混凝土外挂板在建筑中的开拓性应用

■ 陈 烨 CHEN Ye

1 研究背景

幕墙作为建筑外围护体系，在国内市场已应用了近30 年。从简单的幕墙外围护体系发展到明框、隐框玻璃幕墙、铝板幕墙、石材幕墙，再到因需加快现场安装时间、缩短施工周期，但又需提高板块精度而产生的单元式幕墙、系统门窗，这一系列的发展，使幕墙等外围护体系的应用飞速普及且已相当成熟，但这并不意味着幕墙能完全满足建筑师及业主的设计理念和要求。对于传统幕墙在现代工程中应用，考虑到安全等问题，在相关政策、标准中有诸多规定，如：国家安全生产监督管理总局《关于进一步加强玻璃幕墙安全防护工作的通知》（建标[2015]38 号）中明确规定了“新建住宅、党政机关办公楼、医院门诊急诊楼和病房楼、中小学校、托儿所、幼儿园、老年人建筑，不得在二层以上采用玻璃幕墙”；《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ 113—2015）规定了安全玻璃的最大许用面积；《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ 133—2001）规定“石材面积不宜大于1.0 m2”等。另外，由于受型材挤压设备的限制，铝合金单元式幕墙的最大生产规格为2.5 m×6.7 m，这些规定限制了建筑立面造型的设计，致使现代建筑的外观日趋同化。

随着装配式混凝土外挂板的出现，使得现代建筑的风格和生命力得到了提升。目前，混凝土外挂板限100 m 以下建筑使用，板块分格大小也仅受运输和挂装的限制，即只要运输许可且现场吊装设备允许范围内，皆可定制；而且混凝土可塑性强，混凝土外挂板的颜色、质感有仿石材、仿砖、多彩、透光、浮雕造型等多种形式，设计中可综合考虑混凝土墙板的挂装节点、荷载、艺术形式等，增强现代建筑的设计感和生命力。装配式混凝土外挂板的应用符合国家大力倡导发展装配式建筑的现状。

2 混凝土外挂板设计关键技术

就混凝土外墙挂板的整体设计而言，传统的PC 墙设计方式将外墙混凝土挂板做成钢筋体系，对于公共建筑项目，此类体系的重量会造成外边梁柱巨大的荷载。常规框架式玻璃幕墙的荷载为60 kg/m2，石材幕墙为80～100 kg/m2，若混凝土外墙挂板采用常规钢筋体系，则重达350 kg/m2以上，设计时应重点考虑；此外，价格、施工周期、耐久性也是建筑考量的重点。因此，混凝土外墙挂板设计的关键技术是：易挂装、轻量化、大分格、多造型。

2.1 易挂装

在建筑外围护体系挂装方式中，典型的有单元式幕墙。它采用上挂的方式进行整体挂装，利用型材之间的等压腔雨屏原理提高围护结构的水密性能（图1、2）。

图1 单元幕墙节点横剖图

图2 单元幕墙节点竖剖图

对于预制混凝土挂板，可借鉴此类设计方式。如九棵树未来艺术中心的混凝土外墙挂板中，设计方采用下坐上拉的类幕墙节点，相邻左右板块之间亦采用了等压雨屏原理，通过等压腔，逐级减小室内外的压差，以尽量防止或减少雨水和气体的渗入，并通过“疏导”方式将雨水排出墙外；而上下相邻板块则采用幕墙陶板体系中的企口原理，让水流无法渗入。同时，也可以现场进行水平方向、竖直方向、前后方向的三向调差，达到易挂装的目的。

2.2 轻量化

常规混凝土板中，可以降低重量的部分主要为钢筋系统和混凝土用量。从板面强度和受力计算中，借鉴外挂式幕墙体系，外挂的混凝土墙板并不参与主体结构抗震等的受力因素，可以采用幕墙系统的受力方式进行板面强度及受力杆件计算，在板面中采用竖向主体受力的方式，板内采用钢龙骨及钢筋网片的组合方式，可以有效降低外墙板（含保温及室内装饰装修）重量至250 kg/m2左右。通过工厂化预制，可以精准地控制颜色和精度，使预制构件正反两面均可达到最佳装饰效果，产品一次挂装即可同时完成室内、室外两面装饰（图3）。

2.3 大分格、多造型

与外立面幕墙相比，混凝土外挂板可塑造性强，能够实现大分格和多造型，有助于建筑师更好地阐述建筑的生命力。

图3 混凝土外挂装饰栏板室内外两面挂装示意图

传统概念上的单元板块，由于受产品生产设备的局限性和标准规范的安全性要求，无法实现大跨度、大分格、多种造型的视觉效果。如考虑到玻璃短边宽度不能大于2.4 mm、铝型材的挤压长度限制为6.7 m、单片石材面积不能大于1.0 m2、铝单板的短边宽度不能大于1.8 m 等要求，单元板块的最大尺寸在2.5 m×6.7 m的范围内。

