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超高层建筑中加气混凝土条板的运用

添加时间:2021/07/30

  摘    要:通过总结非承重内隔墙在选用时需考虑的结构、变形、耐火等因素;中信大厦地上核心筒、设备及避难层选用了加气混凝土条板,地下采用了砂加气混凝土砌块,地上核心筒外使用空间则选用更灵活的轻钢龙骨石膏板及成品隔断。对比分析了纸面石膏板与加气混凝土板两种常用非承重内隔墙在超高层建筑中的适用性,可以看出,加气混凝土条板自身的性能指标足够满足超高层建筑的需求,但其施工过程中通常采用较为简单的节点,导致整体墙体系统薄弱,针对超高层建筑的应用及安装节点提出了建议,为保证整体墙体系统的性能奠定了基础。

  关键词:加气混凝土条板;超高层建筑;

  Abstract:The structure,deformation,fire resistance and other factors that need to be considered when selecting non-load-bearing internal partition walls are summarized. Aerated concrete slabs are used for the above-ground core tube,equipment and refuge layer of CITIC Tower,sand aerated concrete blocks are used for the underground layer,and the more flexible light steel keel gypsum board and finished partitions are used for the space outside the above-ground core tube. The applicability of two commonly used non-load-bearing internal partition walls,paper-covered gypsum board and aerated concrete slab,in super high-rise buildings is compared and analyzed. The results show that the performance indicators of aerated concrete slabs are sufficient to meet the needs of super high-rise buildings,but relatively simple nodes are usually used in the construction process,resulting in a weak overall wall system. This paper puts forward suggestions for the application and installation nodes of aerated concrete slab in super high-rise buildings. It lays the foundation to ensure the performance of the overall wall system.

  Keyword:aerated concrete slab; super high rise building;

  0 引言

  非承重内隔墙的选用需要考虑以下因素及设计要求:

  (1)结构因素:内隔墙系统不承担外部荷载、但要承担自身重力荷载,并保证其侧向受力的稳定性;同时对于超高层建筑,其自身质量不仅对基层楼层板有反作用要求,而且累加质量对整体大楼的自重有一定影响。

  (2)变形因素:内隔墙系统要承受建筑物在风作用和地震作用下出现的整体结构变形,同时自身也会因温差等效应产生变形,通过结构层间位移角进行定量要求。这也是超高层建筑特有需要考虑的因素。

  (3)耐火因素:内隔墙要有足够的耐火性能,通过耐火极限进行定量要求。

  (4)密闭因素:内隔墙系统要有足够的密闭性能,特别在结构变形情况下保持密闭性能。

  (5)性能因素:内隔墙系统根据使用功能不同还需要具备隔声、防水、隔热等性能,此项性能也可通过附加构造层来增强。

  (6)建造因素:超高层建筑更适用现场拼装的干作业墙体,以提高建造速度。

  (7)耐用因素:内隔墙系统要能保障在各种室内环境下的耐用度。

  (8)成本因素:内隔墙系统的建造成本存在差异,要通过综合经济技术比选对造价进行控制。

  (9)灵活因素:内隔墙系统应能根据功能要求,进行灵活的改变。

  (10)空间因素:墙体厚度是墙体性能的决定因素之一,也是影响使用率的因素。

  在充分分析、论证了上述因素后,北京中信大厦地上核心筒、设备层及避难层选用了加气混凝土条板,地下采用了砂加气混凝土砌块,地上核心筒外使用空间则选用更灵活的轻钢龙骨石膏板及成品隔断。

  1 加气混凝土条板对于超高层建筑的适用性

  1.1 超高层建筑结构专业对水平变形和荷载的限制

  中信大厦主体结构为核心筒+巨柱+钢桁架体系,其中核心筒为型钢混凝土剪力墙结构,巨柱为钢骨结构。楼层的楼板梁为钢梁,楼板为组合结构(底层钢板+上层钢筋混凝土)。

  对于风作用下层间位移角的控制要求最大层间位移角为1/500.例如层高4.5 m的普通楼层,最大层间水平变形值约10 mm,这就要求建筑内隔墙的选择也应该能够适应这一变形要求。

  地震作用下层间位移角控制要求:小震不损坏,最大层间位移角1/500;中震可修复损坏,最大层间位移角1/500~1/100;大震不倒塌,最大层间位移角1/100.

  由于超高层建筑自重大,减轻荷载对于结构合理性有极其重要的作用,因此在核心筒外空间未采用加气混凝土条板,除了适用灵活性要求外,荷载也是重要考虑因素。

  1.2 超高层建筑电梯井道活塞效应

  高速电梯在井道运行时,会产生较大的活塞效应,尤其是单井道电梯(双井道或多井道电梯运行方向不同会对活塞效应有一定消减,同时因为井道合并空间较大而减弱活塞效应)。中信大厦虽然对高速电梯尽可能采用多井道布置方式,但通过模拟,高速穿梭电梯依然会有墙体内外最大压力差达到270 Pa.

