第32是第5期 Vel.32 Nas 建筑施工 BUILDINGCONSTRUCTION 建筑节能 预制复合保温外墙板设计研究与应用 DesignStudiesonPrecastComposite Thermal-lnsulationExternalWallanditsApplication 栗新 （上海市建工设计研究院有限公司200050） 【摘要】通过对借统外墙保温系统存在问题的分析，在保温材料的选择、保温形式的确定方面进行研究，提出了预制混裂 土复合保温墙板的概念，并对其保温性能、连接节点、耐久性、有限元分析等关键技术进行了研究和总结，认为该墙板保温性 能好、安全、可靠，保温层在建筑使用期限内可以免维护，并具有施工速度快、叶周边环境形响小等特点，具有良好的推广常 景.
【关疆词】节能减排预制复合保温外墙板墙体节点进楼构件耐久性 【中图分类号】TU767.5 /文献标识码B [文章编号】1004-1001（2010]05-0463-04 1设计研究背景 复合墙体保温技术的难点在子现场施工不便，保温层的 近年来，建筑节能技术成为全球关注的热点研究课题.
施工以及相关节点处理.
一旦在这方面有所突破，复合墙体 有研究表明：建筑物通过外堵体散失的热量占建筑总热耗的 保温技术无凝将成为目前综合评价最好的保温技术.
故此， 35%-49%.
因此，加强外围护结构的节能措施尤为重要.
我们认为把现代预制装配技术与保温节能相结合应可以实 现复合墙体保温的目标，其研究的关键在于以下几点： 传统的外墙保湿形式有内保温、外保温二种.
但内保温 （1）复合保温墙板保温性能研究： 有内外堵相接处“冷（热桥”很难底解决、保温材料热膨胀 （2）复合保湿墙璃体节点研究： 易造成内保温隔热体系的空鼓开裂、饰面层易开裂、不使于 [3）复合保温墙板耐久性与主体结构耐久性协调关系 二次装修等问题：外保温技术又由于其技术基础的限制，如 研究.
受阳光、冻融循环及大气污染的影响等，决定了保温层构遗 的使用寿命约在20年左右（苍至更短）基于此，我们希望能 3关键技术的研究 够探素一种能集外壤内保温和外墙外保温技术两者优点于 一体的新型保温形式，即在内墙与外壤之间添加保温夹层来 3.1复合保温瑶板保温性能研究 实现壤体的彻底保温一复合墙体系.
它不同于传统意义上 3.1.1保温材料对此优选 的夹心保温（夹心保温多用在碑体结构中，厚度大、施工累 在进行本项目的保湿材料选择过程中，我们从外墙板构 琐、不适合现代建筑发展的需要）.
它的提出是对外墙体的一 件中保温材料所处位置出发，结合墙板的生产工艺流程，确 次革新，顺应了节能减排的环境需要，具有重大的现实意义.
定保温材料的选择原则为：导热系数小，容重轻，吸湿性小， 加工性能好，使用寿命长，温度变化时线影胀系数小，经济性 2研究的关键点 好.
通过对聚苯板（EPS]（干密度18kg/n20kg/m，导热系 复合墙大大优于前面所提及的内保温、外保温和砌体墙 数入-0.042w（m-KO，蓄热系数Sc-0.36W（m²x0）、挤型聚苯 板（XPS）（干密度25 kg/m²32kg/n，导热系数入=0.030 w 体夹心保温技术.
首先，复合墙体保温技术具有良好的保温 性能和耐久性能，在建筑的整个使用寿命期内均能保证良好 （mK)，蓄热系数Sc=0.32W（m²-K））、胶粉聚苯颗粒[干密度 230kg/m²~250kg/m，导热系数入=0.060 w(mK0，蓄热系数 的保温效果：第二，复合墙体保温技术不影响建筑的内部装 修和外部装饰工程，建筑具有较高的可望性，这一点对于节 Sc=1.02W/（m²▪K})、泡沫玻璃（干密度 150 kg/m²-180kg/m 导热系数A-0.066w/（mK0，蓄热系数Sc-0.81w（m²K））等 能住宅和节能公共建筑的推广十分重要.
第三，复合墙体保 温技术的使用全寿命成本低于外保温技术.
目前国内常用的主要外墙保温材料的对比研究，最后选定在 预制外壤板的中心部位采用聚苯乙烯板[EPS).
