钢结构建筑轻质环保围护体系产业化关键技术与产品应用研究

摘要： 课题组系统研究了包括研发了基于金属板和蒸压加气混凝土板保温装饰一体化轻质围护体系技术与产品，构建了能满足不同热工分区对外围护产品保温性能要求的围护系统方案。针对金属夹芯板外墙体系目前使用过程中出现的接缝进水、漏水等现象，针对金属夹芯板外墙、金属屋面风吸破坏以及北方金属屋面积雪危害等问题，从细部措施加强等角度展开研究。研发并总结多种建筑楼面板型式的节点构造和工艺，研发了蒸压加气混凝土包覆薄板包梁柱应用技术。针对钢结构建筑围护结构钢柱临近部位热桥、挑板式阳台和挑梁式阳台的保温节能情况进行分析，并提出相应的保温设计方法。围绕钢结构建筑高性能围护结构先进制造工艺、高效施工工法展开研究。最后介绍了示范技术在示范工程、示范生产线、示范产业园中的应用情况。

关键词： 轻质环保围护体系；蒸压加气混凝土板；金属夹芯板；热工性能；热桥

在当前供给侧结构性改革大背景下，通过大力推广发展钢结构建筑，既可化解钢铁产业过剩产能，也可推进建筑绿色化、工业化、信息化、实现传统产业转型升级 ^[1] 。装配式钢结构建筑具有空间布置灵活、绿色环保、可持续发展、自重轻、承载力高，质量优良、抗震性能好、建造简易、施工工期短以及经济适用等特点 ^[2] 。为与装配式钢结构建筑协调发展，则其围护结构体系必须要满足轻质的要求，同时还要有足够的强度和刚度，并且要达到绿色节能的效果，满足密封性能、热工性能、隔声性能、装饰性能的要求 ^[3] 。

目前来看，我国大力发展钢结构建筑，就必须摒弃传统混凝土建筑、砌体建筑釆用传统的厚重的预制混凝土大板、砌体材质（如粘土、砖等实心材料）等传统内外墙做法，而必须转向轻质蒸压加气混凝土板、砌块及其他金属材料类型的新型墙体材料。从国内外研究和以往实践经验来看 ^[4] ，鉴于我国幅员辽阔存在不同热工地区，在我国发展钢结构建筑、全面推广建筑工业化及加快建筑产业升级，必须面对下列技术问题：

（1）保温装饰一体化复合板生产技术。开发以水泥为基材的轻质、环保、节能的复合墙板，实现产业化生产。生产出满足保温、强度和抗渗要求的保温装饰一体化复合墙板，满足钢结构建筑的需要。

（2）模数化、完备性墙板板型制作技术。通过与钢结构模数化配合，建立模数化和完备性的板型图集，提高生产和现场装配效率和装配质量，满足建筑工业化和装配式建筑的发展需求。

（3）安全、高效的轻质墙板连接与安装技术。解决墙板与主体结构之间的连接技术问题，满足墙板与钢结构协同变形，实现安全、高效的安装，提高现场装配效率和装配质量。

（4）抗裂、耐久的轻质墙板接缝材料与施工技术。开发满足墙板耐久性要求和防渗、防裂要求的接缝材料和接缝技术，实现墙板连接抗渗、抗裂、耐久。

此外，在解决好外围护系统性能需求的同时，越来越多外围护结构产品厂家尝试着将其产品应用在建筑内隔墙、楼板系统等其他领域，扩大其产品的应用范围，这便对围护结构产品提出了新的性能要求和研究方向 ^[5] 。

“十三五”国家重点研发计划课题“钢结构建筑轻质环保围护体系技术与产品”研究将以现有技术为基础，基于热传导原理以及结构和材料力学原理分析围护体系的节能保温性能、力学特性和连接性能，采用数值计算分析手段对保温隔热节能和力学特性深入研究，并通过模型试验进行对比验证，以达到建筑设计要求。最后，通过围护产品的工程示范检验产品性能，并通过生产线工艺改进、优化产品缺陷。技术路线分纵向技术研究和横向技术研究，纵向通过轻质节能材料研究、板型研究、连接技术研究，最终形成产业化技术，并进行示范应用；横向主要是针对我国不同热工分区进行系列产品和技术研究，最终形成东北地区、京津冀地区、长三角地区和珠三角地区围护系统产品和技术系列。

1 基于金属板的保温装饰一体化围护体系技术与产品

1.1 建筑金属外墙系统

1.1.1 外墙体系方案

课题第1部分研究的内容是适用于钢结构建筑的基于金属板的保温装饰一体化围护体系技术与产品，系统总结了基于金属板的保温装饰一体化围护体系技术与产品应满足的性能要求（表1）。

针对我国不同热工分区进行系列产品的技术研究，根据现行国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016） ^[6] 和《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015） ^[7] 的规定，总结了在不同建筑热工设计分区（主要包括严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区及夏热冬暖地区）对建筑物不同的保温要求 ^[8] 。并根据上述四种不同类型地区建筑物保温要求，有针对性地提出基于金属板的保温装饰一体化围护体系技术与产品保温方案。该系列方案所采用的金属围护板基本形式如图1所示。

