水泥聚苯模壳格构式墙体绿色装配式可行性行研究

刘子硕

(辽宁工程技术大学建筑与交通学院，辽宁 阜新123000)

我国目前的建筑墙体普遍采黏土砖和混凝土小空心砖。其中烧制黏土砖会造成资源与土地浪费；混凝土小空心砖保温隔热隔声效果不佳，通常在建筑的外墙还要单独外挂一层保温层，而市场目前大部分保温材料均为聚苯板，聚苯板在生产过程中同样会造成资源浪费和对环境的二次污染。水泥聚苯模壳格构式墙体可解决上述问题，势必会在我国发展迅速。

1 水泥聚苯模壳格构式墙体

1.1 格构式墙体概念

格构式墙体体系也称为纳士塔(R A S T R A)体系，最早是20世纪70年代奥地利的R A S T R A公司申请的一项专利技术，在2004年引入国内。格构式墙体是一种由自密实免振捣混凝土在模壳内形成水平和垂直的网格状格构柱和格构梁的新型混凝土墙体。

1.2 水泥聚苯模壳格构式墙体概念

水泥聚苯模壳格构式墙体是用聚苯颗粒、外加剂和水泥等按照规格在工厂内轧模成型，直接当作格构式墙体的模板和墙体本身。这种复合式墙体可解决包括墙体承重、墙体保温、墙体隔声等问题。

1.3 水泥聚苯模壳格构式墙体特性

水泥聚苯模壳格构式墙体本身分为内外2个结构部分。外部结构为轻质材料制成的水泥聚苯材料，骨料为聚苯颗粒，该部分具有自重轻、保温性能良好等节能特性；内部结构为墙体的承重部分，由预埋钢筋做骨架和水泥聚苯模壳做模板现浇筑自密实免振捣混凝土形成格构柱、格构梁和加强格构柱。内外2部分结构的整合造就了集承重、保温、防火、隔声等多种性能于一身的新型墙体。

1.4 水泥聚苯模壳格构式墙体应用现状

自2004年该墙体体系引入国内以来，具体建成项目屈指可数。其原因主要为国内格构式墙体研究范围较小，研究主要方向大多为墙体的力学分析、抗震性能和保温系数计算；国外对于格构式墙体虽然有完整的体系，但大多应用于低层公共建筑或独栋住宅等小型建筑，以至于有些学者认为该墙体体系在我国不适用，认为该墙体具有抗震性能差、建筑造价高等。实际上根据格构式墙体的相关力学分析研究表明，该墙体应用于6层住宅建筑或其他民用建筑完全没有问题，而且根据阜新市东方龙城回迁小区项目实践表明，聚苯模壳格构式墙体的造价低于正常砖混住宅。所以水泥聚苯模壳格构式墙体体系虽然发展较为缓慢，但的确是适用于我国现状的新型绿色节能墙体。

1.5 水泥聚苯模壳格构式墙体现阶段问题

1)研究范围窄 关于该类墙体的研究不应局限于墙体的力学性能和保温性能等，应该发散性思考，如是否试用于高层建筑、聚苯模壳生产时的材料问题、建筑使用过程中墙体的维护、建筑生命周期结束之后聚苯模壳的回收和聚苯颗粒的二次利用等。

2)应用范围小 目前该墙体主要应用于自建厂房或平房，建造使用聚苯模壳格构式墙体的目的就是为缩减成本，而不是由于其出色的节能性。

3)水泥聚苯模壳生产厂家少 大部分国内建筑材料生产厂家都不了解该墙体的生产方式和聚苯模壳构件的设计尺寸，拥有生产该墙体能力的工厂少之又少。

4)相关设计人员不足 水泥聚苯模壳格构式墙体体系是预制构件和现场浇筑相结合的装配式建筑，在建筑设计中需要有专业的格构式墙体体系设计人员配合制定构件尺寸及建筑造型和施工图纸，目前从事该设计行业的设计师较少。

