王运刚
摘 要:发泡陶瓷建筑装饰构件经过短短7年发展,在住宅房地产、既有建筑改造、农村自建房等市场得到广泛应用,正在取代传统GRC、EPS等构件。本文通过剖析发泡陶瓷建筑装饰构件的应用场景、比较优势、造价及相关工艺等,为行业健康发展提供一些参考和借鉴。
关键词:发泡陶瓷;建筑装饰构件;GRC;EPS;数字孪生;复杂曲面表皮;智能建造体系
1 发泡陶瓷建筑装饰构件概述
发泡陶瓷(Foamed Ceramics)——以矿山尾矿、工业固废料等无机矿物为主要原料,添加特殊的发泡剂,采用湿法或干法制料,经布料成型、窑炉高温(1150 ~ 1200℃)烧成,可用于建筑物非承重内外隔墙及外墙的轻质新型板材[1],是一种具有高孔隙率的闭孔的绿色循环陶瓷材料,且具有轻质高强、保温隔热、变形系数小、防水防火、抗老化的特点。
建筑装饰构件,一般是指建筑上附着的起装饰作用的部件,也叫建筑装饰细部。发泡陶瓷装饰构件,则是以发泡陶瓷块体材料为原料,经数控机床雕刻、修饰、涂敷装饰面层等工艺在工厂化预制而成的装饰制品,主要作为装饰性细部的门窗套、线脚、支托、山花、斗拱、浮雕、立雕等部件使用[2]。
发泡陶瓷作为新型的老产品,诞生至今已几十年,历经保温材料、墙体材料、建筑装饰构件等诸多应用领域,步履艰难走到今天,在2022年迎来构件应用的爆发式增长。为適应构件市场需要,多家发泡陶瓷生产厂商专门为下游构件加工厂生产2400mm×1200mm、3000mm×1800mm且不带榫槽的、孔径更小的“构件板”,而“墙板”一般是2400mm×600mm、3000mm×1600mm且带榫槽。据佛山金绿能等生产企业反映,2022年其墙板和构件板出货量比值为4:6,预计2023年可能达到2:8。发泡陶瓷构件这两年的主要市场,已转移到城市网红商铺装修、农村自建房新建和翻新、城市既有建筑翻新(别墅和厂改商)、城镇历史街区提升改造、美丽乡村建设等。故而,房地产市场的萧条并未给发泡陶瓷厂商带来实质打击。
2 发泡陶瓷在构件应用的细分领域
2.1建筑外立面装饰构件
按建筑风格还可细分为古典欧式、古典中式、现代等。
古典欧式,包括欧式线条(檐线、腰线等)、罗马柱(陶立克、科林斯、艾奥尼克等柱式)、窗套、门套、檐托、山花、窗间花、浮雕或雕塑、欧式栏杆等等;
古典中式,包括线形(回字纹、夔龙纹等)、柱式、斗拱、屋脊(正脊、角脊等)、博风板(及其上卷草纹)、山墙(镬耳墙、马头墙等)、墀头、椽子(檐椽、飞椽等)、镂空窗花、垂花、中式栏杆及栏板等等。
现代,主要是简洁的各类线条,包括檐线、腰线、窗套线、门套线、扶手线等等。
2.2园林建筑或构筑物
目前常见于中式园林的围墙镂空窗、月门、瓦和脊、浮雕等,现代园林中的曲面造型、花坛围挡、雕塑等。
2.3艺术浮雕、主题公园雕塑
可将发泡陶瓷浮雕文化墙应用于公园主题文化展示、高校宣传、市政建设、企业文化、别墅室内装饰等诸多场景。相对传统石雕工艺,利用发泡陶瓷板制作的轻量化浮雕文化墙更环保、更轻质、便于运输、易于雕刻,且使用发泡陶瓷组合形成文化墙能够大幅缩短工期[3]。结合数字孪生技术,更可以替代玻璃钢和金属,应用于立体雕塑。
2.4异型建筑外表皮
例如拓扑双曲面、几何组合面等。
2.5室内装饰造型
包括曲面天花、异型天花线、异型柱、旋转楼梯、背景墙、异型栏板、镂空隔断墙等等。
2.6建筑外立面装饰保温板
