超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系研究

徐阳，褚作勇，王晓波

（1.安徽理工大学，安徽 淮南 232000；2.北京中清恒业科技开发有限公司，北京 100044）

0 引言

随着我国建筑节能标准的不断提高，传统的结构体系和墙体材料已经不能适应新形势的发展要求。目前，我国建筑业能耗占社会总能耗的35%-40%。我国既有的近400亿m2建筑中的99%为高耗能建筑，新建建筑中95%以上仍属于高耗能建筑，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上[1]。传统建筑仍处于粗放式发展，消耗巨大的资源，其保温效果差，施工工序多而复杂，对环境造成污染大，对工人来说劳动强度高，工作环境差，超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系成功解决了以上问题[1]。该结构体系保温效果好，组成该体系的模块可以在工厂预制生产，现场灵活拼装，整个结构体系施工质量有保证且施工速度快，需要投入的人员设备少，对周围环境影响小。由于国家对绿色节能要求越来越高，超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系具有更大的发展空间。

1 保温建筑模块的分类及组合方式

1.1 植物纤维混凝土保温建筑模块

植物纤维混凝土保温建筑模块是由外侧板、内侧板和连接块组成，外侧板和内侧板相互平行设置并具有一定的间距，其通过连接块相连。外侧板、内侧板和连接块采用植物纤维混凝土整体浇筑预制为一体，且外侧板、内侧板的上下边缘有企口以便拼接，连接块上设置有限位槽，用来放置水平钢筋，内侧板和外侧板中的小空腔放置轻质保温材料。如图1所示。

图1 模块示意图

该模块的优势：内、外侧板和连接块采用植物纤维混凝土，而植物纤维混凝土是由植物纤维和水泥基料组成的复合材料，由于纤维的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高，同时植物纤维始终绿色材料，因此模块具有更好的力学性质和环保效果;解决了模板的安装、拆卸问题，减少了施工现场的湿作业，提高了施工质量;完美解决了防火问题，防火等级高，并且结构整体性好、抗震强度高;设置的空腔能够解决自保温、水电管线的铺放问题;该建筑模块可以由工厂预制，施工现场组装，加快了施工速度，降低了施工难度。

总体而言，该模块是一种免拆内置、保温一体化、绿色节能的新型模块。

1.2 模块的分类

植物纤维混凝土保温建筑模块为了适应建筑构造做法，根据产品外形可把空腔模块分为块直板空腔模、直角空腔模块、T型空腔模块、十字型空腔模块及扶壁柱墙体空腔模块。

直板空腔模块根据适用不同的建筑部位分为3种规格，如图2所示。

图2 直板空腔模块

直角型空腔模块根据适用不同的建筑部位分为4种规格，如图3所示。

图3 直角型空腔模块

T型空腔模块根据适用不同的建筑部位分为4种规格，如图1.4所示。

图4 T型空腔模块

十字型空腔模块根据适用不同的建筑部位分为2种规格，如图5所示。

图5 十字型空腔模块

扶壁柱墙体空腔模块根据适用不同的建筑部位分为5种规格，如图6所示

图6 扶壁柱墙体空腔模块

图7 连接块

1.3 适用结构与构造模块设计

为了适应不同的建筑构造节点做法，尽量减少施工过程中对模块的切割工作和节约成本，可采用不同类型的空腔模块。不同类型空腔模块的应用位置如下所述。

空腔直板型模块主要有3种规格，如图3所示的图a模块适用于房屋内外墙、承重墙及非承重墙；图b所展示的模块与图a相比，内侧版变为实心板，适用于基础；图c所展示的模块与图b相比，内、外侧板相差一个楼板厚度，适用于外墙与楼面板交界处。模块的模数基数为3M，尺寸为900×300×300（长×宽×高）、600×300×300、300×300×300。空腔直板型模块的连接块（是由圆台和圆柱的，如图7）位于模块的中部。圆柱体两侧各有一个限位槽（如有需要更多的钢筋可以增加更多的限位槽），在限位槽上放置水平钢筋，其大小一般能放置8～12mm钢筋,并距离连接块最外侧的距离要满足现浇混凝土墙的最小保护层厚度即15mm。这样使每一块空腔模块在浇筑混凝土后，形成更稳定、更均匀和更有效的受力体。