图1 金属夹芯板及其外墙系统

Fig.1 Metal sandwich panel and its exterior wall system

金属围护体系应满足的众多性能中，外墙密闭性能和抗风性能是最可能导致金属围护体系失效或破坏的重要因素 ^[9] ，故在提出基于不同热工分区保温方案前，首先对本课题涉及的金属围护体系的这两项性能进行研究。

1.1.2 外墙密闭性能研究

该性能研究包括两方面：一是对金属幕墙夹芯板接缝进水、漏水的处理方案，二是金属幕墙夹芯板的密闭性能检测。

对金属幕墙夹芯板接缝进水、漏水的处理，主要研究的是金属幕墙夹芯板对接缝进水、漏水问题以及对应的处理措施，包括针对竖向对接接缝所采用的外板四重防水、防冷桥节点措施和针对横向对接接缝所采用的从自攻钉和配套注胶工艺等进行改进的措施（图2）。

图2 金属幕墙夹芯板对接缝进水的改进措施

Fig.2 Improvement measures for water inflow into butt joint of metal curtain wall sandwich panel

在上述处理措施的基础上，金属幕墙夹芯板的密闭性能检测方面，主要研究的是将装配式金属幕墙组合墙体作为一个整体去进行气密性、水密性和隔声性能的测试。

1.1.3 外墙抗风性能研究

该部分首先就现行规范和相关文献[18]中对金属幕墙夹芯板墙面系统力学试验模型、破坏模式与传力机制进行了总结，然后根据FM4471静态法测试标准规定的试验方法及流程操作进行实际试验，对金属幕墙夹芯板外墙系统的破坏模式进行对比分析，并采取对应的加强措施（图3）。

图3 金属幕墙夹芯板系列试验

Fig.3 Series tests of metal curtain wall sandwich panel

金属幕墙夹芯板围护系统在抗风揭试验中发生的破坏模式与文献标准中的描述出现了较大偏差。主要原因是金属幕墙夹芯板在风压作用下与龙骨形成整体共同受力，而在风吸力作用下，金属幕墙夹芯板与金属龙骨脱开，仅在插接口处因自攻钉固定而贴合。风吸力作用使夹芯板在支座处因点接触而发生应力集中严重，沿宽度方向发生弯曲变形，使得插接紧密的公母肋榫卯连接被拉开，插接口处的受力发生恶化，最终使插接口处母肋由于点接触而在较大的拉应力下被撕裂。使金属幕墙夹芯板的性能无法得到充分发挥。

通过抗风揭试验和查阅欧洲规范，可以在压型钢板外侧设置如图4所示的加强垫板。通过加强垫板进行应力扩散，可有效避免钉头侧钢板被拉脱。为保证加强垫板刚度，其厚度应不小于1.6mm。图中，d _h 为螺栓直径；d _w 为加强垫板直径；t _w 为加强垫板厚度；t ₁ 为压型钢板厚度；t ₂ 为基材钢板厚度。

图4 自攻螺钉设置加强垫板

Fig.4 The self-tapping screw with reinforcing base plate

1.1.4 不同热工分区的建筑金属外墙系统

不同热工分区传热系数K值列于表2中。

此组合墙体在日常实践中取得了非常好的应用效果。体系的创新点是内、外板分开，在结构和功能上实现相互独立，外墙内板不与金属龙骨发生关系，即外部荷载全部由金属幕墙夹芯板和金属龙骨承担。外板采用金属幕墙夹芯板承担装饰、防水和围护结构作用，其优点是质量轻，相比其他材料金属幕墙夹芯板与龙骨连接可靠，承载力可通过计算控制；外墙内板可以采用不同形式的轻质条板（蒸压加气混凝土、水泥聚苯颗粒、轻集料混凝土等），通过连接件有效地固定在主体结构上而不与外墙龙骨发生关系，承担墙体的日常使用功能。其优点是轻质条板通常可独立用作内隔墙，所以方便装饰和钉挂，且通常不会有敲击时的空骨感；金属龙骨形成的空腔设计具有多重功能：一是可调式的保温构造，二是外墙防水的二道防线，三是避开结构构件（支撑，阻尼器等）与外墙的相互碰撞，四是可以铺设管线。

1.2 建筑金属隔墙系统

建筑内隔墙系统主要是分割建筑物内部空间的墙面系统，根据内隔墙系统所在空间建筑需要的不同，内隔墙在隔声、耐火性能、防潮、性能方面应满足现行国家建筑设计防火、隔声、防腐蚀方面的要求。此外，从钢结构建筑产业化以及户型可变等角度，内隔墙应尽量便于拆装。目前可用于建筑内隔墙系统的有：金属岩棉夹芯板内墙板、轻质水泥基隔墙板、轻钢龙骨复合墙体等。

