正在加载内容，请稍等...
01
项目概况
中科大厦位于重庆市涪陵区太白大道上，为一幢兼具商业、办公与酒店式公寓一体的综合型大楼，建筑物地下2层，地上26层，3层-8层与9层-26层标准层层高分别为3.3m与3.55m，总高104.3m，基地面积4,133m2，建筑面积38,514m2。结构抗震设防烈度为6度，主体结构由钢筋混凝土剪力墙核心筒、新型钢管混凝土外框柱、型钢梁组成的框架剪力墙系统，装配式清水混凝土外挂墙，简称PC墙(Precast Concrete curtain wall) 预制外挂清水混凝土墙板搭配大面积开窗，图1为中科大厦外观效果图，本文主要针对预制混凝土外挂墙板进深化设计分析。
图1. 中科大厦外观效果图(西北面)
02
预制混凝土墙板分割设计探讨
本项目墙板深化设计最大的难点是墙板分割，建筑为突显外立面竖向线条，设计外突柱，实为混凝土装饰柱；低楼层横向混凝土板条为外突装饰梁，而标准楼层的横向混凝土板条与玻璃窗面则内凹弱化。外突混凝土装饰柱面为多向斜面组合而成，分缝不易设置，多面柱型，不易开模。但我们都知道预制混凝土的优点在于，可制作多样化的造型。当复杂的外型还能保持一定重复性规律时，对外墙的预制单元分割设计，还可以窃喜一翻。
分区块分析建筑立面，以不同颜色标注建筑立面中的竖向装饰柱，发现除角柱造型最为复杂，由三个以上斜面组成。其余斜柱面均由一定规律的两个斜面组成，正立面视图中，负1层层高6.2m,柱子两外斜面交线由右下至左上（图中红色柱），绿色柱子则由左下至右上（图中绿色柱）；1层层高5m，除2根黄色柱，其余均为蓝色柱的斜面交线由右下至左上；2层层高4.9m，柱子基本相同；3层-8层层，紫色柱标准层斜面交线由右下至左上，层高3.3m除外，基本是橙色柱，斜面交线由右下至左上跨两个标准层高与玫红色柱，斜面交线由左下至右上跨两个标准层高交替分布；9层至26层与3层-8层柱外形分布类似，仅高度有调整，也用橙色柱与玫红色柱表示。经与建筑师协调，1层柱子可归并为一种，2层柱子可归并一种，柱子形状减少两种。负1层至2层水平横向装饰梁板用蓝色渐变表示，3层绿色渐变另一截面的装饰梁式板，高度约1.2m，长度在4~6m间；4层以上水平向红色渐变平板墙，高0.870m,长度在1.4m~1.6m。
图2 外墙局部立面图
图3.中科大厦局部建筑立面图
经过归类分析，发现柱子造型仍且一定规律性，但现浇工艺还是难于完成如此复杂造型的高层建筑墙板，以工厂预制工艺进行制作成为不二的选择。确定以工厂预制现场组装方案后，需考虑进行墙板单元分割，分割时需考虑多种条件影响，归纳如以下四个要素：
(1)符合建筑师原设计意图，考虑分割缝的连续，有利于导水、排水与防水；
(2)规格统一，考虑规格极少化，以节约制作模具成本；避免增加吊装安装工时及连接件成本。工厂生产制造时，需考虑模具设计和制作以及板片生产难易程度；
(3)提高吊装效率，考虑分割单元不宜过小，还需考虑吊装难易程度及塔吊扬重能率、悬吊方式；
(4)满足板片运输要求，高速道路限宽3m及限高4.5m规定。
板片高度基本上已由楼层高度控制，因此，板片的宽度取决于吊装设备及机具能量能否承受分割后预制板片重，按施工单位反馈意见，希望板片重量控制在7吨以内，三层以下可以汽车吊辅助，可稍重些。依建筑立面图（图1~图3）及建筑平面图4-a，图4-b，负1层至3层，主楼装饰柱间中心距约5m，裙楼装饰柱间中心距大于6m,3层以上主楼装饰柱间距加密至2.5m，造型柱间基本为开窗面积。
图4-a.中科大厦一层平面图
图4-b.中科大厦三层平面图
按构件长宽特点，3层以下外墙采用条形分割，如图5-a。此时实体装饰柱最大重量达10.7t,横向装饰梁最大重量达7.7t。
图5-a 3层以下装饰柱、线板分割图
3层以上预制墙板片分割方案初步分3种形式进行比较讨论：
图5-b.分割方案一 图5-c.分割方案二 图5-d.分割方案三
表1、3层以上板分割方案比较表
（1）方案一：板片分割形式如图5-b，装饰造型柱及开窗上下平板分别独立，此分割方式模具成本与制造费用皆最低，板片形式最为单纯，重量最轻，但构件单元数量过多，需要的连接铁件也最多。
