钢结构建筑装配式外墙系统设计

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作者：蔡昭昀林莉李怀玉
时间：2012-02-14 15:20:16 [收藏]

本文详细介绍钢结构建筑外墙系统功能要求、类型及材料、公共建筑外墙系统设计。
关键词：钢结构外墙设计

1.研究背景

随着钢结构建筑技术的不断发展，越来越多的建筑采用钢结构，尤其是公共建筑更适合采用钢结构。配合钢结构建筑的维护体系也需要与钢结构技术相配套发展，才能真正体现钢结构的优势。维护体系的研究以求达到民用建筑对外墙系统保温、防火、防水、安全等功能要求，并使之向产业化发展。

装配式围护系统，材料分为金属类和非金属类。主要考虑能满足钢结构产业化的需求，以达到快速设计、快速安装、满足使用要求的目的。

2.钢结构外墙系统功能要求

钢结构建筑区别于混凝土建筑，应采用装配式围护系统。

装配式围护系统应具备以下技术要求：

2.1保温隔热要求

我国幅员辽阔，各地气候差异很大，为了使建筑物适应各地不同的气候条件，满足节能要求，应根据建筑物所处的建筑气候分区，确定建筑围护结构合理的热工性能参数。建筑上考虑传热的出发点有两个：一个是保温，主要针对严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区；另一个是隔热，主要针对夏热冬暖地区和夏热冬冷地区。保温和隔热都是为了提高建筑环境的

热舒适度，其共同点均为提高围护结构的热阻，即降低其传热系数。根据《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005，不同气候区外墙围护系统传热系数要求见表2-1：

表2-1 不同气候区建筑物外墙传热系数要求

气候区	体形系数 T	外墙传热系数K W/(?·K)	代表性城市
严寒地区A区	T≤0.3	≤0.45	哈尔滨、佳木斯、克拉玛依
严寒地区A区	0.3<T≤0.4	≤0.4	哈尔滨、佳木斯、克拉玛依
严寒地区B区	T≤0.3	≤0.5	长春、乌鲁木齐、吐鲁番、银川
严寒地区B区	0.3<T≤0.4	≤0.45	长春、乌鲁木齐、吐鲁番、银川
寒冷地区	T≤0.3	≤0.6	北京、太原、喀什、徐州、兰州
寒冷地区	0.3<T≤0.4	≤0.5	北京、太原、喀什、徐州、兰州
夏热冬冷地区		≤1.0	南京、长沙、上海、成都、桂林
夏热冬暖地区		≤1.5	福州、广州、南宁、海口

2.2防火要求

钢结构民用建筑的耐火极限通常为二级，根据《建筑设计防火规范》GB50016-2006中表5.1.1规定，非承重外墙构件的燃烧性能应为不燃烧体，构件的耐火极限应满足1小时要求；因此在选择钢结构建筑的围护系统材料时，首先应满足防火规范的相关要求，其次构造设计应经过防火性能测试，以达到1小时的耐火极限要求。

装配式围护系统的材料组成，一般分为两类，即金属材料和非金属材料，支撑骨架一般为冷弯薄壁型钢及轻钢龙骨，均为不燃烧体，但其组合后的体系目前欠缺权威部门的耐火极限测试报告，本课题选用的构造经理论分析满足防火规范要求。

2.3防水要求

钢结构建筑在选用轻型装配式围护系统时，系统必须具备可靠的防水性能。装配式围护系统构造设置若处理不当，会存在大量缝隙，易使外部雨水渗漏，造成系统气密性不足。

轻型围护系统通常采用有空隙的无机纤维材料进行保温，这种材料的特点是干燥时保温性能十分优异，潮湿后大幅度丧失保温能力，而且在长期潮湿的环境中宜霉变，不但不能起到保温作用，而且还污染环境。因此，加强系统气密性，提高系统水密性，才能有效提高装配式围护系统的防水性能。

2.4抗变形能力要求

钢结构变形能力强，可以满足结构抗震的需要，但同时要考虑解决承重结构与围护系统间的协调变形能力，否则建筑物的围护系统极易开裂变形，影响建筑使用效果和寿命。

钢结构建筑不宜选用砌体作为围护系统，因为砌体砌筑后刚度很大，与钢结构的变形不一致，容易在相交处产生裂缝。

钢结构适合选择装配式的材料，连接节点考虑变形能力，材料间也预留出一定的缝隙，允许其变形。但要处理好缝隙，不能使之影响围护结构的正常功能。

2.5安全要求

由于装配式外墙系统采用工厂预制、现场拼装的施工方式，采用专用连接件彼此连接，与砌体结构以及现浇结构有着十分显著区别，所以围护系统与主结构之间的连接的可靠性以及构件之间连接的紧固程度对于建筑的安全性起到了至关重要的作用，同时构件之间咬合的紧密性以及螺栓、螺钉的强度也会影响整个系统的安全。此外，金属构件易腐蚀生锈，所以金属构件宜采用镀锌处理或使用不锈钢材料，以达到防腐的目的。

3.钢结构建筑外墙系统类型与材料

钢结构建筑外墙系统主要分为两大类：金属外墙系统及非金属外墙系统。

3.1金属板外墙系统

金属板外墙系统由墙梁作为墙体的支撑结构，室外侧通过自攻螺钉把压型钢板或夹芯板等金属板材固定在墙梁上，室内侧可以直接将金属板材固定在墙梁上，也可以单独设置轻钢龙骨系统固定石膏板或其它装饰板材，以适应不同室内空间的需要。

墙体龙骨空腔内部填充保温材料，在保温层外侧铺设防水透汽层，以保证外墙系统的抗空气渗透及防水能力；在保温棉内侧铺设隔汽层，以阻止室内潮湿空气进入保温层而影响外墙系统的保温隔热性能。