这是发泡陶瓷较早期的应用。自2010 年在鹰牌陶瓷诞生,到2012年在信阳科美成熟,10年来,基本仍守着当初的缺陷(导热系数、厚度、单窑产能、系统缺陷),在艰难地前行[4]。
3发泡陶瓷建筑装饰构件的优势
3.1可塑性强
发泡陶瓷可用CNC雕刻机、线条仿形机、桥切机、对剖机、线(绳)锯、宝瓶仿形机、圆雕机等各种机械在工厂快速加工成型,在安装现场也可用手持切割锯、角磨机、开槽机做修正。
3.2加工周期快
成品可立即发往安装现场拼装,无需实体模具(也就省除翻模时间)。
3.3成本低
省却了模具费,且因重量轻盈故而安装费用低,甚至运输、装卸费用都降低不少。
3.4耐候性好
发泡陶瓷为烧结材料,耐酸、耐碱、不易开裂。且发泡陶瓷吸水率低至3%以下,也就杜绝了冻融效应,避免了酸雨侵蚀,保护了空腔内钢龙骨不被轻易锈蚀。
3.5安全
耐候性好,也就意味着因实体腐蚀开裂、钢龙骨锈蚀导致的构件掉落风险显著降低。加之发泡陶瓷密度低、质量轻,对建筑结构的牢固性、连接件拉拔力、胶粘剂的拉伸粘结强度的要求不高,且使用锚粘法双保险的安装连接工艺,连接强度富裕值超高。干缩值低,软化系数低,从而不会因形变产生过大应力导致与基层的连接破坏、失效。发泡陶瓷还是A1级防火材料。以上种种特性和措施,保证了发泡陶瓷构件与建筑同寿命,足以抵抗自重、风、雪、地震荷载及酸雨、潮湿、霜冻、高温等恶劣气候环境,是目前已知的最为安全的装饰构件材料之一。
4发泡陶瓷构件与传统构件的优劣对比
之前常用于建筑装饰构件的材料主要有:GRC、EPS、GRG、FRP(玻璃钢、纤维增强塑料)、UHPC、石材、铝板等。下文分别介绍各种材料与发泡陶瓷构件相比较的优缺点。
4.1 GRC构件
中文学名叫“玻璃纤维增强混凝土”构件。这是一种以水泥砂浆为基体材料、玻璃纤维为增强材料的纤维混凝土复合材料,需使用模具造型。通常使用的水泥主要是硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥,玻璃纤维应为耐碱玻璃纤维,模具可以木、硅胶、玻璃钢或钢模具,精度最高的是钢模具。如果严格按照国际标准采用合格材料和正确生产,GRC是非常优异的造型构件,但缺点是造价昂贵、生产周期较长、自重较大。但因为成分复杂、市场对造价的一味压制,导致厂家普遍偷工减料:例如为缩短生产周期采用快硬型低劣水泥,后期碳化、粉化、收缩严重,大量开裂;采用不耐碱玻璃纤维,在碱性水泥作用下丧失增强作用;甚至错误地预埋钢筋,因GRC为减轻自重往往做成薄壁结构,在钢筋保护层不足的情况下导致锈蚀而增加基体开裂脱落风险;为节约成本采用的硅胶膜、木模等模具,精确度难以控制在正负3mm以内。更严重的是,GRC作为装饰材料,工地现场对其监管往往缺位,很难严格做到每批次抽检,在不断压低价格的情况下致使不符合标准的低劣产品大量流入市场,偏偏GRC又普遍用于外墙装饰,经过十几年、甚至仅仅几年的使用,便大量出现开裂、高空坠落。目前市场对GRC逐渐丧失信任,其市场正迅速被发泡陶瓷构件占领。
4.2 EPS构件
中文学名“聚苯乙烯泡沫”构件。合格的EPS构件以高强度阻燃型聚苯乙烯为基体,耐碱玻璃纤维网格布为中间层,外层由无机抗老化聚合物砂浆保护。最大优点是自重轻,安装速度快,成本低廉。但耐候性最差,加上為追求更低成本导致的偷工减料,一般使用几年便开裂、粉化。如果采用非阻燃的泡沫,更增加了消防隐患。另外一个缺点就是造型单一,一般仅生产直线形、不变截面的构件,复杂构件难以适应。
