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石材新工艺在文化建筑外立面上的应用

来源:《建筑幕墙创新与发展》  作者:陈峻  日期:2017-4-20
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  提要:本文通过对目前石材干法施工系统和传统石材砌筑施工系统的优缺点对比,说明现有系统还不能满足新时代文化建筑立面的高标准高要求,文中通过对国外的砌筑石材系统介绍,同时进行剖析和研究、改良,形成针对文化建筑立面实用耐久的新工艺,对今后石材新工艺应用在文化建筑立面、有特殊要求公建项目上的石材立面,提供有益的探索
  关键词:干挂;砌筑;泛碱;耐久性

本文摘自:《建筑幕墙创新与发展》未经许可不得转载

  1 前言

  近年来,国内兴起了一股文化建筑建设的高潮,特别是对于宗教建筑外立面来讲,石材立面的运用最外广泛,在无锡灵山大佛三期工程、南京牛首山文化旅游项目、普陀山观音圣坛等项目中,石材是最大量使用的外墙装饰材料(词条“装饰材料”由行业大百科提供)。随着社会物质文化的繁荣昌盛,人民精神层面的需求会越来越大,文化建筑也会在建筑市场上扮演相当重要的角色,另一方面,近代随着新材料新工艺的大力发展,以及佛教在新历史时期对宗教建筑耐久性的新要求,石材在工艺系统上的革新和进步势在必行。

图1 无锡灵山世界佛教会议中心

  而这类建筑往往坐落在山区或海岛,海岛上面的如普陀山观音法界项目,在酸性海洋性气候下,要达到宗教文化建筑立面历久弥新的耐久性设计要求,给石材的选材和设计带来了挑战。

  建筑立面的耐久性设计,所涉及的方面较多,其中包括面板,无论是玻璃金属、石材、混凝土或GRFC;骨架,以及将墙板固定于结构并传递水平荷载埋件(词条“埋件”由行业大百科提供);板或单元体之间的接缝。另外墙体与基础,与屋面,与其他相邻部位的连接部分,连同洞口都很重要。不同的系统会带来不同的问题,每个相关设计人员设计职责也不相同。建筑物越高,使用越脆以及越重,所存在的安全隐患就越严重。其中渗漏水问题应该是影响耐久性的关键性因素[1]。

  常见的渗漏水原因主要由下面几个方面引起:

  (1) 建筑师、承包商、分包(词条“分包”由行业大百科提供)商、技术顾问没有充分理解防水处理的设计原理;

  (2) 防水设计没有被施工人员或承包商充分理解,彼此缺乏交流、沟通;

  (3) 没有通过加工图纸和组装图,检测和施工监督对设计进行核查;

  (4) 各参与方缺乏协调合作。

  正确的系统防水设计概念除了将水隔离在墙体以外的同时,需要考虑漏气、保温、防止结露、适应结构相对位移等方面影响。所以系统耐久性的提高有耐于高品质的设计、构件、装配、安装、以及各部分的通力合作。要达到百年的设计寿命,除了石材自身的耐久性、科学合理的设计系统,最为关键的因素是完善的检测体系,包括立面幕墙制作、施工过程中以及幕墙系统服役阶段持续检测,同时要有可维护设计的概念。

  2 现行的石材工艺

  2.1 干法施工工艺

  目前常见的干法施工工艺是短槽和背栓形式。

图2 石材短槽形式剖面图

图3 石材短槽形式现场照片

图4 石材背栓形式剖面图

图5 石材背栓形式三维效果图

  从上图可以看到,这类系统采用的是碳钢竖龙骨,通过石材转接挂件(挂钩或背栓)将石材与龙骨连接成一体,密闭式的干挂石材系统都是在石材板块拼缝的地方采用石材专用密封胶密封。而密封胶为有机高分子材料,能否满足一百年甚至几百年的寿命,无法考证。

  另外由国外引进的开敞式石材系统如下图:

图6 开放式干挂石材形式三维效果图

  此时,石材系统的耐久性依靠内部防水板(通常是镀锌钢板)的密闭性、石材板块支座材料及其连接部位的可靠性。而前者防水板需要一个连续完整防水面设计,通常没有像建筑立面那样大面的金属板材直接生产出来,即便生产出来也无法施工。防水板与板之间的密封也是靠胶密封处理。硅酮密封胶也属于有机材料,一百年的设计要求能否保障,同样是个问题。