金属板外墙系统材料选择：压型钢板，压型铝板及夹芯板等金属板材。

3.2非金属外墙系统

非金属外墙系统有两类做法：密肋墙体系统和条板系统。

密肋墙体系统由密肋冷弯薄壁型钢龙骨作为墙体支撑系统，龙骨外安装水泥基板材，其外再固定附加龙骨，附加龙骨与密肋龙骨连接牢靠，外挂防水装饰一体化外墙板。龙骨内侧固定石膏板等非金属板材。墙体龙骨空腔内部填充保温材料，在保温层外侧铺设防水透汽层，在保温棉内侧铺设隔汽层。

密肋外墙系统材料墙体板材有：石膏板、纤维增强水泥板、膨胀蛭石板等。其中安装在室外一侧的板材需具有强度高、在温、湿度环境变化时的抗变形能力。同时板材的缝隙要严格处理。保温材料主要有玻璃丝棉、岩棉等不燃烧材料。

条板系统是由成品的条板直接固定在主梁或楼板上，依据不同地区传热系数要求，选择条板厚度，条板外侧附加保温装饰一体化板材。这种墙体系统构造简单，成品化高、安装工序少，极大提高了施工速度。

条板系统材料有：蒸压加气混凝土板、石膏空心条板或大板、高纤维水泥复合墙板等。

4.钢结构公共建筑外墙系统设计

在此提出四种适合钢结构公共建筑的围护体系，其中2种为金属板外墙系统，2种为非金属板外墙系统。

4.1金属板外墙系统

墙1：双层压型钢板保温墙体，见图4-1。

墙1由外到内的构造顺序为：外侧压型钢板，防水透汽层，玻璃丝棉保温层，墙梁，隔汽层，内侧压型钢板。

墙1内外均由压型钢板作为装饰面层，中间填充保温材料。保温层靠近室内一侧设有隔汽层，防止室内的水蒸汽进入保温棉，避免保温层结露，影响保温效果。保温层靠近室外的

一侧设有防水透汽层，这是一种具有防水作用的单向透气膜，它能够有效地防止室外的水进入保温层，同时还可以将保温层内部的水蒸汽排出去，使保温层保持干燥。

此种外墙构造适用于体育场馆、交通建筑、展示建筑及商场等公共建筑，大面积使用能够形成良好的肌理，产生独特的表观效果。

墙2：压型钢板复合轻钢龙骨石膏板墙体，见图4-2。

墙2由外到内的构造顺序为：外侧压型钢板，防水透汽层，玻璃丝棉保温层，墙梁，轻钢龙骨（中填岩棉保温层），隔汽层，石膏板（宜为双层），内墙饰面。

墙2由内部轻钢龙骨石膏板墙体和外部的压型钢板墙体相组合而成，同时考虑了外墙的保温、隔热、防水的作用和外墙室内侧的装饰作用。墙体内外两部分各成系统，互不干扰。内侧的轻钢龙骨自承重，固定在上下楼板结构上；外侧墙体的墙梁固定在钢柱上，将水平荷载及垂直荷载传到柱子上。

墙2的保温材料有两种：玻璃丝棉和岩棉。保温材料为不燃烧体，具有防火作用。

保温层外覆防水透汽层、内覆隔汽层，保证墙体保温层具有良好的透气性和防水性。

此种外墙构造适用于办公、学校、医院等公共建筑，外侧压型钢板能够起到良好的装饰效果和防水效果，内侧采用石膏板，满足了室内的舒适环境。

4.2非金属外墙

墙3：密肋龙骨复合装饰板材墙体，见图4-3。

墙3由外到内的构造顺序为：外侧防水装饰一体化板材，Z型龙骨，防水透汽层，纤维增强水泥板，密肋龙骨（中填岩棉保温层），隔汽层，石膏板（宜为双层），内墙饰面。

墙3属于密肋龙骨墙体，竖向龙骨为主龙骨，间距600mm，横向为次龙骨，主龙骨固定在上下楼板上的预埋件上。内外侧的石膏板和纤维增强水泥板通过沉头自攻螺钉固定在密肋龙骨上，室外侧的装饰板材通过固定在密肋龙骨上的Z型附加龙骨固定，龙骨间距为一个装饰板板宽。

墙体的保温主要通过墙体内的岩棉板和外侧的保温装饰一体化板材共同完成，隔汽层和防水透汽层保证了墙体的气密性。

此种外墙构造适用于各类公共建筑，外侧的装饰板材可以任意选择，增加设计的自由度。

墙4：复合条板墙体，如图4-4。

墙4由外到内的构造顺序为：外侧装饰保温一体化板材，Z型龙骨，条板，内墙饰面。

墙4选用的材料是蒸压加气混凝土条板（如NALC板），材质本身具有良好的保温隔热性能，而且安装快捷简便。外侧采用保温装饰一体化板材，在解决了外装饰的同时也加强了保温效果，同时，外侧可以选择其他类型的板材作为外装饰材料。另外，蒸压轻质加气混凝土条板还具有一定的防火性能，弥补了装配式复合墙体中防火性能不足的缺陷。

5.结论

建筑环保型、产业化是一个大趋势，钢结构本身是环保建材，可再回收利用。因此发展钢结构建筑最重要的是同时发展与钢结构配套的建筑材料，装配式外墙围护系统在性能上满足建筑物的各项功能，又可以发展建筑产业化，带动经济发展。因此装配式外墙围护系统的研究具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]国家建筑标准设计图集06J925-1~3《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造（一）~（三）》

[2]国家建筑标准设计图集03SG715-1《蒸压轻质加气混凝土板（NALC）构造详图》

[3]轻型板材设计手册编辑委员会编著《轻型板材设计手册》中国建筑工业出版社

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