浅谈装配式钢结构建筑外墙围护体系的应用

浅谈装配式钢结构建筑外墙围护体系的应用

王莉

上海荣冶工程技术有限公司

摘 要：装配式钢建筑是一种新的建筑结构形式，符合建筑产业现代化、智能化、绿色化的发展方向，是国家近几年大力推行的建筑体系。发展装配式钢结构建筑是推动建筑发展及带动生态文明建设的重要途径。围护体系是装配式钢结构体系中重要组成部分，承担着保温隔热、防水防潮、防火防裂等多重功能。本文结合实际通过对几种常见的装配式钢结构外围护体系的研究，分析装配式钢结构外围护体系的性能情况、使用问题及设计要点。

关键词：装配式钢结构；外墙围护体系；基墙自保温体系；保温装饰复合板体系；幕墙体系；蒸压加气混凝土砌块（板）；混凝土自保温模卡砌块（预制墙）；保温装饰复合墙板；金属墙板；外墙外保温

引言

随着我国建筑工业的高速发展，装配式建筑以其部品部件工业化、建筑材料绿色化、结构体系系统化、施工过程装配化、信息管理智能化等诸多优点，成为国家大力推进发展的建筑体系。其中装配式钢结构建筑相较于其他装配式建筑，具有更好的抗震性、工业性、节能性、施工高效性等。

目前，钢结构建筑中主体结构技术相对成熟，而与之匹配的外围护体系的研究相对滞后。传统的砌块砌筑的墙体与钢结构结构体系并不能完美适配，也不符合装配式建筑标准化、快速化、组装化、智能化的方向，加强装配式围护结构体系的研究与应用是推动装配式钢结构建筑发展的关键。

围护体系主要是指建筑的屋顶、墙体、门窗等将建筑围护成闭合、私密空间的构件体系。装配式钢结构建筑和传统建筑的围护体系因为结构形式、建造方式及材料的不同而有较大的差异，主体结构形式的不同决定着钢结构建筑围护体系的特殊性。主要体现在围护体系与主体钢结构的连接、建筑外观效果、防火、防水、保温等自身性能维护以及钢结构的防腐防锈、冷凝等问题的处理。本文主要针对外墙围护体系进行分析研究。

现阶段装配式钢结构外墙围护体系的发展受制于现有建筑材料的性能短板、各项材料的兼容性及材料一体化整合度。能与钢结构完美衔接，同时满足模块化设计、工业化加工、干法作业、快速施工的材料，往往只具有材料固有性能优点，无法实现装配式部品部件的集成性多功能性。但是，随着国家大力推广装配式建筑，与之适配的材料也应运而生。将传统建筑外围护体系中独立的各个功能层次——基层墙体、保温层、防水层、饰面层等重新组合排序，研发出兼具几项功能的一体化产品，使围护体系的施工更加便捷高效，从而满足装配式建筑的需求。

根据外墙围护系统的材料功能分类，梳理目前装配式钢结构在民用建筑中应用较为广泛的外墙围护体系，将外墙围护体系笼统分为三大类：基墙自保温体系、保温装饰复合板体系、幕墙体系。本文结合实际从性能分析、适用情况、连接构造、特殊节点等方面对这三大类外墙围护体系进行浅析研究，总结装配式钢结构外墙围护体系的问题及设计要点。

1. 基墙自保温体系

基墙自保温体系中的外墙基层墙体经过特殊工艺，使得墙体本身兼具保温隔热功能。这类体系基墙主材料仍以混凝土为主，是传统混凝土围护体系的升级，是为适配装配式混凝土建筑而研发的产品。对于装配式钢结构建筑，只要解决好主体钢结构与基层墙体的构造连接，基墙自保温体系同样适配。现阶段常见的基墙自保温材料有：蒸压加气混凝土砌块（板）、混凝土自保温模卡砌块（预制墙）、免拆模保温复合板、PC夹心保温预制墙等。

近年来，各地建筑外墙保温系统开裂空鼓、剥落脱落、保温材料起火等事件经常发生，全国多地也针对外墙外保温系统进行了限制和禁止。基墙自保温体系中基层墙体结构保温一体化，完美规避传统建筑外墙外保温的这些弊端，从根本上解决了外墙保温层易剥落易燃的问题，提升了建筑外围护体系的性能及使用年限。

在这套体系中，因基层墙体材料仍以混凝土为主，装配式钢结构建筑的外墙围护体系在保温隔热、防水、防火、隔声等性能上与传统建筑相比没有较大的差异。构造做法相较于传统建筑优化了保温层，防水层及饰面层仍有基墙可以依托，材料可选性更多。基墙自保温体系限制较少，适配目前市面上较多材料组合，性价比较高。

