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2021-03-15
顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范要點解析
- 分類：行業新聞
- 作者：
- 來源：
- 發布時間：2016-12-23
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【概要描述】顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范主編，中國建筑標準設計研究院副總工程師，教授級高級工程師，一級注冊結構工程師。
顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范要點解析
【概要描述】顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范主編，中國建筑標準設計研究院副總工程師，教授級高級工程師，一級注冊結構工程師。
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詳情
顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范要點解析
顧泰昌：人造板材幕墻工程技術規范主編，中國建筑標準設計研究院副總工程師，教授級高級工程師，一級注冊結構工程師。
1人造板材幕墻的定義及適用范圍
1.1人造板材幕墻的定義
人造板材幕墻（ArtificialPanelCurtainWall），即面板材料為人造外墻板（除玻璃和金屬與天然石材板以外）的建筑幕墻。包括瓷板幕墻、陶板幕墻、微晶玻璃幕墻、石材蜂窩板幕墻、高壓熱固化木纖維板幕墻和纖維增強水泥板幕墻。
1.2人造板材幕墻的適用范圍
規范適用于非抗震設計和抗震設防烈度不大于8度抗震設計的民用建筑用瓷板、陶板、微晶玻璃板、石材蜂窩復合板、高壓熱固化木纖維板和纖維水泥板等外墻用人造板材幕墻工程。人造板材幕墻的應用高度不宜超過100m。
鑒于人造板材幕墻面板材料的特性和在超高層建筑中應用的工程經驗比較少的情況，因此本規范對人造板材幕墻工程所適用的抗震設防烈度和應用高度進行了限制。當人造板材幕墻工程的應用高度超過本規范所適用的范圍時，應根據工程實際進行專門設計。
2人造板材幕墻面板材料特點
2.1幕墻用人造板材與人造板的區別
“人造板材”幕墻并非“人造板”幕墻。
人造板在《人造板及其表面裝飾術語》（GB/T18259-2000）中的定義是：“以木材或其他非木材植物為原料，經一定機械加工分離成各種單元材料后，施加或不施加膠粘劑和其他添加劑膠合而成的板材或模壓制品。主要包括膠合板、刨花（碎料）板和纖維板三大類型”。人造板英文Wood-basedPanel，人造外墻板英文ArtificialPanelforExteriorApplication，人造板材幕墻英文譯名是ArtificialPanelCurtainWall，而不是Wood-basedPanelCurtainWall。
2.2幕墻用人造板材的產品標準
人造板幕墻規范編制組成員分別完成了下列5項標準：《建筑幕墻用瓷板》（JG/T217-2007），《建筑幕墻用高壓熱固化木纖維板》（JG/T260-2009），《建筑幕墻用陶板》（JG/T324-2011），《建筑裝飾用石材鋁蜂窩復合板》（JG/T328-2011），《外墻用非承重纖維增強水泥板》（JG/T396-2012）。
以上產品標準提供了建筑幕墻工程應用所需的板材彎曲強度、彈性模量、泊松比、吸水率、熱及濕膨脹系數、耐化學腐蝕性和耐污染性等性能數據，推動了這些新型幕墻材料的國產化，為《人造板材幕墻工程技術規范》的編制打下了堅實的基礎。