1.3 建筑金属屋面系统

屋面系统也是房屋建筑非常重要的围护系统，风揭破坏和北方的积融雪破坏是建筑金属屋面系统破坏的两大主因。课题组从防止破坏的措施角度进行了针对性的研究。

图5 不同热工分区的建筑金属幕墙系统方案

Fig.5 Schemes of building metal curtain wall system in different thermal zones

1.3.1 抗风措施装置

由于铝镁锰直立锁边屋面板具有自重轻、强度高、造型独特、设计灵活，且没有构件外露，使其美观大方、防水性优异，可以通过滑动来有效抵御屋面温度应力，十分适用于大跨度屋面系统，受到设计师的广泛青睐 ^[19] 。在大量实践研究的基础上，课题组针对铝镁锰屋面板的抗风措施装置进行了总结。图6所示是典型的铝镁锰板屋面结构构造。

图6 铝镁锰板屋面结构构造（单位：mm）

Fig.6 Details of the aluminum magnesium manganese plate roof structure （Unit：mm）

近几年直立锁边金属屋面的研究很多，但如何保证直立锁边金属屋面的抗风性能是一个极大的难题。目前各类规范均没有关于直立锁边金属屋面抗风性能的明确计算规定，常用的方法仍旧是通过抗风揭试验就屋面破坏情况进行反向推导研究，但大家普遍认为直立锁边金属屋面的锁边咬合部位是决定其抗风破坏的关键薄弱节点。因此若要提高抗风性能，可以通过设置抗风夹和起抗风作用的连接夹、檐口抗风加强部件的方式。

基于此，课题组研究的防风夹包括：用于铝镁锰直立锁边金属屋面系统防风的加固点式铝合金防风夹（图7）；用于360°直立锁边板和角驰板型的屋面板的点式镀锌钢防风夹（图8）；能很好地抵抗风荷载和雪荷载对金属屋面系统的损害的线式防风挡雪装置（图9）；防风U形压条（图10）。

图7 金属屋面板采用锁边咬合工艺及对应防风夹

Fig.7 Locking and biting process for metal roof panel and corresponding windproof clip

图8 直立锁边板和角驰板型的屋面板抗风夹

Fig.8 Windproof clip for roof panel of vertical locking plate and angle plate type

图9 线式防风挡雪装置

Fig.9 Linear wind and snow proof devices

图10 防风U形压条

Fig.10 Windproof U-shaped batten

1.3.2 金属屋面阻雪和融雪装置

在北方地区冬季存在严重的屋面积雪问题，近几年有大量的金属围护系统因积雪滑落而导致建筑物受损，因此积雪的存在对建筑结构、部件及附属设施的安全性影响极大。应用阻雪装置（图11）、融雪装置不但可以解决屋面的积雪问题，而且可以防止因冰坝和冰挂的产生而导致伤人或者损坏建筑，影响建筑物的正常使用。天沟加热对于降雪量大的地区是非常必要的有效措施。通过电装置的低温加热系统，可根据需要进行融雪处理，有效地消除了天沟内的积雪结冰引起的堵塞情况，也杜绝了因局部积雪过大引起的天沟坍塌的发生（图12）。天沟融雪板采用电加热装配，通长布置在天沟底部，天沟需设置为保温天沟且有防水层设计。

图11 阻雪装置细部及屋面系统安装阻雪装置

Fig.11 Details of snow blocking device and actual view of snow 

图12 融雪装置

Fig.12 Snow melting device for roof system

1.4 建筑楼面系统

为保证本课题的系统性、完整性，课题组还研究了建筑楼面系统，包括装配可拆式钢筋桁架板体系（图13）、装配不可拆式钢筋桁架板体系（图14）、闭口板-YJ型压型钢板体系（图15）、深肋板（图16）。这些建筑楼面系统在方便运输、快速施工、合理利用楼层高度、降低造价方面各有各的优势。

图13 可拆式钢筋桁架板（单位：mm）

Fig.13 Detachable reinforced truss plate （Unit：mm）

图14 装配不可拆式钢筋桁架板（单位：mm）

Fig.14 Assembly of non-detachable reinforced truss plate （Unit：mm）

图15 闭口板-YJ型压型钢板

Fig.15 Closed plate-YJ profiled steel plate

图16 深肋板

Fig.16 Deep rib plate

2 基于蒸压加气混凝土板的保温装饰一体化围护体系技术与产品

本节的基本思路同上节基于金属板的保温装饰一体化围护体系技术与产品研究思路，对抗风压性能、气密性能、水密性能等进行研究。课题组重点对蒸压加气混凝土板的隔声性能和保温性能进行了研究。

2.1 蒸压加气混凝土板建筑外墙系统

2.1.1 蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板隔声性能

提高建筑围护结构的隔振指标是解决民用建筑内的噪声干扰问题的重要措施 ^[20] ，本课题研发了轻质混凝土外围护墙壁，必须将隔声减噪作为一个重要因素加以考虑。《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118—2010） ^[21] 规定，外围护墙的空气声隔声性能：空气声隔声单值评价量+交通噪声修正量应≥45 dB。

课题组在按照某一热工分区保温性能要求而设计的蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板产品的基础上，按照《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118—2010） ^[21] 规定的隔音试验方法，对复合墙板产品进行隔音试验，试验板尺寸如图17所示，隔声实验室如图18所示，隔声试验墙板布置如图19所示，隔声试验墙板安装完毕后的实物图如图20所示。

