钢结构装配式住宅配套外墙板的研究进展

苗纪奎胡蓝皓鲍建光邱世君

(1.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101；2.济南四建(集团)有限责任公司，山东 济南 250013)

0 引言

钢结构住宅因其天然的、装配化属性和自重轻、抗震性能好、空间布置灵活等特点[1]，已经成为适合工业化建造的最佳结构形式，最有条件率先实现产业化[2]。早在2001年住建部发布《钢结构住宅建筑产业化技术导则》以来，各地政府不断出台相关政策细则，钢结构装配式住宅获得了巨大的政策红利，但直至今日，钢结构装配式住宅仍处于试点推广阶段[3]，且市场接受度较低，其主要原因在于围护体系及其部品与钢结构装配式住宅匹配性较差[4]，存在外墙板安装难以形成标准化、防水防渗措施不到位、相关图集严重滞后等问题[5]。虽然市场上外墙材料和构造形式多样，但适用于钢结构装配式住宅的外墙较少。为避免外墙成为钢结构装配式住宅发展的瓶颈，应把外墙板及其配套技术作为钢结构装配式住宅的研究重点[6]。

文章分类了钢结构装配式住宅常用外墙板，介绍了其构造组成和特点，调研了墙板国内外研究现状，分析了目前墙板研究中存在的问题，在此基础上提出一种新型复合保温外墙板，并结合我国钢结构装配式住宅发展前景，展望了今后墙板研究方向。

1 外墙板类型及特点

依据墙板的构造形式的差异，目前常用于钢结构装配式住宅的外墙板可大致分为单一材质轻型条板、轻钢龙骨复合墙板和预制混凝土夹芯大板3类[7]。

1.1 单一材质轻型条板

单一材质轻型条板依据材料和制作工艺的不同，有加气混凝土板(如图1(a)所示)、陶粒混凝土板(如图1(b)所示)和泡沫混凝土板等众多品类，此类板材容重较轻、强度较低，便于现场裁切、钉挂，热工性能优于普通混凝土、黏土砖等传统墙材，但单一材质轻型条板存在着以下问题:

图1 单一材质轻型条板示例图

(1)难以满足寒冷地区的节能要求 板材导热系数低于传统墙材，但与高效保温材料相比仍有较大差距，目前唯一能在寒冷地区满足居住建筑65%节能设计要求的单一材质轻型条板仅有加气混凝土板，且厚度需＞300 mm[8]。近年来，山东、河北、新疆等地区纷纷将居住建筑节能率提高至75%[9-11]，北京市已实施80%的节能率指标[12]，故在严寒和寒冷地区，住宅仅依靠单一材质轻型条板作为保温隔热的外墙构造将被逐步淘汰。

(2)板材受湿度影响较大，抹灰层易空鼓、脱落 单一材质轻型条板常用材料，如加气混凝土、泡沫混凝土等，干湿循环下板材抗裂性和强度明显降低[13]，且此类板材与普通砂浆之间干缩变形的属性差异较大，两者形变不同步，易形成界面收缩裂缝，造成抹灰层大面积龟裂、空鼓和脱落[14]。

(3)板缝多，现场工序相对繁琐 单一材质轻型条板板宽多以600 mm规格为主，相比于整开间式大板，增加了墙板安装、嵌缝等重复性工作及洞口加固等额外工序，排板设计也较为繁琐。

1.2 轻钢龙骨复合墙板

轻钢龙骨复合墙板(如图2所示)是以冷弯薄壁型钢龙骨为受力骨架，两侧覆有轻质薄板，中间填充保温芯板的复合墙板。墙板受力骨架多采用C形或U形龙骨，保温芯板可采用无机保温砂浆板、聚苯乙烯泡沫保温板、泡沫混凝土板等材料，内面板多用纸面石膏板或纤维增强硅酸钙板，外面板多采用纤维增强水泥板或纤维增强硅酸钙板。

图2 轻钢龙骨复合墙板示例图

轻钢龙骨复合墙板的施工多采用工厂定制、现场组装的方式[15]，即依据外墙单元划分和墙板设计尺寸在工厂中定制各构件，现场拼装龙骨后依次固定外面板、保温芯板和内面板。基于这一特定工序，该类墙板可在龙骨间隙内布设管线，拆卸维修方便、回收利用率较高，但该类墙板还存在以下问题:

