大规格ECP幕墙水泥板施工技术*

李列娟,杜 兴,杨 洋,刘建明

(陕西建工第二建设集团有限公司,陕西 西安 710018)

0 引言

随着建筑业的不断发展,多层、高层、超高层建筑幕墙从材料、工艺、设备等方面日趋变化,ECP水泥板作为一种清水仿工业风格的新型幕墙材料,实现了标准化生产、一体化设计、装配式施工。ECP水泥板是以硅质材料(如天然石粉、磷石膏、尾矿等)、水泥、纤维等为主要原料,通过真空高压挤出成型的中空型板材,进行高温高压蒸汽养护而成的新型建筑水泥墙板。ECP不仅可用作建筑外墙装饰,提高外墙的耐久性及呈现出丰富多样的效果,也可直接用作建筑墙体,减少多道墙体的施工工序,实现墙体的结构围护、装饰、保温、隔声一体化[1]。在墙板装饰性能上,其可塑性更强,除板材自身平板清水混凝土的简洁外饰效果外,还可实现各种条纹图案,并可通过铺贴瓷砖及覆合各种石材效果,减少现场铺贴及干挂的人工、材料费用等。工厂预涂装增加了墙板图案和颜色的多样性,提高了涂装质量和使用年限,可满足不同的装饰效果与需求,因此ECP水泥板可广泛用于框架结构和钢结构外围护结构施工。

1 工程概况

高端数控机床研发与制造基地工程项目位于西安市高新产业开发区,是一座集研发、制造、生产为一体的综合性公共建筑,项目总投资2.4亿元。总建筑面积为30 138m2,地上24 141m2,地下 5 997m2, 其中A座地上5层,建筑高度为23.7m;B座地上11层,建筑高度为51.7m。结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构,A,B座在3层和5层有连廊相连,地下部分连为一体。本工程建筑幕墙采用新型ECP水泥板竖向铺设,最高铺设高度51m,面积约17 000m2,单块板宽0.83m,长3.9～4.2m,厚0.06m,重70kg/m2,采用专用Z形件四点支撑固定。

外立面造型复杂,转角较多且角度不一,大面积幕墙铺设高度较高,板与板上、下错缝拼接,板缝防水为施工重点,板材自身较重,幕墙整体施工难度大。

2 ECP幕墙水泥板特点及施工重难点

2.1 ECP幕墙水泥板特点

ECP相较于一般板材,强度更高、表面吸水率更低和隔声效果更好,除了可用来装饰建筑物外墙,也可直接用作建筑外墙板材。

针对板长3 900～4 200mm的ECP水泥板幕墙竖向铺设,且幕墙高度超过45m的工程,国内尚无建筑物使用和施工。

ECP墙板作为外墙、内墙或直接作为建筑墙体而言,其强度、抗震性、耐候性、隔声等皆具有优势,板材性能、外形、规格均具有极强的可塑性,可广泛用于框架结构和钢结构外围护结构施工。ECP水泥板幕墙应用前景广阔,可有效控制人、材、机投入,废弃物可再生利用,绿色环保,降低成本[2]。

本文将通过分析单板长3 900～4 200mm,且施工高度超过45m的ECP水泥板幕墙竖向安装施工(见图1),及外窗洞口采用同材质同厚度板材收口,女儿墙顶部、转角处采用转角一体板施工中存在的问题,制订有针对性的技术措施,解决施工难题,有效控制施工质量和安全,满足图纸设计性能指标。形成包括观感效果确定、异形板材制作、转角部位固定和连接、防水节点施工等的一整套施工技术。对图纸优化设计、工艺原理优化创新,改进完善非常规建筑、非常规板型的技术措施,有效解决施工工艺安全隐患多、质量控制难的问题。

