UHPC保温装饰一体化墙板在建筑外围护结构的应用与探索

廖 羿，郁文海，刘昌龙

（1.成都市建筑设计研究院，四川 成都 610041；2.中国金茂东南区域公司，福建 福州 350001）

0 引言

“十三五”期间我国大力发展装配式建筑，“十四五”发展规划中也对新型建筑工业化的发展提出了明确要求。在我国“碳达峰，碳中和”目标的大背景下，建筑行业已经形成了以科研创新推动建筑业低碳转型的浪潮，而外围护结构作为建筑的重要组成部分，在材料消耗、低碳运营等方面都有着极大的比重，因此针对其材料与构造的相关研究、创新一直是行业讨论的重点。近年来，一种新型超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）材料逐渐进入人们的视野，因其具有高强度、高韧性、低孔隙率的特点，使构成的产品不易被污染、自洁能力强、不易损坏、具有极高的持久性，在上色后亦可长时间保持原本颜色，现多被运用于大跨桥梁、钢桥面铺装和高层建筑。自超高性能混凝土概念被提出以来，国内外学者不断对UHPC的掺和料、配合比、养护方式及力学性能等进行研究。如今，UHPC的抗压强度普遍能达到120 MPa～200 MPa，其中以120 MPa～150 MPa的产品居多[1]，抗拉强度约4 MPa，弯曲抗拉强度约50 MPa，在国内现广泛运用于公路、铁路、桥梁等项目。

1 房建外围护结构现状

目前我国建筑领域碳排放占碳排放总量的20%左右，在建筑全生命周期碳排放过程中，运营阶段碳排放量占比超过70%，因此控制建筑运营阶段碳排放量对降低建筑碳排放起决定性作用[2]。其中，外墙的保温性能又是建筑运营阶段碳排放控制的关键要素之一。

1.1 传统保温外墙做法

现阶段在传统建筑围护结构设计方案中，通常采用200 mm厚的砌体作为围护结构基层（在严寒地区该项要求更高），加以保温及饰面工序，如图1所示。该做法工序复杂，保温层与结构分离，置于结构外侧，不仅难以做到“同寿命”，填充墙附加的刚度效应和约束效应也导致填充墙在地震中易破坏开裂，而由于材料或构造设计不合理形成的任何细微的结构或施工裂缝都有可能导致保温系统溃散[3]，使建筑运营阶段的保温能力失效。部分商业建筑项目采用幕墙系统作为外围护结构，虽然满足规范要求的各项指标，但幕墙系统的工程造价较高，并不适用于所有建筑项目。施工方面，建筑外围护常规施工做法是完成砌体结构部分后，依次对保温、隔声、防水等构造层进行现场施工，施工工艺烦琐，施工质量因人而异，且大量湿作业带来了大量的建筑垃圾与材料浪费，增加了建筑业碳排放。

图1 外墙保温层的构造

1.2 预制装配式外墙

在现阶段装配式建筑与绿色建筑快速发展的背景下，部分城市开始采用装配式围护墙体，此类墙体大致可以分为两类，一类是如ALC条板墙等以模数化、标准化生产的轻质围护墙体，但这类墙板仅替代了传统保温外围护墙的基层部分，保温饰面施工仍是二次工序。另外，还出现了一些集成保温装饰的预制混凝土墙板产品，这类墙板将装配式建筑设计与绿色建筑设计进行有机集成，例如三明治墙板，但由于其存在生产线流程较复杂、自重偏大、对现场吊装要求较高、拉结件成本较高等问题，导致这些外墙产品的综合成本难以控制，推广难度大。同时，此类墙板的建筑立面造型普遍缺少可塑性，皆是矩形平面，饰面也存在易被腐蚀污染的问题。

2 一种UHPC保温装饰一体化外围护墙板设计

通过以上分析，本文基于某项目的外围护结构，提出了一种运用UHPC新材料的新型保温装饰一体化外墙，以下将分别就该项目（处于方案策划阶段）和该产品构型进行说明。

2.1 对象项目

项目由193 m塔楼和4层底部裙楼组成，准备运用新产品作为裙楼部分，其首层层高6.5 m，其余三层层高5.4 m，主要功能为餐厅、会议、档案以及部分商业，立面造型凹凸不一，采用装配式钢框架结构，如图2所示，目标装配式建筑评价等级为AAA级，需采用装配式围护墙体。方案设计立面围护墙体仅层间存在拼缝，色彩要求统一，预计最大墙板尺寸为高6.5 m、宽2 m。此尺寸板材若为整体轻质墙板则无法保证强度，需在层高内进行拼接，同时难以展现立面效果；若为预制混凝土外墙产品则质量过重，生产运输安装都存在难点和痛点，成本不可控；若为传统石材幕墙体系，则表面拼缝较多，且石材颜色难以控制，随时间推移或出现反碱变色等情况影响立面效果。故根据此项目立面复杂、装配率高、要求高的特性，将UHPC作为围护墙体材料纳入考量。

图2 UHPC保温装饰一体化墙板剖面

2.2 构型研究

UHPC外挂墙板的高强度可使其拥有覆盖本项目需求的构件尺度，且可以做到非常轻薄，节省材料，减轻构件重量，在运输、安装过程中不易损坏，不增加吊装成本；同时，高强度也使其有一定的可塑性，可以形成凹凸、曲面等构件外表。此外，UHPC表面质感是由模具质感决定，使用较细颗粒，则可以表现细腻的质感和纹理，其还可以复制各种其他质感效果，是理想的仿真材料。它可与乳胶漆、氟碳漆等结合，仿制出花岗岩、砂岩、红砖、瓷砖、木材、金属等各种质感，极大地增加了装饰的多样性。

