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适用于钢结构建筑之PC外墙工艺 尹衍梁1詹耀裕2黄绸辉2 1台湾润泰集团 2润铸建筑工程(上海) 1.前言 国内建筑节能设计要求从建筑物的规划、设计开始即执行节能标准，高层建筑节能工作的核心就是做好围护结构的节能,而作为围护结构中所占比重最大的外墙,其散失的热量是围护结构中散热最高的，建筑物透过外墙、外窗散出的热量占建筑能源损耗的50％以上，因此对外墙围护材料进行合理的设计，期望大幅降低建筑能源损耗。近十年来钢结构建筑风行国内，唯采用的外墙围护几乎都是金属玻璃幕墙，仅极其非常少数搭配预制钢筋混凝土外墙（PC外墙），金属玻璃幕墙是非常耗能及产生大量碳排放外，若搭以改良之节能型金属玻璃幕墙，造价又高幅上升，实不符国内大力要求绿色节能的前景，因此特介绍适用于钢结构建筑的PC外墙期待替代一些之金属玻璃幕墙，达到节能减碳的目的，并给国内的钢结构的外墙建筑设计多样化，丰富市容。 2. 钢结构建筑使用PC外墙(幕墙)的优点及缺点： 2.1 目前钢结构建筑常用的非承重外墙类型： 钢结构建筑外墙常用非承重外墙，设计上不承重像幕布一样挂上去，故又称为“幕墙”。由面板和支承结构体系组成的，可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力、不承担主体结构所作用的建筑外围护结构或装饰性结构。国内钢结构建筑常用的幕墙依材料可分类为： 1. 玻璃幕墙：是指由铝合金型材支承结构与玻璃组成的。一般分为：框支承玻璃幕墙、全玻幕墙、点支承玻璃幕墙、单元式玻璃幕墙，为目前国内钢结构大楼外墙的主流设计。如图1及图2为厦门的世茂海峡大厦为两栋高达250米的超高层建筑，其外墙玻璃幕墙采竖(向)明横(向)隐设计。 图 1 世茂海峡大厦效果图 图 2 世茂海峡大厦玻璃幕墙 2. 金属幕墙：有单层铝板、铝蜂窝板、铝塑复合板、不锈钢板等面板材料为金属板材的幕墙。如图3的厦门帝景苑钢结构大楼外墙就采用铝塑复合板幕墙。 图 3 厦门帝景苑钢结构大楼外墙 3. 石材幕墙：一般可分为背栓式石材幕墙、托板式石材幕墙、通槽式石材幕墙、湿贴式石材幕墙及预制石材幕墙。如图4为台湾台北新光曼哈顿大楼，五楼以下为干挂石材幕墙，五楼以上采用干式PC外墙及局部的玻璃幕墙。 图 4 台湾台北新光曼哈顿大楼外墙 2.2 预制钢筋混凝土（PC）外墙在钢结构建筑的应用及优缺点： 预制钢筋混凝土外墙（PC外墙）是指在工厂生产的预制钢筋混凝土外墙，可与外饰材及夹芯保温材一体浇筑完成。PC外墙的优点在于高质量、施工快速、工厂生产、标准作业、生产环境稳定、工地整洁安全、减少垃圾粉尘噪音、防水节点技术成熟、外饰多样化且可预崁、防火保温可一次完成，缺点是外墙自重较重会增加钢结构主体结构成本、起重费用较高、外观较无现代新颖感。台湾地区润泰PC外墙应用于钢结构大楼已建成五十几个项目的PC外墙实例。如图5为台湾台北元利金山南路住宅钢结构大楼的外墙，三楼以下外墙为干挂石材幕墙，三楼以上到屋顶采用干式预制外墙板。图六为台湾台北帝宝住宅钢结构大楼，六栋大楼的外墙都采用润泰干式PC石材饰面外墙。
2.3 相同建筑节能设计下的玻璃幕墙与PC外墙的比较 建筑节能设计是指在规划、设计、生产、施工、维护等过程中，一方面满足建筑的使用功能及外观审美性，另一方面结合节能技术应用到设计中，尽可能的降低建筑能源损耗。目前国内JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》及JGJ 134-2010《夏热冬冷地区地区居住建筑节能设计标准》及JGJ 75-2012《夏热冬暖地区地区居住建筑节能设计标准》皆要求节能指标达到50%~75%，所谓节能指标是指建筑通过采用合理节能建筑设计，在保证相同的室内热环境的前提下，与未采取节能措施前相比（相当于80年代建的房子），全年空调和采暖总能耗减少50%~75%。如下表1为在相同建筑节能标准下节能50%地区和下表2为在相同建筑节能标准下节能65%地区的玻璃幕墙与PC外墙的设计及成本试算。由下二表可看出PC外墙板比玻璃幕墙在相同节能标准下成本便宜20~30%。