（2）方案二：板片分割如图5-c，方案二将两支装饰造型柱与窗框上下两条板作为一个组合构件，但仍有两条板仍需要独立制作，其组合板片形式相对复杂，且重量最重，且模具成本较高，制造费用高于方案一。
（3）方案三：将窗框一侧的装饰造型柱与两横向平板组合，窗框一侧也留出一定宽度的竖向板条，窗框四周的混凝土构件组合一体，使窗框可以在构件制作的过程一体预嵌，组合构件两个单元体间有相互搭接。如图5-d所示。板片重量及模具复杂程度介于方案杂一与方案二之间。
综合上述三种方案之比较如表1，最终选用方案三板片分割型式。对于层高3.3m装饰柱，截面约900x1000mm，实心柱重达7.4t，装饰柱应考虑减重方案。
03
墙板系统选择分析
日本及我国台湾地区，高层预制外墙板发展应用比较多。我国的台湾地区，钢筋混凝土外墙工艺体系包含干式PC外墙、湿式PC外墙以及半湿式PC外墙的全套设计、生产、组装等成熟技术。湿式系统的PC外墙与主体结构逐层现浇混凝土连接，因此需与当楼层的结构体构件同步安装，连接缝与当层楼板一体浇筑；干式PC外墙则可待主体结构完成后，再进行吊挂，安装就位后对节点部位进行楼层间封堵处理；半湿式PC外墙通过铁件与结构梁连接，可待主结构体完工后再吊装，楼板留出相应的后浇带，墙板吊装就位后再浇筑。本项目为钢结构，施工快速，甚至跳层施工，湿式挂板难于满足主体钢结构的施工进度。以下选择干式与半湿式进行评估，其分析比较请详见表2。
表2. 干式与半湿式PC外墙系统分析比较表
干式PC外墙通过四组以上(包含四组)铁件与结构体连接，楼板仅需要预留铁件安装的凹槽位，待板片吊装定位，铁件隔离层施工后，再用砂浆回填将凹槽位，墙板与结构体间必须进行层间封堵。干式墙板系统中的墙板水平分割线可设于钢梁上下翼板间，且结构体与墙板在施工顺序可相对独立，结构体可先行，PC外墙后吊装，因此，PC外墙板片不需提前生产，干式PC外墙施工精度高，是目前台湾地区高层钢结构商办大楼、 高端住宅的外墙主流设计方式。
半湿式PC外墙是结合干式PC墙板可快速吊装，可配合钢结构建筑多层楼板同时凝土浇筑优点，为避免干式墙板层间附加防火工序、层间隔音效果稍差之缺点，而发展出来的系统。在湿式墙板与楼板连接位置，增设临时固定铁件，承担安装过程荷载。施工过程中结构体框架可先施工，后吊预制墙板，最后浇筑楼板混凝土，配合与楼层板钢筋搭接，墙板的水平分割缝须位于楼板标高之上。在楼板浇筑前需要就位置，因此此工艺比较适合钢结构。
通过以上方案分析评估，考虑项目PC外墙板片生产时程紧及运输便利性因素，本项目选择采用干式PC外墙系统做法最有利。
04
墙板保温性能设计分析
建筑物的节能设计涉及的参数是比较多，如需综合考虑建筑外形、开窗面积及材料选用等，仅考虑实体墙时，也需满足相应的热工值要求。且良好节能保温外墙设计除具有适当的阻绝热能传递性能，还应能防止内墙面结露。
本项目为公共建筑，位于重庆市培陵区，按重庆市《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准DBJ50-052-2016》，实体外墙的传热系数最大限值是K≤0.8。
本节针对标准层实体墙板节能保温要求进行分析，标准层墙板中热横向条板厚度部分采用夹心保温板(三明治板)，墙板由外至内分别是：60mm外叶混凝土、50mm的XPS挤塑聚笨乙烯泡沫塑料保温材及90mm内叶混凝土层，此处墙板总厚度为200mm，竖向装饰柱，考虑减重与保温需求，填充了热阻系数高的轻质材料。截面如下图6
图6 减重保温材料布置
按民用建筑热工设计规范GB 50176，单一材料层的热阻计算式，R＝δ/λ；R为材料层的热阻（㎡·K/W）；δ为材料层的厚度（m）；λ为材料的导热系数〔W/（m·K）〕及多层围护结构的热阻计算式R＝R1+R2+……+Rn；R1、R2……Rn为各层材料的热阻（㎡·K/W）。计算实体墙板单元的传热K=1/(0.15+∑R)，因每一片厚度组成不同，按图6中的a~i分区分别计算，按面积占比加权平均，计算出实体墙板单体的综合传热系数值如下表3：
表3、实体保温墙板综合热工计算表
实体墙综合传热系数k=0.786小于规范限值0.8.