由于墙板自身的材料保温性能仅稍微超越混凝土，加之形成的构件较薄，保温性能并未达到要求，因此还应对保温层进行设计。基于建筑业“双碳”目标及新型建筑工业化的考虑，保温层设置应尽量减少现场湿作业，避免复杂工序导致质量不可控、措施成本增加，故考虑在工厂集成生产保温材料与墙板。而有机保温材料虽有良好的保温性能却极易燃烧，在建筑中应用容易引发火灾，反观泡沫混凝土保温材料不燃、耐老化，且与UHPC皆是水泥基材料，具有相似相容特性，可形成天然可靠的相互连接，相较三明治墙板的构造，可以省去大量连接件。同时，由于发泡混凝土仅作为保温材料，可以尽量做到低密度，一些低密度发泡混凝土材料导热系数接近0.054 W/（m·K）[4]。经计算，为满足不同地区的保温要求，保温层厚度可取70～120 mm。

综上，对于本项目，最终构型与造型如图2所示，墙板设计总厚度为200 mm，由内页、中空、保温层以及外页板组成，其中内、外页板厚度均为30 mm，发泡混凝土层厚度在项目地取70 mm即满足保温要求，内外页板分别进行预制并由金属埋件互相连接，简化生产流线[5]。中空可作为保温层的一部分协助提高保温性能，墙板与玻璃幕墙水平连接或是互相水平连接，接缝通过XPS（extruded polystyrene，挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）材料设置保温连续性构造，并用防水密封胶封堵，单个最重构件重量可控制在1.85 t左右。

2.3 结构连接

考虑到UHPC保温装饰一体墙板本身刚度较大，其与结构主体的连接考虑采用刚度影响较小的外挂形式，每片墙板根据自重设置4～6个连接点，均分置于墙板顶部与底部，以螺栓及钢埋件与主体梁柱连接，螺栓采用8.8级高强螺栓[6]。

2.4 造价分析

在确定构型与连接形式以后，笔者团队走访了多家生产企业与施工企业，对相关材料、机械及人工成本进行了调研收集，并对该产品的造价进行了初步估算，如表1所示，成本约为996.84元/m2。把传统石材幕墙作为比较对象，常规做法包含石材、龙骨、人工等费用（不含保温），单块石材越大则造价越高，经多方询价，平均成本约为1100元/m2，可见，该产品成本尚具有一定优势。

表1 UHPC保温装饰一体化墙板组价

3 应用前景

通过上述论述，可以认为本产品策划具有一定竞争力，笔者团队将在接下来的项目阶段中开展进一步工作，继续进行深入研究与实践，目前就分析研究所得的产品优势做如下应用展望。

3.1 新建项目

长期以来，提到装配式建筑，人们最先想到的就是方块、积木等，这是因为当前我国的多数高装配率装配式建筑方案造型较为平整，多以横纵交线的标准化、模数化轮替进行立面塑造。另一方面，受限于材料强度及造价限制，过于复杂的立面带来诸多成本增量与材料浪费，在方案阶段就遭到了淘汰。而本文研究的一体化墙板，因其可塑性高（保温层可随外页板变化形状）、成本增量可控、装饰面层多样等特点，为装配式建筑方案设计提供了一种全新的可能性，为拓展装配式围护墙及建筑立面表达做出了贡献。

除此之外，该产品还可以在全生命周期为降低新建建筑碳排放做出贡献：通过减少材料用量来降低生产碳排放；通过减少构件重量来降低安装碳排放；通过集成技术取消二次湿作业来降低施工碳排放；通过“同寿命”高耐久的保温性能来降低建筑运营碳排放等。

3.2 改造升级项目

在“双碳”背景下，建筑业趋势必将从大拆大建转变为对高能耗建筑及老旧建筑的改造升级。可以预见，在不久的将来将有一批建筑物达到使用年限层，随之而来的将是大量的鉴定加固与改造升级项目。此类项目多为多层建筑，位于建筑、人口密度较大的中心城区，街区可能较为狭窄，城市规划又对这类建筑提出了不同的立面要求以体现不同地域、区域的城市特色。故此，本文述及的一体化围护墙体，因其自重轻、安装快速（街道占用时长短）、运输便利、高可塑性、高耐久的特点，将会在这类改造项目中占据一席之地，改变眼下老旧小区立面改造仅是“穿衣戴帽”工程的现状，真正提升建筑节能性能，提升居住环境质量。

4 结语

本文基于某实际项目方案策划，提出了一种适用于多种场景的新型建筑工业化产品——UHPC保温装饰一体化墙板，相较于普通混凝土外挂墙板等外围护体系，其集成了可靠的保温性能，降低了在运输吊装及使用过程中自身的破损率，减少了材料用量以及包含塔吊在内的施工措施费，同时提高了装饰面层耐久度和围护墙体强度，拓展了装配式建筑的立面表达边界，可以使装配式建筑脱离“都是方盒子”的刻板印象。除此之外，该产品在建筑全生命周期对降低碳排放能起到的作用亦不可忽视。希望以此文为建筑行业的低碳转型提供一种可行的思路与参考。