0 前言
近年来，随着国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，我国装配式建筑迎来了蓬勃发展，特别是钢结构建筑，其具有重量轻、建设周期短、抗震性能好、装配节点安装方便等特点，在未来我国装配式建筑中将占据更加重要的地位。装配式钢结构住宅的发展前景良好。
目前，制约着我国钢结构住宅建筑发展的关键因素之一是与装配式钢结构住宅配套的外墙围护部品。由于钢结构体系的特点，要求外墙围护部品具有轻量化、良好的防水、防火、保温、耐久性能，同时，由于装配式建筑的特点，要求外墙围护部品与主体结构连接可靠，能够与门窗、装饰、机电管线等集成一体。然而，现阶段很难找到同时满足上述高性能要求的外墙围护部品。因此，有必要对适用于钢结构住宅的高性能外墙围护部品进行研究，在满足自身性能良好的同时具有良好的集成性能。
1 国内外研究现状
钢结构住宅外墙围护部品的发展是随着工业化建筑的进程不断发展的，欧美及日本等发达国家的钢结构住宅外墙围护部品主要采用夹芯一体化墙板和蒸压加气混凝土组合墙板两种方式。夹芯一体化墙板由增强纤维水泥板或轻质混凝土条板作为面板，中间填充保温材料，如防火岩棉、玻璃纤维棉等，内侧是石膏板，该类型外墙围护部品具有质量轻、抗震性能好的特点；蒸压加气混凝土组合墙板由蒸压加气混凝土墙板和装饰保温一体化墙板组合制成，该类外墙围护部品具有标准化程度高、安装方便等特点。
相对于发达国家，我国的外墙围护部品发展较晚。目前，钢结构住宅主要以轻质条板类外墙板为主，蒸压加气混凝土墙板占比较高，在我国该类产品相对集成化程度低，往往有防水、耐久性能不佳等缺点。相对于蒸压加气混凝土外墙板技术，我国预制混凝土外墙板技术较成熟，特别是在装配式混凝土结构体系中，能够表现出良好的耐久性、防水性、保温性以及与门窗、装饰、机电管线的集成性能，但是，由于受制于普通混凝土墙板重量较重的特点，此类墙板很难应用到钢结构住宅中。因此，有必要研究适用于钢结构住宅的能够实现轻量化、良好耐久性以及高集成性能要求的高性能外墙围护部品。
2 外墙围护部品材料及连接构造技术研究
2.1 轻质混凝土材料的研发
钢结构住宅外墙围护部品的材料需要考虑满足轻质、抗渗、抗冻等性能要求。因此，需要对外墙板用混凝土的配合比进行调整，从而提出了轻质混凝土的高性能要求：①表观密度1 900 kg/m3以下；②外墙板强度30 MPa以上；③抗渗等级P10级以上；④抗冻等级F100级以上。
根据混凝土的组成材料（胶凝材料、细骨料、粗骨料、水等），采用降低浆体密度、砂浆材料表观密度和骨料密度等方式进行轻质混凝土材料配合比的适配调整，最终通过比对，得到如表1所示的基础配合比。在该配合比下，轻质混凝土的表观密度为1 830 kg/m3，抗压强度为41 MPa，抗冻等级为F100，抗渗等级为P10。
2.2 外墙板及其连接关键技术研究
目前，钢结构外墙围护部品主要包括嵌入式和外挂式两种方式，嵌入式主要应用于蒸压加气类混凝土外墙板，而预制混凝土外墙板一般采用外挂式。本文研究的高性能轻质混凝土复合外墙板采用带混凝土肋并在肋间填充减重材料的预制墙板技术路线，实现从产品构造上进一步减轻围护部品重量的同时，确保外墙板的承载力和平面外的刚度变形要求。通过产品的设计计算和相关试验验证确定了墙板的截面尺寸和配筋方案。
预制混凝土外墙板与主体结构的连接方式是研究的关键，为确保钢结构围护墙板在正常使用和地震设防烈度工况下的安全耐久性能设计目标，针对钢结构住宅刚度较小、变形较大的特点，采用弹性滑移节点的方式进行设计，墙板的竖向荷载由墙板上的两个钢牛腿传递到钢梁上，水平方向的荷载由墙板上的4个预埋螺栓通过L型连接件传递到楼板上，并在连接件上设置竖向长圆孔和滑移垫片满足墙板与钢结构层间位移的适应性要求。外墙板的受力情况和层间位移变化示意图如图1所示。
3 预制混凝土外墙建筑设计技术研究
高性能钢结构住宅外墙围护部品的建筑设计需要综合考虑整个建筑立面、构造以及功能要求等，同时要结合工业化建筑钢结构住宅的特点，进行建筑立面设计、建筑构造设计以及建筑集成设计。
3.1 建筑立面设计
高性能外墙围护部品建筑立面设计最重要的是进行外墙围护部品的单元划分。墙板单元划分可按照以下原则：①确保墙板模数和轴网模数相吻合，减少异型板的数量；②板宽度方向按一个轴网划分为两块或以上整板，并按室内建筑开间大小进行调整；③板块划分完成后的外墙板预制构件最大尺寸考虑制作、运输和安装能实施的前提下将墙板做到最大尺寸，减少由于接缝过多带来的防水、冷桥问题。