除已有建材行業標準《建筑裝飾用微晶玻璃》（JC/T872-2000）外，標準中微晶玻璃是早期采用的單爐批自流平燒結法。目前微晶玻璃已有新的連續壓延法新工藝和配方體系，亟需制定新的微晶玻璃產品標準以代替《建筑裝飾用微晶玻璃》（JC/T872-2000），使微晶玻璃的力學性能、表面質量和裝飾效果更好地滿足建筑幕墻需要。
2.3人造板材幕墻材料燃燒性能
幕墻所用材料應具有一定的防火功能以防止建筑物火災蔓延，減少火災造成的損失。但幕墻作為非承重的建筑外墻圍護結構，又必須具有一定的熱工性能，以達到建筑外墻的保溫隔熱要求，所以，幕墻用的材料不可能都是不燃材料。
人造板材幕墻材料品種多、材質差異大，六種面板材料中有A級、B1級和B2級三種：瓷板、陶板、微晶玻璃、纖維水泥板為A級不燃材料；石材蜂窩復合板為B1級難燃材料；高壓熱固化木纖維板普通型為B2級可燃材料、阻燃型為B1級難燃材料。
根據正在修訂的《建筑設計防火規范》（GB50016）的有關規定，考慮到材料燃燒性能和國內消防設備的可救援高度，本《規范》對幕墻主要材料燃燒性能作下述具體規定：
1）幕墻支承構件和連接件材料的燃燒性能應為A級；
2）幕墻用面板材料的燃燒性能，當建筑高度大于等于50m時應為A級；當建筑高度小于50m時應不低于B1級；
3）幕墻用保溫材料的燃燒性能等級應為A級；
4）幕墻用防火封堵材料應符合現行國家標準《防火封堵材料》（GB23864）和《建筑用阻燃密封膠》（GB/T24267）的規定。
3人造板材幕墻的分類及構造特點
3.1開放式幕墻、封閉式幕墻
背后有實體墻的裝飾型幕墻，包括下列兩種幕墻：
?。?）開放式幕墻：背部通風的外墻裝飾層，即幕墻板塊之間接縫不采取密封措施，不具有氣密和水密性能。包括開縫式、板縫遮擋式、板縫搭接式、板縫嵌條式。圍護墻體外的開放式裝飾層幕墻，形成了遮陽、通風的空氣間層，而進入空氣間層內的少量雨水由自然通風的效果而蒸發走，有效地保護了背后的墻體系統。
?。?）封閉式幕墻：幕墻板塊之間接縫采取密封措施，具有氣密和水密性能的建筑幕墻。包括注膠封閉式、膠條封閉式幕墻。
3.2外墻掛板
背后沒有實體墻的圍護型幕墻，包括下列兩種封閉式幕墻。
?。?）單面板體系圍護系統：只有一層面板構造的封閉式幕墻，類似圍護型玻璃幕墻。
?。?）外墻板和墻板集成一體化圍護系統：外墻板和墻板及其連接件和保溫防火材料等集成的一體化復合外墻系統，將是高層和超高層人造板材幕墻建筑工業化的發展方向，如混凝土外墻掛板、GRC外墻掛板等。
但是本規范沒有包括此內容。
4人造板材幕墻的性能和構造設計特點
4.1抗風壓性能
背部通風的開放式人造板材幕墻：有關試驗證明與封閉式幕墻比較，開放式幕墻承受的風荷載較低。但由于受到立面形狀、板縫構造形式（對接、搭接）、開縫寬度尺寸、單位面積上縫長以及試驗數據較少等各種因素的影響，目前尚無法給定統一的折減系數。在進行幕墻設計時，可根據工程實際情況，通過風洞模型試驗確定折減系數。
4.2熱工性能
背后有實體墻的開放式幕墻：采用計算流體力學CFD軟件模擬計算結果表明，板縫寬為10mm、空腔深度為100mm時，在不考慮太陽輻射的情況下，垂直板縫的室外風速分別為3m/s和5m/s時，空氣間層內的平均風速分別為0.75m/s和1.2m/s，均達到了良好的通風狀態。開放式幕墻的傳熱阻貢獻可不考慮。
封閉式幕墻：（細化了《公共建筑節能設計標準》的相關規定）
?。?）人造板材幕墻背后無其他墻體時，幕墻本身的保溫隔熱構造系統應符合建筑節能設計對外墻的傳熱系數要求。
?。?）人造板材幕墻背后有其他墻體時，幕墻與該墻體共同組成的外圍護結構，應符合建筑節能設計對外墻的傳熱系數要求。