(1)墙板热工性能存在缺陷 面板多通过自攻钉钉挂到龙骨上，交界面易形成层间通缝，且自攻钉与龙骨均属金属材质，易形成贯通性热桥；此外，龙骨与保温芯板构成的芯层是非匀质的，造成墙板内表面温度场不均匀分布，龙骨处热流率较大[16]。

(2)综合成本高 龙骨骨架需进行镀锌防火处理，且横、竖龙骨采用现场焊接，其作业量大，与组装工序作业范围重叠，导致工期长、整体成本较高。

1.3 预制混凝土夹芯大板

预制混凝土夹芯大板(如图3所示)由内、外叶混凝土板和夹芯保温层构成，各构造层通过柔性连接件、钢筋或混凝土肋等形式复合在一起。内叶板作为结构层，往往厚度较大，而外叶板起到保护芯板的作用，其厚度比内叶板薄。此类墙板以整开间为设计尺寸，一次预制成型，目前较成熟的有混凝土聚苯乙烯复合外墙板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、混凝土膨胀珍珠岩复合外墙板等。预制混凝土夹芯大板的构造特点决定了其板缝较少，强度、防火性能和耐久性较好，同时也存在以下问题:

图3 预制混凝土夹芯大板示例图

(1)自重大，与钢结构不协同 墙板尺寸较大，内外面板多采用混凝土材质，导致单一构件重量较大，给墙板吊装、位置调整等工序带来不便，与钢结构轻质高强的特点不协同，已不适于钢结构建筑，尤其是高层钢结构建筑的发展。

(2)连接件存在技术瓶颈 传统金属连接件存在明显的热桥[17]，目前预制混凝土夹芯大板多采用纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics，FRP)连接件，FRP材料导热系数低，有助于提高墙板整体保温性能，但抗拉弹性模量仅为钢材的23%，抗剪强度仅为钢材抗拉强度的5%～20%[18]，同时还存在造价高、易老化等缺陷。

1.4 各类墙板对比分析

通过调研各类墙板的工程应用现状，发现以下问题:

(1)单一材质轻型条板单独用作围护墙体时，设计方为强行满足节能标准，盲目增大墙板厚度，虽然墙材容重较低，但墙板自重较大，故很多项目将墙板与薄抹灰保温系统结合，采用“半装配、半湿作业”的方式，使得装配率大打折扣。

(2)轻钢龙骨复合墙板由于现场工序繁琐、综合成本稍高，且龙骨需定制设计，墙板规格的通用化程度低，故应用相对较少。同时，很多单位基于简化施工的考虑，尝试将墙板现场组装的工序移至工厂内完成，但都未实现大规模推广。

(3)预制混凝土夹芯大板自重大，与钢结构协同性较差，但由于很多单位沿袭了混凝土结构的设计思路，此类墙板反而在钢结构工程中较为多见，导致其结构自重过大，尤其在中低层钢结构住宅中，墙板吊装费用占比明显增加。

综合上述分析，归纳3类墙板的适用性见表1，可以看出在现有技术下，3类墙板均难以满足钢结构装配式住宅的需求。

表1 3类墙板综合分析结果表

2 墙板研究现状

2.1 国外研究现状

发达国家早在20世纪70年代便开始了装配式墙板的研究，技术相对成熟。近年来，其研究和应用多以预制混凝土夹芯大板为主。KIM等[19]分别研究了带有W、Z和J形金属连接件的预制混凝土夹芯大板的热工性能，基于热交互作用会随连接件间距的增大而减弱的原理，得出W形连接件具有更低的传热效率，且验证了W形连接件更有助于提高墙板的热阻；意大利Edilmatic公司利用FRP材料研发了一种断桥式连接件，使得温度在板内正常分布，且借助尖角构造，连接件易于推入并穿透保温材料，简化了墙板制作工艺[20]；LAMEIRAS等[21]提出了一种由钢纤维增强自密实混凝土板和玻璃钢(Glass-Fiber Reinforced Plastic，GFRP)连接件组成的新型夹芯板，解决了传统金属连接件的热桥问题，并通过力学试验证明了GFRP连接件可使内、外叶板可靠连接；WOLTMAN等[22]进一步研究了GFRP连接件的直径、布置间隔对墙板抗剪性能的影响，试验证明了GFRP连接件抗剪强度可达60～112 MPa，远高于普通FRP连接件；BAI等[23]结合了墙板剪切变形和抗弯强度等因素，推导并验证了泡沫混凝土夹芯板的离散模型，为今后墙板夹芯构造层的力学研究提供了较为严格的分析方法。

