超大规格UHPC材料在幕墙设计中的应用探讨——以郑州紫荆网络安全园项目为例

谷文龙 北京中技金谷集成房屋科技有限公司

1 前言

建筑幕墙是建筑的外围护结构或装饰性结构，主要由结构框架与镶嵌板材组成，无需承担主体结构载荷与作用[1]。建筑幕墙从1851 年英国伦敦国际展览馆—“水晶宫”为开端，中国的建筑幕墙使用始于 1978 年北京长城饭店，国内虽然起步较晚，但经过多年的发展，截至目前，中国建筑幕墙从年产量和存量两方面均居于世界第一位[2]。

目前幕墙所采用的板材主要有玻璃、铝单板、铝塑板和石材等，传统材料自身厚重、大尺寸限制、耐久性一般等缺陷，严重限制了建筑师设计理念的创新。随着科技发展的日新月异，同时具备轻质高强、超大分格、良好耐久性及造型优雅、色彩丰富的UHPC 外墙装饰板应运而生。UHPC 为ultra—high performance concrete panel 的简称，即超高性能混凝土板，1994 年由法国学者提出。UHPC板近年来在国外广泛应用于超大分格，如地中海欧洲文明博物馆与楼顶UHPC人行桥、迈阿密Dior 旗舰店UHPC 幕墙、米兰世博会意大利馆UHPC 幕墙等。

中国UHPC 幕墙项目开端于2018 年深圳悦彩城展示中心幕墙，目前已从依靠进口发展到以自主研发推动规模化应用阶段。2019 年大规格UHPC 预制外墙板在上音歌剧院幕墙工程中首次大面积应用（单板1 500 mm×4 200 mm）。UHPC 外墙板作为一种轻质、超高强、可造型的新型材料，同时实现了显著提升建筑外墙耐用性、建筑视觉表现力更佳和良好的装饰效果，受到建筑师和业主的广泛青睐[3]。

目前限制UHPC 板推广应用的主要原因是缺少相应的标准规范，一方面不同企业的产品质量控制良莠不齐，致使工程中时有UHPC外墙板收缩开裂、翘曲、渗水、局部脱落等现象发生；另一方面现在UHPC 幕墙的设计安装多参考或借用其他材料如GRC、金属、石材或其他人造板材幕墙的标准规范，在材料性能要求、幕墙结构和安装设计等方面未能真正体现和发挥UHPC 性能。专业标准规范的缺失严重影响UHPC 材料在建筑幕墙工程领域的推广应用。因此，探索超大规格UHPC 板块在幕墙工程中的应用，丰富幕墙板材应用形式，以期为后续同类的工程应用提供借鉴。

本文以郑州紫荆网络安全园项目为例来探讨UHPC 大型单元板块的材料性能、系统设计和数字化应用问题。

2 UHPC 材料应用优势

UHPC 是一种以耐碱玻璃纤维、有机纤维、钢纤维等为增韧材料，白色硅酸盐水泥或灰色硅酸盐水泥为胶凝材料，砂子为集料，辅以活性粉末、外加剂、颜料、水等原料，是一种高强度、高韧性、孔隙率低的超高强水泥基材料。UHPC 板的基本配制原理为：通过提高组织成分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的孔隙与微裂缝减到最少，从而获得超高强度与高耐久性，采用浇筑或喷射工艺制成的板块。

性能优势：超高性能混凝土主要指超高的力学性能和超高的耐久性。在显微镜下GRC 材料内部呈现为絮状体，分布松散；UHPC 材料内部呈现为颗粒状，排布紧密，致密度高。UHPC 超高性能混凝土板相比于常见的GRC 板具有更高的强度和耐久性（见表1）。相较于传统材料GRC，UHPC 致密度高，吸水率大大降低，不易变形，材料性能几乎不随使用时间延长而降低，其体积的稳定性保证了在环境中产生开裂和变形的风险大为降低。相比于GRC 材料存在的易老化性，UHPC 性能方面有很大的优势。在冻融循环、海洋环境、硫铝酸盐侵蚀、弱酸侵蚀和碳化下，能够耐受各种有害物质渗透到基体内部，同时具有自愈能力，防水效果非常好[4]。