图17 蒸压加气混凝土岩棉复合墙板试验板尺寸（单位：mm）

Fig.17 Dimension of autoclaved aerated concrete-rock wool composite wallboard （Unit：mm）

图18 隔声实验室

Fig.18 Sound insulation laboratory

图19 隔声试验墙板布置 （单位：mm）

Fig.19 Layout of sound insulation test wallboards （Unit：mm）

图20 隔声试验墙板安装

Fig.20 Installation of sound insulation test wallboards （Unit：mm）

如图17中A-A剖面所示，复合墙板剖面存在三种不同构造，分别是：

1）复合墙板包括纵、横肋及两端，全截面为蒸压加气混凝土板单一材料；

2）复合墙板包括75mm蒸压加气混凝土板+125mm岩棉+75mm蒸压加气混凝土板三层复合部分，该部分是外墙重要的保温部分；

3）填充缝隙部分全部为水泥砂浆单一材料。

根据单层匀质实墙隔声的质量定理，可分别计算出1）、3）两部分的隔声量。对于2）部分，由于是复合墙体，单独对其试验得到复合墙隔声单值评价，从而按照《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118—2010） ^[21] 推导出2）部分的隔声量。

在获得1）、2）、3）部分的隔声量之后，推导出隔声试验整体墙板的隔声量（图21）。

图21 蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板产品试验结果

Fig.21 Experimental results of autoclaved aerated concrete-rock wool insulation integrated composite wallboard

为验证蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板产品推导所得出的隔声量，课题组相隔三天进行了两次隔声试验，两次隔声试验的数据彼此吻合（图21），但与上述推导隔声量所得数据相差10%，初步认为该异常现象与该复合墙板的构造有关。

对试验墙板产品进行有限元建模分析，由于单跨墙板存在两个填充了岩棉的空心，岩棉与蒸压加气混凝土相比几乎无任何刚度，前十阶振型如图22所示。可见在局部振动的基频为355 Hz时会出现共振现象，隔声被低估。这与试验结果完全吻合。

图22 蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板产品局部振动分析

Fig.22 Local vibration analysis of autoclaved aerated concrete-rock wool insulation integrated composite wallboard

2.1.2 蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板保温性能

课题组针对蒸压加气混凝土岩棉保温一体化复合墙板保温性能，以沿线性变截面的热传导公式为基本思路，提出考虑结构冷桥的结构热阻计算方法，并与现行规范方法以及有限元计算方法结果进行对比。墙板的构造形式包括四周带肋以及纵向加肋，复合墙板剖面如图23所示，每块墙板有2块岩棉板。图24是图23截面图的正交示意图。图中，L ₀ 、b ₀ 、h ₀ 分别为复合墙板的长宽高；L ₁ 、b ₁ 、h ₁ 分别为每块岩棉的长宽高；a为墙板两侧肋宽；t为墙面内、外面层ALC厚度。

图23 复合墙板剖面

Fig.23 Profile of composite wallboard

图24 复合墙板截面

Fig.24 Section of composite wall panel

《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016） ^[6] 提供了同一种关于非均质墙体平均热传导系数热工计算方法。对于多种材料的结构，当相邻部分热阻比值大于1.5时需要通过传热有限元计算，并考虑冷桥的影响。而实际情况中结构冷热桥的影响，本质是由于垂直于主要热流传递方向上，相邻不同介质的导热系数不同，导致该方向上出现热量传递，从而影响结构传热性能。该部分计算往往较为复杂，需要利用相关有限元软件进行计算。为简化计算过程，假定冷桥部位周边的热流传递是沿线性变截面传递，如图25所示。其中：q为热流传导及其方向；x为冷桥部位沿厚度方向的位置；k为热流变截面传递线性系数。

图25 热量沿线形变截面传递示意图

Fig.25 Schematic diagram of heat transfer along deformation section

根据有限元对热量进行计算分析，按照《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016） ^[6] 进行一系列的公式计算，最终得到墙板传热系数K与导热面积Δ _S 关系（图26）。经过计算发现，当Δ _S =0.40时，墙板的平均传热系数最大，此时的模型为最符合墙板热流传递规律的模型，传热系数K=0.335 W·（㎡·K） ^-1 。

图26 墙板传热系数与导热面积关系

Fig.26 Relationship between heat transfer coefficient of wallboard and heat conduction area

课题组用有限元软件对算例墙板进行热传导计算分析。在墙板热流平稳情况下，墙板表面温度分布如图27所示，岩棉板温度分布如图28所示，墙板剖面温度分布如图29所示，墙板热流密度如图30所示。

图27 墙板整体温度分布图（单位：℃）

Fig.27 Overall temperature distribution of wallboard （Unit：℃）

图28 岩棉板温度分布图（单位：℃）

Fig.28 Temperature distribution of rock wool board （Unit：℃）

图29 墙板剖面温度分布图（单位：℃）

Fig.29 Temperature distribution of wallboard profile（Unit：℃）

图30 墙板热流密度（单位：W·m ^-2 ）

Fig.30 Heat flux of wallboard （Unit：W·m ^-2 ）

可以看到，冷桥对于热传递起到了一定的影响，岩棉板与蒸压加气混凝土的导热系数比值为0.3，而岩棉板位置的热流密度只有蒸压加气混凝土加肋位置热流密度的1/4，受冷桥结构影响，更多的热流从蒸压加气混凝土边肋部分通过。