图1 ECP水泥板Fig.1 ECP cement board

2.2 ECP幕墙水泥板施工重难点

1)建筑外形复杂 为追求建筑立面的外观效果,建筑外立面的设计越来越复杂多样,大多数建筑由传统的平面矩形构造、立面夹角90°,变换为平面梯形、三角形等,立面夹角为135°,45°等不同的复杂结构构造。针对变换多样的复杂建筑立面,使用ECP水泥板材装饰施工,最突出的问题是立面排布,建筑立面外窗较多,原图纸立面设计板材竖向安装,上、下层板材竖向缝隙需错开1/2,不能通缝,且板材在外窗位置不能出现“刀把”缺口,板材尺寸受到限制,所需板材尺寸较多,给板材的加工、安装造成一定困难,为达到建筑立面装饰效果,结合设计效果、施工图纸及实体结构,需进行板材排布及拆分的技术研究。

2)建筑立面阴阳角拼接复杂 复杂建筑立面阳角及突出的棱角数量较多,角度也各不相同(135°,90°,30°),传统方法采用两块板材切割拼角,通过考察其他项目,因板材切割角度不好控制,存在板材拼角处板缝宽度不一致,垂直方向上顶点到底点阳角不垂直,严重影响整体外墙装饰效果,且施工过程中板材的切割造成损耗量增加、扬尘污染等影响工程成本和环境。

3)大规格板材安装难度大 现行的幕墙根据材质不同分为玻璃幕墙、金属幕墙和石材幕墙,一般连接的方式有钢销式、通槽式、倒挂式、直接式等,针对平面尺寸为830mm×3 900mm的ECP水泥板连接,传统的连接方式不能满足安装要求,易导致板材竖向安装后,因自身的变形受限制,造成板面开裂、断裂现象。

4)水泥板节点复杂,精度要求高 对于建筑幕墙工程,建筑外立面与幕墙交接位置较多,如外门、窗及其他突出物,交接处的拼缝、防水节点施工存在一定的质量隐患,影响幕墙的外观质量,因此需对ECP水泥板幕墙节点进行研究,制订可实施的节点做法,消除质量隐患。

3 ECP幕墙水泥板关键施工技术

3.1 复杂建筑外形板材排布及拆分技术

ECP水泥板材装饰施工中,需结合设计效果、施工图纸和实体结构,进行板材排布及拆分研究。

利用现有的AutoCAD2014,Revit2016等系列软件,结合原图纸设计要求,对装饰外立面进行板材排布,原则上在满足设计要求的基础上,应尽量减少板材的尺寸种类[3]。

使用AutoCAD2014对建筑每一个立面分层进行排布,由于立面的外窗较多,根据外窗位置及外窗与外窗、外窗与建筑阳角的距离尺寸进行排布,同时考虑上下层的1/2错缝关系。

CAD立面排布方法仅限于二维平面,板材安装距原结构立面220～240mm,使用CAD软件排布未考虑到建筑转角处、外窗四周等突出位置的板材尺寸,需在三维模型中进行排布、拆分,确定板材的规格尺寸。在CAD排布图的基础上,基于原结构模型,使用Revit2016按照板材安装的空间尺寸进行建筑立面板材的排布。

使用Revit软件进行板材排布和拆分,精准确定了板材的标准尺寸,分为外墙标准板、水平窗间墙板和竖向窗间墙板,基本实现了板块规格统一,有利于工厂定量定尺寸加工。Revit排布如图2所示。

图2 Revit排布Fig.2 Revit layout

结合设计效果、施工图纸及实体结构,运用CAD,Revit相关技术和软件,进行板块排布和拆分,最大限度地实现板块规格统一,利于工厂化加工,实现设计效果。

3.2 复杂建筑立面阴阳角块加工技术

为提高阳角部位的外墙装饰效果,减少现场的板材切割数量,需解决阳角的施工困扰,通过考察其他项目发现,阳角位置除了板材拼角外,可采用定型铝板护角安装,消除拼缝宽度不一致的问题,但铝板长度过长,垂直高度上易产生变形,影响外观。