空腔直角型模块和T型模块是为墙体转角处保温系统的整体性提供保证。传统外墙保温体系，由于自身材料的缺陷，保湿板的拼接（尤其是墙体转角处的拼接）密封性比较差，植物纤维混凝土保温建筑模块利用自身可塑的优势，很好的解决了墙体转角模块密封的问题。空腔直角型模块和T型模块与直角型模块一样，都是用于内外墙体、基础及墙体与楼层交界处。直角型模块尺寸为725mm×300mm×300mm和425mm×300mm×300mm。T型模块延外墙方向壁长600mm，延内墙方向壁长为175mm或475mm，宽度为300mm，高度为300mm。

十字型模块适用于内墙十字交叉处，在交叉处设置暗柱，不仅能加强墙体之间的刚度和稳定性，也起到了增大使用空间和减少支模工序。十字型模块长边425mm，短边125mm，高度300mm，宽度300mm。

扶壁柱墙体空腔模块作为加强柱的专用模块，主要是应对房间跨度过大，需要设置加强柱时的补充。

1.4 模块的拼装要点

在水平拼装时，将直角空腔模块、T型空腔模块和扶壁柱墙体空腔模块定位、固定牢固，然后插入直板空腔模块[2]。为了使空腔模块拼装起来更牢固，要进行企口对齐拼接。与传统砌体结构施工一样，为保证墙体的强度，模块在拼装时也需要错缝插接。如前文所述，同一类型的模块设计有不同的尺寸，利用不同的两种尺寸在上下层相互交错拼装。

2 纤维膜壳格构式混凝土墙体系统

植物纤维混凝土保温建筑模块作为墙体的现浇免拆模板，可在满足自承重的前提下根据水平荷载等要求，配筋形成隔墙，也可按照相关结构要求设计成为结构承重墙。

该墙体构件体系是轻钢型龙骨、水平钢筋及模块组成，如图8、图9所示。轻钢型龙骨是冷弯C型钢，一般为Q235或Q345钢材，其表面有大椭圆开孔、半椭圆开孔和两侧翼缘，大椭圆开孔有利于减少钢材用量和增大混凝土与钢材的粘结力，两侧半椭圆开孔有利于水平钢筋的固定免去绑扎，翼缘有助于增强钢材的刚度和与混凝土之间的咬合力。该模块外侧可以选择性进行装饰，因纤维膜壳自身可以作为装饰面，当需要另进行粉刷装饰时，可在墙体的内、外侧依次做找平层、抹面层及饰面层，所形成的保温承重墙体系统即纤维膜壳格构式混凝土墙体系统。

在纤维膜壳格构式混凝土墙体系统中，模块墙体作为结构承重构件，由于纤维膜壳格构式混凝土墙体系统的洞口较多，体系的应用有一定的局限性。适用范围为抗震设防烈度8度及8度以下地区，层高不宜大于3.3m的24m以下且层数不大于7层的三级抗震等级的保温承重墙体工程[3]。

纤维膜壳格构式混凝土墙体构件的重要特点是模块按照错缝搭接的原则拼装空腔模块，在空腔内放置轻钢型龙骨和水平分布钢筋，并现浇轻质混凝土，模块、钢筋和轻钢型龙骨形成受力体系用来承受水平和竖向荷载。该墙体构件系统集承重结构与保温一体化，结构受力介于配筋砌块和剪力墙之间，用龙骨代替竖向钢筋用模块代替模板，不但做到承重与保温一体化也使构造及施工简单，并节省能源和符合绿色建筑要求。总之，该墙体构件与低层住宅对结构强度要求相对较弱的特点相吻合，所以纤维膜壳格构式混凝土墙体系统应用于低层和多层住宅具有独特的优势。

