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鋼結構建筑裝配式外墻系統設計

作者：蔡昭昀 林莉 李懷玉    
時間：2012-02-14 15:20:16 [收藏]
本文詳細介紹鋼結構建筑外墻系統功能要求、類型及材料、公共建筑外墻系統設計。
    關鍵詞：鋼結構 外墻 設計

    1.研究背景
    隨著鋼結構建筑技術的不斷發展，越來越多的建筑采用鋼結構，尤其是公共建筑更適合采用鋼結構。配合鋼結構建筑的維護體系也需要與鋼結構技術相配套發展，才能真正體現鋼結構的優勢。維護體系的研究以求達到民用建筑對外墻系統保溫、防火、防水、安全等功能要求，并使之向產業化發展。
    裝配式圍護系統，材料分為金屬類和非金屬類。主要考慮能滿足鋼結構產業化的需求，以達到快速設計、快速安裝、滿足使用要求的目的。
    2.鋼結構外墻系統功能要求
    鋼結構建筑區別于混凝土建筑，應采用裝配式圍護系統。
    裝配式圍護系統應具備以下技術要求：
    2.1保溫隔熱要求
    我國幅員遼闊，各地氣候差異很大，為了使建筑物適應各地不同的氣候條件，滿足節能要求，應根據建筑物所處的建筑氣候分區，確定建筑圍護結構合理的熱工性能參數。建筑上考慮傳熱的出發點有兩個：一個是保溫，主要針對嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區；另一個是隔熱，主要針對夏熱冬暖地區和夏熱冬冷地區。保溫和隔熱都是為了提高建筑環境的
    熱舒適度，其共同點均為提高圍護結構的熱阻，即降低其傳熱系數。根據《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2005，不同氣候區外墻圍護系統傳熱系數要求見表2-1：
    表2-1 不同氣候區建筑物外墻傳熱系數要求
    氣候區
    體形系數
    T
    外墻傳熱系數K
    W/(?·K)
    代表性城市
    嚴寒地區A區
    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B區
    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
    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
     