混凝土外挂板目前可根据模台和场地的大小、形式自由调整造型，在仅考虑当地运输条件和吊装设备制约情况下，常规宽高比尺寸可以做到3 m×18 m。如九棵树未来艺术中心板块尺寸为2.54 m×7.2 m、西郊国际菜场板块尺寸为4.2 m×5.26 m、法国百达翡丽办公楼板块尺寸为12 m×2.5 m，等等。另外，同一模块的不同交错组合，也可形成有趣的立面造型效果，使整个建筑显得生动活泼，如图4 所示法国电力公司档案馆的立面造型。

3 混凝土外挂板施工安装特点

混凝土外墙挂板工厂制作，现场施工安装，可推动实现“像搭积木一样造房子”，外立面整体工期可降低50%以上。另外，现场干法施工，可减少施工扬尘、降低施工噪声，实现绿色施工。

以山东某建筑项目为例，其外墙面积约2 万m2。经测算分析，采用传统框架式幕墙的现场施工周期约为10 个月，单元式幕墙的施工周期约为6 个月；而混凝土外墙挂板单块板面积约9 m2，完成整个外立面只需约3 个月的时间，可促进整个施工周期的降低（图5）。

图4 法国电力公司档案馆立面造型图

图5 山东某项目混凝土外墙板吊装现场

4 混凝土外挂板的推广应用

4.1 应用案例

混凝土外墙挂板能适用于多种建筑立面造型，使建筑富有生命感。随着国家和地方层面对建筑装配化程度要求的日益提高，混凝土外挂板的应用市场将不断拓展，尤其在商场、剧院、酒店、商业园区等公共建筑中的应用。目前，上海已经使用此类材料的项目有九棵树未来艺术中心、中国福利会国际和平妇幼保健院奉贤分院、上海西郊国际农产品交易中心等，应用效果良好。

九棵树未来艺术中心位于森林腹地，用地面积120 522 m2，总建筑面积71 700 m2，主要功能为文化场馆设施、艺术创作中心及相关配套。基于建造过程低污染、低能耗等考虑，项目采用混凝土预制构件，为了确保大块面混凝土挂板色彩的稳定性，生产单位严格控制材料配比，最终立面材质呈现出一种柔和淡雅的米黄色，能够与四季森林的深浅绿色形成强烈而悦目的对比效果（图6）。

在中国福利会国际和平妇幼保健院奉贤分院（图7）的建设中，充分发挥了预制构件在成本控制方面的优势。生产单位通过前期优化设计，将外墙预制构件的尺寸规格数量控制到最低，只通过巧妙的位置或方向调整，以达到视觉变化的要求，在实现最佳视觉效果的同时，大量减少模具数量，进而大幅降低制作成本。

图6 九棵树未来艺术中心效果图

图7 中国福利会国际和平妇幼保健院奉贤分院效果图

图8 上海西郊国际农产品交易中心效果图

相对于现场浇筑，工厂化生产的预制构件更容易实现各种复杂造型，这一优势在上海西郊国际农产品交易中心项目中得以充分体现（图8）。该项目为多层大型综合型物流建筑，总建筑面积117 044 m2，其模拟流线型船头部分由近400 块曲面造型的外墙板组成，通过在工厂预制，使用BIM 系统控制模具制作，确保了产品的最佳造型和尺寸精确度。

4.2 重点研究方向

除了易挂装、轻量化、大分格等系统设计要求，为扩大产品的应用范围和规模，模具、颜色也将成为混凝土外挂板研发与设计中重点考虑的方向。

图9 上海某预制混凝土墙板项目远景

图10 上海某项目预制混凝土墙板细部特写

目前，市场上常见的模具有木模、钢模、硅胶模，考虑到成本问题，可使用硅胶模或研发出更多种类的异型模具，使混凝土的可塑性得以充分发挥。为提升外墙混凝土挂板的表现力和生命力，通常需做到颜色自然，而非单纯的统一颜色。如图9、10 中所展示的预制混凝土墙板，远看为纯色，近看则有混凝土所特有的水化纹路，且这些纹路并不是固定的，会随气候不同而变化，一般的涂料或修色剂很难产生如此效果。

5 结语

综上所述，混凝土外墙挂板在建筑外立面的使用极具价值，需要深入设计、研发和制造，并开拓性地应用于项目中。未来，可通过设计细化、优化产品性能，以进一步降低现场施工成本；或者将大数据时代的BIM信息与板面生产结合，对整个建筑的全生命周期运维提供基础服务。