HPC保温一体化外墙板的设计与施工*

孔令宇，张植伟，杨 铮，彭 渤，刘盛开

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430064)

1 工程概况

中国人民大学通州新校区位于北京市通州区潞城镇，是通州新校区的标志性建筑及重要组成部分。西区学部楼一期项目作为人民大学通州新校区第一批学部楼项目、人民大学最出名的双一流学科教学楼项目，是学校重要的交通和景观节点建筑，是整个校区的礼仪性节点。

中国人民大学通州新校区西区学部楼一期项目由1号楼新闻学院楼、2号楼艺术学院楼、3号楼未来传播创新中心组成，总建筑面积54 500m2，其中地上25 135m2,地下29 365m2。3个单体建筑地下1层及地上部分相对独立，地下2，3层整体连通。工程效果如图1所示。

图1 工程效果

本项目外檐大面积使用高性能混凝土复合保温一体板(high performance concrete，以下简称HPC复合墙板)，外檐形式复杂，种类繁多。HPC复合墙板造型种类、空间角度、颜色、肌理多样，特别是在大模块构造上，最大幕墙单元模块为2 600mm×5 400mm，最小为1 200mm×900mm，艺术学院外墙板在同一模块上实现了4种不同的肌理要求，外檐肌理效果要求极高。

2 高性能混凝土复合保温一体板

2.1 定义

HPC复合墙板由内、外面板及保温岩棉芯材复合而成。内、外面板为高性能混凝土，内配不锈钢网片，厚度≥30mm，内、外面板均为装饰一体化板；芯材为保温岩棉，厚100～190mm，密度为80～120kg/m3；其抗压、抗拉强度高，本工程HPC复合墙板极限抗压强度≥60MPa(不含装饰面)，抗折强度≥14MPa，耐久性好，属于新一代土木工程材料。产品特点如下。

1)高强耐久 HPC大尺寸混凝土面板可承受极高荷载，面板具有出色的耐候性，使用寿命长。

2)个性化 产品形状可自由设计成曲面异形，其个性化形状、颜色、表面质感和穿孔为建筑师提供了无限可能性。

3)有生命力 HPC是一种天然无机材料，其天然原料能创造出一种特殊的混凝土质感表面效果。

4)防火性能 其出色的热工性能(防火等级A1，属不燃材料)可确保系统的绝对安全性和耐火性能。

5)安装便捷 工厂化生产、装配式安装，HPC夹心保温系统在建筑物理、生态和经济性方面具有显著优势。

6)保温性能 HPC、岩棉的传热系数低，二者均为优秀的保温材料，HPC内加岩棉作为外墙材料利用了HPC的高强度，内部填充岩棉增加了保温性能又减轻了构件自重。

2.2 设计肌理

HPC复合墙板表面肌理丰富细腻，可做到表面肌理平滑如水、细腻如织，又可狂放、粗糙似乎天造使然。建筑师们可利用这一特点表达自己的建筑品味和建筑情感。为保证HPC复合墙板效果达到建设单位认可，对样板进行反复对比甄选，最终确认如下肌理。

1)1号楼新闻学院楼HPC复合墙板构件表面颜色为深红色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化铁色粉搅拌染色工艺；表面为砂岩效果，采用缓凝剂，水洗处理。砂岩肌理效果如图2所示。

2)2号楼艺术中心HPC复合墙板构件表面整体为灰色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化铁色粉搅拌染色工艺；表面由木纹肌理、编织画布肌理和清水光面肌理结合(见图3)，采用缓凝剂，水洗处理，肌理面装饰效果采用聚氨酯模具浇筑成型。

图3 2号楼设计肌理

3)3号楼传播中心HPC复合墙板构件表面整体为深红色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化铁色粉搅拌染色工艺，灯芯绒的竖向肌理表面为凿面，采用缓凝剂，水洗处理，肌理面装饰效果采用聚氨酯模具浇筑。灯芯绒肌理效果如图4所示。

图4 灯芯绒肌理

HPC复合墙板构件构造要求为：内、外面板采用高性能混凝土，结合保温材料、φ10圆钢、304不锈钢套筒一体浇筑；预制时预埋连接套筒，保证连接可靠。

3 重难点分析

1)据统计，本项目HPC复合墙板共计2 800块，板块表面颜色丰富，肌理多样。因此，板块的质量可追溯性及肌理颜色统一是本项目的重难点。针对措施为：材料采用同一厂家同一批次供应，加工生产工人须按照加工图纸和工艺进行生产加工，须进行首检、自检和互检，检查时要确认量检具的精确度；针对不同板块分别进行编号、分类码放。

2)本项目外墙围护HPC复合墙板板块众多，尤其是局部混凝土板块尺寸较大、自重大、规格多，因此，外墙围护材料在包装、装卸及运输过程中的成品保护是工程的重难点。针对措施为：对不同板块进行标识并采用相应的包装，确保材料在运输过程中不受损坏，针对不同HPC复合墙板形状及外形尺寸采用不同的运输工具，以充分确保材料在整个运输过程中不受损坏，保证整个外墙围护的施工质量，板块运输时需与车体进行可靠的绑扎和固定，特殊材料(如大板块木材等)利用支架固定，一次运输一个大板块，并进行可靠固定和保护处理，避免在运输过程中发生碰撞和损坏。

