建筑围护体系指建筑物用来遮阳、蔽雨、挡风、防寒、隔热、隔声的部品部件整体。装配式是我国建筑业现阶段的主要发展方向，装配式围护体系是装配式建筑的重要组成部分。钢结构建筑具有良好的产业化性能和装配式特点，是适合装配式建筑推广的建筑体系[1-5]，但适用于钢结构建筑的围护体系一直掣肘装配式钢结构发展，成为装配式钢结构建筑大规模推广应用的瓶颈问题。
本文结合钢结构建筑工程应用实例，从围护体系设计入手，结合围护体系选择比对过程，总结工程经验，并推荐一种基于正态分布假定下的墙板抗力性能设计的计算方法，以期对未来类似的工程具有一定的借鉴意义。
1 工程概况
中冶建筑研究总院有限公司科研试验用房改造项目，位于北京市海淀区，为“AAAAA”级写字楼，同时作为“十三五”国家重点研发计划示范工程，装配率评价达“AAA”级。
该项目总建筑面积约120 000 m2，地上分为三栋建筑，地下局部三层，地上部分:A1楼为钢框架结构，高度30 m；A2楼为混凝土核心筒+钢框架结构，高度45 m；A3楼为钢骨混凝土核心筒+钢框架+减震构件，高度60 m(图1)。
图1 立面示意
Fig.1 Elevation diagram
该建筑围护体系采用内嵌式预制装配式墙板，由于建筑依据能源及环境设计先锋(LEED)金奖要求及绿色建筑三星标准进行设计，对围护墙板的保温要求较高，在满足不明显增加墙体厚度和施工难度的前提下达到外墙板的绿色建筑控制要求，是工程顺利施工亟待解决的问题。
2 墙板设计要求
针对项目节能需求、受力性能和使用需求，对所选墙板提出如下要求：
1)力学性能，抗弯破坏荷载应满足当地风荷载要求和抗震要求，并不应小于1.5倍板自重；外露轻质混凝土抗压强度不应小于3.5 MPa。
2)保温性能，根据热工分区和建筑节能要求，平均传热系数不应低于0.40 W/(m2·K)，主断面传热系数不应大于0.32 W/(m2·K)。
3)隔声性能，计权隔声量不低于48 db。
4)消防性能，防火等级不低于A2级。
3 板型及节点设计
3.1 板型设计
针对本项目关于装配式轻质围护墙板的要求，结合“十三五”课题研发计划，为了减少施工工序，符合装配式建筑主旨，选用复合保温墙板形式。根据建筑要求的墙板厚度，将试验板型厚度确定为275 mm，综合市面常见的多种墙板及保温材料，进行了多种组合尝试，结合板材加工的工艺构造要求确定内、外页板的厚度(图2)。对6种断面形式板型的保温性能进行对比：板型1为轻骨料混凝土+挤塑板复合“三明治”板(图2a)；板型2为聚苯颗粒混凝土+挤塑板复合“三明治”板(图2b)；板型3为不同重度的聚苯乙烯颗粒混凝土复合“三明治”板(图2c)；板型4为彩钢板+岩棉+蒸压轻质混凝土复合墙板(图2d)；板型5为蒸压轻质混凝土轻钢龙骨复合保温墙板(图2e)；板型6为蒸压轻质混凝土+岩棉复合箱型“三明治”板(图2f)。
a—板型1；b—板型2；c—板型3；d—板型4；e—板型5；f—板型6。
图2 墙板断面构造形式
Fig.2 Details of wallboard section
为降低组合墙板的传热系数，板型1～板型3采用φ4不锈钢筋进行内、外层板的拉结，平均间距为200 mm；板型4采用自攻螺钉对彩钢板进行固定；板型5采用D10螺栓将内外层板固定在龙骨上，平均4颗/m2；板型6蒸压轻质混凝土岩棉复合墙板由于加工工艺要求，采用构造肋的方法保证墙板的整体性，墙板构造见图3。
a—平面；b—剖面。
图3 蒸压轻质混凝土岩棉复合墙板构造
Fig.3 Details of ALC+rock wool composite wallboard
根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[6]进行板型主断面传热系数计算，计算中采用非匀质围护结构热阻：
(1a)
(1b)
式中：
为非匀质复合围护结构的热阻；Rou为按热流平行方向计算的总热阻；Rol为按热流垂直方向计算的总热阻；Ri为内表面换热阻；Re为外表面换热阻；K为围护结构平壁的传热系数。
对6种板型的传热系数进行计算，统计如图4所示。
图4 板型传热系数对比
Fig.4 Comparison of heat transfer coefficients of the wallboard
根据所汇总的板材传热系数，对比得出：板型1～板型3的传热系数不满足绿色建筑设计要求；板型4表面金属感观不满足设计方案需求，且钉孔在使用阶段若漏水，则会严重影响岩棉保温性能；板型5虽主断面满足传热系数要求，但因内部含有型钢龙骨，热桥严重。综上考虑，选板型6用作示范应用。
对所选板型6(ALC-125)进行加载试验，以确定板材的极限承载能力[7-9]。板型6的主要组成材料特性为：蒸压轻质混凝土采用A3.5级，干重度为B05级，岩棉密度不小于100 kg/m3。板长4.2 m，加载跨度3.9 m，采用三分点加载，通过分配梁将集中力分配到2个点，试验过程中记录荷载、位移值及裂缝开展情况。墙板的荷载-位移曲线分为三个阶段：第一阶段为弹性阶段，荷载与跨中挠度为线性关系；第二阶段为开裂和裂缝发展阶段，板件在侧肋中间位置出现剪切裂缝，荷载与跨中挠度仍近似为线性关系；第三阶段为下降段，剪切裂缝贯穿试件，导致端部加劲肋破坏，退出抗剪工作，试件发生剪切破坏。荷载-位移曲线如图5所示。