将墙板的表面换热阻等效为墙体表面厚度后，墙板表面的热流密度如图31所示，得到墙板表面的平均热流密度、墙板的热阻，从而得到传热系数K=0.334 W·（㎡·K） ^-1 。

图31 墙板表面热流密度（单位：W·m ^-2 ）

Fig.31 Heat flux density of wall panel surface （Unit：W·m ^-2 ）

课题组还对上述墙板进行了传热系数试验，通过与现行规范方法以及有限元计算方法结果对比，发现考虑纵、横肋热桥的复合墙板传热系数简化计算方法的计算精度明显提高，能满足工程设计需求。

2.1.3 不同热工分区的蒸压加气混凝土墙板外围护保温系统方案

严寒气候区（东北、西北）大板产品性能如表3所示，寒冷气候区（京津冀）大板产品性能如表4所示，夏热冬冷气候区（长三角）大板产品性能如表5所示。

夏热冬暖气候区（珠三角）建筑外墙板性能如下：

蒸压加气混凝土板单板导热系数λ=0.14W·（m·K） ^-1 ，仅为混凝土的1/11，为砖砌体的1/7；该材料的传热系数K=2.75 W·（㎡·K） ^-1 ，当采用合理的厚度时，不仅可以用于保温要求高的很冷地区，也可用于隔热要求高的夏热冬冷地区或夏热冬暖地区，满足节能标准的要求，是一种高效的保温隔热围护结构材料。

2.2 蒸压加气混凝土板建筑内隔墙板

基于蒸压加气混凝土板的建筑内墙面系统，同基于金属板的建筑内墙面系统类似，根据内墙面系统所在空间建筑功能要求的不同，内隔墙在隔声、耐火性能、防潮、性能方面应满足现行国家建筑设计防火、隔声、防腐蚀方面的要求。此外，从钢结构建筑产业化以及户型可变等角度，内隔墙应尽量便于拆装。

目前非黏土质墙材、空心制品、大中块制品、条形装配式制品、轻型墙体己经成为我国新型墙体材料发展的新标签。近年来，我国各地政府都在因地制宜地推广新型建筑材料。现有钢结构建筑墙体，以采用轻质砌体、条板为多。建筑轻质板材产品主要有玻璃纤维增强水泥轻质条板、蒸压加气混凝土条板、陶粒及废渣混凝土空心条板、石膏空心条板等单一材料轻质墙板。这类单一材质墙板可用作外墙板，也可作为内墙隔墙板。

2.3 蒸压加气混凝土板建筑屋面板

可用于基于蒸压加气混凝土板的建筑屋面系统产品有很多。本文重点介绍课题组所研发的适用于严寒地区预制混凝土夹芯屋面板由内、外叶混凝土板及中间保温层三部分组成，内、外叶板的连接件采用玻璃纤维增强塑料（glass-fiber reinforced plastic，GFRP）连接件。其屋面板构造如图32所示。

图32 预制混凝土夹芯屋面板三维图

Fig.32 3D view of precast concrete sandwich roof slab

可以看出，GFRP连接件从真空绝热板（super thin panel，STP）层中聚苯板拼接条处穿过，固定在波折聚苯板的凹处，其两端嵌入内、外叶混凝土板中38mm，将内、外叶混凝土板连接成一个整体。

为降低屋面板的重量，内、外叶混凝土板采用AL25轻骨料混凝土降低墙体的自重，容重为1,500 kg·m ^-3 ，骨料为黏土陶粒，其厚度为60mm，采用细筋密布的原则，增强屋面板的抗冲击性、抗裂性与抗渗性。

STP由芯部的隔热材料、气体吸附材料和封闭的阻隔膜三部分组成。芯材的主要作用：一是作为支撑骨架；二是芯材本身具有一定的热阻，也可以起到一定的保温效果。高阻气薄膜是由铝箔和无机纤维布和多层致密材料复合而成的，它的好坏对成品板的影响最为明显，如果选用的铝箔透气和透水性比较高，成品板的使用寿命则不会很高；吸气剂的放置主要是为了保证板内具有更好的真空度，吸附由于渗透或材料放气所产生的多余气体，渗入板内的水汽分子则由干燥剂吸附掉，以确保STP板的使用寿命。STP板虽具有绿色环保等优点，但尺寸受到限制，无法现场裁切，一旦裁切真空腔就漏气，失去保温效果；施工过程中容易刮坏STP，造成STP板真空泄漏，影响屋面板的保温效果。课题组采用低导热系数的STP作为主要保温层材料降低保温层厚度，增加屋面板保温性能。在两侧粘贴波折状聚苯板，其主要目的是保护STP板在真空状态下不被破坏，与此同时波折状聚苯板能够提高屋面板的保温隔热性能，并减少混凝土用量降低墙体重量；连接件的存在会导致热桥现象，影响屋面板的热工性能，采用低导热系数GFRP连接件与STP板进行搭配，降低连接件造成的热桥效应，充分发挥保温材料的保温性能。