帶有封閉式人造板材幕墻的外墻系統，應按《民用建筑熱工設計規范》（GB50176）的規定，采用穩定傳熱計算公式進行多層圍護結構熱阻的計算。
4.3構造設計
4.3.1面板接縫設計
?。?）瓷板、微晶玻璃幕墻可采用封閉式或開放式板縫。瓷板、微晶玻璃板是高溫燒制的吸水率低、耐候性好的勻質材料，采用開放式和封閉式均可。
?。?）石材蜂窩板幕墻宜采用封閉式板縫，也可采用開放式板縫。石材鋁蜂窩板是石材面板與鋁蜂窩板粘結而成的復合材料板材，應優先考慮采用注膠封閉式，采用開放式則應進行封邊防水保護處理。
?。?）陶板、纖維水泥板幕墻宜采用開放式板縫，也可采用封閉式板縫。陶板的吸水率偏高，宜優先采用開放式板縫設計，對于吸水率較低（接近下限）的陶板，如建筑氣候適合，也可采用封閉式板縫設計。纖維水泥板是含有有機合成纖維或纖維素纖維的吸水率較高的高壓蒸汽養護的水泥板材，應優先考慮采用開放式，如環境適合并對板材做好防護處理也可采用封閉式。
?。?）木纖維板幕墻應采用開放式板縫。
木纖維板是含有70%木質纖維的有機材料，由于木材的自然屬性，板材將隨著環境相對濕度的變化而發生變化。因此，木纖維板對板材正反面的環境溫度和濕度的一致性要求較高，否則易發生變形，所以應采用開放式板縫構造，降低面板內側空腔與外部環境的氣壓差，減少因壓力差而帶入面板內側空腔的雨水，使面板內側空腔與室外空氣保持相互流通，保持面板內外部溫濕度環境一致。
4.3.2空氣間層構造設計
背部通風的開放式幕墻，面板與其背部墻體外表面的最小間距不宜小于20mm，是參照德國標準“（DIN18516-4-1990）外墻飾層.背部通風.單片安全玻璃.要求、測量、檢驗”的規定而確定的，是幕墻面板背部通風空間的最低要求。在具體工程中，要根據幕墻所處風環境和面板接縫設計具體情況確定合適的通風間層的空間要求。
開放式幕墻板縫設計，應根據外墻立面的裝飾效果和空氣間層通風需要，選擇平口對接的開縫式或平板及企口板搭接的遮擋式，以及加裝鑲嵌條的遮擋式板縫設計。
5人造板材幕墻面板材料的力學性能
5.1單一材質面板的力學性能
5.1.1抗彎強度設計值
面板材料的抗彎強度設計值等于彎曲強度（抗折強度）標準值除以面板材料性能分項系數。彎曲強度（抗折強度）標準值可根據面板材料產品標準的性能數據確定。
面板材料性能分項系數，則根據面板材料的不同特性確定：
1）瓷板、陶板和微晶玻璃是脆性材料，材料性能分項系數取1.8；
2）纖維水泥板材質介于脆性和延性材料之間，其材料性能分項系數取1.6；
3）木纖維板是延性材料，其材料性能分項系數取1.5。
5.1.2抗剪強度設計值
瓷板、陶板、微晶玻璃和纖維水泥板在分別采用短掛件和長掛件支承連接時，板材在掛件槽口處都會受到掛件的支承反力作用而產生剪切應力，因此需要規定面板材料的剪切強度設計值。由于這些材料均為非各向同性的非金屬材料，其剪應力與正應力的強度關系不適合采用第四強度理論，不能直接采用τ＝0.577σ的方法確定板材的抗剪強度。因此，規范編制組進行了瓷板、陶板、微晶玻璃和纖維水泥板四種材料抗剪強度與抗彎強度的對比試驗，確定了面板材料的抗剪強度與抗彎強度的數量關系分別是：瓷板0.5；陶板、微晶玻璃為0.2；纖維水泥板為0.4。
5.2復合材料面板的力學性能
石材蜂窩板是由天然石材薄板與蜂窩板經膠粘劑粘結復合而成，石材面板厚度為5mm左右，總厚度15mm以上，通常采用背面粘結預置螺母的四點支承連接安裝。板材構造特點——沿板面厚度方向為非對稱結構，且材質各異，其力學性能不同于一般的鋁蜂窩板和其他實心板材。規范編制組對這種新型復合材料的力學性能進行了專門的理論和試驗研究，成功地解決了這一難題。
5.2.1石材蜂窩板的彎曲剛度和彎曲強度標準值
