整体装配式轻钢龙骨外墙板的研究

彭欢佳，罗 多，邓 鑫

（1、珠海中建兴业绿色建筑设计研究院有限公司 珠海519000；2、珠海兴业绿色建筑科技有限公司 珠海519000）

0 前言

围护结构是指围合建筑空间四周的墙体、门、窗等构成建筑空间、抵御环境不利影响的构件。新型建筑围护墙体的应用对提高建筑质量和品质、建造模式的改变等都具有重要意义，积极引导和逐步推广新型建筑围护墙体也是装配式建筑的重点工作［1］。

目前国内可作为装配式建筑外墙板种类主要有：承重混凝土岩棉复合外墙板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、混凝土聚苯乙烯复合外墙板、混凝土膨胀珍珠岩复合外墙板、钢丝网水泥聚苯乙烯夹芯板、SP 预应力空心板、加气混凝土外墙板、真空挤压成型纤维水泥板（ECP）墙板［2］。轻钢龙骨式复合墙体是由轻钢龙骨、保温和隔热内填材料、两侧覆面板构成的复合墙体，具有强度高、重量轻、塑性和韧性好等优点，是一种环保、高效的结构形式［3］。

轻钢龙骨式复合墙体作为装配式建筑外墙可带来保温装饰一体化、减轻自重引起的地震荷载、降低吊装难度等等好处。常规的安装方式为现场安装钢骨架之后，分层安装墙面外板、保温材料、墙面内板，导致施工作业范围重叠、现场安装工作量大、建筑产业化水平不高［4］。建筑工业化急需开发保温隔热、防火、防水、隔音、抗冻、装饰一体化的装配式外墙板［5］。

本文提出的外墙板系统参照单元式幕墙的安装方式，集保温、隔热、装饰、结构一体化，可在工厂整体制作、现场吊装拼接。

1 整体装配式轻钢龙骨外墙板系统的设计

对整体装配式轻钢龙骨外墙板系统的设计用图1～图4 作进一步的描述如下：

⑴外墙板主体结构为轻钢龙骨与铝合金边框，可提升抗风压能力、减轻结构自重；

⑵内外墙板通过不锈钢铆钉、自攻螺钉与轻钢龙骨连接，便于安装与维护；

图1 外墙板结构示意图Fig.1 Structural of Exterior Wallboard

图2 外墙板剖面示意图Fig.2 Section of Exterior Wallboard

图3 外墙板与主体结构连接示意图Fig.3 Connection between Exterior Wall Panel and Main Structure

图4 外墙板拼接示意图Fig.4 Exterior Wallboard Splicing Sketch

⑶空腔内填充岩棉，提升保温隔热性能，厚度由节能计算确定。同时，为阻断龙骨的热桥效应及增加保温效果，可在轻钢龙骨外侧附加一层岩棉板，厚度由节能计算确定。

⑷可采取轻钢龙骨腹板开孔的措施，减少热桥效应，提升保温性能［3］。

⑸为加强建筑的气密性、水密性，同时又令围护结构及室内潮气得以排出，从而达到节能、提高建筑耐久性、保证室内空气质量的作用，可在岩棉板上附加一层防水透气膜［6］。

⑹轻钢龙骨位置附加防火石膏板、吸音玻璃棉板，在薄弱位置进行加强，进一步提升整体隔音、耐火性能［7］。

⑺墙板之间的拼接借鉴了单元式幕墙中的“等压雨幕原理”，减少等压腔与室外压力差，从而减少通过开口渗入等压腔的雨水，可大幅提升装配式外墙的防渗漏性能［8］。

⑻墙板与主体结构之间采取挂接的方式，可在水平、垂直方向自由调整，提高安装精度。外墙板有一定的平面内变形能力，不影响主体结构的抗震性能。轻钢龙骨与主体结构的连接可依据实际工程需要，选择多种柔性连接方式［9］。

2 装配式轻钢龙骨外墙板系统的性能分析

依据《轻钢龙骨式复合墙体：JG/T 544-2018》，轻钢龙骨式复合墙体的主要性能为：力学性能、耐火性能、隔热性能、保温性能、隔声性能［10］。

对于轻钢龙骨式复合墙体而言，由于自重轻、密度低、热惰性指标低。因此，比较难于达到的主要性能为隔声及隔热。接下来重点对隔声及隔热性能进行分析：

2.1 隔声性能分析

以《民用建筑隔声设计规范：GB 50118-2010》中外墙计权隔声量+交通噪声频谱修正量高标准要求（Rw+Ctr）≥50 dB 为分析目标［11］。采用马歇尔戴声学公司的INSUL 软件对不同的材料厚度进行多方案的组合设计。保温层采用容重为100 kg/m3的岩棉，隔声层为容重为22 kg/m3的玻璃棉，墙面内、外板采用纤维水泥板。分析结果如表1 所示。