    ≤1.0
    南京、長沙、上海、成都、桂林
    夏熱冬暖地區
     
    ≤1.5
    福州、廣州、南寧、海口
    2.2防火要求
    鋼結構民用建筑的耐火極限通常為二級，根據《建筑設計防火規范》GB50016-2006中表5.1.1規定，非承重外墻構件的燃燒性能應為不燃燒體，構件的耐火極限應滿足1小時要求；因此在選擇鋼結構建筑的圍護系統材料時，首先應滿足防火規范的相關要求，其次構造設計應經過防火性能測試，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威部門的耐火極限測試報告，本課題選用的構造經理論分析滿足防火規范要求。
    2.3防水要求
    鋼結構建筑在選用輕型裝配式圍護系統時，系統必須具備可靠的防水性能。裝配式圍護系統構造設置若處理不當，會存在大量縫隙，易使外部雨水滲漏，造成系統氣密性不足。
    輕型圍護系統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異，潮濕后大幅度喪失保溫能力，而且在長期潮濕的環境中宜霉變，不但不能起到保溫作用，而且還污染環境。因此，加強系統氣密性，提高系統水密性，才能有效提高裝配式圍護系統的防水性能。
    2.4抗變形能力要求
    鋼結構變形能力強，可以滿足結構抗震的需要，但同時要考慮解決承重結構與圍護系統間的協調變形能力，否則建筑物的圍護系統極易開裂變形，影響建筑使用效果和壽命。
    鋼結構建筑不宜選用砌體作為圍護系統，因為砌體砌筑后剛度很大，與鋼結構的變形不一致，容易在相交處產生裂縫。
    鋼結構適合選擇裝配式的材料，連接節點考慮變形能力，材料間也預留出一定的縫隙，允許其變形。但要處理好縫隙，不能使之影響圍護結構的正常功能。
    2.5安全要求
    由于裝配式外墻系統采用工廠預制、現場拼裝的施工方式，采用專用連接件彼此連接，與砌體結構以及現澆結構有著十分顯著區別，所以圍護系統與主結構之間的連接的可靠性以及構件之間連接的緊固程度對于建筑的安全性起到了至關重要的作用，同時構件之間咬合的緊密性以及螺栓、螺釘的強度也會影響整個系統的安全。此外，金屬構件易腐蝕生銹，所以金屬構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.鋼結構建筑外墻系統類型與材料
    鋼結構建筑外墻系統主要分為兩大類：金屬外墻系統及非金屬外墻系統。
    3.1金屬板外墻系統
    金屬板外墻系統由墻梁作為墻體的支撐結構，室外側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，室內側可以直接將金屬板材固定在墻梁上，也可以單獨設置輕鋼龍骨系統固定石膏板或其它裝飾板材，以適應不同室內空間的需要。
    墻體龍骨空腔內部填充保溫材料，在保溫層外側鋪設防水透汽層，以保證外墻系統的抗空氣滲透及防水能力；在保溫棉內側鋪設隔汽層，以阻止室內潮濕空氣進入保溫層而影響外墻系統的保溫隔熱性能。
    金屬板外墻系統材料選擇：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
    非金屬外墻系統有兩類做法：密肋墻體系統和條板系統。
    密肋墻體系統由密肋冷彎薄壁型鋼龍骨作為墻體支撐系統，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。龍骨內側固定石膏板等非金屬板材。墻體龍骨空腔內部填充保溫材料，在保溫層外側鋪設防水透汽層，在保溫棉內側鋪設隔汽層。
    密肋外墻系統材料墻體板材有：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的板材需具有強度高、在溫、濕度環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。
    條板系統是由成品的條板直接固定在主梁或樓板上，依據不同地區傳熱系數要求，選擇條板厚度，條板外側附加保溫裝飾一體化板材。這種墻體系統構造簡單，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、高纖維水泥復合墻板等。
    4.鋼結構公共建筑外墻系統設計
    在此提出四種適合鋼結構公共建筑的圍護體系，其中2種為金屬板外墻系統，2種為非金屬板外墻系統。
    4.1金屬板外墻系統
    墻1：雙層壓型鋼板保溫墻體，見圖4-1。

    \
    墻1由外到內的構造順序為：外側壓型鋼板，防水透汽層，玻璃絲棉保溫層，墻梁，隔汽層，內側壓型鋼板。
    墻1內外均由壓型鋼板作為裝飾面層，中間填充保溫材料。保溫層靠近室內一側設有隔汽層，防止室內的水蒸汽進入保溫棉，避免保溫層結露，影響保溫效果。保溫層靠近室外的
    一側設有防水透汽層，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部的水蒸汽排出去，使保溫層保持干燥。
    此種外墻構造適用于體育場館、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，產生獨特的表觀效果。
     
    墻2：壓型鋼板復合輕鋼龍骨石膏板墻體，見圖4-2。
    墻2由外到內的構造順序為：外側壓型鋼板，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），內墻飾面。
    墻2由內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側的裝飾作用。墻體內外兩部分各成系統，互不干擾。內側的輕鋼龍骨自承重，固定在上下樓板結構上；外側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。
    此種外墻構造適用于辦公、學校、醫院等公共建筑，外側壓型鋼板能夠起到良好的裝飾效果和防水效果，內側采用石膏板，滿足了室內的舒適環境。

    \
    4.2非金屬外墻
    墻3：密肋龍骨復合裝飾板材墻體，見圖4-3。
    墻3由外到內的構造順序為：外側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埋件上。內外側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的巖棉板和外側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。
    此種外墻構造適用于各類公共建筑，外側的裝飾板材可以任意選擇，增加設計的自由度。

    \
    墻4：復合條板墻體，如圖4-4。
    墻4由外到內的構造順序為：外側裝飾保溫一體化板材，Z型龍骨，條板，內墻飾面。
    墻4選用的材料是蒸壓加氣混凝土條板（如NALC板），材質本身具有良好的保溫隔熱性能，而且安裝快捷簡便。外側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，外側可以選擇其他類型的板材作為外裝飾材料。另外，蒸壓輕質加氣混凝土條板還具有一定的防火性能，彌補了裝配式復合墻體中防火性能不足的缺陷。

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