在墙板研发方面，也取得了大量成果。MYDIN等[24]将薄壁型钢面板与轻质泡沫混凝土复合，发现轻质泡沫混凝土可有效抑制钢板向内弯曲，间接证明了这一新型墙板的可行性；STEPHEN等[25]将相变材料用于墙板，通过对其蓄热能力的研究，证明了相变墙体可有效降低建筑冬夏季能耗并改变夏季峰值用电负荷；AGURTO等[26]研发了一种适应性强、成本低的预制集热墙体，通过对其冬夏两季温度的监测，证明了该墙板可明显提高室内热舒适度并延长热舒适时长。

2.2 国内研究现状

(1)单一材质轻型条板研究现状

单一材质轻型条板在国内生产工艺相对成熟，针对其力学性能和不利工况的研究较多。张国伟等[27]为研究加气混凝土板抗弯性能的影响因素，通过6块墙板的四分点加载试验，观察到板材以受剪破坏为主，在较大荷载下板材与钢筋产生粘结滑移，并将两者粘结力低的原因总结为钢筋锈蚀、加气混凝土强度低、浆体流动性差等因素；肖伟[28]以B04级加气混凝土板为例，通过拟静力试验和振动台试验，研究了其抗震性能，得出墙板可适应较大弹塑性层间变形、内嵌墙板提高结构刚度的作用大于外挂墙板等结论；为防治墙板的开裂、空鼓等问题，李海洲[29]提出了控制加气混凝土裂缝的预压原理和相对最小收缩原理，其研究对象虽局限于砌块墙，但也为加气混凝土板抹灰层的裂缝防治提供了参考；孙钢柱等[30]分析了含水率对加气混凝土板保温性能的影响，验证了墙板导热系数与含水率呈线性正相关，并基于传热系数要求提出了不同含水率下加气混凝土板的合理板厚；丁杨等[31]对泡沫混凝土分别展开了湿热循环、冻融循环等5种耐候性试验，通过分析孔结构、吸水率和导热系数的变化规律揭示了泡沫混凝土的耐候性能，为其应用于外墙板提供了理论支撑。

近年来，随着绿色建筑理念的推广，学者们从循环经济的角度，对固体废弃物在加气混凝土板中的利用进行了研究。刘敏[32]以陶瓷废渣为原料改良蒸压加气混凝土的性能，初步确定了原料配比和工艺流程；周学军等[33]利用这一改良材料研发出新型自保温墙板，通过理论与试验分析，得到了墙板承载能力、变形性能和裂缝的产生及发展规律，验证了墙板用做装配式外墙的可行性；赵田田等[34]公开了蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板的制作方法，同时编订了相应技术导则[35]并在山东省内推广。此外，在以粉煤灰为硅质原料、以铝粉为发气剂的加气混凝土板制作工艺的基础上，董泓江[36]以铝灰做发气剂、田键等[37]以硅泥代替粉煤灰、张巨松等[38]以矿渣作硅质原料并掺入硅灰，分别改良了加气混凝土板的工艺和配比，为墙板实现废弃物消纳做出一定探索。另外，墙板热工性能和综合效益逐渐得到重视，李悦[39]采用数值模拟的方法确定了不同厚度泡沫混凝土板的有效导热系数，验证了墙板对室外温度波动的衰减延迟作用，为暖通空调负荷和能耗计算提供了依据；樊娟莉[40]针对加气混凝土板，建立了全寿命周期碳排放和能耗计算式，并量化分析了墙板的综合效益。