  2.2 传统石材湿贴(词条“湿贴”由行业大百科提供)工艺

  从砖的湿贴工艺出发,考虑到石材较重,跨度增加后,石材的自重荷载和水平荷载都会引起安全隐患,所以石材的湿贴作法往往用于踢脚线、护边等高度较低的部位。图集中相关表单如下:

图7 湿贴石材图集

  可以看到,在类似于垂直错缝的古代城墙式立面设计非常适合采用石材湿贴系统,图集中只给了跨度六米的做法,这主要是因为湿贴体系的水平荷载传递主要先传到石材背部植筋,然后再从钢筋再连接到主体结构上,同时灌注水泥砂浆(词条“水泥砂浆”由行业大百科提供)也起到一定的结构作用。如果跨层大面采用,如何适应主体结构层间水平位移、竖向位移的问题,无法解决。随着高度的增加,石材的自重如何承担也是一个问题。

  另外,由于石材大面积与水泥接触,其泛碱现象无法忽视。普通混凝土为硅酸盐,遇空气或者墙体内的水气,硅酸根离子发生水解(词条“水解”由行业大百科提供)反应,生成的氢氧根与金属离子(词条“金属离子”由行业大百科提供)结合形成溶解度较小的氢氧化(词条“氧化”由行业大百科提供)物(化学性质为碱性),遇到气温的升高,水蒸气蒸发,将氢氧化物从墙体中析出,随着水分的逐渐蒸发,氢氧化物就被析出于混凝土水泥表面,日积月累,使得原本装饰的涂料或者油漆等物被顶起,不再黏附墙面,就发生泛白、起皮(词条“起皮”由行业大百科提供)脱落,这一过程称之为“泛碱”。

  原因就是硅酸盐水泥的水化反应:

  干水泥+水 水泥浆 (经过凝结、硬化)水泥石

  (1)水泥水化反应生成C-S-H(水化硅酸钙 );氢氧化钙{Ca(OH)2};AFT钙矾石等水化产物。

  (2)氢氧化钙:是一种白色粉末状固体,据有碱的通性,是一种强碱。

  (3)氢氧化钙与空气中二氧化碳反应 Ca(OH)2+CO2=CaCO3 +H2O

图8 普通水泥砂浆填缝的泛碱

  解决水泥泛碱常用方法

  (1)采用水泥砂浆应用前加入水泥砂浆增强剂或抗碱材料。

  (2)采用快凝型胶粘剂(词条“胶粘剂”由行业大百科提供)作为砌筑粘结材料代替水泥砂浆,此类产品应具有粘结强度高、柔韧性好、固化快、密实度高、吸水率低(杜绝泛碱)。

  (3)用石材防护剂对饰面材料花岗岩进行表面防护,达到防水、防污染、防侵蚀的目的。

  (4)砌筑石材外露砂浆接缝尽量做小,按4mm设计。

  (5)保证空心砌体墙的通风和排水(词条“排水”由行业大百科提供)

  3 石材砌筑系统

  3.1 国外的砌筑系统

  目前主要有欧美两套相关系统可供参考。

  (1) Cavity Bearing Walls[2]系统

  美国砌体行业指导手册中砌体墙的系统主要构造原理如下:

图9 砌体墙砌筑三维示意图

图10 砌体墙砌筑平面剖面节点详图

图11 砌体墙砌筑水平拉结筋

  可以看到,如同中国标准图集一样,主体结构和砌块砖之间通过水平加强钢筋提供水平力的支撑,砌块砖和主体结构之间不再是采用水泥砂浆填充,而是采用中空层代替,这样在解决水泥泛碱问题的同时,提供相应的通过排水通道,保证空腔空气流通,解决钢件潮湿生锈的问题。但考虑到石材和砖块的重量相差较大,在应用到跨越楼层的立面大板块石材上时,特便是文化建筑立面中,有一些文案部分的石材雕刻,需要厚重的石材基础,显然还存在一定的问题。