2.4 蒸压加气混凝土板建筑楼面板

建筑楼面板的类型有很多种，本文重点介绍课题组对蒸压加气混凝土装配式轻质叠合楼板的开发与研究（表6）。该叠合楼板将蒸压加气混凝土楼板与混凝土结构叠合，解决了原来蒸压加气混凝土楼板在一定楼层荷载下，因其长度有所限制而无法应用在大跨度结构中的难点。该叠合楼板利用了蒸压加气混凝土板轻质、保温性能优越的特点解决了建筑楼层保温的技术难点；同时由于其质量仅为传统混凝土楼板的40%，对提升建筑的抗震性能也起到重要的作用。蒸压加气混凝土板全部在工厂产业化制造生产，不仅保证了产品质量而且在施工时大大提升了装配效率。蒸压加气混凝土叠合楼板使用蒸压加气混凝土板替代传统混凝土楼板用模板，在施工时无需制作模板，也无需支模，大大降低了施工成本和人工费用，而且提高了施工效率，缩短了施工工期。因此本产品对改变传统建筑楼板施工工艺，解决目前建筑楼板施工中的诸多不足与短板有着重要意义。图33~ 36分别是标准跨距单元蒸压加气混凝土叠合板布置、搭接和非搭接端板梁节点处理、临时支撑设置方式。

图33 标准跨距单元蒸压加气混凝土叠合板布置（单位：mm）

Fig.33 Layout of autoclaved aerated concrete composite slab of standard span （Unit：mm）

图34 搭接端板梁节点处理（单位：mm）

Fig.34 Treatment of overlapping end plate beam joints （Unit：mm）

图35 非搭接端板梁节点处理（单位：mm）

Fig.35 Treatment of non-overlapping end plate beam joints （Unit：mm）

图36 临时支撑设置方式（单位：mm）

Fig.36 Setting modes of temporary support （Unit：mm）

2.5 蒸压加气混凝土包覆薄板包梁柱应用技术

项目的结构形式主要以装配式钢结构为主，是整体结构的防火、装饰及冷热桥保温的技术难点。采用了蒸压加气混凝土薄板应用技术体系即用37mm或50mm厚蒸压加气混凝土薄板对整体钢结构进行包裹装饰的同时，利用蒸压加气混凝土板防火性能和保温性能优越的特点解决了钢结构构件防火及保温问题。做到了大幅度简化多道传统工序、缩短施工周期以及降低材料成本（图37~38）。

图37 蒸压加气混凝土包覆薄板包柱节点（单位：mm）

Fig.37 Autoclaved aerated concrete clad thin plate column joints （Unit：mm）

图38 蒸压加气混凝土包覆薄板包梁节点（单位：mm）

Fig.38 Autoclaved aerated concrete clad thin plate wrapped beam joints（Unit：mm）

3 基于新型材料的其他轻质环保围护体系技术与产品

在上述金属板和蒸压加气混凝土板的保温装饰一体化围护体系技术与产品研究的基础上，课题组还对轻骨料混凝土复合墙板（图39）、聚苯颗粒混凝土复合墙板、预制混凝土复合保温墙板（图40）、开孔龙骨岩棉保温复合墙体、发泡陶瓷轻质外墙板、珍珠岩复合墙板（图41）等基于新型材料的围护体系技术与产品进行了研究，以丰富市场对轻质环保围护体系技术与产品的选择需求。

图39 轻质混凝土复合保温墙板构造及试验墙成型效果（单位：mm）

Fig.39 Details of lightweight concrete composite insulation wallboard and forming effect of test wall （Unit：mm）

图40 预制复合保温墙体构造

Fig.40 Details of prefabricated composite insulation wall structure steel composite structure

课题组研发的预制复合夹芯保温墙体从内到外依次是蒸压加气混凝土板、有机保温板、轻骨料混凝土板，内外叶板的连接件采用不锈钢板。

图41非承重填充珍珠岩复合保温板及其轻钢组合结构振动台试验

Fig.41 Shaking table test of non-load bearing filled perlite composite insulation board and its light

4 钢结构热断桥节点构造和设计方法

对于钢结构建筑的围护结构的推广应用，冷热桥问题是制约其发展的痛点之一，为此本课题针对钢结构建筑围护结构钢柱临近部位热桥、挑板式阳台和挑梁式阳台的保温节能情况进行分析，并提出相应的保温设计方法。

经过研究，课题组提出了柱外侧保温层局部延伸构造做法（图42），给出了不同情况下满足75%节能要求的最佳局部保温厚度和延伸宽度（图43、表7），完全消除钢柱带来的热桥影响。发明了悬挑裸露构件（钢梁和楼板）防冷热桥节点构造（图44），筛选出尼龙6、刚性聚氯乙烯、环氧树脂玻璃纤维和聚醚醚酮四种热断桥材料；获得了四种热断桥材料的压缩强度、压缩弹性模量、导热系数等物理性能指标；提出了四种热断桥材料的受压本构模型；基于组件法提出防冷热桥节点刚度计算方法（图45~46），根据热阻等效原理，给出了适用于各地区和各外保温材料的悬挑板外保温厚度的计算公式，满足不同热工分区75%建筑节能要求；与传统做法相比，保温材料用量降低28%~57%、室内使用面积有效增加、施工速度快、成本更低。