综合两种阳角拼角施工方法,在阳角拼缝宽度一致的情况下,为满足阳角垂直度的外观装饰要求,研发阴阳角块成型技术,根据现场多样的阳角尺寸,定制加工成品的阳角块,现场仅拼装即可。建筑立面阳角有45°,90°,135°,为避免阳角拼缝切割板材,委托工厂定制加工45°,90°转角板,如图3所示。生产工艺为:混合搅拌→真空高压→挤出成型→高温高压蒸汽养护→成品处理→质检出货。

图3 定制转角板Fig.3 Customized corner plate

建筑立面外形复杂,阴阳角尺寸不一致,与厂家合作,研发阴阳角块成型技术,实现工厂预制、现场拼装,消除板材厚度、裁边技术等的影响,提升整体观感效果。

3.3 大规格板材连接技术研究与应用

为了满足板材的安装要求,保证幕墙的施工质量,采用PKPM,SAP2000、汇宝幕墙计算软件进行荷载验算,确定满足要求的连接方式及构(配)件尺寸[4]。结果如图4所示。

图4 板面受力Fig.4 Surface load

通过受力计算,最终确定了大规格板材的连接方式深化图纸。利用有限元计算软件(PKPM,SAP2000等),模拟分析ECP水泥板幕墙整体及组成构(配)件受力特点,计算结果满足风荷载、抗震性能要求,确定了经济合理的连接方式、构(配)件规格。

3.4 高层建筑ECP板幕墙安装技术

相较于低层、多层建筑,高层建筑应用ECP水泥板幕墙,因安装高度的差距,其施工过程的安全性、经济性及安装顺序不同,对于机械的选择、劳动力的投入相差较大,针对高层建筑安装高度、结构形式的不同,应该选用合理的安装顺序、机械和吊装方式,保证施工质量、进度和安全。

根据施工图纸、板材性质及现场实测数据,利用BIM技术对安装过程进行多次模拟分析(见图5),确定安装方法、顺序及机械、吊具的选用。

图5 板材安装模拟Fig.5 Simulation of plate installation

3.4.1安装顺序

从底层向上层依次安装,首先安装外窗洞口四周挑檐板、盖板、两侧板,随后安装窗间板材;转角部位先安装定制转角板,再安装两侧侧板,板材安装至顶层后,安装顶层女儿墙盖板,完成收口。

3.4.2机械选择

ECP标准板材尺寸为830mm×3 900mm×60mm,单块板材重约226.6kg,单块板材竖向上、下两端需作业人员辅助机械安装,提供作业操作平台,主要机械设备选用如表1所示。

表1 主要机械设备选用Table 1 Selection of main mechanical equipment

3.4.3吊装工具

板材尺寸过大,不能使用传统的吊带方式,吊带将板材吊到位置后,不便取出,吊装效率较低,根据60mm厚板材形状,中间为32mm空腔的特点,制作一种专用的竖向板材吊装工具,如图6所示。采用一根长4 500mm的70mm×50mm镀锌方管作通长垂直骨架,上下各一根横向水平长750mm的70mm×50mm镀锌方管,上端可自由活动,下端固定至底部;同时上、下水平镀锌方管间距600mm焊接长200mm镀锌扁铁,吊装时专用吊装工具插入板材孔洞中;通长垂直骨架上端,方管穿孔用以安装吊环,吊带可穿过吊环进行板材单点起吊,板材吊装就位后,撤出吊具。吊装方式简单、易操作,大大缩短了吊装时间。板材起吊安装如图7所示。