表1 UHPC 材料与传统GRC 材料物理性能对比表

成本优势：UHPC 的超高性能和原材料决定了它的工艺和材料成本会略高于GRC，但也正是因为它的超高性能使项目和构件的后期维护成本大幅度降低，同时UHPC 强度发展快，构件制作周期较GRC 短，从整体项目角度分析，综合成本并不一定明显高于GRC。同时UHPC的优异流动性使构件表面细腻致密，边线棱角清晰完整，大大减少后期的修补，不仅可以降低养护费用，而且具有比GRC 更好的表观效果。

外观优势：UHPC 水泥基材料与金属纤维和有机纤维的结合实现了抗压强度和抗折强度的有机平衡，具备良好的延展性。相对于传统的GRC 外墙板外墙装饰板，能够实现建筑的优雅造型。同时UHPC 外墙装饰板具备的纹理多样、色彩可调等特点可满足建筑师个性化设计风格的特殊要求，开阔了建筑师和设计师自由想象、创造的空间，能够为个性化建筑设计提供解决方案[5]。因此UHPC是作为幕墙板材的绝佳材料。

3 UHPC 大型单元板块在幕墙设计中的应用

3.1 项目概况

图1 UHPC 墙板主应力云图

郑州紫荆网络科技安全园项目是为承办2020年国家网络安全宣传周以及“强网杯”网络安全大赛所建，是河南省重点项目及郑州市一类民生工程。项目分为洲际酒店和科技馆两栋建筑体，建筑主体采用装配式钢结构，幕墙系统单元中多数板面宽度为2 000 ～3 000 mm，板面高度为4 000 ～5 000 mm。本项目难点在于寻求一种高性能的外立面材料，能够满足建筑超大分格的需求，比如规格2 900 mm×6 765 mm，并完美解决异型拼接问题。

3.2 幕墙板材确定

郑州紫荆网络信息安全科技馆与假日酒店工程主体为钢结构，外立面要求板幅面大、轻薄，且较大比例板块上有用于灯光透射的开孔。目前市场上超大规格尺寸的玻璃幕墙安全问题突出，金属板和GRC 需要背负加强筋（钢架）无法实现轻薄目标，经过多方论证最终确定采用新型的UHPC 外墙板以实现幕墙预期效果。

3.3 UHPC 单元板块的系统设计

由于国内尚未形成相关标准文件，这种2 900 mm×6 765 mm 超大规格板块在幕墙设计几乎没有可借鉴的工程经验。为确保建筑幕墙设计能够达到预期效果，在设计过程中，依据材料性能及郑州中原地区气候特性通过有限元计算分析及加工厂配合试验，历经多次优化调整。

为确保建筑幕墙设计得以达到预期效果，在项目设计、建造以及运营全周期的管理过程中，避免出现由于设计原因造成的连接件失效、幕墙渗漏及幕墙防火3 大类建筑幕墙安全问题[6]。工程设计人员应积极掌握应用新技术、新方法，对建筑幕墙设计流程的不断优化提升。

本文主要从单元板块设计与连接方式设计两方面来阐述本项目的设计内容。

3.3.1 单元板块设计

本项目中幕墙系统UHPC 单元板块多数板面为2 000 ～3 000 mm，板面高度为4 000 ～5 000 mm，由UHPC 面板、背负钢制框架、钢制挂件组合而成。

前期板厚暂定为60 mm，连接件直接与UHPC 浇筑为一个整体，这样做的优点在于材料类型较少、工序简单，但弊端却很明显。板块整体自重大、成本造价高、运输困难、对连接件强度要求高，施工难度大。经过多次电脑模拟和试件试验后，最终板材厚度降为30 mm，为减小挠度变形量，板块后方设置背负钢制框架并以植钉方式浇筑为整体结构。