5)专业性研究较少 虽然国外已有比较完整的纳士塔体系设计和施工工艺，但国内建筑行业对于该体系了解度不够，研究项目很少。

1.6 水泥聚苯模壳生产问题

调研表明，在阜新市东方龙城回迁小区项目中，水泥聚苯模壳在实际的生产过程中并没有明确的模数及模板的参考，也不具备相关规范，一切用料配比包括尺寸确定均为辽宁省汉石科技自己摸索，可生产水泥聚苯模壳之间的厂商合作性不够。该项目水泥聚苯模壳的生产经历了多次试验，配比才达到CECS173:2004《水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体住宅技术规程》的要求。同时形状和规格尺寸的设计也经过多次设计优化才最终确定。最终模壳尺寸收录于《水泥聚苯模壳格构式墙体构造节点》中。

2 水泥聚苯模壳格构式墙体装配式建筑的可能性

格构式墙体体系建筑由于其没有结构柱、建筑的承重部分均由墙体内部的格构柱组成等特性，与混凝土装配式建筑有相似的建造方法。而谈到装配式建筑就离不开BIM技术和建筑产业化，现在BIM技术和建筑产业化技术已非常成熟。

2.1 建筑产业化

建筑产业化是以工厂生产的方式建造建筑，把建筑作为一种工厂化生产的产品，根据相同的结构形式和标准，集中将建筑的各个组成配件进行大批量生产，再在施工工地进行机械化安装。

在阜新市东方龙城回迁小区项目中，通过实地调研发现，建设房屋时遇到了一些问题，水泥聚苯模壳墙体需在工地现场浇筑，由于该项目是阜新地区第一次对聚苯模壳格构式墙体进行尝试，一切现场施工都是在摸索中进行(见图1)。

图1 水泥聚苯模壳墙体施工

2.1.1 施工过程

首先进行基础梁或圈梁混凝土、预留插筋检查和修整；再进行安装面清理，同时找平模壳安装位置；然后进行边缘构件和加强结构柱的纵向钢筋和箍筋的敷设；最后吊装水泥聚苯模壳。

该项目设计净高为2.4 m，把墙体分为上下两部分，每部分高1.2 m，分前后2次施工，1.2 m的高度刚好是水泥聚苯模壳单个模块的高度；模壳吊装完成后进行模壳校正、打胶和安装，校正方法是在模壳中点位置打孔(打孔位置不能在穿过浇筑混凝土的孔洞位置)，并安装预埋对拉螺栓，打胶主要是模壳横向之间的连接和填缝，由于聚苯模壳本身就是混凝土浇筑时的模具，在浇筑混凝土时要防止混凝土在孔隙中泄露；打胶完成后设置临时支撑并清理孔洞；清理之后放置横向钢筋，放置横向钢筋是目前施工中最大的现实难题，在该项目中，横向钢筋和纵向钢筋没有绑扎，只是在浇筑之前沿模壳孔洞放置1根横向钢筋，而且不设加强格构梁，虽满足阜新地区抗震设防要求，但对于该墙体体系的发展并不好；进行墙体隐蔽钢筋检查的同时完成墙体转角部分的模壳安装；先沿墙体芯孔逐层浇筑自密实免振捣混凝土完成墙体底部的固定，但由于自密实免振捣混凝土在阜新市生产运输造价经济性不高，所以该项目浇筑普通混凝土用小型振捣棒进行密实和排气处理；进行混凝土养护之后安装墙体上半部分的模具安装及混凝土浇筑。该项目每层的建设周期平均为7 d。

2.1.2 问题出现的原因

1)工厂生产模壳只生产单个结构柱模壳不经济，所以工厂生产的模壳为4块一体，由工地现场进行切割，这在增加人力浪费的同时由于现场切割存在一定失误的可能，降低了模壳的有效利用率。