4.3 GRG构件
中文学名“玻璃纤维加强石膏”构件,工艺与GRC类似,优点是造型丰富,常用于室内异型板壳和线条。缺点是不能防水、防潮,不能在户外或潮湿环境下应用,价格适中。
4.4 FRP构件
纤维增强塑料,俗称玻璃钢,高质量的FRP因其卓越的强度、造型能力、耐腐蚀性而被广泛应用于建筑、交通、水利工程和船体,但造价昂贵。近几十年也被应用于雕塑(浮雕),在主题公园等应用场景,作为有机材料,不合格的FRP在紫外线作用下容易老化、开裂,已逐步退出建筑市场。
4.5 UHPC构件
即超高性能混凝土,一种性能优异的塑形和结构材料,具有超高的力学性能和超高的耐候性,以最大堆积密度理论为依据得到极大抗压强度,同时使用钢纤维提升韧性。目前广泛用于大型公共建筑的异形表皮、隧道管片、桥梁等等。缺点是造价昂贵,生产和安装周期长。此外,因为UHPC薄壁结构的变形较大特性,每隔5m左右必须留18mm的伸缩缝,破坏了建筑外观的流畅性美感。
4.6石材构件
传统建筑造型材料,其中大理石的花色繁多、自然、尽显奢华,但造价极其昂贵,不能用于户外;花岗岩力学性能优异,耐候性优异,大量用于户外,但自重较大、安装速度慢、造价较高,几乎不能用于复杂曲面建筑表皮。
4.7铝单板构件
也是优秀的建筑室内外塑形材料,轻质安全,造型多变,安装快捷,使用期间便于清洁,可回收再利用。但造价较贵,特别是应用于个性化浮雕、异形曲面时更是昂贵。而且,因为金属热胀冷缩的特性,每隔2m左右必须留18mm的伸缩缝,破坏了建筑外观的流畅性美感。
5 发泡陶瓷构件的应用场景
以下结合发泡陶瓷相对其他材料的优势,重点介绍最近的发泡陶瓷在建筑装饰领域的一些现象级应用场景:
5.1既有建筑翻新改造
以往建筑旧改,造型材料多使用GRC和EPS。但自重太大的GRC在历经几十年风雨的建筑外墙体之上,很难锚挂,更不能粘贴,如果重新加固既有建筑外墙又会导致整体造价高企。而自重较轻的EPS虽然避免了GRC的缺陷,但防火级别偏低(B级甚至C级),在消防通道较窄的老旧小区,EPS难以负荷使用要求。加上市面上激烈竞争之下,劣币驱除良币,大量不合格GRC和EPS充斥市场,最近20年出现大量GRC开裂掉落、EPS使用几年便开裂粉化等不良现象,导致技术界和民众对GRC和EPS心存疑虑,其市场在2018年后被发泡陶瓷加速取代。发泡陶瓷兼具GRC和EPS的所有优势,且造价日益降低,故而在近两年迅速取代GRC和EPS而占领旧改市场。
2018年5月28日举行的第十届全国既有建筑改造大会透露的信息显示,我国既有建筑总量613亿平方米,每年需改造的老旧小区、历史街区、城乡老旧别墅、厂房改创意产业园区等的建筑面积近10亿平方米,外墙所需构件总量超千亿元。即便发泡陶瓷暂不能全面取代GRC、EPS和石材,其市场规模也仍将达到每年百亿元级别。
5.2建筑复杂异形表皮
以上各种传统材料在这个领域都造价昂贵,因为难过“模具关”,制作模具的造价和时间成本都是传统材料难以承受之重。石材虽然无需模具,但加工难度和安装难度都大,造价依然高企。发泡陶瓷无须模具,一旦加工出来即可立即送往工地安装,且轻质而使安装费用降低。更促使业主和设计师下定决心使用发泡陶瓷的是,发泡陶瓷可以几十米不留明缝,因为发泡陶瓷作为高温烧结材料其干缩值几乎为零,非常稳定,不存在收缩开裂。曲面异形外表皮的流畅性,很容易被传统材料每隔几米就必须设置的缝隙打乱的观感。