通过优化UHPC 单元板厚度板块自重减少了近一半，施工安全、成本造价、运输安装等多方面得到大幅度改善。

3.3.2 连接方式设计

本项目采用槽式预埋件，槽式预埋件预埋位置灵活调节，预埋件安装简单，安装效率高；在模板安装时，固定好预埋件即可，操作简单，施工速度快。槽型预埋件与构件转接件采用T 型螺栓连接，现场不需要焊接，安装非常方便。在位移方面，槽型预埋件通过在其槽口内能够自由水平滑动的M16T 型螺栓与12 mm 厚的钢制基座相连接，在连接处竖直方向上开长形孔，UHPC 单元板块的钢制挂钩设置M12×50 mm 的不锈钢调节螺栓，这样可以在幕墙龙骨安装时实现XYZ 的三位调整。

UHPC 单元板块背负钢架由尺寸为80 mm×50 mm×4 mm 矩形钢管为主龙骨，50 mm×50 mm×4 mm 矩形钢管为次龙骨组合焊接而成（板块大小不同，龙骨会有所调整）。背负钢架通过植筋、植钉与UHPC 浇筑为一个整体，标准环境下养护出成品板块。UHPC 单元板块上方采用8 mm 钢制构件作为单元挂点，每块单元板块上方挂点大于2 个。该钢制构件通过焊接与背负钢架连接，前端设置14 mm×75 mm 沟槽，上方设置机丝套筒，配合M12×50 mm 不锈钢螺栓以实现Z 方向的调节。与槽型埋件连接的12 mm 厚的钢制基座上方与单元挂点配合位置设置50 mm×15 mm槽口，防止UHPC 单元板块在安装调整过程中滑脱情况的出现。

现场施工过程中，个别位置预埋件会由于埋深不足、边距过小等原因出现承力不良的情况，此时应依据现场条件做可靠的加固处理，如在12 mm 厚的钢制基座后方增加设置后置埋件与基座通过M12 螺栓连接，确保结构安全性。

3.4 UHPC 单元板块安装中的数字化应用

本项目设计阶段，为更顺利地进行设计工作，以施工图为依据结合现场实测数据对整体幕墙的UHPC 板块做了犀牛建模及安装过程的演示动画。在进行全过程虚拟建造中提前发现潜在的设计问题与施工问题。以实际数据为基础的数据化模型可以精确、直观的表现出每块板材的尺寸、角度和造型。在设计下单过程中可以提供有效数据，保证面板下单准确率，大大缩短下料时间；在施工过程中，通过动画演示，让施工人员更好地掌握安装流程，模型中每块板块的定位坐标都可提取，从而提高安装效率。

本项目在实际设计过程中，通过有限元计算分析及加工厂配合试验，多次优化调整将自重减少了近一半，施工安全、成本造价、运输安装等多方面得到大幅度改善；以施工图为依据结合现场实测数据对整体幕墙的UHPC 板块做了犀牛建模保证面板下单准确率，大大缩短下料时间； BIM 安装动画施工模拟演示，在现场施工过程中，可以起到很好的指导作用。

3.5 其它优化措施

幕墙板的颜色均匀性依靠预混料品质和预制工艺环节保证，避免了使用表面涂层；预制板直接形成开孔，增加了脱模难度，后采用切孔方法实现。此外，酒店项目采用预制UHPC 淋浴房底板，轻薄可装配，刚性防水效果好，值得推广应用。本项目通过综合应用有限元计算、犀牛建模及安装过程的演示动画等多项技术方法，从安全性、功能性及美观性等方面进行优化，提高了设计、施工质量，实现了项目预期效果。

4 结语

UHPC 材料与传统GRC 材料相比，具有显著的性能优势，是作为幕墙板材的绝佳材料。本文的郑州紫荆网络安全园项目板幅面较大、异型拼接且较大比例板块上有用于灯光透射的开孔，UHPC外墙板是最佳选择。本项目幕墙设计在原设计的基础上，综合考虑了幕墙的效果、板块构造以及结构安全等因素，结合结构计算、三维建模及数字化应用技术，完美呈现了原设计师的构想，可为后续同类项目的提供借鉴。

通过应用先进的工程技术规程促进UHPC 幕墙工程设计、生产与质量控制、安装等的科学化、合理化与规范化，做到既安全可靠又美观适用且经济合理，提升UHPC 在建筑幕墙领域应用的技术水平，为UHPC 外墙板的产业发展起到积极的支撑作用。