图6 吊具模型Fig.6 Spreader model

图7 板材起吊安装Fig.7 Lifting and installation of plate

3.4.4安装方法

安装流程为:现场放线→预埋件制作、安装→龙骨安装→Z形件安装→ECP标准板安装→阳角板拼角安装。

1)现场放线

利用水准仪、经纬仪等仪器,测放水平线和垂直线。

2)预埋件制作、安装

根据图纸设计,预埋件采用250mm×300mm×10mm与250mm×450mm×8mm焊接组合的预埋镀锌钢板,同时增加2道6mm厚钢板加强肋,整体焊缝长度满足≥0.8m,采用E4303型焊条三级焊缝要求,焊接完成经检查无误后,敲除焊渣,在焊缝位置涂刷2次防锈漆,防止焊点锈蚀。组合预埋件采用M12×160高强化学锚栓固定,后置埋件锚栓设计拉拔值为9 817N。预埋件构造如图8所示。

图8 预埋件构造Fig.8 Construction of embedded parts

3)龙骨安装

建筑立面ECP水泥板竖向铺设,水平缝位于各楼层建筑正负零处,上下竖缝错缝不重合,龙骨采用水平方向安装。龙骨体系中主龙骨采用70mm×50mm×5mm镀锌方管;承托板采用50mm×50mm×5mm镀锌角钢;次龙骨采用70mm×50mm×5mm镀锌方管(主龙骨与预埋件连接);连接板采用50mm×50mm×5mm镀锌角钢(长度L=800mm,与Z形件连接)。主次龙骨均采用焊接固定,焊接完成后涂刷防锈剂等,经检查合格后进行后续施工。龙骨现场安装如图9所示。

图9 龙骨现场安装Fig.9 On-site installation of the keel

4)Z形件安装

ECP水泥板安装采用Z形件连接固定,Z形件材质为Q235B镀锌钢板,厚6mm,连接螺栓为M12镀锌内六角螺栓。采用φ14钻头手枪钻,在单块ECP水泥板四角距板边缘80～400mm范围内进行钻孔,临时安装Z形件。

5)ECP标准板安装

按照板材安装编号,利用水平运输车叉车,搬运至外墙垂直起吊区域等待吊装。采用25t吊车进行垂直吊装,单根吊带穿过专用吊装工具上端预留吊环进行单点起吊。

因板材竖向安装且长度过长,吊装过程中需上、下施工人员进行辅助安装,采用直臂车及吊篮为施工人员提供作业操作平台。

ECP板竖向安装,起吊至标高后,将板材下落至水平角钢表面,撤出专用吊具,通过扭动Z形件螺栓调整板面进出,控制相邻板面平整度、垂直度;板缝设计水平缝为15mm、竖缝为10mm,通过橡胶锤敲击微调,控制板缝宽度,调整后固定Z形件,拧紧螺栓。

6)阳角板拼角安装

建筑物45°,90°,135°阳角板均采用Z形件连接固定。建筑立面45°转角位置,采用45°阳角板进行拼角安装,角度为锐角,单侧45°阳角板进行切割,两侧阳角板进行拼角,Z形件四点连接固定,拼缝控制在0.01m,由转角位置向两侧进行安装。建筑立面90°转角位置,采用90°转角一体板(见图10),待两侧平面板安装校正后进行转角安装,90°转角一体板单侧宽度为0.12m,上、下各安装一个Z形件进行连接固定,通过扭动Z形件螺栓调整板面进出,待与两侧板面平整后,拧紧螺栓。

图10 90°转角一体板Fig.10 90°integrated corner panel

建筑立面135°转角位置,采用45°阳角板进行拼角安装,拼缝控制在0.01m,该板宽0.83m,Z形件四点连接固定,转角位置单侧45°阳角板安装后,进行另一侧阳角板安装,由转角位置向两侧进行安装。

3.5 ECP水泥板节点做法研究与应用

ECP水泥板为中空型板材,板材两侧为“子母槽”,板与板的拼接节点需考虑防水处理,设计竖向板缝为15mm,水平板缝为10mm,缝隙处传统的1道防水无法满足要求,应进行优化,增加防水构造,通过多次试验,对板缝节点进行深化设计,为防止板缝处出现渗水现象,板缝节点处、板面水平缝、竖缝采用2道防水施工,防止墙面雨水渗漏至室内。①第1道防水 水平缝11mm橡胶单面贴通长设置,竖缝12mm橡胶条;②第2道防水 水平缝泡沫棒+耐候密封胶(黑色),竖缝泡沫棒+耐候密封胶(黑色)。