复杂异形表皮,常见于大型公共建筑室内外、酒店大堂、餐饮服装等店面门头和室内造型,还有主题公园内的建筑表皮和造型。根据2023年3月在昆明召开的“国际城市可持续能源发展市长论坛”上中国建筑业协会公布的数据,目前每年公共建筑和工业建筑新建4~5亿平方米,所以可以估算,全国各类需用到异形表皮的建筑每年新增及改造装修的建筑面积数亿平方米,因此建筑复杂异形表皮的市场也将达数百亿元,假设发泡陶瓷能10%取代也将是数十亿市场规模。
5.3网红店镂空隔断墙
具有造型多变、组合自由、轻质易安装等优点。这种隔断墙也会出现在庭院围墙、建筑外立面装饰和空调主机遮盖。在国家鼓励消费及最近两年消费报复性增长的双重作用下,网红店的装修热潮将持续一段时间,预计镂空隔断墙市场也将达到数亿元规模。
5.4园林建筑
由于园林造型构筑物和建筑物,常年暴露在潮湿和阳光直射环境中,对吸水率和耐紫外线的要求很高。传统GRC(水泥)构件吸水率高,容易被腐蚀而开裂,另一种传统材料FRP(玻璃钢)作为树脂有机材料又不能抵抗紫外线;石材造型困难、成本高。
鉴于此,发泡陶瓷可作为园林建筑中装饰构件、背景造型、花坛及水池围挡、固定桌椅等的首选材料。园林建筑在房地产遭受挫折的情况最近两年会有所减弱,但无论是住宅小区园林,还是市政园林,每年均是不容小觑的庞大市场,给发泡陶瓷带来的市场规模仍将达到数亿元。
6 发泡陶瓷构件的安装工艺
因为发泡陶瓷质量较轻,粘接有效。同时,因其具有相当的抗压、抗剪强度,锚固亦有效。鉴于此,发泡陶瓷开发了自身独有的“锚粘法”双保险安装工艺。且这种工艺的成本基本在可接受范围内,比单一安装工艺的成本增加不多。
一般来说,粘接虽然有效,但短时间内不能形成有效粘接强度,在构件自身重力作用下容易发生向下坠落,而适当的锚固解决了早期粘接强度问题。同时,单一的锚固连接,又容易造成构件与墙体连接处被雨水或潮气渗入,从而对墙体和金属锚固件造成不利影响。两者结合,互相补缺,还避免了单一连接方式中因工人疏漏或连接辅料质量问题导致的脆性破坏,做到万无一失。在笔者逾6年的安装实践中,几乎没有发生一例发泡陶瓷构件脱落现象,便是“锚粘法”双保险安装工艺有效性证明。
但“锚粘法”工艺也并不简单。
首先,根据安装工期要求和基底材料,需要选择瓷砖胶还是结构胶。瓷砖胶也即聚合物水泥砂浆,耐候性通常更优异,但形成工作强度至少24h,后续工序(比如刮腻子)才能进场作业,而结构胶12h,就能达到工作强度。而且,基底是钢龙骨时,应避免使用瓷砖胶做粘接剂,因为瓷砖胶凝结后强度过高,无法起到发泡陶瓷与钢龙骨之间的缓冲作用,在风振工况下容易导致发泡陶瓷脆断。
其次,根据基地材料不同,应选用不同种类和规格的锚固件。比如,在钢筋混凝土梁上锚固发泡陶瓷,应选用金属膨胀螺栓(热镀锌或不锈钢);在水泥加气块墙面安装,根据墙面找平层可靠性、墙体厚度、构件大小,采用胶套螺丝、化学螺栓、对穿螺杆甚至植筋工艺;钢龙骨上安装,锚固件一般采用自攻螺丝,但复杂曲面构件安装于钢龙骨上,采用可调螺杆组件更适宜。无论何种锚固件,其间隔距离和锚固件规格(直径和长度等)均应根据构件自重和风压设计值进行验算确定。
最后,是否采用钢龙骨,最重要的权衡指标是构件飘出墙面的尺寸。当悬挑厚度大于或等于300mm时,可将发泡陶瓷装饰构件制作成空心构件,在空心腔体内设置支撑钢架固定于基层墙体,发泡陶瓷装饰构件可采用螺栓或螺钉锚固于支撑钢架上[2]。但根据经验,240mm以上飘出值就应该采用钢龙骨,这样比实心发泡陶瓷构件更经济。