基墙自保温体系中的基层墙体是为适应装配式建筑而研发的新型节能材料，其施工安装过程需要专业的施工培训和技术指导，同时，墙体安装施工过程中有特殊的连接构造，所需配套材料也都是相关专用产品。

基墙自保温外墙围护体系在装配式钢结构建筑中的设计难点在于围护墙体与结构的连接及结构构件冷桥部分的保温处理。对于外挂砌块、板或预制墙，钢梁钢柱及楼板等结构构件被围护体系保护在建筑内侧，冷桥被隔断，保温体系相对完整，但是外挂墙板系统与结构构件的连接要求会更高，结构专业在外挂墙板的围护体系中需要做更多的结构连接及构造。对于内嵌砌块、板或预制墙，因基层墙体自带保温，钢梁钢柱等结构构件冷桥的需要做保温处理，为了保证外立面完成面的整体平整度，通常将钢梁钢柱退出保温层和防火涂料的厚度，使其加保温层和防火涂料的外边线与基层自保温墙体外边线齐平。现以外墙角柱包覆做法为例，以图示简述外挂蒸压加气混凝土条板与内嵌自保温模卡砌块的不同构造。

2. 保温装饰复合板体系

保温装饰复合板是将外围护体系中的保温层与饰面层结合在一起，从而具有双重功能的复合板材。保温装饰复合板一般由基层、保温层和饰面层三层构成。基层通常为板材或金属材质，提供支撑和固定；保温层常用聚苯乙烯、聚氨酯、岩棉等保温材料，起到保温隔热作用；饰面层可以是金属板、氟碳漆、真石漆、陶瓷薄板等，具有装饰效果。

和基墙自保温体系一样，保温装饰复合板同样优化了围护体系的构造层次，减少施工工序，提高施工效率。保温装饰复合板有工业化生产、轻质便捷、干法安装等特点，但因其自身承重性、整合度、结构稳定性等性能较欠缺，不具备独立与结构构件直接连接的能力，目前在围护体系中的功能定位仍是饰面层，还需要依附于支撑构件来连接建筑的钢结构体系，这个支撑构件可以是基层墙体，也可以是幕墙体系中的支撑龙骨。

保温装饰复合板通常以粘接、锚固等方式固定于基层墙体。此做法在本质上与传统的外墙围护体系构造模式相同，只是所涉及到部品部件更具有更高的装配性、综合性和便捷性。因基层墙体仍以混凝土材料为主，在防水、防火、防潮、隔音等性能的处理上都较容易解决。也因基层墙体以混凝土材料为主，结构专业需要处理好钢与混凝土的连接，这是保温装饰复合板以粘锚方式固定于基层墙体的设计重难点。

随着近年来建筑外墙保温层开裂空鼓、剥落脱落、易燃起火事件频发，保温装饰复合板在外墙围护体系的使用中受到了较大的限制。2020年上海明确禁止在新建、改建、扩建的建筑工程外墙外侧使用岩棉保温装饰复合板外墙外保温系统，同时也对具有不同保温板燃烧性能的保温装饰复合板的使用范围进行了限制。材料更新升级以突破限制，将是未来保温装饰复合板的研究重点。

保温装饰复合板配合支撑龙骨以干挂的形式固定于基层墙体或建筑结构，这种形式更适配于装配式钢结构建筑。工业化的板材加工、运输及吊装，节约人工成本；复合型板材将保温、装饰多功能一体化，简化施工工序；龙骨干挂全程干法作业，无需混凝土湿作业的凝固时间，缩短施工周期。因其为新型材料，板材价格相对较高，同时幕墙干挂形式又比基墙粘锚形式成本更高。在建筑全生命周期的设计阶段投资成本相对较高；但在施工阶段因装配化节省较多的人工成本和时间成本；因材料不易脱落或变形，整体性能更强质量更高，故在运营阶段将减少维护及修理的成本。纵观建筑全生命周期，此组合形式可成为未来装配式钢结构外墙围护体系发展的研究方向之一。

保温装饰复合板是装配式建筑发展的产物，随着建筑的发展和时代的进步将更新迭代，突破材料性能限制、打破现有技术壁垒，研发出与装配式钢结构完美适配的降本增效的围护体系产品指日可待。