以石材蜂窩板的石材面板在彎曲受拉狀態下產生裂縫或斷裂時的極限狀態彎曲應力作為整板的彎曲強度值；不以整板彎曲屈服時的彎曲應力作為彎曲強度值。
?。?）整板彎曲剛度的確定：
a）試驗法：按《夾層結構彎曲性能試驗方法》（GB/T1456-2005）規定的外伸梁三點彎曲法，測得石材蜂窩板的石材面板產生裂縫或斷裂時的最大荷載p和整板的彎曲剛度D；
b）計算法：按照《人造板材幕墻規范》附錄A“石材蜂窩復合板剛度計算”。
?。?）石材面板彎曲強度的確定：由下式計算石材面板彎曲應力。
式中：σ為彎曲應力（MPa）；p為最大荷載（N）；l為支點間距（mm）；E為石材彈性模量（MPa）；y0為中性軸到石材面板的距離（mm）；D為石材蜂窩板彎曲剛度（N?mm2）。
根據整板試驗所得數據和按上式計算得到的彎曲應力值，再用數理統計等方法取得彎曲強度標準值。
5.2.2石材蜂窩板的抗彎強度設計值
抗彎強度設計值等于石材蜂窩板石材面板抗彎強度標準值fk除以石材面板材料性能分項系數γr?？紤]不同復合板材質和石材面板的特點和工程經驗，《人造板材幕墻規范》規定了石材蜂窩板石材面板材料性能分項系數γr的取值，見表1。
6人造板材幕墻面板支承連接設計
6.1面板支承連接形式
面板支承連接形式多樣是人造板材幕墻另一大特點，六種面板材料及六種支承連接形式是根據材質特性及支承連接承載能力驗證試驗，分別確定了每種面板所適宜采用的支承連接形式，如表2所示。
6.2面板的抗彎設計
六種面板的六種支承連接形式，其受力形式分別為：1）點支承（四點支承、多點支承）；2）對邊支承。都可采用有限元方法分析計算，規范中給出常用的四點支承、對邊支承計算公式。
空心陶板的截面形狀相當復雜，其最大彎曲應力標準值宜采用有限元方法分析計算，也可采用均布靜態荷載彎曲試驗結果，再將其除以陶板的材料性能分項系數1.8，確定其受彎承載能力。
對于穿透面板支承連接的木纖維板和纖維水泥板，通常采用的是超過四點的多點支承連接支承點位置的彎矩一般均比四點支承面板跨中彎矩要小，因此超過四點連接的面板可選擇間距最大的四點的距離作為計算跨度，參考四點支承面板公式進行近似計算。
6.3面板彎曲撓度限值
高壓熱固化木纖維板：彈性模量低，僅為玻璃的1/8，但其彎曲強度標準值約為玻璃的2倍，是高強度的延性材料，可以發生較大的變形而不致損壞，根據板材的彎曲試驗和工程實踐經驗確定撓度限值為1/60。
纖維水泥板：彈性模量較低，約為玻璃的1/5，而且其彎曲強度標準值約為玻璃的1/2.8，是剛度和強度均較低的材料。根據對纖維水泥板彎曲試驗結果，不同厚度的板材在斷裂破壞時的撓度為1/60~1/140，確定為1/180。
石材蜂窩復合板：是由脆性的超薄石材面板與鋁蜂窩芯及三種不同背板膠結而成的復合板材，有一定的柔性。根據計算和驗證試驗結果，結合工程經驗分別確定為1/120和1/180。
瓷板、陶板和微晶玻璃為彈性模量較高的脆性材料并且其使用時的板材截面厚度比較大，面板的剛度較高，因此不需控制其彎曲變形時的撓度。木纖維板、纖維水泥板和背板材質類型石材蜂窩復合板是柔性比較大的材料，均需控制其彎曲變形時的撓度（表3）。
6.4面板支承連接的受拉和受剪承載能力
6.4.1背面預置螺母點支承連接的石材蜂窩板
石材蜂窩板背面支承的異形連接螺母，在工廠采用膠粘劑預置。
現場安裝時用連接螺栓固定。規范編制組進行了受拉和受剪的對比試驗，驗證了粘結預置連接螺母螺栓的拉拔與剪切的破壞形式和兩者承載力之間的數量關系?！兑幏丁芬幎ǎ菏姆涓C板預置螺母受拉承載力和受剪承載力應經試驗確定，受拉承載力設計值等于實測預置螺母連接受拉破壞力最小值除以預置螺母連接承載力分項系數2.15，受剪承載力設計值不大于受拉承載力的0.5倍。