图42 钢柱防冷热桥节点构造

Fig.42 Joint detail of steel column anti-cold and thermal bridge

图43 局部延伸宽度对热桥的影响

Fig.43 Influence of local extension width on thermal bridge

图44 钢梁防冷热桥节点构造

Fig.44 Joint detail of steel beam anti-cold and thermal bridge

图45 防冷热桥节点力学性能试验

Fig.45 Test on mechanical properties of anti-cold and thermal bridge joints

图46 基于组件法的防冷热桥节点刚度计算方法

Fig.46 Calculation method of joint stiffness of anti-cold and thermal bridge based on component method

5 钢结构建筑高性能围护结构制造工艺、施工工法研究

5.1 装配式超大规格金属围护单元组件制造和施工技术

课题组研发了榫卯式插接节点技术（图47）和单向安装方头螺栓技术（图48），实现上下、左右单元组件之间的全螺栓装配连接；研发的装配式超大规格金属围护单元由金属夹芯板、结构构件、连接件、密封材料等组成，攻克了防水、抗风揭等关键技术，研发出成套工业流水线和试验平台；研发了用于超大规格金属围护单元组件运输和吊装的专用翻板车（图49），有效防止超大外墙模块在吊装过程中的变形和损坏；发明了装配式超大规格金属围护单元组件制造和安装方法（图50），实现32㎡（3.6m×9m）超大规格金属围护单元组件一次性安装施工新纪录，人均日安装面积约为30~40㎡，施工效率提高2倍以上。

图47 榫卯式插接节点技术

Fig.47 Mortise and tenon joint technology

图48 单向安装方头螺栓技术

Fig.48 One way installation of square head bolt technology

图49 翻板车模型

Fig.49 Model of tipper

图50 单元组件的吊装作业

Fig.50 Hoisting of unit components

5.2 围护-保温-装饰一体化蒸压加气混凝土大板生产和施工技术

课题组基于钢筋接缝原理，研发了内置孔洞灌浆式蒸压加气混凝土产业化大板（图51）。在板材生产过程中预设孔洞，将多块标准蒸压加气混凝土板材通过埋置钢筋及灌浆形成规格尺寸为1,800~3,600mm长、1,200~3,600mm宽、100~250mm厚并可附加粉刷涂料、产业化粘贴石材或瓷砖等装饰的围护-保温-装饰一体化大板，墙板承载力提升30%，并可附加装饰，现场施工效率提升3倍以上（图52）。研发了蒸压加气混凝土预制大板工厂流水线生产工艺和相关制造机械设备、模具（图53），攻克了蒸压加气混凝土标准单板宽度方向预留孔洞精度控制难题，建设了专业蒸压加气混凝土预制大板生产流水线，实现规模化生产。

图51 蒸压加气混凝土产业化大板工艺流程

Fig.51 Process of autoclaved aerated concrete industrialized large slab

图52 现场高效吊装

Fig.52 Efficient lifting on site

图53 工厂批量生产

Fig.53 Factory mass production

6 产业化示范

6.1 示范工程

6.1.1 工程概况

南京旭建新型建材股份有限公司承担了该项目全部蒸压加气混凝土板材供货及技术方案，主要应用于一期、二期约6万㎡装配式钢结构的三板围护及薄板包梁、包柱工作。示范工程如图54所示。

图54 南京国际健康城大众健康科创中心鸟瞰图

Fig.54 Aerial view of public health science and innovation center of Nanjing International Health City

6.1.2 示范内容

（1）蒸压加气混凝土双墙应用技术体系应用

该项目的所有外墙均采用了蒸压加气混凝土双墙技术体系替代了传统单一围护墙体配合内、外保温及内、外装饰的做法，充分发挥了蒸压加气混凝土板在围护保温装饰一体化方面的技术优势，并且通过双墙构造增强了整体外围护结构的物理防水性能。

（2）蒸压加气混凝土薄型板包梁、包柱应用技术

该项目以装配式钢结构为主，其防火、装饰及冷热桥保温是技术难点之一。课题组采用了蒸压加气混凝土薄板应用技术体系即用37mm或50mm蒸压加气混凝土薄板对整体钢结构进行包裹装饰的同时，利用蒸压加气混凝土板防火性能和保温性能优越的特点解决了钢结构构件防火及保温问题，做到了大幅度简化多道传统工序、缩短施工周期以及降低材料成本。

（3）蒸压加气混凝土叠合楼板应用技术体系的应用

本工程以蒸压加气混凝土楼板为叠合楼板的底板，利用预制钢梁的两侧进行搭接，并采用单向受力板的方式进行布板，最后上层现浇混凝土（单层双向钢筋网），相比普通混凝土叠合楼板，省去了传统楼板上部保温层及保护层施工工序，同时大幅度缩短施工周期、降低结构构件成本。