  (2) ANCON系统[3]

图12 砌体墙砌筑三维效果示意图

图13 砌体墙砌筑剖面节点详图

  可以看到,ANCON系统在砌块中间加入承托砖块重量的角钢,有效的解决了重力问题。

  3.2 创新的砌筑系统

  通过研究,结合国外ANCON公司系统、美国砌筑系统的优点,革新一套较为新颖的石材砌筑体系,能较好的解决防水、耐久、安全性问题[4]。

图14 砌筑石材项目照片

  石材的砌体夹层墙系统包括内外两层墙体,这两层砌体墙被空气层隔开并用不锈钢水平连接件、不锈钢槽及必要的支撑钢构架将其连接(如图14)。外层砌体墙用石材砌筑,内层砌体墙根据工程的位置不同采用混凝土实体墙或混凝土砌块等建造。两层砌体墙中间的空气夹层起到保温隔热(词条“隔热”由行业大百科提供)和通风的功能。在内层墙体的外侧有连续的防水层,外层石材砌体墙可作为装饰和防雨墙(如图15)。

图15砌筑石材水平节点详图

  结构上不锈钢水平连接件承担水平荷载,在每层层间设置承重钢结构(词条“钢结构”由行业大百科提供)(角钢),承担每层楼石材的重量,这样可以连续砌筑到较高的楼层。

图16砌筑石材水平节点详图

  4 总结

  4.1 几种石材方案的对比

表1 几种石材系统对比表

系统

成本

防水原理

耐久性

维护

封闭式干挂

一般

依靠石材单元分缝处的密封胶密封

依靠密封胶的质量

密封胶和面材涂层老化后需要维护

开敞式干挂

较高

依靠防水背板,以及背板结合处和挂件穿透处的密封胶密封

依靠密封胶和背板的耐候性

密封胶和面材涂层老化后需要维护,背板锈蚀后的维护困难

传统砌筑和湿贴石材系统

无胶缝,依靠石材面材防水涂料的密闭性

依靠面材防护涂料的耐候性

使用前期石材泛碱现象使得维护平凡

砌筑新工艺

较低

无胶缝,设置缓冲空气层,杜绝密封胶胶缝,实现防水排水相结合

系统合理,效果最佳

基本上立面无需维护

  由上表可见,砌筑石材系统改进会大大提高使用寿命,同时降低成本,相信有广阔的应用前景。

  4.2 可深入研究的方向

  新型的砌筑石材系统结构上讲,自重荷载通过层间的钢托板传递给主体结构,在水平方向上,荷载通过插入石材缝隙中的不锈钢水平连接件传给主体结构,实际上,水平荷载的抵抗是石材这身重量与接缝处快干胶接触面产生的静摩擦力和不锈钢水平连接件的轴向力共同作用完成的,由于摩擦力的分析复杂,目前技术路线是通过抗风性能试验和参考国外的设计手册进行不锈钢连接件的设计。这部分的设计原理定量分析是砌筑石材系统进一步推广的需要攻克的关键技术问题。

  随着文化建筑的兴起,石材作为一个重要历史和自然元素在建筑的历史舞台上注定要继续延续辉煌,而新型砌筑石材系统的日益完善和成熟,防水和材料表面处理的技术也在不断创新,是解决建筑石材立面耐久和防腐蚀设计的新思路。同样,我们也可以考虑针对传统砌砖系统的设计来突破常规,期待本文能抛砖引玉,带动整个文化建筑表皮的创新,为行业发展做出贡献。

  参考文献

  [1] 《外墙设计》,(美)达林.布劳克,2007

  [2] 《Design Guide for Taller Cavity Walls》,MASONRY ADVISORY COUNCIL,2002

  [3] 《Masonry Support Systems & Lintels》Ancon Building Products,2011

  [4] Inhabit Group 提供相关资料,2015

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专家介绍

 陈峻

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司 

技术职称:高工

专业:1、幕墙咨询、顾问 2、建筑表皮设计

专长:1.建筑表皮设计咨询;建筑相关幕墙的规范、标准。 2.建筑幕墙、铝质门窗的技术开发、设计、咨询顾问及施工管理。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2017-4-20/42895-1.htm
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