2)由于格构柱的承重特点，其上下层竖向格构柱要求有连贯性，施工过程中要先竖向搭接钢筋之后再插入模壳，而横向孔洞过小，模壳内部纵横钢筋无法搭接；空洞内部空间过小，无法用振捣棒排气，所以每层要现浇2次混凝土，以减少格构柱内混凝土气泡。

3)由于建设开始缺少建筑产业化设备，建筑最终未采用装配式建造方案。

针对这些施工问题，通过建筑产业化技术可在工厂内解决大部分问题，还可大大缩短工期，同时还能解决现场施工困难的问题。具体构想如下。

由工厂车床生产改性水泥聚苯模壳，分为闭合与非闭合2类。在工厂内直接将钢筋与模壳组装，在加强格构柱处采用非闭合模壳，并在加强格构柱处将水平钢筋与竖向钢筋进行绑扎搭接，增强格构式墙体的力学性能。在工厂内将墙体浇筑成型，并留出施工现场搭接孔洞位置，然后把浇筑好的墙体运送至施工现场进行现场吊装及接缝浇筑。

2.2 基于BIM技术的3 D协同设计

水泥聚苯模壳墙体建筑将传统的“设计-现场施工”传统模式转变为“设计-制造-安装”信息化模式。通过在Revit中建立完整模型，可实现对建筑的全生命周期管理。

BIM软件可精确计算出建筑内的聚苯模壳构件数量、尺寸及类型，并建立聚苯模壳的构件族将建筑中所用到的聚苯模壳进行分类编号设计，然后将聚苯模壳构件的尺寸及编号发往生产厂家进行生产，编号的聚苯模壳构件可更方便安装。BIM软件还可确定建筑内加强格构柱、圈梁和门窗过梁等在墙体内的位置，并对每一面墙进行单独编号，方便在工厂内进行组装。BIM软件还能在模型内进行管线碰撞检查，在设计的同时确定墙体开洞位置，免除在施工现场现找位置现开洞的问题，缩减施工时间。改性水泥聚苯模壳材料本身虽然是绿色节能的建筑材料，但聚苯颗粒对环境并不友好，通过BIM软件的管理，在建筑生命周期结束后还可对水泥聚苯模壳墙体进行拆卸及二次利用，可更好地保护环境。

2.3 水泥聚苯模壳装配式建筑设计流程

预制装配式建筑的核心是预制构件，而施工阶段中预制构件能否按计划直接拼装取决于预制构件中的设计质量，因此预制装配式建筑的设计阶段很重要。水泥聚苯模壳建筑需要在设计中解决的问题有墙体的留孔开洞、预埋、防水、墙体内格构柱的配筋和连接件等，在设计是这些构件要进行精确计算并可直接生产成型。

2.3.1 初步设计

初步设计时，先设计房屋尺寸及建筑模型，从而选择聚苯模壳的形状、大小及尺寸，并考虑是否需要新建构建模型，如果需要将构件添加到构件库中。

2.3.2 中期设计

中期设计时，在确定好墙体尺寸及构件形状后，将建筑完整模型进行查错检查，建筑、结构模型、机电模型进行冲突检测，三维管线综合，竖向净空优化等基本应用。从而确定墙体开孔位置及墙体内钢筋配比，并将需要留预留孔洞的构件进行单独编号生产，方便施工时安装。

2.3.3 后期深化设计

在后期深化设计阶段，预制水泥聚苯模壳相关参与方分别提出各自要求，通过设计院的综合，绘制施工图纸，送往生产水泥聚苯模壳的生产商。

3 结语

水泥聚苯模壳格构式墙体建筑还有很大的发展空间，本文也只是通过BIM技术对该体系提出装配式建筑的可能性，用装配式建造该体系建筑可实现更绿色、经济的施工办法，并配合聚苯模壳建筑本身的节能特点，将对我国建筑节能的发展起到很大的推进作用。