当然,也可以仿照石材幕墙的干挂工艺。但因为发泡陶瓷强度指标低于花岗岩等石材,所以不能完全照搬石材幕墙的背栓、蝶形码工艺。具体方法,有待进一步论证。
7 发泡陶瓷的表面处理工艺
发泡陶瓷的表面可以做真石漆、氟碳漆、木纹漆、微水泥、水刷石等,也可贴瓷片、软瓷、墙纸等,从而呈现各种理想效果。而且,因为发泡陶瓷吸水率低、干缩值低,表面装饰层所受负面影响较低、耐久性大幅提升。
但发泡陶瓷表面的微细半孔结构,又迫使大部分表面装饰工艺要前置一道填孔工艺(最佳方式是刮腻子),费用会增加。如果發泡陶瓷构件表面有雕刻图案,则不适宜刮腻子,即使喷腻子也会因难以打磨而无效,只能直接喷涂真石漆或涂料。最近,某些规整构件也可以采用喷绘工艺,在工厂覆盖UV漆或低温釉。
8 发泡陶瓷构件的造价问题
总的来说,其性价比超高。具体到与各种传统构件材料比较如下:
8.1与GRC比较
根据欧标和国标,合格的GRC使用硫铝酸盐水泥和含锆16.5%的耐碱玻璃纤维,所以合格的GRC耐候性较好,但价格昂贵,在装饰构件行业几乎销声匿迹。市面上充斥的是GRC不合格品,但作为装饰构件,工地现场对此缺乏规范的检测手段。发泡陶瓷构件虽然材料较贵,但整体价格仍然与不合格GRC相比处于相等水平,因为发泡陶瓷无须模具、且因轻质而安装快捷。而对于复杂曲面构件、个性化浮雕、独立别墅外立面等场景,发泡陶瓷对比GRC(即使不合格品)有一定价格优势。如果业主方对耐候性要求较高,本来想使用合格品GRC,则因为其价格昂贵,会转而采用发泡陶瓷构件。
8.2与EPS比较
EPS比发泡陶瓷便宜30%以上,但随着业主方对耐候性、防火要求的提高,EPS已逐步退出市场。
8.3与GRG比较
GRG作为石膏制品,防水防潮性能差,一般限用于室内复杂造型。发泡陶瓷优势在于无须模具,而GRG优势在于石膏成本低廉,两者相比,价格相当。发泡陶瓷在生产和安装速度方面更具有优势,因此降低了上下游工序(脚手架、表面油漆)的成本,并带来其他效益(比如更早开业带来的收入增加、租金降低)。
8.4与FRP比较
两者价格相当。但作为有机材料(树脂)的FRP,其耐候性较差,生产过程的污染严重,现已逐步退出市场。
8.5与石材比较
比如,发泡陶瓷浮雕的价格通常为800元/平方米。传统石雕因其重量是发泡陶瓷的6倍,安装成本极高,价格2000~3000元/平方米。对比之下发泡陶瓷浮雕价格优势明显。
8.6与UHPC比较
UHPC通常用于复杂曲面表皮,其强度、精准度、耐候性等品质要求高,开模制作难度大,加之密度是发泡陶瓷的6倍,故吊装施工难度也高,综合造价高达3000~5000元/平方米。发泡陶瓷曲面表皮综合造价1000~2000元/平方米,优势明显。
8.7与铝单板比较
铝单板用于复杂曲面表皮时综合造价1500元/平方米左右,用于平面幕墙时750元/平方米左右,发泡陶瓷同口径约1500和600元/平方米,略有优势。
9 基于数字孪生的复杂曲面表皮智能建造体系
随着发泡陶瓷介入复杂曲面构件的应用领域,且更根据发泡陶瓷的加工特性,数字化生产和建造工艺被逐步引入。装修设计师和建筑设计师的数字模型,经过拆解可被CNC数字加工中心识别,从而完美还原设计师的造型意图,精确度达到3mm以内。
