装配式建筑中的石材和混凝土覆盖层（1）

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国内正在力推的装配式建筑（混凝土和钢结构）目前所遇到的技术和产品瓶颈正是本文所介绍的石材或混凝土覆盖层（即外墙板）。

国内正在力推的装配式建筑（混凝土和钢结构）目前所用的外墙板不外乎以下二种：

■混凝土三明治墙板；

■混凝土双皮墙板。

这二种墙板都只适用于所谓“等同现浇”的“装配式建筑”，即需要在施工现场采用灌浆套筒来固定混凝土三明治墙板；或需要在施工现场把混凝土三明治墙板的“出筋与现场绑扎的钢筋固定到一起后，再在施工现场浇筑混凝土双皮墙板的内腔。

本文所介绍的石材或混凝土覆盖层（即外墙板）则都是“干连接”，虽然无法“等同现浇”，但是却是正真的，如假包换的“装配式建筑”。

采用结构钢材或混凝土作为骨架的建筑物经常都采用砌砖、砌石、切割石材板，或预先浇筑混凝土包裹。实际上这些结实的材料是由建筑物的承重骨架支撑，有一种可靠和持久的感觉。然而，这些薄的石材或混凝土饰面并没有表现出像实心承重墙一样。当在骨架上安装这些易碎的材料时，哪怕是不到25mm厚一层，也必须要在骨架上移动调整，以保证风雨气密性。需要仔细的详图设计和良好的施工实践来确保这些。

一、砌块饰面幕墙

图1显示了如何把砖砌块饰面（与结构靠墙空腔分开的单层砖砌块表皮）安装到钢筋混凝土框架上的一系列步骤。也可以用石材作为饰面。在每个楼层（图2），采用传统砂浆，从固定到结构骨架上的角钢开始，往上一块块地砌砖，或一块块地砌石材来安装饰面层。施工过程和详图本质上和单层建筑的砌块空心墙一样，但是有一些重要差别：防止建筑物的骨架在加上砌块饰面后而受压变形的正常位移，并且允许饰面膨胀和收缩，而不受伤害，在每根角钢下面必须有柔性接缝（水平膨胀缝，图3）。这个接缝尺寸必须能够吸收柱子蠕动、砖膨胀，外墙托梁弯曲，以及没有超出密封胶的最大安全可压缩性时，施工误差允许的尺寸公差的最大预期总和。必须用变形缝（垂直膨胀缝）把砌块幕墙垂直分开，允许骨架和砌块面层膨胀，并且各自独立承载（图4）。

图1

钢筋混凝土框架支撑的砖饰面幕墙施工顺序。（a）在浇筑建筑物混凝土框架之前，把插件放进模板，形成砖饰面附件，包括沿着每根角钢架布置的楔形锚栓，在每根柱上的二个垂直燕尾槽，在外墙托梁上的短垂直燕尾槽，以及在外墙托梁中心处承担每个窗户过梁上方泛水板内部边缘的水平条。采用图2里的楔形可锻铸铁，用螺栓把钢架固定到每个外墙托梁上后，开始安装砖饰面。把聚苯乙烯泡沫保温（灰色）板放置在角钢的直腿上，并且在角钢上安装连续的泛水板（白色），并且在楼层板边缘发泡。这个泛水板也包裹到柱子的前面。所有挡水板上的缝都要搭接，并且要用密封胶防水。第一层砖不抹平缝砂浆，直接铺在角钢架和挡水板上。在第一层，每三个竖缝留下一个开口，形成一个滴水孔。把第三层砖饰面拉结到楼面层。（b）铺设第一层混凝土砌块靠墙。按照结构工程师指定的间距把垂直钢筋插入靠墙空腔里灌浆。在靠墙上刷沥青涂层，作为空气和水蒸汽障。每三层砖饰面，就要把砖饰面的顶部拉结到第一层混凝土砌块层的顶部上。挨着混凝土砌块放置聚苯乙烯泡沫热力保温材料。通过接缝钢筋，以及在砌块的顶部铺设的粗钢丝，就把砖饰面和靠墙绑在了一起。把塑料夹子夹在接缝钢筋的拉杆上，以固定住保温材料。在每根柱子的中心线处提供砖饰面垂直膨胀缝。用燕尾槽里的粗钢丝砌块拉带把砖饰面锚固到接缝每一侧的柱子上；在此视图中，另外一个这样的准备安装的拉带松散的躺在砖的顶部。（c）墙按照400mm的垂直增量上升，即等于6层砖，或二层混凝土砌块的高度。这也是拉带之间的垂直距离，以及聚苯乙烯泡沫保温板的使用高度。靠墙需要的限位块必须要避开垂直钢筋的顶部上方的限位块。采用泡沫条和密封胶来密封垂直膨胀缝。作为选择，这儿示范的操作顺序，首先安装全高的靠墙和空气障，然后再安装保温和饰面。