3)HPC复合墙板体积大、自重大，安装精度控制同样是本项目的重难点。针对措施为：利用三维激光扫描系统对结构及外墙进行实时检测，获取三维修正BIM模型，与设计师的三维模型进行对比，修正深化设计，以保证安装精度。三维激光扫描系统如图5所示。

图5 三维激光扫描系统

4 高性能混凝土复合保温一体板的应用

4.1 HPC复合墙板原材料控制

HPC构件原材料采用52.5R级白水泥、P·O42.5R 硅酸盐灰水泥、含硅量≥96.5%的石英砂、含锆量≥16.5%的耐碱玻璃纤维、密度80～120kg/m3的岩棉，外加剂采用丙烯酸乳液。

1)矿物掺合料 ①硅灰应符合规范规定，SiO2含量>90%，同一项目宜采用同一厂家同一冶炼炉的灰源，本项目选用微硅粉；②采用其他矿物掺合料时，矿物掺合料性能应符合国家现行标准的有关规定，且应通过试验验证，满足高性能混凝土设计性能要求时方可使用。

2)骨料 宜选用最大粒径≤1.25mm的石英砂，石英砂按粒径可分为粗粒径砂(1.250～0.630mm)、中粒径砂(0.630～0.315mm)和细粒径砂(0.315～0.160mm)。石英砂含泥量应≤0.5%，泥块含量应为0，石粉含量应≤5%，亚甲蓝试验结果(MB值)应≤1.4，氯离子含量应≤0.02%，硫化物及硫酸盐含量应≤0.5%，云母含量应≤0.5%，二氧化硅含量应>99%。其他性能指标应符合GB/T 14684—2001《建筑用砂》的规定。筛分试验、氯离子含量、硫化物及硫酸盐含量、云母含量检验应按照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，二氧化硅含量检验应按照JC/T 874—2021《水泥用硅质原料化学分析方法》的规定。

3)减水剂 应符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》和GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》的规定，宜选用减水率≥30%的高性能减水剂。其他外加剂应符合国家现行标准的有关规定，与水泥和矿物掺合料有良好的适应性，且应通过试验验证，满足超高性能混凝土设计性能要求时方可使用。本项目外加剂有高性能减水剂、减缩剂、消泡剂。

白水泥的稳定性是确保产品质量稳定的先决条件之一；高质量的硅砂及玻璃纤维是确保产品质量安全的核心。与国际同类产品相比，砂级配曲线如图6所示，混凝土力学性能比较如表1所示。

图6 砂级配曲线

表1 混凝土力学性能比较

4.2 HPC复合墙板加工制作

本项目HPC复合墙板采用整体模块化设计、批量化生产，具体加工工艺为：特定模具制作→固定模板框架→铺设加强筋(φ10圆钢)→预埋套筒(304不锈钢套筒)→放置保温材料(岩棉)→整体浇筑。

模具生产使产品加工批量化，流水线生产降低人力成本，提高资源利用率，加强对生产工人交底，实现自检、复检、巡检及第三方检测，加强质量把控。水泥制品工厂化预制加工，使成品养护和保护得到保障，利于实现质量全优，创造品牌和经济效益。

将耐碱玻璃纤维及其他纤维材料、水泥、砂等其他复合材料按一定配合比搅拌，在模具内浇灌成型。HPC复合墙板是一种高强度、高韧性、低孔隙率的高强水泥基材料。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降到最少，以获得超高强度、高耐久性及高抗渗性能。

HPC复合墙板浇筑完成后，及时覆盖塑料薄膜进行保湿养护，至少养护14d。由于脱模时HPC复合墙板强度只达到设计强度的70%，应将其平放在托架上，脱模后24h内不得转运或振幅过大，防止HPC复合墙板表面开裂；达到设计强度100%时方可进行现场吊装作业。为保证HPC复合墙板装运过程中不出现破损等质量问题，根据不同尺寸，选用木方或钢架定制包装，采用EPS和铁丝等进行分隔加固。

4.3 HPC复合墙板施工

4.3.1施工工艺

1)HPC复合墙板的钢底座(15mm厚镀锌钢板)需焊接至主体结构钢梁的预埋板上；施焊前，利用全站仪在镀锌钢埋件位置进行复测定位；根据确认无误的复测结果进行焊接施工。