图5 板材试验荷载-位移曲线
Fig.5 Load-displacement curve of the wallboard
墙板破坏前两个侧面和底面的裂缝分布如图6所示，破坏以端部纵肋受剪并掉下为标志，见图7。
a—侧面一；b—底面；c—侧面二。
图6 板材裂缝的产生与发展
Fig.6 Generation and development of cracks of the wallboard
图7 板材最终破坏形式
Fig.7 Final failure made of the wallboard
板材加载试验中，极限集中荷载达到14.5 kN，等效均布荷载为6.66 kN/m2，弹性阶段极限集中荷载为10 kN，等效均布荷载为4.6 kN/m2，远大于设计风荷载，满足设计要求中墙板的力学性能。
由于轻质材料属性、截面形式、配筋方式等不同因素的影响，传统的混凝土截面承载力计算方法并不适用于轻质墙板，并且可靠性也大打折扣[10]。为了寻求一种复合墙板理论承载力计算方法，选择两组不同厚度组合的墙板进行承载力对比试验。试件尺寸厚度分布如表1所示。
表1 对比试件厚度分布
Table 1 Thickness of reference specimens mm
试件各层材料厚度外层材料中间保温层内层材料ALC-1257512575ALC-15062.515062.5
对比试验组(ALC-150)极限集中荷载达到12.3 kN，等效均布荷载为5.69 kN/m2，荷载-位移曲线如图8所示。试验表明两组试验板材刚度和承载力性能表现优秀。
图8 对比试验组ALC-150荷载-位移曲线
Fig.8 Load-displacement curve of contrast experiment (ALC-150)
经过对比发现：两组墙板均发生了剪切破坏。综合板型的“三明治”分层构造，其破坏机制基本可确定为：抗剪承载力不是斜截面承载力，而是侧肋与面层间的竖向截面抗剪承载力。此外还包括在混凝土自应力作用下，其产生的预应力所提供的抗剪承载力，实际荷载剪力值主要与面层厚度和侧面加肋度有关。
由于目前轻质复合墙板所使用的材料与构造形式存在多种样式，剪切破坏的失效模型与普通的混凝土板件模型存在较大差异，难以推定出统一有效的剪切承载力计算方法。采用试验辅助设计的方法[11]，利用一定数量的试验结果推定设计值将是一种简单、高效、实用、可靠的方法。参考GB 50153—2008《工程结构可靠性设计统一标准》[12]以及国际标准ISO 2394-2015《General Principles on Reliability for Structures》[13]的相关条文，在假定抗力值性能符合正态分布的前提下，抗力性能设计值Xd可按式(2)确定[14]。
(2)
式中：mX为抗力值的平均值；SX为抗力值的标准差；knk为标准值单侧容限系数；[γu]为承载力检验系数，受剪斜拉破坏时取1.45，剪压破坏时取1.40。当试件数量n不小于3时才可给出knk值，分位值为0.05时的单侧容限系数按表2取值。
表2 knk取值
Table 2 Values of knk
n345678910knk3.372.632.332.182.082.001.951.92
3.2 节点设计
鉴于该板型外观与传统ALC墙板相同，其板缝处理可参照国标图集03SG715-1《蒸压轻质加气混凝土板(NALC)构造详图》进行。同时，为了加快施工进度，本项目墙板与结构连接并未采用传统勾头螺栓节点，而是采用一种快速拆装的“压片式”节点，节点主要配件如图9所示，安装节点构造见图10。
图9 节点配件
Fig.9 Accessories of connecting joint
该节点在墙板进场后，仅需针对实测的层高数据于板侧现场开设一个螺杆埋设孔即可。因此，现场操作简单，且大大增强了墙板安装对于施工误差的容错性。
图10 安装节点
Fig.10 Connecting joint
4 工程应用
项目实施至今，主体结构已施工验收完毕，新型墙板采用内嵌式连接方式，已全部安装完成，效果良好。经实测，快速拆装节点的施工效率同传统勾头螺栓节点相比，提升约50%。实际施工完成的墙板下端节点见图11，墙板安装过程见图12。
图11 墙板下端安装节点
Fig.11 Connecting joint at the bottom of the wallboard
图12 墙板安装
Fig.12 Installation of the wallboard
5 结束语
结合工程示范应用，进行了新型墙板的设计、比较和试验，最终将优选的ALC与岩棉一体化复合墙板应用在工程中。通过本文的研究，可得以下结论：
1)ALC与岩棉一体化复合墙板能够满足设计的保温、隔声、防火等建筑要求，不需要再做保温。
2)复合墙板的承载力能够满足围护墙板的受力要求。
3)墙板的连接可采用现有的连接方式，不需要重新设计连接节点。
4)由于墙体复合了保温材料，大幅减小了外保温施工面积，施工速度显著提升，具有一定的推广价值。
5)鉴于市场中板材组合的多样性，理论承载力计算式尚无法统一，可通过试验辅助确定墙板的承载力设计值。
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