(2)轻钢龙骨复合墙板研究现状

国内对轻钢龙骨复合墙板的研究起步较晚，其中又以墙板力学性能和连接节点的研究居多。白钰山[41]通过抗风承载力试验，验证了龙骨复合墙板在我国大部分城市＜150 m建筑中的适用性，并模拟分析了龙骨间距、厚度、截面尺寸等参数对墙板抗风承载力的影响；张海霞等[42]提出了一种新型节点，即通过角钢连接件与钢梁焊接、与龙骨螺栓连接，从而实现墙板与结构的连接，并通过低周往复荷载试验，验证了该节点较好的延性性能；谈成龙等[43]通过数值模拟分析了龙骨规格、布置间距等参数对墙板抗弯承载力的影响，并针对不同建筑高度和风压，提出了适宜的墙板规格。

近年来，学者们开始针对墙板热工性能进行探索。刘振岐[44]开创性地利用S形龙骨在墙板外缘形成企口，解决了传统C形龙骨处的通缝问题；张亚伟[45]采用聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)型材代替C形龙骨腹板的中间段钢板，提出了全新的断桥式龙骨；武胜等[46]通过腹板开孔轻钢龙骨复合墙体的传热性能试验，得出了腹板开孔构造形式可降低墙体热损失、显著改善墙体保温性能的结论。

此外，针对一体化预制的轻钢龙骨复合墙板，彭欢佳等[47]研发了一种整体装配式的轻钢龙骨复合墙板，并在龙骨和外叶板间附加一层岩棉板用于阻断热桥；钱臻旭等[48]提出了一种轻钢龙骨混凝土组合墙板，即以混凝土板代替传统墙板外侧的轻质薄板，通过剪力钉在混凝土板和龙骨骨架间形成8 mm厚的空气层，从而加强了墙板的保温性能；田稳苓等[49]提出了一种新型泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙板，采用蒙皮板为内、外叶板并兼做免拆模板，外叶板通过方钢管与龙骨相连，板内空腔浇筑泡沫混凝土，同时推导出其抗剪承载力计算公式，并根据试验数据予以修正，为结构设计提供参考。

(3)预制混凝土夹芯大板研究现状

预制混凝土夹芯大板的发展受发达国家影响，起步较早，其力学性能的研究相对丰富。近年来，我国对该类墙板的研究多集中在连接件和轻量化墙板研发两方面。

传统预制混凝土夹芯大板多采用金属板式连接件，随着热桥问题逐渐被重视，2007年同济大学等单位借鉴国外经验，研发出国内第一代FRP连接件[50]。随后，杨佳林等[51]通过对预制夹芯保温墙板中FRP连接件的拔出和抗剪试验，验证了其力学性能具有较大的安全储备，同时通过红外成像，观测到连接件部位表面温度趋于均匀、无明显热桥；薛伟辰等[52-53]通过FRP连接件抗拔、抗剪性能的加速老化试验，观测到FRP连接件在侵蚀条件下，劣化区域内的纤维与周围树脂间出现明显脱粘，且抗剪和抗拔强度随着侵蚀时长明显降低；在此基础上，江焕芝等[54]以高强钢丝为内芯、外包玻璃纤维树脂层，提出一种新型钩形钢芯复合连接件，并通过抗拉拔试验验证了其具备较高的安全储备。

此外，在预制混凝土夹芯大板的轻量化设计方面，中国建筑科学研究院等单位以真空绝热板为芯材，研发了超薄绝热保温复合墙板，由于芯材相比于一般保温材料导热系数更小，使得墙板夹芯保温层和外叶板厚度得以降低[55]；唐剑[56]采用轻骨料混凝土浇筑内外面板，以达到降低自重、加强保温的目的，同时为兼顾力学性能，确定了墙板达到轻质高强特性时的最佳骨料掺量；孙源泽等[57]将混凝土板置于墙板外侧抵抗风荷载，将保温材料置于混凝土板和内装石膏板之间，提出了一种集成式墙板，并通过在混凝土板内部设混凝土肋、肋间空腔填挤塑板的方式进行减重。