因该部位保 【作者简介】案新（1966-），男，本科，副总工程师，高级工程 温材料厚度可以根据不同要求进行调整，而EPS板的质轻、 师，联系地址：上海市武炎路150号（200050）.
价低、导热系数小的特点与之非营匹配，况且保温材料被密 【收稿日期】2010-03-12 • 463 •
S 票新：预制复合保温外墙板设计研究与应用 5/2010 封于板内，其耐火性差、易吸潮等特点在与外部环境隔绝的 3.21复合保温墙板内外板间进楼设计 情况下均不存在：在板的边缘部位（包括板体与承重构件连 [1]新型FRP连接件 接部位）采用20mm厚XPS保温，是基于较小的保温层厚度 堵体保温形式确定后，如何将外板一保温板一内板相 需要更小的材料导热系数，以提供良好的热工性能，同时.
连，使其成为一体以方便现场装配施工，是本研究课题的又 XPS板的较高强度和致密性也能够有效阻断外部环境中的 一关键技术.
传统的湿凝土之间的连接方式为钢筋连接，其 水气进入板体内部，保证内部EPS保温材料处于正常的工况 具有强度高、刷度大等优点，但是钢材导热性能好，若将其应 下.
同时，EPS板与XPS板是技术比较成熟的产品，对于项目 用在内外板问将产生明显的“冷[热）桥”，连接部位有可能产 技术的推广有较大的便利和促进作用.
生“结露“现象：另外钢筋防腐性能差，在松散的保温层内易 3.1.2保温形式研究 锈蚀，影响耐久性.
本设计通过多方比选，最终采用了新型 传统建筑外墙保温构造依保湿材料所处位置而分为外 FRP连接件代替传统的钢筋连接（图3）.
其连接件材科组成、 墙外保温系统、外墙内保温系统、外墙夹心保湿系统、外墙自 横截面几何属性见表1-2 保温系统.
我们的研究项目在综合考虑外墙保温的有效性、 预制外墙板工厂制作的可行性、运输及安装过程中成品保护 的难易程度、成品的耐久性与耐候性等涉及外墙板的材料特 性、制作工艺、运输、安装工艺，拟在轻骨料混凝土自保温外 墙板与预制钢筋混凝土复合自保温外墙板（保温材料夹心设 置）满者间择优.
通过对两者在技术与经济层面的综合比较，最终确定 采用预制钢筋混凝土复合自保温外板（保温材料夹心设 图3预制保温墙体FRP连楼件 置）的设计原型.
表1FRP连接件组成 接着，我们从构件连接、制作和受力层面确定外板厚 FRP选接板 乐 70mm，内板厚50mm，两者之间是为保温材料预留的位置.
树瘤 纤维 为了满足业主提出的隐藏承重结构件要求，保温层采用重量 乙烯基胎树脂E-玻纤工程型料ABS 轻、价格低的EPS板，厚度150mm.
为保证内外面板自身强 表2FRP连接件横微面几何码性 度与别度，在板四周及门窗润口四周内外板均设厚度为 截面积证轴惯性弱轴懂性强物抗胃藏面弱轴抗育减面 200mm的加劲助，在内外加劲助间设20mm厚xPS与夹层 A/mm²艇 I/mm年 I/mm*系数 W/mm²系数W/mm 84841018913903 11719 内保温层相接，并在外板与承重结构间同样置20mm厚 161 XPS，以减小外墙“冷（热）桥“对建筑外围护结构整体热工性 （2）FRP连接件力学性能指标 能的影响（图1，图2）.
经过计算满足节能65的要求.
基于对预制保温墙体及FRP连接件的分析，本设计与同 济大学相关单位研究提出了新型FRP连接件的材料性能指 标（表3）.
为测定FRP连接件沿拉挤方向的拉伸弹性系数与剪切 系数，进行了FRP连接件的拉伸试验与层间剪切试验，试验 在同济大学建筑结构试验室进行.
拉伸性能试验参照国标规范GB/T1447-2005进行（如图 4），共测试了5根1型标准拉伸试件的弹性模量、泊松比和 极限强度.
图1向称准节点 层间剪切试验根据美国ASTMD2344规范采用短梁试验法测 定，共测试了5件短渠（56mm×48mm×25mm）的层间剪切 20提层 强度，材性试验测试结果见表3.