  1.3 室内墙体隔声性能

  超高层建筑的高速电梯及设备机房均有较大的低频噪声,具有较高强度的砌块或条板隔墙隔声性能较好,通常150mm厚隔墙隔声性能可以达到45 d B,200 mm厚可以达到50d B.中信大厦的声学要求极其严格,要求所采用的条板必须出具声学检测报告方可应用。

  1.4 耐火性能要求

  超高层建筑的消防安全应立足于自救,而加气混凝土条板具有优良的耐火性能,其耐火极限通常远大于消防规范要求,对于建筑防火抗火性能的提高有较大帮助。

  1.5 风环境要求

  对于超高层建筑,核心筒内有大量竖向通道,井道墙体的气密性能对于控制烟囱效应有重要贡献。

  1.6 耐用度

  机电设备机房、管井及电梯井道的分隔墙需要足够的耐用度,以保障建筑运营维护压力。

  1.7 经济因素

  超高层建筑的垂直运输能力受限,减少湿作业、现场作业对于控制工期及造价有较大贡献。加气混凝土条板其自身表面平整,6~8 mm的薄抹灰甚至采用专用饰面剂即可以满足涂料面层、面砖面层的基层要求,而普通砌块墙通常要20 mm厚的砂浆,单从装饰湿作业的工作量来讲,就减少了1/2~2/3的工作量。

  1.8

  常用超高层建筑非承重内隔墙墙体材料性能对比分析(见表1)

  2 超高层建筑加气混凝土条板构造研究

  加气混凝土条板自身的性能指标足够满足超高层建筑的需求,但是条板没有大量应用的原因,部分来自于其施工过程中通常采用较为简单的节点,导致条板在拼接和安装时的缝隙成为整体墙体系统的薄弱环节。在确定墙体材料后,针对超高层建筑的特殊需求设计的专用节点,为保证整体墙体系统的性能奠定了基础。

  2.1 加气混凝土条板节点构造研究概述

  采用加气混凝土条板围合的空间(机电设备用房、管井、电梯井壁、疏散楼梯)要满足自身稳定、结构变形、水平荷载、耐火极限、密闭性能等要求。这些外界要求需要通过墙板本身、板与板的连接方式、板与结构主体的固定方式及板缝的处理方式来实现。

  在地震作用和风作用下,结构会发生较大的水平位移,这要求墙板能发生随动,保证墙板本身不发生损坏和开裂。

  首先要求加气混凝土条板本身要有足够的弹性变形能力,同时板与结构骨架顶部采用可吸收水平变形能力的节点,保证墙体的每块墙板的变形都在允许范畴内。

  墙体的密闭性能至关重要,板缝隙之间要进行可靠彻底的密闭处理,这是达到隔声、耐火、气密性能的基础。

  通过对现有蒸压轻质加气混凝土条板研究,提出蒸压轻质加气混凝土条板的一些节点构造做法的建议:(1)墙板与墙板的水平连接处采用TU槽,TU槽使板与板之间的缝隙空间为TU型空间,提高墙体密闭、隔声、耐火等性能,且方便安装。(2)板与结构主体的连接方式底部采用U型槽钢刚性连接,顶部用L型"勾头"螺栓把混凝土条板固定在L型通长角钢的方式,具有一定的弹性连接特点,且方便安装。(3)墙体与结构骨架水平方向的缝隙采用岩棉填充和密闭胶密封的做法,保证板缝在一定变形范围内不开裂、不通透。

  2.2 加气混凝土板与结构骨架的连接方式

  (见图1、图2)

  2.3 加气混凝土条板间的连接方式(见图3)
 

  2.4 与传统节点的对比

  加气混凝土条板并不是新兴材料,在日本已经应用了将近20年,在我国使用也在10年以上。但应用范围远不如日本,除了砌块这种材料的经济性,以及砌筑人工成本低外,其自身暴露的缺点也导致应用一直无法大范围扩展。从2017年国家大力推动建筑向预制化发展以来,促使这种材料开始广泛应用。但这种应用并不是以施工节点的优化为前提,导致在一定时间后对这种优质材料的负面反馈,甚至导致严重的质量后果。因此希望更多的设计师、业主、施工方能够深入了解这种材料,正确应用。