3.5.1板缝、节点防水施工

1)水平缝设置缝宽15mm,上、下ECP板间镶嵌11mm橡胶贴压紧,通长安装,泡沫棒塞进板缝中,预留14mm进行耐候胶施工,水平黑色耐候胶应打胶顺直,表面凹进板表面2～3mm,利用φ12圆钢压成弧形。

2)竖缝设置缝宽10mm,板材拼接为公母槽,公母槽内竖向嵌入12mm橡胶条并挤压,板缝塞入泡沫棒,随后进行耐候胶施工,竖缝黑色耐候胶表面凹进板表面2～3mm,利用φ12圆钢压成弧形,打胶须顺直。

建筑立面的外窗、突出物对ECP水泥板的安装造成一定困难,节点施工的质量影响整体外观质量,进而需对节点进行深化设计。

依据原建筑设计图纸及效果图要求,ECP水泥板与外门、窗拼缝设置在内侧,板缝交圈。外门、窗处侧板及盖板、挑檐板采用Z形件两点固定,外窗的挑檐板、盖板坡度要求满足5%。外窗侧板收口节点如图11所示。

图11 外窗侧板收口节点Fig.11 Exterior window side panel closure node

3.5.2外门、窗洞口节点安装

1)板材定制

通过BIM技术进行外门、窗排版优化设计,结合外门、窗图纸设计尺寸,确定各不同规格外门、窗的批量统一尺寸,委托工厂定制加工侧板、挑檐板、盖板。

2)龙骨安装

幕墙整体龙骨体系安装完成后,在外门、窗四周安装焊接承托板、连接板。

3)Z形件安装

在侧板上、下两端主龙骨位置各安装一个Z形件,盖板、挑檐板Z形件安装在左、右两端,距板边缘80～400mm范围内。

4)侧板、挑檐板、盖板安装

安装顺序为:盖板→侧板→挑檐板。①安装底部盖板 由2名作业人员搬运至安装位置,根据已安装外墙板控制定位,盖板向外坡度达到5%,就位后拧紧螺栓;②安装侧板 盖板固定后,安装外窗两侧板,侧板压在盖板上,就位后拧紧螺栓;③安装挑檐板 待侧板、盖板安装完成后,安装挑檐板,挑檐板向外坡度需达到5%。

4 结语

1) ECP墙板作为外墙、内墙或直接作为建筑墙体,其强度、韧性、抗震性、耐候性、隔声等均具有优势,板材性能、外形、规格均具有极强的可塑性,可广泛用于框架结构和钢结构外围护结构施工。ECP水泥板幕墙应用前景广阔,可有效控制人、材、机投入,废弃物可再生利用、绿色环保、降低成本。

2) 在常规 ECP水泥板安装方式的基础上,针对大规格尺寸板材竖向安装,且安装高度>45m的情况,利用有限元计算软件模拟分析ECP水泥板幕墙整体及组成构(配)件受力特点,设置水平龙骨构造体系,自制专用吊具进行板材垂直吊装,采用专用Z形件连接固定;对于造型复杂的外立面,阳角部位采用预制转角一体板安装,减少阳角板的拼接,提高外观质量效果。ECP水泥板复杂节点部位及门窗、连廊等突出物处增加2道防水节点,有效控制渗漏情况发生。

3) 在满足设计要求和工期的前提下,该研究技术实施的安全性、经济性、环保性等均达到一定效果,实施后的项目质量进一步得到提升。应用项目经济和社会效益显著,同时减少了现场的环境污染及材料消耗,降低了现场施工难度,提升了施工效率,缩短了施工工期。