同时,利用激光扫描或成像识别算法,实现现场精准定位和云监理,大大提高安装过程中的造型精准度。加上发泡陶瓷不易收缩变形,使发泡陶瓷成为最优异的装饰构件材料得到设计师和业主方的深度青睐,必将得以广泛应用。
10 发泡陶瓷构件相关标准
目前,发泡陶瓷有关的全国性行业标准,包括:JG/T 511-2017《建筑用发泡陶瓷保温板》、T/CECS 480-2017《发泡陶瓷保温板应用技术规程》、T/CECS 877-2021《发泡陶瓷外墙挂板应用技术规程》、T/CECS 921-2021《发泡陶瓷装饰构件应用技术规程》、2017CPXY-J400总509《碳歌发泡陶瓷保温隔墙板条板》专项图集等等。另外也有一些地方标准,比如重庆地区的构件图集。
以上标准的共同特点是不够完善,主要原因是案例不够丰富,各种工艺指标和安装方法不能适应急速变化的市场需求。标准是产品和技术走向市场的指导文件和法律保障,对于发泡陶瓷构件,这项工作任重道远。
此外,由于发泡陶瓷构件的种类和尺寸繁多,基本都是根据建筑特点定制,导致价格难以统一,所以各省的定额和信息价没有制定出来。业主方在做预结算时,询价工作量大,容易产生不透明的操作空间,这也不利于行业的规模提升。
11 发泡陶瓷构件产业的生态系统
发泡陶瓷构件的上游产业主要是墙板生产厂家。截至2023年3月,全国大约有100条发泡陶瓷墙板生产线,分布在广西、广东、福建、江西、河南、山西、内蒙古、河北等省份。
竞争性构件生产厂商几乎在中部、东部各省市均有分布;但技术实力最强的、可以生产几乎所有类型构件的厂家,主要还是集中在广东;其他各地生产厂能生产普通线条和浮雕板,但不能生产复杂异形构件,也不具有高层建筑构件、复杂异形构件、复杂别墅构建整体深化设计和安装能力。
合作商主要是涂料、配件和安装劳务队。这一部分还不成熟,与发泡陶瓷构件配套的涂料及其喷涂工艺、各种安装配件还有待开发,成本有待降低。安装劳务队伍不多,素质不高,经验尚不丰富,也导致安装成本没有降低到理想状态。
目前,还没有针对发泡陶瓷复杂异形表皮、别墅外立面改造的成套设计生产软件。
12 结论
由以上分析可见:发泡陶瓷得益于其优异的轻质、高强、耐候、防火防水等物理性能,更得益于其易于加工、安装便捷的特性,在建筑装饰构件领域拥有极其广阔的应用前景。从其面世到如今短短7年时间,便被建筑师、地产商、政府建设部门、商业和住宅业主普遍认可,实属建材界罕见。
目前,发泡陶瓷应用研究还在向多领域拓展。比如,发泡陶瓷若用于船舶内装材料,不仅使装饰、隔热、防火融为一体,而且能大幅降低维修成本;发泡陶瓷质量较轻,可减轻船舶重量,符合船舶重量控制的要求[5]。
在外贸方面,因大多数发展中国家均曾是欧洲国家的殖民地,建筑常呈现欧洲古典风格,对发泡陶瓷装饰构件的需求较大。比如,柬埔寨和越南没有发泡陶瓷生产企业,发泡陶瓷的隔墙板、保温装饰一体化板有一定市场[6],构件市场则更为显著和广阔。
可以预见,在未来5年内,发泡陶瓷建筑装饰构件的市场占有率、市场规模将急速增长。发泡陶瓷既可大量消纳工业固废,又节约自然资源,可极大助力“碳达峰,碳中和”的实现[7]。在发泡陶瓷保温板、墙板等应用因价格等问题处于停滞状态的时候,发泡陶瓷建筑装饰构件的异军突起,给发泡陶瓷行业和固废处理领域,带来了新希望。
参考文献
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