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图2

（a）把角钢架子固定到混凝土拱肩梁上的现浇混凝土锚固系统的例子。安装要求在角钢架子和拱肩梁之间增加钢材垫片，在饰面皮的平面里精确的放置角钢。（b）传统的把角钢架固定到钢材拱肩梁上的方法是采用带有薄钢板的钢夹子，按照要求弥补部件尺寸误差。实际上，提供适当调节能力的锚固系统常常是困难的挑战，因为不好掌握结构骨架的偏离量。

图3

在一开始的图1中，完成的砖饰面墙部分显示了如何把靠墙的顶部紧固到带有一些列钢材约束夹的外墙托梁下侧，系紧墙的顶部，抵抗风荷载，但是允许外墙托梁在荷载作用下弯曲。沿着柱子和穿过靠墙的顶部放置二根泡沫条和密封胶，以保证靠墙的气密性。在角钢架下方的密封胶软接缝允许外墙托梁弯曲，而不把力施加到砖饰面上。把最接近角钢架下方的砖拉带锚固到外墙托梁的燕尾槽上。在空腔中心处每个钢丝拉带上的额外的塑料夹子，其作用就像一个滴水，以防止水流淌到夹子上，并顺着流淌到靠墙上。建筑物的内部装修是把石膏板安装在U形钢材龙骨上，装配类似于图5。

图4

（a）建筑师卡尔曼·麦金内尔认真设计的，在钢骨架上覆盖木材的哈佛大学霍瑟大厅的砖幕墙。注意靠近最右边拐角处的竖向膨胀接缝。（b）在霍瑟大厅的基础，面皮是石灰岩砖。靠墙是由钢材柱子和石膏板组成。在最左边拐角处可以看到明显的垂直膨胀。

一般认为覆盖着石膏板或水泥基材料的耐水覆盖板的轻规格钢柱靠墙可以和作为砌块面层的混凝土砌块靠墙互换。柱墙即使在重量上有一定的优点超过砌块，但它的最大优势是含有热保温和电气配线，并且它比较适合接受各种内部装修材料。而且，与混凝土砌块墙相比，轻规格钢柱和它们的紧固件天生就非常灵活，并且在最大风压下可以弯曲，而不会像脆性砌块饰面那样引起开裂。这样的开裂经常导致漏水。此外，如果墙的面层有开裂、多孔砌块、或差劲的手艺等所引起的泄漏，会容易腐蚀轻规格钢柱和紧固件，并且石膏板会吸水变形。

混凝土砌块靠墙通常要比它支撑的饰面刚性，所以饰面不太可能在风荷载下开裂。如果必要，不管潮湿持续多长时间，混凝土砌块靠墙也可以维持它的结构完整性。出于这些原因，混凝土砌块靠墙一般会好过轻规格钢柱墙。如果选择轻规格钢柱靠墙系统，则柱子、砌块拉带，以及紧固件大小都应该很保守，以便有足够的刚度抵抗风荷载，饰面材料才不会开裂。选择的覆盖材料和紧固件在潮湿条件下应该耐久。把砌块饰面连接到柱子上的每种金属拉带都应该采用至少二颗耐腐蚀螺钉直接固定到柱子上。必须要仔细设计墙，保证泄漏的水远离支撑部件。在施工期间，需要不断的检查，确保所有这些细节都忠实的执行，并且空腔保持洁净，把水顺畅排走（国内建筑界，不论是建筑师，还是结构工程师，以及现场施工人员，在高层建筑中使用轻钢龙骨靠墙，都还没有实际应用经验，甚至还没有起步，还处于技术空白阶段）。