  中信大厦采用的条板节点上连接使用了"勾头"螺栓,与主体牢固焊接,并用砂浆覆盖,大洞口采用了角钢过梁、竖向龙骨,下节点采用U型槽通长设置,既保证了条板与主体的牢固连接,也允许条板在建筑有些微位移时的变形量。针对这种节点,金隅公司专门进行了抗震实验,结果证明这种连接节点有优异的抗震性能。反观传统节点,通常下节点采用木楔子,木楔插入墙体下部时造成的缝隙,仅简单用水泥填塞,后填塞的水泥可能会造成大量空隙上节点采用U型卡,其与结构的缝隙通常不做任何处理,靠下节点的木楔插入减少缝隙,而这个缝隙无论多小,都是存在的。这样的节点无论是声学、防火还是抗震性能都无法保证,当其应用于防火墙时,如果完全暴露在外的U型卡失效,墙体倾覆的可能性极大,一旦倾覆,即使墙体自身有优良的耐火性能,也形同虚设。

  至于水平节点,除采用了TU槽外,为了保证气密性,还在侧边贴覆岩棉条,在条板间挤压安装时,保证了缝隙的严密,岩棉也应用于与其他材料的平口连接处。而传统节点通常仅靠砂浆挤压密闭条板间缝隙,普通建筑应用时可能没有问题,当应用于有变形的建筑,例如超高层建筑时,轻微变形也会导致水泥砂浆硬连接的失效而产生缝隙。

  2.5 施工过程中的优化

  由于施工的实际情况,加气混凝土条板设计需经过一系列调整。

  2.5.1 条板厚度变化

  出于声学的要求,设计在设备机房、可能产生噪声的电梯井道均采用了200 mm厚的钢筋混凝土条板,以得到50 d B的隔声量,但在实际施工中,随着高度的提升,200 mm厚条板对于施工运输及施工堆场、施工界面都形成了较大压力。因此在过程中对200 mm厚条板进行了专项研究,通过对空间需求进行精细分析,仅在高速电梯井道保留了极少的200 mm厚条板,以保证其可以应对高速运行时产生的气压,其余条板均减少至150 mm厚。在有声学要求的部位采用增加岩棉隔声的措施来保证整体隔声量,或采用双层墙体。施工希望可以减少至100 mm厚,但100 mm厚的条板墙体无法采用TU槽,这意味即使墙体自身性能可以满足空间需求,由于节点密闭性的降低,墙体整体性能可能无法达到设计预期,同时因中信大厦层高较高,即使修改为100 mm厚墙体,部分可以修改的部位也已经达到其高度极限,因此综合考量,最终维持了150 mm厚的选择。

  2.5.2 条板机电安装要求

  在选择加气混凝土条板时,其可以采用专用工具完成机电末端的埋设也是考量的因素之一。但实际实施时,由于已经施工的地下室墙体上机电末端出现反复,对墙体破坏较大,因此采用了管线明敷的方案。管线明敷确保了条板墙体的完整性,但也牺牲了部分空间的视觉效果。

  2.6 应用展望

  设计原本希望加气混凝土条板的安装能够达到较先进的水平,因此也启动研究了DL工法,希望采用更简洁的栓接节点来替代现有的"勾头"螺栓,减少焊接工作。焊接无疑对工作环境及人工要求更高,也对施工防火有更大的压力,而栓接相对会简单的多。但这项工作启动较晚,而且由于其对条板生产有更高要求,造价将更高,因此很遗憾没有在这个项目中实施,但这种工法应该是今后发展的方向。

  3 其他项目应用情况

  由于部分项目对于条板质量控制及施工节点控制没有达到应有的要求,导致效果并不理想,从而对进一步推广这种优质产品带来了负面作用。例如,在笔者设计的另外一个宿舍楼项目中,也选用了加气混凝土条板,但实际建成后隔声效果并不理想。推测有以下原因:

  (1)条板本身质量未达到设计要求。中信大厦的条板隔声需要提供声学顾问测定的试验结果,且经过设计确认,但宿舍楼项目设计仅提供要求,未完全跟踪其落实情况。

  (2)节点未做槽间加岩棉的要求,可能的缝隙会降低整体隔声效果。

  (3)宿舍楼最常见的是插座在同一位置上,现场开槽封堵不严或出现插座完全对穿现象会造成隔声的失效。虽然在设计说明及交底时再三明确不能对穿,但不可避免有对穿现象存在。

  4 结语

  中信大厦是首个大量应用加气混凝土条板的超高层建筑,上海环球中心仅在超高速电梯井道中应用了这种墙体材料,虽然应用量较多,但也限于电梯井道和楼梯间,而中信大厦在分析了条板与轻钢龙骨石膏板墙体的优缺点后,首次在核心筒内以及设备避难层大量应用,以取得更好的防火、声学、气密性能,并根据其特点制定了性能标准和专用节点。设计专门制定了技术规格书,从条板的隔声性能、防火性能、抗冲击性能、传热系数、质量损失等方面规定了性能指标,保障了使用的条板基本质量。从性能指标和节点控制的双控才能保障加气混凝土条板的最终效果,才能更好地推广这种优质产品。

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