2)转接件选用15mm厚镀锌钢板制作成L形，根据全站仪复测好的位置进行调试安装。

3)正式安装前现场复核墙板安装位置、标高，根据复核结果进行下一步吊装工作。

4)HPC复合墙板采用25t汽车式起重机和曲臂登高车配合吊装。

5)对HPC复合墙板所有拼缝处进行封修处理(防水保温)，对墙板整体面层平整度进行检查。

6)安装完成后对封修处理、构件安装误差、表面平整度等进行整体验收。

7)HPC复合墙板缝室内、外两侧均采用耐候胶封堵，加强防水效果。

8)HPC复合墙板整体清洗并采取成品保护措施，室内构件表面贴警示标识，并派专人现场巡查，发现污染或破坏情况，及时进行修复处理。

HPC复合墙板(单元式幕墙)插接缝处防水处理为：在横向接缝外侧设置防水胶条,仅在两单元组件连接处留1个小开口,使等压腔与室外的空气流通，以维持压力平衡，形成自上而下、自左到右的连续外壁体系，即“幕”。防水胶条可沿接缝全长设置，阻止大量雨水渗入幕墙内部,仅开口处有少量雨水渗入，通过U形铝合金型材(集水槽)，将沿竖框空腔下落的水集中并及时排至室外。排水孔应远离接缝,以减少缝隙周围水的聚集。具体防水处理措施如图7所示。

图7 防水处理

4.3.2注意事项

1)HPC复合墙板应采用插槽或螺栓通过支承结构与主体结构连接，严禁现场焊接。

2)竖向连续分布构件宜自下而上安装，竖向不连续分布构件可同时在不同层次作业；横向连续构件的安装顺序应根据误差进行分配，宜从边角开始安装；环窗构件的安装顺序宜为：窗台→窗边→窗顶。

3)构件吊挂点位置、数量应根据板块的形状和重心设置，吊点数量应≥2个，必要时可增设吊点进行加固。

4)应进行试吊装，起吊时应使各吊点均匀受力，起吊过程中保证单元板块的平稳。

5)吊装升降和平移时应确保单元板块平稳，不撞击其他物体。

6)吊装过程应采取措施保证装饰面不受磨损和挤压。

7)板块就位时，应先将其挂到主体结构的挂点上，板块未固定前，吊具不得拆除。

8)HPC复合墙板就位后经测量确定三维方向的位置和角度均在允许误差范围内，方可固定。

9)HPC复合墙板接缝在允许偏差内，可在构件接缝处调整部分安装偏差。

4.4 HPC复合墙板验收

由于HPC复合墙板施工工艺属于新技术，暂无相应的针对性验收规范。因此，针对本项目HPC复合墙板应用，特组织专家论证，出具验收办法意见书，且经专家组长、建设单位、设计单位、监理单位、总包单位共同签字确认，意见书即可作为本项目HPC复合墙板加工生产、现场安装、施工验收标准。

4.4.1产品生产

HPC复合墙板外表肌理经建设单位、设计单位共同封样确认后，要求专业分包单位以周为周期进行工作复盘，充分考虑构件加工周期，以确保构件加工的有效性和及时性。复盘内容为：①原材料检查，模具制作、构件生产、执行品质验收复查；②抽样检测、留样检测；③执行养护制度；④每周提供构件生产周报；⑤出具第三方产品检测报告。

HPC复合墙板构件浇筑完成后须及时覆盖塑料薄膜。超高性能混凝土拌合物失水后易起皮，影响结构的致密性，还易引起收缩裂缝。

4.4.2安装质量及验收

1)HPC复合墙板弹性层间位移角为1/300(△/H)，本项目层间高度为4 500mm，最大层间位移△=15mm。

2)HPC复合墙板与主体结构的净距要求 ①HPC复合墙板背面与预制混凝土结构净距应≥40mm，与现浇混凝土结构净距应≥50mm；②HPC复合墙板背面与钢结构净距应≥40mm；③HPC复合墙板与主体结构的连接点在上下、左右、前后方向内的调节空间净距应≥25mm。

3)安装效果要求 安装后的HPC复合墙板外立面应线条清晰、层次分明、表面平整、曲面过渡光滑，横向构件应保证平直度，竖向构件应保证垂直度，整体效果应达到建筑设计要求。

4)安装偏差要求 ①建筑平面内，HPC复合墙板与建筑轴线的距离偏差应≤12mm；②3m高度HPC复合墙板立面垂直度偏差应≤5mm，15m高度应≤10mm，30m高度应≤20mm；③单块HPC复合墙板顶部标高与设计标高偏差应≤10mm，相邻构件顶部标高偏差应≤5mm；④HPC复合墙板长度≤6m时，接缝宽度与设计宽度偏差应≤5mm，HPC复合墙板长度>6m时，接缝宽度与设计宽度偏差应≤10mm；⑤相邻HPC复合墙板面内错台偏差应≤5mm；⑥与主体结构相连的连接件定位偏差应≤5mm。

5 结语

对本项目通过HPC复合墙板新技术的样板引路、纹理确认、加工生产、运输、现场安装、质量验收等各环节进行控制，使HPC复合墙板施工工艺进一步成熟，且效果较传统幕墙更加美观大方、形式多样。该项目的成功实施可为其他工程建设提供参考。