2.4 玻璃幕墙与PC外墙的建筑能耗比较 据统计目前中国建筑业物质消耗占全部物质消耗总量的15%-20%左右,建筑能耗约占全部能耗的30%且逐年上扬。其中在国内每年有600多万平方米的玻璃幕墙搭配钢结构大楼使用，且以每年10%的速度继续增长，下表3为我们分别比较PC外墙及玻璃幕墙的碳排放量数据，由表3可知PC外墙每平米的碳排放量为92.99(kg-CO2)，而玻璃幕墙在最大设计风压力＜200kg/m2时为675.18(kg-CO2)，玻璃幕墙及玻璃的建筑能耗为PC外墙板的六倍左右。因此钢结构大楼若能从设计开始即采用PC外墙设计，将能大大减少总体的建筑能耗。
2.5 玻璃幕墙与PC外墙的防火性比较 目前玻璃幕墙竖直方向的防火做法是将水平防火防烟材料设置在与幕墙相邻的主体结构上端，玻璃幕墙的铝合金龙骨是没有刷防火涂料的，而铝合金龙骨的熔点约600℃,当一层建筑着火时必然导致同层的幕墙玻璃全部破坏，因此只要发生火灾则产生巨大财产损失及人员损伤。而PC外墙由于采用钢筋混凝土材料且可设计夹芯保温不将保温材料露在外，而钢筋混凝土墙属于不燃烧体，截面厚度12cm就可达到2.5hr的耐火极限，因此PC外墙的防火性能大大超过玻璃幕墙。 2.6 玻璃幕墙与PC外墙的耐久性比较 依建质[2006]291号文《既有建筑幕墙安全维护管理办法》规定建筑幕墙工程自竣工验收交付使用后，每十年需进行一次安全性鉴定。玻璃幕墙常见由于钢材材质低劣、焊接缺陷、涂装不足、幕墙骨架承载力不足、变形过大或与主体结构连接不良等，每十年的安全性鉴定不通过需大修一次，幕墙设计年限一般也只要求二十五年。而PC外墙由于技术成熟及材料稳定，墙体主体可与建筑设计年限一起达到50年的要求，十年后的检修维护只需局部更换填缝剂即可，因此PC外墙的耐久性也是大大超过玻璃幕墙。 3.搭配钢结构大楼的PC外墙设计做法及适用范围与限制 润泰预制钢筋混凝土（PC）外墙工艺是在欧美日本的技术基础上结合我国台湾地区技术而发展出来的创新建筑工艺，符合国家节能减排、同步实现建筑节能及建筑工业化的发展战略。。以下我们将介绍PC外墙如何搭配钢结构大楼做出良好成熟的设计。从拿到建筑施工图，依建筑的不同需求决定使用那种PC外墙系统，接着进行PC外墙的基本设计、细部设计及决定PC外墙的接头力学模式及防水做法，最后需注意适用范围与限制。 3.1 不同PC外墙系统的差异分析 润泰预制钢筋混凝土（PC）外墙工艺，包含干式PC外墙、湿式PC外墙以及半湿式PC外墙的全套生产、组装等技术。不同PC外墙系统详述如下： 1. 干式PC外墙是指版片利用四颗铁件与结构体作链接，楼版仅需要预留铁件结合处的凹槽，待版片吊装定位，铁件间隔保护，再将该处以砂浆回填，板片与结构体间必须填充层间塞。干式墙板系统的工序可让结构体先行，PC外墙后吊装，干式系统比湿式施工精度高，但与半湿式相当，干式PC外墙搭配高层钢结构商办大楼是目前台湾地区的外墙主流设计方式。如图7及图8及图9为干式PC外墙的铁件形式。 图 7 干式墙版系统的承重及调整铁件施工照片
2. 湿式PC外墙是指在承重的部分采用一排钢筋来取代，需与当楼楼板混凝土一体浇筑，调整变位的地方仍采用铁件方式。湿式墙板采用“先安装法”安装方式，所谓“先安装法”即在进行结构主体施工时，把PC墙板先安装就位，墙板顶部预留出筋，用现浇的混凝土将PC外墙与楼板连接为整体的施工工艺，此种PC外墙由于需逐层与现浇混凝土连接，与钢结构建筑可跳层施工优点冲突，因此一般不应用于钢结构建筑。如图10为湿式PC外墙的钢筋铁件形式。