时 表3材性指标与测试结果对比 项目 拉伸强度拉师弹横 治松比 到试规龙GB/T14472005GB/T1447200GB/T14472005ASTMD234 图2水平向标准节点 设诉相标要求 >700MPa >42GPa "* >30MPa 实测值 742MPa 46GPa 0.27 47MPa 3.2复合保温墙境体节点研究 试验数据表明，采用新型FRP连接件，各项指标都达到 464
5/2010 票新：预制复合保温外墙板设计研究与应用 第5期 预期目标.
层的作用.
3.2.2高精度图护体系和低精度结构连接研究 4.2有限元模型 本研究采用预制钢第混凝土复合保温外墙板的目标基 （1）建模方法：预制保温墙体采用分离式模型建模.
混 于工业化预制构件技术的发展，实现高精度的预制构件工厂 凝土采用SOLID65单元：钢筋采用LINKB单元，连接件采用 化流水作业.
为了满足国内现有结构没计规范要求，主体结 SOLID45单元.
有限元模型如图7所示.
构设计仍然采用了技术成熟的现浇钢混凝土剪力墙结构.
但传统现场施工的低精度主体结构与高精度的预制保温外 -2 墙板之间的连接方式是不容回避的.
参考国外技术成熟的体 系及国内现有技术文献，大多是将外墙板按幕墙单元形式与 主体承重结构予以连接，将不可避免出现大体量结构受力构 件暴露于建筑室内空间之中，既影响美现有对使用造成一定 的不便，又与应用工程开发商”室内空间无暴露结构件“的要 a预制保温墙体整体根型 b墙体连接件模型 求相，且此种连接方式连接件制作复奈，精度要求高，同时 -2 耗钢量较大，对工程成本控制产生较大压力.
我们在设计过 程中即通过综合考虑围护结构的保温、防潮防渗、连接可靠 性与易操作性，提出在预制外墙板与承重结构接触面之间预 留钢能接驳器连接的方式，化繁为简，简化建筑外围护结构 的安装工艺.
预制外墙板与承重结构的相互关系见图6，接 驳器的规格数量在满足计算前提下可以根据现场施工确定.
c上下层混凝土板中钢筋模型 .. 图7墙体有限元模型 （2）本构模型：混凝土本构关系采用《混凝土结构设计 规范YG850010-2002所推荐的曲线，如图8所示：钢采用 双折线模型，如图9所示.
图6预制外墙板与承重给构的相互关系 3.3复合保温境板财久性与主体结构耐久性协调关系研究 本研究所采用的预制外墙板围护体系中，预制外墙板内 表为50mm厚钢混凝土板，外表为70mm厚钢筋混凝土 板，两者之间为150mm厚聚苯乙烯保湿板（EPS）.
由于影响 图8沉湖土本构型 图9钢筋本构模型 结构耐久性的因素主要是室外自然环境，故我们的围护结构 与室外环境的界面是70mn厚钢筋混凝土板，板缝以聚合 4.3有限元计算 物砂浆填缝后再以合成高分子密封膏嵌缝.
钢第混凝土面板 （1）自重荷载（模拟设计工况最大值） 可以有效阻止水气进入板内，阻止自然环境中的冻融循环、 墙体在自重荷载作用下，跨中挑度为0.304mm，试验值 大气污染物、碳酸气对外墙板的破坏作用.
外墙饰面所选用 为0.35 mm 的外墙涂料亦对壤板结构起到一定的保护作用.
相比传统围 （2）开裂荷载 护结构的酯体表面以水泥砂浆作为护套和饰面，工业化生产 根据有限元分析结果，下层墙板在短跨方向受到的拉应力较 的钢筋混凝土更具耐久性，与主体结构同寿命.
大，表4为开裂承裁力分析值与试验值的对比.
4预制复合保温外墙板的有限元分析 表4测点统计表 4.1计算模型的简化和假定 有限元分析值(KN/m)试验值(kN/m 计算模型的简化和假定如下： 开裂荷 18.8 （1）为了减少单元数目，以便有限元计算容易收效，预 当荷载为18.8kVm²时，墙体在跨中的主拉应力为 制保温墙体采用对称墙体模型建模，对称边采用对称约束.
3.9MPa，达到了混凝土抗拉强度.
（2）保温夹层的密度小、强度低，建模时不考虑保温夹 墙体开裂荷载的试验值为22kNm.