6.2 示范生产线

6.2.1 示范生产线一

（1）基本信息

示范生产线名称：装配式蒸压加气混凝土装饰保温一体化板材组装生产线（图55）。

地点：南京市雨花台区。

主要产品：蒸压加气混凝土预制大板、蒸压加气混凝土叠合楼板、蒸压加气混凝土高效保温板。

生产能力：上述产品实现年产10万m ³ 的产能目标。

图55 示范生产线全貌

Fig.55 Overview of demonstration production line

（2）示范生产线内容

①蒸压加气混凝土预制大板

蒸压加气混凝土预制大板生产线是将多块标准蒸压加气混凝土单板通过内置孔洞或外设钢结构的方式组装成满足设计要求的预制蒸压加气混凝土墙体，在原蒸压加气混凝土板节能保温、防火防水、装饰一体化功能的基础上提升整体蒸压加气混凝土大板承载力，减少施工现场耗材，简化现场工序。如图56所示。

图56 蒸压加气混凝土大板瓷砖装饰流水线/大板拼装生产线

Fig.56 Autoclaved aerated concrete large plate ceramic tile decoration line / large plate assembly production line

②大板拼装及瓷砖装饰

③蒸压加气混凝土叠合楼板

蒸压加气混凝土叠合楼板生产线是在生产线完成楼板槽口加工及板缝三角钢筋桁架制作，蒸压加气混凝土楼板作为建筑预制楼板的底板，利用梁的两侧进行搭接，并采用单向受力板的方式进行布板，将楼板现浇层结构钢筋网与三角钢筋桁架进行绑扎连接后，整体浇筑混凝土。主要设备改造：板内增强钢筋制造工艺设备改造、板材后加工、湿加工切割工艺设备改造。如图57所示。

图57 板内增强钢筋制造工艺设备及板材后加工、湿加工切割工艺设备改造

Fig.57 Transformation of manufacturing process equipment of reinforcing steel bar in plate and plate post-processing，wet processing and cutting process equipment

6.2.2 示范生产线二

示范生产线名称：建筑金属夹芯板智能生产线（图58）。

图58 建筑金属夹芯板智能生产线

Fig.58 Intelligent production line of building metal sandwich panel

地点：天津静海区的天津绿建装配式钢结构建筑产业园（一期）内。

主要产品：金属夹芯板、金属幕墙夹芯板。

生产能力：上述产品实现年产30万㎡的产能目标。

6.3 示范产业园区

天津绿建装配式钢结构建筑产业园（一期）位于天津静海区，是多维联合集团有限公司天津制造基地的一期项目，建筑面积约为6.7万㎡，其他生产配套附属用房建筑面积为3,000㎡，总建筑面积约为7万㎡。包括节能建筑板材制造中心、装配式楼承板制造中心、产品研发中心、综合服务中心等。如图59~62所示。

图59 节能建筑板材制造中心

Fig.59 Energy saving building plate manufacturing center

图60 产品研发中心

Fig.60 Product R & D Center

图61 装配式楼承板制造中心

Fig.61 Fabricated floor plate manufacturing center

图62 综合服务中心

Fig.62 Integrated service center

7 结  论

（1）本课题组研发了与钢结构建筑配套的基于金属板和蒸压加气混凝土板保温装饰一体化轻质围护体系技术与产品，既满足了刚度与强度的要求，又满足了绿色节能的效果。

（2）基于金属板和蒸压加气混凝土板两类保温装饰一体化轻质围护体系技术与产品，构建了能满足不同热工分区对外围护产品保温性能要求的围护系统方案，对外围护工程设计及实际应用有较好的借鉴意义。

（3）课题组针对金属夹芯板外墙体系目前面临的接缝进水、漏水等问题，提出了对应的处理方案；针对金属夹芯板外墙抗风性能进行了深入研究，采用了自攻螺钉设置加强垫片等方式对细部节点进行了加强；针对金属屋面抗风性能进行深入研究，采用了防风夹、防风U形压条等措施进行细部加强；针对北方金属屋面积雪问题，采用了阻雪、融雪装置，有效消除积雪金属屋面的危害，经实际工程实践检验效果良好。

（4）课题组基于研发并系统总结多种建筑楼面板型式，改变了传统建筑楼板的设计和施工工艺，降低了施工成本，提高了效率，缩短了工期。

（5）课题组研发的蒸压加气混凝土包覆薄板包梁、包柱应用技术，为整体结构的防火、装饰及冷热桥保温做出了积极的贡献，经实践证明能够简化传统工序、节省造价、缩短工期。

（6）课题组针对钢结构建筑围护结构钢柱临近部位热桥、挑板式阳台和挑梁式阳台的保温节能情况进行分析，并提出相应的保温设计方法，为对应的工程设计及实际应用提供了帮助。

（7）课题组围绕钢结构建筑高性能围护结构先进制造工艺、高效施工工法展开研究，研发了装配式超大规格金属围护单元组件制造和施工技术，研发了围护-保温-装饰一体化蒸压加气混凝土大板高效生产和施工技术。实践证明，该系列制造和施工技术的研发、应用为围护结构在我国大规模产业化起到了积极的指导作用。

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