表1 满足隔声目标的材料厚度Tab.1 Material Thickness for Acoustic Insulation Target（mm）

由分析结果可知，多种组合均能保证（Rw+Ctr）≥50 dB，满足分析目标。

2.2 隔热性能分析

从满足隔声性能的厚度组合中，挑选一种墙面内、外板厚度10 mm、岩棉厚度160 mm 的组合进行隔热性能分析，气象数据采用广州市内西向外墙，室内温度为26 ℃的空调工况，太阳辐射吸收系数为0.65，分析目标为内板温度θi.max不超过29 ℃［12］。材料参数设置如表2 所示。

由于复合墙体内存在钢框架，不同位置处的隔热表现差距较大，故分为无骨架、有骨架位置两种情况进行计算。隔热计算软件为Kvalue，计算结果如图5所示。

表2 隔热设计参数Tab.2 Design Parameters of Thermal Insulation

图5 隔热分析结果Fig.5 Analysis Results of Heat Insulation

按照轻钢龙骨C140×50×20×3 间距600 mm 布置骨架，整体墙板隔热分析结果如表3 所示。

表3 整体隔热分析结果Tab.3 Analysis Results of Integral Insulation

由分析结果可知，室内板温度θi.max不超过29℃，满足分析目标。

2.3 力学性能、耐火性能、保温性能分析

轻钢龙骨复合墙体的力学性能可通过常规结构计算，得出合理的龙骨截面及间距，满足抗风、坑冲击、抗变形要求。耐火性能可通过增设防火石膏板、增加内外墙板厚度等措施实现，国家图集《防火建筑构造（一）：07J905-1》中已有多种组合可供选择。保温性能主要通过增加填充岩棉的厚度、增设岩棉板来保证，实施难度不大。

3 装配式轻钢龙骨外墙板系统的性能检测

为对比验证软件模拟分析结果，将轻钢龙骨复合墙体进行隔音、隔热性能测试。由于检测是在室内进行，受实验室门洞大小限制，只能把墙板材料运送到实验室室内进行拼接安装。选取满足隔声、隔热分析要求的一种墙面内、外板厚度10 mm +岩棉厚度160 mm+轻钢龙骨C140×50×20×3 间距600 mm 的组合进行检测。

3.1 隔声性能检测

实验洞口规格为3 m（宽）×3.4 m（高），实验室的洞口为混凝土结构，且已经使用一定时间，其交接平面并不平整。为填充钢龙骨与混凝土洞口的空隙，在龙骨与混凝土洞口中间填充双层橡胶垫；在橡胶垫难以填充的位置，采用聚氨酯泡沫进行填充；橡胶垫与聚氨酯泡沫的外表面采用耐候硅酮密封胶进行密封处理，墙板安装过程如图6 所示。

图6 隔声检测墙板安装过程Fig.6 Installation Process of Wallboard for Acoustic Detection

隔声实测值（Rw+Ctr）=48 dB，与软件模拟结果51 dB相比，实际隔声检测结果要小3 dB，原因分析如下：

⑴软件模拟做了一定的简化，构造细节、材料特性没有实际检测模型精确；

⑵实验室检测洞口为混凝土材质，复合墙体边框为钢结构材质。周边表面的不平整可能导致密封不够，有漏声的可能性。

实际检测的墙板满足文献［12］中的隔声标准要求，如要满足高标准要求，可适当增加材料厚度并在检测时处理好周边的空隙封堵。

3.2 隔热性能检测

隔热实验洞口规格为1.84 m（宽）×1.84 m（高），受实验条件限制，只测试传热系数K 值。实验模型的洞口为木骨架，较为平整。在钢龙骨复合墙体与木骨架之间填充一层橡胶垫后用硅酮密封胶密封以确保密实，墙板安装过程如图7 所示。

图7 隔热检测墙板安装过程Fig.7 Installation Process of Wallboard for Thermal Detection

实测传热系数K 值为0.44 W/（m2·k），与软件模拟结果0.26 相比，有较大差距。差异原因分析如下：

⑴软件模拟做了一定的简化，构造细节、材料特性没有实际检测模型精确。

⑵实验室检测洞口为1.84 m×1.84 m，小于实际构件尺寸，边框及骨架所占的比例大于实际构件。

不过即使将墙板整体K 值调整到0.44，内板温度θi.max计算值为26.48℃，依然小于国家规范要求。

4 研究结论

⑴通过软件模拟分析、实验室检测，本文研究的整体装配式轻钢龙骨外墙板能够满足各项性能指标要求。

⑵整体装配式轻钢龙骨外墙板参照单元式幕墙的安装方式，集保温、隔热、装饰、结构一体化，可整体吊装施工，将进一步提升建筑产业化水平。

⑶实际工程中如要确定各种材料的组合及厚度，建议先通过结构计算确定龙骨大致的截面尺寸及间距组合以满足力学性能，然后通过隔声、保温分析确定各种材料厚度，最后复核其耐火性能、隔热性能。