建筑物的结构骨架从来都不会绝对的平直。因而，角钢架固定系统必须是可以调节的，以便在带有水平层的精确的垂直面里建造砌块饰面。图2显示混凝土和钢材骨架通常是如何做的。在图5里，设计的固定系统是在连续的窗户镶边上悬挂砌块饰面拱肩墙，也为角钢架定位提供自由调节。

应该把角钢架上方的泛水伸出砌块的表面25mm，或向下弯45度角，形成滴水。这样，它就可能把水导出空腔，回到室外，并且把水安全的排到墙外。如果采用软塑料，或复合泛水，就要拿掉角钢架上的薄金属泛水后再灌水泥，用薄金属形成突出的滴水。

因为许多建筑师，他们希望维持砌块饰面是真实的实心砌块墙，发现软接缝和突出的泛水很讨厌。他们采用特殊的带有脸唇的模制砖，脸唇在角钢架上方笔直向下伸出，把角钢架隐藏起来看不到，并且他们不允许泛水突出到墙外面。他们在软接缝里使用的密封胶的颜色尽可能的和砂浆的颜色匹配。不幸的是，带脸唇的砖和凹进去的泛水，让水围绕着角钢的尖部积累，引起角钢生锈。当钢材生锈时，冻融作用和钢材膨胀就会引起砖的脸唇碎裂。最后，沿着角钢恶化，而变得不好看了。更糟糕的是，由于已经腐蚀的角钢的损坏，可能危及饰面的稳定性。认真负责的建筑师比较好的策略是找到一条表达角钢架、泛水，以及软接缝的视觉灵感的路径，并表现出建筑物表皮的自信特色。在每个架子上立砌砖层或切割石材窗台是朝着一个好的开始，直率的表达建设的必要性。

图5

支撑在下方由角钢骨架制造的外墙托梁上的砖幕墙的细节部分。当把窗户偶要采用螺栓连续水平带安装在砖托梁之间时，支撑骨架就变得很有必要了。支撑骨架上所有连接都要采用开槽孔里的螺栓，以便精确对齐角钢架。在骨架对齐之后，以及砌块工作开始之前，焊接所有连接，以防滑动。需要认真做好砌块幕墙角钢架建造的结构设计，以适应预期的荷载和结构变形。

图6

在图5里详细显示了连续水平玻璃带（条形窗）之间的砖托梁的建造。

（一）预制砖板幕墙

图7显示了采用预制钢筋砖板外挂板。在工厂里的地面上砌造石材板，工作起来比较舒服。可以把水平钢筋铺设进砂浆接缝中，或把砂浆灌进槽形砖块里。把垂直钢筋放进空心砖的灌浆空腔里。这些板自己是刚性的，不需要结构支架，并且能够和预先浇筑混凝土板大致相同的紧固到建筑物上。需要带有热保温、电气配线，以及内部装修层的钢材柱子支架墙，但是它不承担结构重任。

图7

预制和安装砖板幕墙。（a）采用传统的砖和砂浆，在工厂里建造砌块板。采用水平和垂直钢筋，把垂直钢筋插进砖块的空腔里灌浆。（b）把砖板储存起来等待装运，成品带有热保温。焊接金属支架是用来固定到建造物上；板的结构强度主要来自钢筋砌块，不是支架。（c）用吊车把护墙板吊到最终位置上。（c）拐角可以按照单板建造。

二、石材幕墙

可以采用几种不同的方法，把表面积比较大的石板紧固到骨架建筑物上。

（一）在钢材次骨架上安装石板

图8显示了一个在钢材次骨架上安装石材板的系统，称之为网格支撑石材干挂系统。首先安装次骨架的垂直构件。它们是设计用来把自重和风荷载从石材板传递到建筑物的骨架上。水平构件是用铝成形的，在每块板的上下边缘有接合槽，以便把它们稳固的固定到建筑物上。它们是安装石材板的安装流程来增加上去的。用泡沫条和密封胶填充板之间的间隙，允许相当大的位移。采用钢材柱子和石膏板制造的非结构靠墙是在建筑物的骨架之内建造的，但是不固定到次骨架上。它的功能是提供气密层，安放热力保温棉和电气配线，以及支撑内部墙装修常用的灰泥或石膏板。