2.3 各类墙板研究中存在问题

经过以上调研，发现目前上述3类墙板的研究还存在以下问题:

单一材质轻型条板的研究主要集中在墙材配合比改良和墙板的力学性能上。现有技术下，墙材骨料配合比的改良很难对墙板导热系数产生显著影响，近年来以消纳废弃物、降低造价为目的而研发的很多板材，由于导热系数远大于高效保温材料，并未改变墙板过厚过重的现状，故此类研究对于提高墙板与钢结构适配性的作用十分有限。而墙板力学性能的研究大多以单块板材为试验对象，缺乏针对墙板系统的整体性分析，尤其是对开洞墙面的试验研究，故对实际工程的指导意义有限。此外，关于板缝的研究相对较少，工程中板缝多遵循构造措施进行施工，还缺乏防火、隔声、防渗漏等方面的理论和试验数据。

轻钢龙骨复合墙板的热桥问题逐渐得到重视，但现有研究大多通过墙板内部温度场的分布，定性地评价其热工性能，并未针对龙骨处不均匀温度场所引起的热应力和形变进行定量分析，并且墙板内部温度场的分布大多通过稳态传热状态下的模拟分析得出，尚缺乏瞬态传热条件下的相关研究。此外，近年来研发的很多一体化轻钢龙骨复合墙板，在关注其构造设计和力学性能时，很少涉及防火、隔声和耐候性能的研究，连接节点缺乏承载力计算和抗震试验。此外，很少有学者针对墙板规格和开洞尺寸给出龙骨数量、间距、规格等参数的选用依据，给此类一体化墙板的推广带来很大阻力。

预制混凝土夹芯大板实质是装配式混凝土结构配套墙板转型而来的产物，墙板自重大，并不适于钢结构建筑，故墙板轻量化设计成为目前研究的热点，其中又以轻骨料混凝土的应用研究居多，将轻骨料混凝土用于外叶板，起到一定减重、保温的作用，但也存在抗拉强度低、收缩变形大等问题，而针对这方面的研究比较匮乏。尤其对于高层钢结构住宅，轻骨料混凝土外叶板将很难满足风荷载的要求，需加厚外叶板，甚至使内外叶板等厚，这一形式的墙板的力学性能也有待深入探究。此外，目前FRP连接件强度较低、造价高和易老化等难题尚未攻克，其应用虽广，但仅作为现有产品的最优选，远非连接件的理想选择。

3 新型复合保温外墙板

基于以上国内外的研究现状调研和存在问题分析，课题组结合钢结构装配式住宅对外墙板的性能要求，提出一种新型装配式加气混凝土复合保温外墙板[58]，简称复合保温外墙板(如图4所示[59])。该墙板主要由加气混凝土条板基层、有机保温层和燃烧性能为A级的保温浆料防护层组成，加气混凝土板基层采用配筋蒸压加气混凝土板，保温层可采用模塑板、挤塑板、聚氨酯板等有机保温板，保温浆料防护层采用玻化微珠或胶粉聚苯颗粒保温浆料。经开槽处理的保温板通过粘结砂浆与经专用界面剂处理后的加气混凝土板基层复合后，再在保温层上侧浇筑保温浆料并使其将保温板完全包裹，最后借助塑料锚栓将各构造层机械锚固在一起。复合保温外墙板运抵现场后，通过墙板基层上的锚固件与主体钢结构连接，在墙板外侧依次涂抹15 mm厚保温浆料找平层、抗裂砂浆抹面层和饰面层后，形成复合保温外墙板系统[60]。

图4 装配式加气混凝土复合保温外墙板基本构造图

与传统外墙相比，复合保温外墙板系统具有以下技术优势:

(1)热工性能优良 复合保温外墙板采用高效的有机保温材料作为保温层，加气混凝土条板基层和保温浆料防护层在各自发挥其承重、防火作用的同时，也在一定程度上提高了墙板的保温隔热性能，满足了严寒与寒冷地区对墙体热工性能的要求，常用规格墙板传热系数见表2，其中墙板保温层均采用石墨挤塑板，而保温浆料均采用胶粉聚苯颗粒保温浆料。