有限元分析值小于 465
第5期 栗新：预制复合保温外墙板设计研究与应用 5/2010 试验值，其原因主要有两方面：一是由于实际受拉区混凝土 通过有限元计算和试验，说明复合保温墙体承载力很 存在量性变形，使得混凝土的抗拉强度由f提高到rf而在 高，完全能满足墙体构件在制作、运输和安装各阶段的受力 ANSYS分析中不能考虑此影响，故有限元分析值偏小：二是 要求，可以满定预期要求.
由于分级加载时加载级数较大，加载值可能跨过了实际开裂 荷载值，故试验开裂值大于有限元分析值.
5预制复合保温外墙板研究成果的应用 （3）墙体荷载一跨中挽度曲线 本研究成果成功应用到上海市配套商品房康桥镇基地 0 6号地块4号楼”工程，外墙全部采用的预制复合保温墙板 壤体，该工程层数为14层、层高2.8m、建筑面积6900m²、 现浇剪力墙结构.
因开发商考虑销售需要，要求剪力墙、柔预 e 制复合保温围护壤内侧齐平，均不得外露，故复合墙体厚度 230 取270mm，设计将门窗框、电气预留管线及外填所需洞口预 制在复合墙板中，均由工厂制作完成.
在节能、节材、施工进 10 3) 40 度等方面效果明显，节电30.75%、节水36.44%，取得了良好 图10荷载-晚度由线图 社会效益.
6结语 由图10荷载一浇度曲线可知，预制保温墙体在混凝土 开裂前跨中挽度很小，在混凝土开裂时跨中度有限元计算 从以上试验和有限元分析的结果，复合墙体满足工程建 值为4.2mm，试验值为4.9mm，两者较为接近.
墙体变形满 设的强度、刚度、稳定性等方面的要求，同时，根据工程项目 足正常使用要求.
中的成功应用及相关经济效益的分析，说明预制复合保温墙 （4）墙体破坏模式 体技术安全、可靠，在提高了建筑墙体保温性能和质量的同 根据有限元分析结果，当荷载增加到571kN时，预制保 时，缩短了施工周期，加快了建设进度，降低了现场施工作业 温增体下层增板内钢筋屈服，上层混凝土达到极限压应变， 对环境和交通的影响，符合城市综合节能和环保的要求.
该 培体达到极限承载力.
项技术适合多类民用工业建筑，在其建筑寿命期综合成本是 （5）结果分析 经济的，具有良好的推广前景.
（上楼第457页） 4.5设计及施工中应该注意的问题 在陶土管内的连接构件将陶土管固定在陶土管专用挂构件 在墙面陶土板及陶土管的安装过程中，应该极力避免出 上.
现陶土板及陶土管边缘破坏等情况的发生，陶土板及陶土管 固定该排陶土管的同时安放玻璃板，再安装第二排陶土 的安装不完整将极大影响整个墙面观感效果.
因此，在墙面 管，固定玻璃板.
依次自下而上，重复以上过程来完成剩余的 的陶土板及陶土管正式的大面积的安装前，必须在通过材料 陶土管与玻璃板的混合安装.
样板确认后，施工单位制作一定面积的1：1的首期样板实 体模型，供建设单位、设计师等确认后，才可以进行大医积安 0 N定件 装，确保达到墙面的整体设计效果.
波 控不 5结语 不座 目前，践土板等陶土板制品在我国还没有设计、加工、安 装等方面的国家标准及规范.
陶土板材料的生产标准只能参 图6陶土管与玻瑞板的温合安装节点详图 考生产厂家的企业标准和德国工业标准.
施工技术规范也只 4.4陶土板安装允许偏差（表1） 能借签我国行业标准规范《金属与石材幕墙工程技术规范》 (JGJ133）等.
表1陶土板安装允许偏差 允评偏差（mm） 由于陶土板等陶土制品具有良好的抗震和通风换气性 项 日 检查方法 墙面平面度 ≤2.5 2m言尺、钢板尺 能，其硬度、外现、稳定性、使用寿命、安装工艺等诸多方面都 坚维直线度 <2.5 2m言尺、钢板尺 有着相当明显的优势，加上没有光污染和无辐射的特性. 目 横缝直线度 <2.5 2m尺、钢板尺 缝宽度（与设计值比较） 前我国已经具备大量应用的条件，相信不久的将来，陶土板 ±2 两相年面板之间端缝高饭系 ≤1.0 深度尺 等陶土制品在我国会有较快发展，其设计应用及施工技术也 定会得到完善. 466