3. 半湿式PC外墙是润泰选取干式PC墙板可快速吊装及可配合钢结构建筑楼板跳层混凝土浇置之优点，且免除干式墙板层间塞之缺点，纯粹是为钢结构住宅建筑而发展出来的系统，可快速吊装又可免除居家防火的问题。因此其接头设计结合干式PC外墙的上下部铁件系统及湿式与楼版接合的上层钢筋，无层间塞缝，由于一边以混凝土浇筑固定，使用之铁件得以较轻量化，成本比干式系统低。如图11及图12及图13为半湿式PC外墙的铁件形式及节点图及预留钢筋。 图 11 半湿式PC外墙的铁件及钢筋照片 图 12 半湿式PC外墙的节点图
4. 不同PC外墙系统的分析比较如下表4所示
3.2 基本设计
3.3BIM检核
3.5PC外墙平立面分割前之准备作业: 1. 读建筑之平面、立面及剖面图 A.读平面图：读柱轴线以决定版片模矩化，读墙版范围与变化以决定版片之规格化，读内部机能以考虑分割缝之位置及装修处理，并分析标准层及其他楼层间之差异。 B.读立面图：依外墙范围与变化及开口情形决定预铸范围，依楼高及楼层数决定版片大小。 2. 读结构图 A.柱梁尺寸及楼版厚度：相关尺寸正确性须请业主签认。 B.评估结构体是否因PC版片安装作结构性补强之需求。 3. 检讨建筑面积及PC版片规划间之差异 A.以建筑面积不变为原则。 B.PC版片厚度＝结构体厚度＋装修材厚度，一般PC版厚以150㎜、180㎜、200㎜为原则。 C.预估版片厚度：当楼高＜4.5m时，t＝150㎜（磁砖饰面），t=180㎜（石材饰面）；当楼高＞＝4.5m时，t＝180㎜（磁砖饰面），t=200㎜（石材饰面），版厚最后仍需经由地震力、风力、生产及吊装之结构计算而定。 4. 确认非PC版片工程之范围：对于不适合作预铸的部份（屋突内侧墙、阳露台上内侧墙及立面造型特殊者）建议业主采现浇。比如版片造型特殊及版片数量不多者，对于生产工期及成本不利。或者接合铁件会暴露于楼版上者及与楼版相接防水处理不易及施工性不良者，由现浇收头较佳。 5. 检讨PC版片生产及施工之可行性： A.检讨楼高＞3.6m时，版片宽度是否需作调整。(运输限宽或限高限制)。 B.板片大小宜在12~15m2，重量约4~6吨及宽度最好不超过6m，以4~5m为佳。如超过6m时，需考虑版片中间增加一组接合铁件。原则上，版片越大，吊装及铁件平均单价愈低，但版片愈易变形。如图17为台湾台科大教学大楼的PC外墙分割立面。 图 17 台湾台科大教学大楼的PC外墙分割立面 3.6PC外墙搭配钢结构大楼的外饰选择: 1. 可利用造型钢模配合建筑师设计意匠：如图18为台湾中和地政大楼的树影清水混凝土PC外墙以配合建筑师的树影外观设计意念。 图 18 台湾中和地政大楼的树影PC外墙板 2. 可利用柱形及梁形的PC外墙做出建筑师想要的外观效果：如图19及图20为台湾山圆建设大楼的预铸外墙版形成大开间弧形立面效果。
3.7PC外墙的接头力学模式选择:可分为以下三种型式，不管采用哪种型式，墙版在『室内室外的方向』的运动，是不被允许的，必须被限制固定，且必须能抵抗正、负风压。墙版接合铁件滑动孔滑动尺寸均需同时考虑地震（含风力）滑动的尺寸需求＋生产制造的误差＋工地施工的误差（含主结构本身的误差），如图21为PC外墙的接头力学模式示意。 1. 水平滑动型 (sliding):承重铁件遇到地震或风力的运动方式为水平滑动方式，半湿式PC外墙都采用此种运动型式,宽型版一般采水平滑动型。 2. 滚动型 (rocking): 承重铁件遇到地震或风力的运动方式为回转滚动方式,高而窄之版一般采滚动型,采用滚动型接头时，需检核垂直缝填缝材之抗剪断能力。。 