这个系统的缺点是它要依赖密封接缝的完整性。如果密封接缝泄漏，水可能堆积在石材板顶部的槽里，并且可能继而产生冻融恶化。

图8

以在板上下边缘的接合槽里放置水平金属夹子的方式来支撑石材板面层的垂直钢材支架的次骨架。为了避免腐蚀和变色问题，钢材支架应该镀锌，并且夹子也应该采用化学兼容所使用石材类型的非铁金属（铝或不锈钢）制造。

（二）大块石材干挂板

图9和10插图示范了直接紧固到建筑物的骨架上的大块石材干挂板的应用。每块板的重量都转移到石材边缘凹槽里的二块钢材支撑板上，在石材工厂里把每块板的二侧切割出边缘凹槽。每块板都由一对角钢支架固定，在石材上直接钻孔固定膨胀螺栓，用膨胀螺栓把角钢支架固定到石材上。接缝是采用泡沫条和密封胶封闭的，并且需要一个非结构靠墙。

图9

石灰岩、大理石或花岗岩制造的石材板幕墙（a）矮墙和（b）外墙托梁详图。虚线显示内部装修和这里没有显示的热力保温部件的轮廓线。按照图示，把每块放在凹槽里的托住二个相邻墙板边缘的支撑板，搁在板上。应该采用非腐蚀金属制造板。采用泡沫条和密封胶来封闭二块板之间的垂直接缝。

图10

图9里的插图类型显示的是波士顿办公室建筑物拐角周围包裹的花岗岩板幕墙。上层窗户还没有安装，但是二个中间楼层的窗户骨架已经安装，并且下层已经装了玻璃。

（三）在钢材桁架上的石材干挂板

在桁架支撑石材挂板中，是通过在结构钢材桁架上安装小片石材，把小片石材组装成大的预制板（图11）。每个桁架都设计成能够承受风荷载和石材和钢材连接支架的静荷载，由钢材连接支架把这些荷载转移到建筑物的骨架上。最后安装密封缝和非结构靠墙。

图11

石材挂板钢材桁架系统。（a）在预制场地里，在焊接钢材桁架上贴上薄石材片。采用泡沫条和密封胶来闭合垂直接缝。（b）用吊车把预制外墙托梁板提升到货车上。刚刚能看见板的顶部和底部边缘的接合槽里的金属架子，在薄石板的边缘用金属夹子把石材牢固的固定到桁架上。把支架板焊接到建筑物骨架钢材柱子上，而桁架二个上拐角的钢材角钢夹子将支撑住支架板。（c）安装好的板。

（四）后张式石灰石的外墙托梁板

可以采用粘合剂把厚块的石灰石粘结成大跨度的板，并且采用后张高强度钢筋，在二根柱子之间自我支撑组装（图12）。这样的后张石灰石外墙托梁板是相对昂贵类型的板，因为按照挂板单位面积所用石材来计算，它们采用了相对大量的石材。

图12

可以把比较厚的石灰石块后张到一起，形成跨接柱子到柱子的托梁，但是需要一点钢材。把后张钢筋穿过装配之前在单独的石材上所钻得孔。

（五）很薄的石材面层

可以采用结构支架，例如金属蜂窝来加强非常薄片的石材（厚度只有6.35mm的花岗岩），并且作为外墙托梁板安装。

也可以用很薄的石材作为预先浇筑混凝土幕墙板的面层。把石材片面朝下铺设，反打成型。把不锈钢夹子插入石材背面所钻的孔里。增加钢筋格栅，然后浇筑混凝土，凝固形成完整的板。用夹子把石材锚固到混凝土上。

当指定厚度的石材作为外墙挂板应用时，设计师应该与石材供应商紧密协调工作，也要翻阅相关的建筑石材产业标准。把石材切割得比产业标准还要薄，会引起一些挂板系统的失败。

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