng)的抗空氣滲透及防水能力；在保溫棉內(nèi)側(cè)鋪設(shè)隔汽層，以阻止室內(nèi)潮濕空氣進入保溫層而影響外墻系統(tǒng)的保溫隔熱性能。
    金屬板外墻系統(tǒng)材料選擇：壓型鋼板，壓型鋁板及夾芯板等金屬板材。
    3.2非金屬外墻系統(tǒng)
    非金屬外墻系統(tǒng)有兩類做法：密肋墻體系統(tǒng)和條板系統(tǒng)。
    密肋墻體系統(tǒng)由密肋冷彎薄壁型鋼龍骨作為墻體支撐系統(tǒng)，龍骨外安裝水泥基板材，其外再固定附加龍骨，附加龍骨與密肋龍骨連接牢靠，外掛防水裝飾一體化外墻板。龍骨內(nèi)側(cè)固定石膏板等非金屬板材。墻體龍骨空腔內(nèi)部填充保溫材料，在保溫層外側(cè)鋪設(shè)防水透汽層，在保溫棉內(nèi)側(cè)鋪設(shè)隔汽層。
    密肋外墻系統(tǒng)材料墻體板材有：石膏板、纖維增強水泥板、膨脹蛭石板等。其中安裝在室外一側(cè)的板材需具有強度高、在溫、濕度環(huán)境變化時的抗變形能力。同時板材的縫隙要嚴格處理。保溫材料主要有玻璃絲棉、巖棉等不燃燒材料。
    條板系統(tǒng)是由成品的條板直接固定在主梁或樓板上，依據(jù)不同地區(qū)傳熱系數(shù)要求，選擇條板厚度，條板外側(cè)附加保溫裝飾一體化板材。這種墻體系統(tǒng)構(gòu)造簡單，成品化高、安裝工序少，極大提高了施工速度。
    條板系統(tǒng)材料有：蒸壓加氣混凝土板、石膏空心條板或大板、高纖維水泥復(fù)合墻板等。
    4.鋼結(jié)構(gòu)公共建筑外墻系統(tǒng)設(shè)計
    在此提出四種適合鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的圍護體系，其中2種為金屬板外墻系統(tǒng)，2種為非金屬板外墻系統(tǒng)。
    4.1金屬板外墻系統(tǒng)
    墻1：雙層壓型鋼板保溫墻體，見圖4-1。

    \
    墻1由外到內(nèi)的構(gòu)造順序為：外側(cè)壓型鋼板，防水透汽層，玻璃絲棉保溫層，墻梁，隔汽層，內(nèi)側(cè)壓型鋼板。
    墻1內(nèi)外均由壓型鋼板作為裝飾面層，中間填充保溫材料。保溫層靠近室內(nèi)一側(cè)設(shè)有隔汽層，防止室內(nèi)的水蒸汽進入保溫棉，避免保溫層結(jié)露，影響保溫效果。保溫層靠近室外的
    一側(cè)設(shè)有防水透汽層，這是一種具有防水作用的單向透氣膜，它能夠有效地防止室外的水進入保溫層，同時還可以將保溫層內(nèi)部的水蒸汽排出去，使保溫層保持干燥。
    此種外墻構(gòu)造適用于體育場館、交通建筑、展示建筑及商場等公共建筑，大面積使用能夠形成良好的肌理，產(chǎn)生獨特的表觀效果。
     
    墻2：壓型鋼板復(fù)合輕鋼龍骨石膏板墻體，見圖4-2。
    墻2由外到內(nèi)的構(gòu)造順序為：外側(cè)壓型鋼板，防水透汽層，玻璃絲棉保溫層，墻梁，輕鋼龍骨（中填巖棉保溫層），隔汽層，石膏板（宜為雙層），內(nèi)墻飾面。
    墻2由內(nèi)部輕鋼龍骨石膏板墻體和外部的壓型鋼板墻體相組合而成，同時考慮了外墻的保溫、隔熱、防水的作用和外墻室內(nèi)側(cè)的裝飾作用。墻體內(nèi)外兩部分各成系統(tǒng)，互不干擾。內(nèi)側(cè)的輕鋼龍骨自承重，固定在上下樓板結(jié)構(gòu)上；外側(cè)墻體的墻梁固定在鋼柱上，將水平荷載及垂直荷載傳到柱子上。
    墻2的保溫材料有兩種：玻璃絲棉和巖棉。保溫材料為不燃燒體，具有防火作用。
    保溫層外覆防水透汽層、內(nèi)覆隔汽層，保證墻體保溫層具有良好的透氣性和防水性。
    此種外墻構(gòu)造適用于辦公、學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑，外側(cè)壓型鋼板能夠起到良好的裝飾效果和防水效果，內(nèi)側(cè)采用石膏板，滿足了室內(nèi)的舒適環(huán)境。

    \
    4.2非金屬外墻
    墻3：密肋龍骨復(fù)合裝飾板材墻體，見圖4-3。
    墻3由外到內(nèi)的構(gòu)造順序為：外側(cè)防水裝飾一體化板材，Z型龍骨，防水透汽層，纖維增強水泥板，密肋龍骨（中填巖棉保溫層），隔汽層，石膏板（宜為雙層），內(nèi)墻飾面。
    墻3屬于密肋龍骨墻體，豎向龍骨為主龍骨，間距600mm，橫向為次龍骨，主龍骨固定在上下樓板上的預(yù)埋件上。內(nèi)外側(cè)的石膏板和纖維增強水泥板通過沉頭自攻螺釘固定在密肋龍骨上，室外側(cè)的裝飾板材通過固定在密肋龍骨上的Z型附加龍骨固定，龍骨間距為一個裝飾板板寬。
    墻體的保溫主要通過墻體內(nèi)的巖棉板和外側(cè)的保溫裝飾一體化板材共同完成，隔汽層和防水透汽層保證了墻體的氣密性。
    此種外墻構(gòu)造適用于各類公共建筑，外側(cè)的裝飾板材可以任意選擇，增加設(shè)計的自由度。

    \
    墻4：復(fù)合條板墻體，如圖4-4。
    墻4由外到內(nèi)的構(gòu)造順序為：外側(cè)裝飾保溫一體化板材，Z型龍骨，條板，內(nèi)墻飾面。
    墻4選用的材料是蒸壓加氣混凝土條板（如NALC板），材質(zhì)本身具有良好的保溫隔熱性能，而且安裝快捷簡便。外側(cè)采用保溫裝飾一體化板材，在解決了外裝飾的同時也加強了保溫效果，同時，外側(cè)可以選擇其他類型的板材作為外裝飾材料。另外，蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板還具有一定的防火性能，彌補了裝配式復(fù)合墻體中防火性能不足的缺陷。

    \
    5.結(jié)論
    建筑環(huán)保型、產(chǎn)業(yè)化是一個大趨勢，鋼結(jié)構(gòu)本身是環(huán)保建材，可再回收利用。因此發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑最重要的是同時發(fā)展與鋼結(jié)構(gòu)配套的建筑材料，裝配式外墻圍護系統(tǒng)在性能上滿足建筑物的各項功能，又可以發(fā)展建筑產(chǎn)業(yè)化，帶動經(jīng)濟發(fā)展。因此裝配式外墻圍護系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。
     
    參考文獻：
    [1]國家建筑標準設(shè)計圖集06J925-1~3《壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造（一）~（三）》
    [2]國家建筑標準設(shè)計圖集03SG715-1《蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（NALC）構(gòu)造詳圖》
    [3]輕型板材設(shè)計手冊編輯委員會編著《輕型板材設(shè)計手冊》中國建筑工業(yè)出版社
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