墙板热桥形式如下图，在热流方向上无保温材料，仅有混凝土材料层。其热桥形式如下图
图7 热桥形式
热桥部位热工计算如表4
表4、热桥部位热工计算表
保温平壁外墙构造：混凝土-挤塑板+混凝土，热工计算如表5
表5、保温部位热工计算表
05
三维仿真检核
预制设计与传统设计最大的区别，必须进行实体安装模拟，即三维检核。借助计算机数据存储、与处理功能，将所有的组装构件模型进行数据化管理设计，使相关各专业之间可以共享，也就是BIM设计。PC外墙板三维模模型（BIM）检核，依工程顺序包含以下内容：3D图设计检核、预制墙板施工对接套图、板片储运、板片吊点和吊具以及施工安装顺序之仿真。
利用实体模拟，检验PC墙板连接节点中各细部间的位置关系，确认有无相互冲突，并考虑板片吊装定位、铁件接合焊接等施工性是否适当，避免二维图面上检核存在盲点，保证现场作业无障碍，顺利进行。以角柱节点为例，如图8，角柱截面比较大，且角柱连接位置节点有设置纵横助板，空间急促，且有两向墙板交汇，两向均需排布相应的连接件，只有实体模拟，才可确定连接铁件的方向、位置及尺寸。
06
箍筋排布设计
本项目截面形状较大的装饰柱、装饰梁仅为自承重构件，不需按实心体制作，因而设计时考虑内填充轻质聚苯已稀泡末保温材料。装饰柱，装饰梁按空间多面混凝土壳体设计，如下图10-a图10-d.装饰柱沿截面高度无统一尺寸，环向钢筋下料加工需按间距，截取不同截面，进行放样下料。钢筋加工绑扎必须与生产方式结合，装饰柱、梁按平躺形式灌浆，正立面为接触钢模的底模面，室内侧为制作收光面。设计最初方案考虑减重材料放置需要，沿壳体的环向箍筋分四个面分别组合(图10-b,图10-e)，底模面上的板与两侧面上的箍筋先组装好，待放置填充减重材，最后放置上表面钢筋网格。但在检讨制作工艺发现，两侧壳体浇筑时，聚苯已稀泡末减重材料底部受到的上浮力约是12MPa，而材料本身提供的重量仅为0.096Mpa，相差约120倍，传统组合式箍筋对减重材的抗浮固定不利，在制作模内也不易定位，设计考虑改用连续一笔箍筋形式（图10-c,图10-f）。
图11-a 为装饰梁的两个连续一笔式箍筋制作模型，每节钢筋借助钢筋弯折机连续弯折成型，复杂的钢筋组合的分二次组合成型，大量减少绑扎搭接，整体性效果非常好。整体式钢筋环抱内填充材，并限制其上浮，浇筑与振捣时，都保持整体性，从而有效的保证了构件的浇筑质量。复杂的角部装饰柱，由钢筋弯折机限制分几组连续一笔箍组合而成（图11-b）
07
铁件设计
图12. PC外墙板铁件
PC外墙单元主要是利用钢结构铁件与建筑物相连结（图12），而这些连结钢结构铁件的设计可能有很多种样式，一般的连接铁件设计必须能满足以下机能要求：
力的传递机能：将墙板的自重、地震力、风力等作用向主体结构传递，达到墙板的有效可靠支撑。
变形吸收机能：在主体结构分析时，并不考虑墙板与主结构一起承担外力，墙板仅附着主体结构上，因此当主体结构发生层间变位时，墙板与主体结构之间可以进行一定程度的约束释放。墙板以位移动能形式吸收主体的水平作用力所产生的变形能量，使其对主体结构的原承载能力及刚度性能的影响降到最低。铁件吸收层间变位的方式有以下三种运动系统：
（1）回转系统Rocking System：此系统墙板片的铁件连接设计为可回转 (Rocking) 运运方式，来吸收因地震时所产生的层间变位，适用高且窄的墙板片形状，一般当L/H≦0.5时采用。（L=板片宽，H=板片高）。
（2）滑动系统Sliding System：此系统系将墙板片设计为在沿墙板平面内方向能自由滑动 (Sliding) 的方式，来吸收因地震时所产生的层间变位。当下部铁件设计为固定时，上部铁件则设为可平面内滑动形式；也可将上部铁件固定，下部设为可平面内滑动。铁件在滑动方向上，以预留长连接孔形式使墙板在超载时可自由滑动。滑动系统适用于横向较为长的墙板形状，一般当L/H≧0.5且层间变位≦25 mm时采用。