3. 固定型 (fixing): 所有铁件遇到地震或风力的运动方式为固定不动的方式,基本上墙版跟随主结构一起运动，一般来说，像阳台版（上下无接触墙版）、包柱之小型角版（黏住柱子一起运动）等类型墙版采用固定型。 图 21 PC外墙的运动型式 3.8PC外墙的防水做法: 预制外墙一般采用非承重的帷幕墙系统方式来设计，当受到地震力或风力的影响时，可靠单元墙版构件的变位来吸收，因此往往会开放四面（干式墙版）或三面（半湿式墙版）方向的版缝，当中以弹性的填缝胶来吸收地震力风力的变位。如图22及图23为常用的防水设计做法，可达到良好的防水不漏的效果。
3.9 润泰研发的减少内外叶板错动变形的夹芯保温PC外墙专利设计: 外挂夹芯保温PC墙板克服了传统外墙外保温的保温层易脱落和内保温室内易结露的缺点, 中间层采用耐火等级B1级的XPS（挤塑聚笨乙烯泡沫塑料）保温板，但内外有钢筋混凝土层包裹，墙板整体防火性能可达到不燃A级材料, 防火效果增强。润泰为减小夹芯保温墙板内叶层与外叶层的错动变形，在墙板结合铁件处增设镀锌钢筋将墙板内外叶连接起来。通过对一长宽均为3米，外叶板厚60mm，保温层厚50mm，内叶板厚90mm的pc墙板进行分析，墙板吊装错动变形值大幅减小，由0.59mm减至0.13mm，如图24所示。试算PC外墙板如图25所示,少量钢筋对夹心保温墙的整体隔热性能影响很小，墙板传热系数只增加了0.001W/(m.k)，对建筑节能几乎没有影响，依最新节能要求GB50189-2015公共建筑节能设计标准的表3.4.1-2外墙（包括非透光幕墙）满足夏热冬冷地区的传热系数≦1.0的设计要求。此工艺改良专利于2015年12月2日通过国家授权公告，专利号为『ZL 2015 2 0618925.2』。 图 24 夹芯保温PC外墙防内外叶板错动改良示意
3.11PC外墙由工厂完成全部墙体的施工方式： PC外墙于钢结构建筑尚可于工厂内完成所有装饰工作，至工地纯粹为吊装与组装的工作，由于钢结构非常适合于铁件的结合施工，如此大幅减少工地施工工程量，提升工地工业化程度，下图27为润泰于台北的敦仁大楼项目。 3.11 PC外墙对不同钢结构建筑的适用范围、应用条件及限制因素: 钢结构建筑国内尚无统一分类说法，一般可分为板壳钢结构、轻型住宅钢结构、工业厂房钢结构、多高层民用建筑钢结构、超高层建筑钢结构。PC外墙基本上适用于钢结构建筑的外墙围护，外挂夹芯保温墙板如同钢结构外衣，对钢结构进行包裹围护，且连续设置的保温层对有保温隔热要求的室内环境也非常有利，而具有多道的防水及导水设计的外挂墙板体系可以解决目前工程普遍的外墙渗水问题。另由于外部可预嵌磁砖、石材、金属饰条的多样性及内部可夹芯保温的适用性及良好的防火不燃性及可与建筑同寿命的特性等，可广泛适用于多高层民用建筑钢结构，只是由于PC外墙自重缺点（以6cm+保温材5cm+9cm的20cm厚PC夹芯保温外墙来说单位重约为360kg/m2，，为玻璃幕墙或金属幕墙自重的6~8倍左右）及生产PC弧度墙板成本会太高的限制，因此PC外墙对板壳钢结构、轻型住宅钢结构及工业厂房钢结构及超高层建筑钢结构来说较不适用。 4.结束语 目前虽因国内设计院较没有PC外墙应用于钢结构大楼的设计经验及之前没有预制专业承包商配合而较少项目实例，但因PC外墙的绿色节能特性及成本比玻璃幕墙低及外饰的多样性及内部可夹芯保温的防火耐用性而在台湾及欧美日地区大量应用广受欢迎，期许经由本文的分享能让国内的业主及设计院在规划设计钢结构大楼的外墙时能多一种选择，共同促进国内建筑的发展。 |
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