图8 纤维膜壳格构式混凝土墙体系统

图9 轻钢型龙骨

3 超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系的楼板

超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系具有保温、施工简便的特点，如果继续使用现浇混凝土楼板就违背了该体系施工简便和环保的原则。该结构体系的楼板构件采用MDF金属网状箱空心楼盖系统。楼板是由密肋梁、分布钢筋、钢筋体和MDF金属网状箱组成，如图10所示。MDF金属网状箱可以在工厂预制也可以在现场由金属网折叠组成。

MDF金属网状箱空心楼盖的重要特点是降低建筑层高，增加净空高度；减少土方挖掘量，节约土建造价；加快施工进度，缩短施工工期；节约配套建筑材料，降低建筑成本；保温隔音，节能环保；刚度大变形小，抗震性能好；施工抗浮简便，抑制裂纹发展。

图10 MDF金属网状箱空心楼盖

楼板的施工流程：①在支持架上拼装楼盖模板;②铺设抗裂钢丝网和地板筋;③绑扎梁钢筋;④在密肋梁中预埋水管电线;⑤安装MDF钢板网箱构件;⑥铺设上翼缘钢筋;⑦进行抗浮处理;⑧调整定位钢网箱做好隐蔽验收和记录;⑨采用泵送混凝土现场浇筑;⑩振动、平整上翼缘板;⑪养护楼盖混凝土，达到强度要求后拆模。

MDF空心楼盖优势：金属网状箱作为填充体能有效的解决空心楼盖填充体存在的隔离、位移、破损、自重大、抗浮等缺陷，具有运输方便、安装简便、施工便利等优点。由于其结构整体性好，可适用于大跨度、大荷载、大空间的工业与民用建筑。

4 对超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系施工模拟

超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系的房屋主体的建造工艺应按下列顺序进行：测量放线；地基基础施工和轻钢型龙骨固定；条形基础顶面或地梁上表面测量放线和表面找平；窗下空腔墙体组合及校正；浇筑墙体混凝土；门窗墙垛及上部空腔墙体组合支护楼面模板；MDF金属网状箱空心楼盖拼装和浇筑；继续上一层墙体和楼面施工[4]。

利用3DMAX对超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系施工模拟，如图11所示。

图11 结构施工模拟图

5 小结

超低能耗纤维膜壳格构式混凝土结构体系，它采用免拆模板、分层支模、分层浇筑，保温和混凝土墙体一次成型，保证了外墙保温与结构施工同步化，简化了施工工序；工人操作简便，提高了工效效率；结构永久牢固可靠，与传统在建筑外表面贴保温层相比，不会出现保温层日久脱落现象。目前，墙体构件模块进一步改进，由双侧保温变成单侧保温，单侧保温层加厚。为了便于加工生产连接件，其位置进一步改为模块的上下边缘，连接件的形状由圆柱改进为有半圆柱和梯形组合体，具有更高的强度和减少对墙体的削弱。骨架不只是单一的轻钢型龙骨，可以是由自主研发的预制焊接桁架柱作为龙骨。预制焊接桁架柱比轻钢型龙骨体积小、强度更高和受力更合理等优点。空心楼盖采用施加预应力的方法，和金属网状箱结合在一起，具有更高的承载能力。

总而言之，新型结构体系中的空心模块可工厂化生产，现场拼装，提高了建筑工业化程度，施工简单易行，极大地缩短建筑物的施工周期。该技术可以应用于农村城镇住宅 (如雄安新区统一规划的农村住宅楼)、灾后重建、寒冷地区住宅和工人临时居住所。同时，这种结构体系也要随时代发展做出更新，面对日益缺乏的资源和对人们对住房空间、安全和舒适度的要求，该结构体系技术应该朝着更加节能环保、造价低、易于搭建和回收的方向发展。