3. 幕墙体系

幕墙是有由饰面板和支撑结构体系组成的带有装饰效果的轻质墙体，是悬吊挂于主体结构外侧的不承重外墙围护。幕墙体系因其支承构件通常为铝、钢、不锈钢等金属制品，与装配式钢结构在连接构造上完美适配。外墙围护系统中的幕墙饰面板有着较多选择，如石材、玻璃、压型钢板、金属板、陶瓷板、水泥纤维板、保温装饰复合板等。各种类型板材几乎都可以与支撑构件组合形成幕墙体系，从而满足建筑造型的多样性。幕墙体系因饰面板材料的不同而价格不同，但相较于基墙自保温体系及基墙粘锚保温装饰复合板体系，材料成本还是相对较高。

幕墙体系是从建筑工业革命以来备受推崇的体系，幕墙体系的特点是轻质化、多样化、装配化，近乎适用于所有建筑结构形式。但对于装配式钢结构建筑来说，幕墙体系无疑是最优选的外墙围护体系。无论是工业建筑常用的压型钢板外墙，还是轻钢龙骨外墙体系，本质都是支撑构件和饰面板组成的幕墙体系。从构造上剖析分解，建筑所需各项功能都可以用不同功能的板材组合解决。

现以水泥纤维挂板的外围护墙体构造为例，简述装配式钢结构的幕墙体系设计要点。钢龙骨内部嵌入燃烧性能为A1级的保温材料，既能节省空间又能满足保温防火的需求；龙骨内侧的室内空间可设计0SB板+石膏板，保证墙体硬度的同时满足室内装修的需求；龙骨外侧的室外空间可设计一层带防水层的OSB板，不仅可作为防水层的基层板还可以固定保温板，一起作用并加强建筑的防水、防火、保温等功能；OSB板外直接干挂带装饰效果的水泥纤维挂板。龙骨连接主体钢结构，龙骨支撑几种板材组合固定，一套完整的墙体围护体系完成，从内装到外墙效果都能拼装解决。对比传统建筑的砌块砌筑、混凝土的凝固时间，装配式钢结构的建造过程都是模数化工业化的拼板固定，如何能不快？

现阶段，材料的性能限制了装配式钢结构的发展。如前文所述保温装饰复合板的幕墙形式集成了保温和装饰的功能，已带来较多的便捷。若能研发出集所有功能于一体的墙体材料，工厂集成预制生产，现场专业机器吊装，工业化的施工建造，装配式钢结构建筑如何能不取代传统建筑？但技术的革新都是一步步进阶的，没有一簇而就的成果。现以金属复合外围护系统为例，简示现阶段集成较多功能的幕墙围护体系。

4. 总结与现状

   通过上文对三种装配式钢结构外墙围护体系的对比分析总结相关性能，详见表1。

基于上述分析得出结论：在装配式钢结构的外墙围护体系中，幕墙体系的应用优势明显，从设计到施工都可实现装配化。但由于其成本相对较高，性价比相对较低。只有提高一体化外墙板的综合性能和其连接技术的研究开发，才能改变钢结构装配式外墙围护体系的现状，从而避免外墙开裂脱落、渗水、易燃等通病。同时，进一步提升主体结构钢的整体性能，也能加强围护体系与主体结构的连接。

虽然国家在大力发展装配式钢结构建筑，但很多装配式钢建筑的建设都处于实验阶段，尚未形成规模，整个建设过程缺少规范性的标准和产业链的配套服务。相关设计规范、工艺规范的缺失以及施工管理制度的不健全，导致设计及施工人员的设计没有依据和统一标准，影响工程设计施工质量。监管制度的不健全导致对装配式钢结构建筑建设的监督无从下手，缺少技术监管把控。

装配式钢结构围护系统的配套部品部件仍处于研发试用改进阶段，各部品部件没有统一的生产标准，生产技术也没有得到应用推广，部品部件的产业链不健全，导致市场材料价格虚高，运输成本虚高，施工建设无法实现因地制宜、就地取材。同时，施工人员技术仍以混凝土施工为主，对于钢结构的施工技术还有待提高和加强。

5. 发展与展望

符合现代建筑“生态文明、绿色低碳、环保智能”理念的装配式钢结构建筑是未来建筑的主要形式。装配式钢结构的围护体系发展也将是重中之重。时代在进步，科技在创新，建筑工艺也在与时俱进。围护体系的发展可以不仅仅致力于外墙围护材料集成一体化技术的研究，还可与诸多高新技术的联合研发，开创一种颠覆现有建筑建设工艺的新模式。比如联动BIM技术、AI智能技术、3D打印技术、机器人施工技术等，实现无人工的全自动化智能施工模式。

参考文献：

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[2]黄泽俊.浅析装配式钢结构住宅外围护结构体系的发展与应用[J].工程技术，2017年

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