（3）固定系统Fixing System：适用于柱式、梁式墙板。这些形式的墙板片基本与柱宽，梁同高，经分析对主体结构的侧移影响不大。其铁件可以选用固定方式做接合。当梁式、柱式构件与主体刚度接近时也可选用滑动系统。
误差吸收机能：铁件制造存在多重的累积误差，因此连接节点设计必须能吸收墙版制造误差和施工误差。
耐久及防火性能：铁件还需进行防锈及耐火设计。
按第2节墙板分割分析，3层以下为梁式、柱式墙板，其中装饰梁式墙截面为三角形状，最大宽度有1000mm,装饰柱式墙板截面宽900mm，高1000mm.即便考虑内填充轻质材料，截面刚度也非常大。因此选用滑动连接系统（图13）。3层以上的标准层墙板宽高比约为2.7675/3.3=0.84,同样也选用滑动连接系统（图14）。
图13、图14中，主承重铁件承担平面内地震作用、自重荷载，平面内风荷载与地震作用由承重铁件与滑动调整铁件一起承担，内叶厚板处设计单层板用的连接铁件，内叶夹层板处设置不锈钢拉结件。
08
防水排水系统
当结构体在地震作用或风荷载作用下侧移变位时，墙板构件单元在平面内可通过滑动变位来吸收主体变位能，墙版四周的板缝，填充弹性密缝胶，除了减震作用，还且防水功能。如图15，在墙板分割时，巧妙的将标准层墙板的竖缝设在墙板相互搭接处，空腔呈折线型，竖缝从3层至26层保持直线贯通，墙板防水线路长、排水线路简单，更利于挡水，折形拼缝内侧仍设导水空腔与预嵌胶条，防水与导水结合，效果更佳。
负1层至3层为商业用房，装饰柱间宽度较大墙，采用玻璃幕墙设计，标准层为办公及公寓，采用玻璃窗设计，外墙窗框采用预嵌的方式施作，可达到非常良好的防水效果，同时设置批水板外斜与防污收边的设计，能大幅减低外墙板遭受污染的机会，预嵌窗框之剖图请见图16。
09
模具与清水PC墙板制作照片展示
复杂造型相应的生产模具制作也非常复杂，从设计模拟到试生产，每一步奏都仔细检讨，并进行试作。本节仅展示部分开模与制作图，从试生产到正式量产，其质量都是可控，且非常良好，也说明墙板深化设计符合生产要求。
10
结 语
高层钢结构与预制外墙板工程实例，在国内并不多见。本项目外挂墙工程结合台湾地区大量的实际案例设计、制作、施工经验，并结合大陆地区最新的装配式建筑设计、建筑节能设计等相关规范要求进行的深化设计、制作、施工。本文分享了外挂造型墙深化设计中的重点内容及经验。相对于玻璃帷幕墙而言，PC外墙板除板片相对较重之外，其包含了：材料成本低、节能性和防火性更佳、外观任意造型，还有施工更快速以及耐久性更长等优势。本项目挑战了多立面体装饰柱与装饰梁，以及外突型装饰柱与墙板一体式预制构件形式，同时考虑节能设计，内容非常丰富，装配混凝土外墙应用于高层钢结构建筑外墙，展示了与钢结构玻璃幕墙不一样的建筑设计风格，其墙板预制后安装的形式，同样免除建造过程脚手架的搭设，全装配建筑应不仅是结构体装配式，装配外围护挂墙的使用，是实现真正意义的全面整体式装配建筑又一关键内容，是建筑工业化全面推进的一种重要形式。（本项目EPC总承包为中科大业建筑有限公司，外墙工程由台湾润泰提供全套技术支持，目前项目在顺利开推进展开中.）
（责任编辑：何雯丽）
延伸阅读：
新型装配式钢节点混合框架结构及配套体系关键技术研究与应用 基于制造和装配的设计让预制装配式建筑的优势日益凸显 大胆采用装配式，突破曲面幕墙设计施工难点(1) 凡本网注明“来源：预制建筑网”的所有资料版权均为预制建筑网独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明来源“预制建筑网”，违反者本网将依法追究责任。 (2) 本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任，违反者本网也将依法追究责任。 (3) 如本网转载稿涉及版权等问题，请作者一周内书面来函联系。
[责任编辑：Susan]