图2为外墙围护部品板块划分案例。墙板单元划分根据整个建筑平面轴网6.6 m模数，标准层层高为2.9 m，依据该特点把墙板高度定为2.88 m，墙板接缝定为20 mm，板宽度方向按一个轴网划分为两块整板，并按室内建筑开间大小进行调整。
3.2 建筑构造设计
钢结构住宅外墙围护部品的建筑构造设计主要包括墙板减重构造、墙板接缝防水构造和防火构造设计。外墙围护部品为进一步减轻墙板的面密度，通过设置混凝土肋空腔内填充挤塑聚苯板进行构件减重，同时为加强外墙板节点位置的刚度，保证结构安全，采用实心混凝土增强节点区域刚度，空腔构造设计如图3所示。
由于墙板自身的防水和防火性能均较好，薄弱环节是墙板间接缝，故防水和防火设计的重点是水平缝和垂直缝。板缝防水应采用以材料防水为主、构造防水为辅的防水方案，外侧接缝均打胶处理，在墙板接缝处设置启口坡度和局部混凝土加厚处理，防止水汽进入板缝向室内流动渗透，防火采用岩棉板层间防火封堵和板缝防火封堵。墙板接缝防水、防火构造示意如图4和图5所示。
3.3 建筑集成设计
高性能外墙围护部品集成性能主要考虑与保温、门窗、内外装饰等方面集成设计。
在保温集成方面，考虑轻质混凝土外墙板空腔设置，可通过空腔位置填充挤塑板与外墙板一体浇筑成型，起到一定的保温作用，同时利用连接件将岩棉或挤塑聚苯等保温层固定在外墙板的内侧以实现保温一体成型。
在内外装饰集成方面，外墙围护部品内装饰面则通过轻钢龙骨与外墙板预留接口固定，实现内装饰板与外墙板的一体成型，如图6所示；而外装饰面层，由于外墙板可采用清水混凝土措施，实现墙板直接作为外装饰面层的基层面方式实现集成。
在门窗集成方面，外墙围护部品与门窗采用预留附框的方式集成设计，如图7所示。
4 外墙围护部品结构设计技术研究
高性能外墙围护部品在满足建筑功能设计要求的同时，需要满足外墙围护部品与主体结构连接以及墙板自身结构设计要求。
4.1 连接构造节点设计
高性能外墙围护部品的连接构造包括外墙墙板底伸出的两个钢牛腿（图8中的锚件C），钢牛腿作为外墙挂板竖向传递荷载直接支撑在结构钢梁翼缘上，以及上部和底部各预埋两组长螺栓（图8中的锚件A和B），通过角铁连接件与钢梁上、下翼缘进行连接，用于传递外墙板平面外的水平力。外墙板连接构造节点模型如图8所示。
4.2 墙板结构设计
轻质混凝土复合外墙板结构设计需要考虑以下几种工况的受力情况：①墙板脱模采用4点起吊，受力验算视为两端悬臂；②墙板翻转采用板端部2点起吊，受力验算视为板下端和吊装点支撑；③持久设计考虑风荷载、墙板自重、门窗自重等荷载作用，受力验算墙板以及竖向支撑点和水平拉结点受力情况；④地震设计考虑地震作用标准组合，验算支撑点与水平拉点受力情况。
在进行轻质混凝土外墙板的结构设计时还应注意以下几点：①吊点位置的结构加强；②墙板加肋位置应配置钢筋提升墙板整体刚度；③支撑点与拉结点的锚固加强。
5 工程应用实例
某工程为北京装配式钢结构住宅项目，总用地面积6 691.2 m2，4栋9~16层装配式钢结构住宅，总建筑面积31 685.49 m2，其中，2#、3#楼正立面采用高性能轻质混凝土复合外墙围护部品，见图9。
本工程采用轻质混凝土以及加肋空腔设计构造，外墙围护部品的面密度为148 kg/m2；设置了2个支撑牛腿和4个水平连接节点（见图10），通过计算得知其具备良好的结构安全性能；采用50 mm厚面层+90 mm厚挤塑聚苯板填充+80 mm厚岩棉保温板集成保温层，检测的传热系数为0.28 W/（m2·K）；对于墙板接缝、防火均采用了本文3.2中介绍的构造措施，具有良好的防水和防火效果；同时利用预留附框与门窗实现集成，并作为外装饰涂料基层面和内装饰纸面石膏板的龙骨安装基层方式与内外装饰面层进行集成，具有较好的集成性能。
6 结语
本文根据工业化建筑钢结构住宅外墙围护部品的性能需求特点，对适用于钢结构住宅的外墙围护部品的材料、墙板、配件以及建筑、结构设计等关键技术进行了系统研究，开发了一种高性能预制混凝土围护墙板及其应用技术，不仅满足钢结构住宅对外墙围护部品的轻质、耐久、防水、防火性能等自身性能提升要求，同时满足对门窗、保温、内外装饰等多功能集成要求，经工程应用实践证明，技术经济效果良好。
（编辑：奚雅青）