6.4.2背栓支承連接的瓷板、微晶玻璃和纖維水泥板背栓屬于局部的機械連接方式，背栓連接的受拉和受剪承載力，與面板和背栓的材質、背栓的品種、規格及其構造型式、錨固深度、背栓孔的加工精度和背栓的裝配質量等因素密切相關，無法進行準確的計算，只能通過試驗確定。
對瓷板、微晶玻璃、纖維水泥板三種面板，采用規范編制組內的慧魚、旗魚和斯泰三個背栓生產單位的三種具有不同細部構造的背栓，進行了背栓連接的拉拔和剪切承載力試驗，驗證了拉拔與剪切的破壞形式和兩者承載力之間的數量關系（圖1，2）。
試驗表明：
?。?）介于脆性和延性材料之間的纖維水泥板，背栓拉拔試驗后均為錐形破壞，剪切試驗后均為背栓彎曲然后伴隨背栓安裝處板材局部破壞。
?。?）比較薄的脆性瓷板，背栓拉拔試驗主要破壞方式瓷板斷裂（大、小支撐間距），只有一部分樣品為錐形破壞。剪切試驗后主要破壞形式瓷板局部被撬壞、瓷板斷裂和瓷板正面被頂壞。
?。?）比較厚的脆性微晶玻璃板，背栓拉拔試驗主要破壞方式為微晶玻璃板斷裂只有一部分樣品為錐形破壞，但其剪切試驗破壞形式均為背拴產生剪切屈服破壞，個別是微晶玻璃板被局部撬壞，但在撬壞之前背栓已經屈服。
?。?）總體而言，背栓連接的受剪破壞荷載不大于受拉破壞荷載的0.8倍。
據《人造板材幕墻規范》規定：背栓連接的受拉、受剪承載力應經試驗確定，受拉承載力設計值等于實測背栓連接受拉破壞力最小值除以背栓連接承載力分項系數2.15，受剪承載力設計值不大于受拉承載力的0.8倍。
7人造板材幕墻支承結構設計
7.1支承構件設計
人造板材幕墻的支承結構主要是鋼、鋁等金屬結構?！兑幏丁芬幎ǎ簷M梁、立柱等主要支承構件截面的抗彎強度、抗剪強度和穩定性等應符合下列要求：
1）軋制或焊接鋼型材構件應符合現行國家標準《鋼結構設計規范》（GB50017）的規定；
2）冷彎薄壁型鋼構件應符合現行國家標準《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018）的規定；
3）鋁合金型材構件應符合現行國家標準《鋁合金結構設計規范》（GB50429）的規定；
4）構件截面的抗彎強度、抗剪強度和穩定性也可采用有限元方法分析計算。
7.2橫梁、立柱構件的撓度控制限值幕墻橫梁、立柱的撓度限值，是要控制幕墻面板在風荷載作用下的變形不致過大，與橫梁和立柱的材質無關，參考國外相關規范的規定和工程經驗，《人造板材幕墻規范》將幕墻橫梁和立柱的撓度控制值統一規定為：當跨度不大于4500mm時，fd≤l/180當跨度大于4500mm時，fd≤l/250+7式中：d為橫梁或立柱撓度（mm）；l為橫梁或立柱計算跨度（mm），懸臂構件可取挑出長度的2倍（玻璃幕墻、金屬與石材幕墻、人造板材幕墻三本規范統一協調確定）。
圖1背栓連接組件的軸向受拉試驗示意圖
圖2背栓連接組件的橫向受剪試驗示意圖
7.3構件型材截面壁厚控制
支承構件型材截面厚度是關系幕墻結構安全和材料用量的技術經濟綜合指標。根據鋼結構和鋁結構設計規范和工程經驗，《人造板材幕墻工程技術規范》規定見表4。
8結語
《人造板材幕墻工程技術規范》的制定，是在對六種材質、構造和特性不同的面板材料，從建筑幕墻所需性能研究試驗開始，在編制了建筑幕墻用板材產品標準的基礎上，經過一定的理論研究和驗證試驗，參考國內外相關的標準和規范，總結近年來我國人造板材幕墻工程實踐經驗，新研制了六種新型板材非透明幕墻的工程技術規范，從術語定義、材料選用、性能設計和檢測要求、建筑構造和結構設計，到加工制作、安裝施工、工程驗收、保養和維修，為我國人造板材幕墻工程做到技術先進、安全可靠、美觀適用、環保節能而提供了全面的技術依據，填補了我國新型人造板材幕墻工程技術規范的空白，經住房和城鄉建設部審查，認為該規范總體達到了國際先進水平。
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