(2)自重轻 由表2可知，复合保温外墙板自重仅为预制混凝土夹芯墙板的1/6～1/4，借助简易机具即可完成安装，精度易于控制，同时减轻了结构自重，降低了基础处理费用，有利于充分发挥出钢结构装配式建筑自重轻、抗震性能好的优势。

表2 常用规格复合保温外墙板传热系数和自重表

(3)整体性好，连接安全性高 复合保温外墙板各构造层间采用无空腔构造，加气混凝土板基层采用专用界面剂处理，提高了保温层与基层的粘结强度，以满足保温层与基层粘结强度≥0.10 MPa的要求。通过在保温板表面开设键槽，增加了保温浆料防护层与保温层的粘结面积与咬合力，并通过增设塑料锚栓辅助机械锚固，从而保证了各构造层间的连接安全性。

(4)防火性能好 该墙板保温层两侧的加气混凝土和保温浆料均为不燃材料，且保温浆料将保温层完全包裹，加强了板缝处的防火要求，墙板保温浆料防护层达35 mm，而现场涂抹的保温浆料找平层为15 mm，使保温层两侧不燃材料厚度均＞50 mm，符合现行防火设计规范的6.7.3条的规定[61]。

(5)连接节点构造简单，生产制作方便 连接节点采用下托上拉的方式，加气混凝土条板无需设置预埋件，而是在正常工艺生产的条板上机械开孔并设置锚固件，墙板通过锚固件和连接件与主体结构连接，其构造简单、安装方便，解决了在加气混凝土条板中设置预埋件、生产工艺复杂、制作困难等问题，也解决了常规连接构造存在的节点热桥问题。

(6)满足工厂化制造、装配化施工的要求 复合保温外墙板是在工厂预制成型的一种保温与结构一体化墙板，工厂生产时按照排板图分类编码，现场施工时依据排板图采用装配化方式进行安装，并借助BIM技术解决墙板与结构构件的碰撞问题，保证墙板的现场安装质量，提高墙板的安装效率。

(7)板缝处理简单，施工方便 在复合墙板外侧设置了保温浆料找平层，可以通过调整浆料层的厚度满足墙面找平的要求，不仅解决了条板接缝多、板缝构造处理复杂的问题，还可将板缝嵌缝材料完全覆盖，提高了墙板系统的耐久性。

(8)生产工业化程度高、质量易于控制 复合保温外墙板生产线主要由全封闭储料送料系统、干混砂浆搅拌系统、保温浆料搅拌系统、自动上板系统、板材输送系统、自动出板系统、下板码垛系统等组成，干粉砂浆搅拌机、保温浆料搅拌机可实现自动配料、电子计量，生产设备自动化程度高、生产效率高，产品质量易于控制。

(9)实现了建筑保温与墙体同寿命的目的 有机保温层位于内侧的加气混凝土板和外侧的保温浆料层之间，避免了直接受紫外线照射的影响和火灾侵害，提高了保温材料的耐久性，实现了复合保温外墙板与主体结构同寿命的目的。

(10)绿色环保 加气混凝土板基层是绿色环保材料，具有制作材料来源广泛、材质稳定、质轻、保温、隔热、隔声等优点，且可加工性好，可锯、可钻、可钉、可开槽，解决了墙体钉挂重物与开槽布设管线难题；且墙板采用装配式干法作业，现场施工时墙板无切割，减少了建筑垃圾与施工污染，保护了生态环境。

4 展望

住房和城乡建设部等部门下发的“关于加快新型建筑工业化发展的若干意见”，明确提出要大力发展钢结构建筑，鼓励医院、学校等公共建筑优先采用钢结构，积极推进钢结构住宅和农房建设。但在现有技术水平下，钢结构装配式住宅与其配套外墙板不协同的问题仍然存在。因此，现阶段应加快新型墙板的研发及关键应用技术的研究，在满足外墙板功能性、安全性与耐久性的基础上，制定相关标准及图集，规范外墙板设计、生产、施工与验收，做到在推广钢结构装配式住宅时能够有优质墙板可用、有图集规范可依，从而推动我国建筑工业化的发展。