装配式建筑是国家“十三五”规划重点发展的建筑形式,也是建筑业生产方式变革、推广绿色低碳、精益建造的重要举措。与此同时,发展先进适用的装配式建筑体系,推进建筑装修的建筑部品体系发展和应用也是当前建筑业的重要方面。随着社会的发展,越来越多的新型建筑形式不断涌现,先进的设计思潮伴随而来的是建筑外观形式的多样化发展,装配式建筑越来越多地应用到公共建筑领域,给设计、材料和装饰施工技术带来了挑战和机遇。随着国家对建筑节能和质量安全的更加重视,制定装配式建筑设计、构配件生产、施工装修、质量检验和工程验收等规范,完善模数协调、部品部件协调等技术标准,加强关键共性技术研发应用迫在眉睫^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} 。

GRC(玻璃纤维增强水泥)是以硅酸盐水泥为基体原材料,以耐碱玻璃纤维、天然植物纤维等为增强体,混入化学添加剂预制而成的环保型复合材料,具有轻质、高强、保温隔热、防水、防火、可加工性能好、价格适中等优点,通过设计和表面纹理处理,可以达到非常好的艺术效果。目前在国内外的一些大型公共建筑外装修中均有应用,如广州大剧院、武昌起义纪念馆、南京青奥会议中心等。GRC由于其较高的强度,使得单块板材的尺寸可以根据设计进行分割,最大可达5m以上,而且可以根据设计师需要预制成不同的规格和形式,完美呈现建筑原本的造型和特殊纹理,近年广受市场青睐^[5] 。

南京青奥会议中心地处南京市河西新城燕山路和乐山路交汇处,总建筑面积约194 000m²,其中地下2层,建筑面积80 000m²,地上6层,建筑面积114 000m²,建筑高度46.9m,结构采用钢结构。地上6层由4大功能区组成:会议中心(2 181座)、展览中心、商业中心和音乐厅(505座)。该建筑由世界著名解构主义建筑大师扎哈·哈迪德设计,地上6层会议中心建筑外形似一艘太空飞船,无规则侧面,造型复杂,富有动感和现代化气息(见图1)。该工程幕墙面积约130 000m²,是目前国内单体面积最大的GRC幕墙工程。

该幕墙构造独特,结构受力复杂,对GRC材料的性能要求较高,经深化设计及力学计算分析,确定GRC板材厚度为15mm,其物理力学性能指标如表1所示^[2] 。水泥采用低碱度的白水泥和Zr O₂>16%的耐碱玻璃纤维,骨料则采用优质河砂,减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂,减水剂掺量以水泥砂浆流动度相同为原则。由于GRC材料密实度较高,因而具有良好的抗渗透性,可以保证GRC板材具有很好的抗冻性。GRC组分的特点也使得材料的耐火性能优异,为不燃性材料(见图2)。

1)该工程幕墙及屋面板结构复杂,对幕墙进行深化设计后,沿着分层统一斜向线和凹形窗板块分缝,将板块划分为平板(45 000m²)、折板(42 000m²)、双曲面板(30 000m²)和单曲面板(18 000m²),总计12 500块,最大板块面积26m²,最小的约1m²,板块单边最大尺寸6m。

2)会议中心钢结构及幕墙结构

会议中心地上主体结构为全钢结构,主体建筑整体构造独特、结构复杂,造型为不规则,钢结构安装难度大。地下部分钢结构工程量约为5 000t,地上部分钢结构工程量约为40 000t,整体钢结构总重约45 000t,构件总数量约为24 000件。钢结构体系复杂、钢桁架跨度不一,最大跨度为78m,钢桁架最大质量为92t。2万多个构件均为独立尺寸,无任何相同构件(见图3)^[2] 。

会议中心幕墙造型复杂,曲面转角流畅,侧面为不规则非线性面,窗户错落镶嵌,外墙及屋面主要采用的GRC幕墙系统面积约95 000m²,系统包括二次结构系统、保温系统、防水系统、GRC板系统等。所有的外装GRC板也没有一块相同尺寸,由设计师在三维软件上先行设计,再制作模板,最后做成GRC板。每一块板都需要深化设计、放样加工,安装过程中必须严格控制拼接,保证拼缝均匀和一致,施工难度极大(见图4)。

对于幕墙安装节点构造,GRC平板是通过主桁架牛腿与板背负的方钢钢架采用螺栓柔性连接的方式。对于折板安装节点构造,采用将GRC板背负钢骨架与次结构安装龙骨螺栓连接的方式,主钢结构上先安装支撑次龙骨,次龙骨上对应GRC背负钢架的安装点预装连接角码,GRC板就位后再用螺栓进行固定。

钢结构主龙骨安装完毕以后,进行次龙骨的安装,次龙骨方钢管应符合国家标准要求,钢管壁厚≥3mm,按焊接规范要求进行焊接组装后,再进行整体热浸镀锌处理(镀锌要求≥750g/m²),保证内外镀锌层厚度达到70μm以上,确保防腐性能满足设计要求(见图6),同时对主龙骨钢管内侧涂刷3遍防锈漆;次龙骨在安装时,根据深化设计图纸,确定好预留凹形窗位置及尺寸;在次龙骨上铺装镀锌铁皮,采用栓钉进行固定。

在已施工好1层镀锌铁皮的内外两侧满铺保温岩棉,镀锌铁皮内侧岩棉用帆布进行覆盖包裹并固定,在镀锌铁皮外侧铺好保温岩棉后,在岩棉上再铺设1层镀锌铁皮,将镀锌铁皮固定在次龙骨上,节点处涂刷防腐漆。该工程GRC幕墙防水层施工是关键工艺之一,由于镀锌铁皮底层是保温层,如防水层遭遇破坏,会直接影响到保温层的工效和建筑功能的正常发挥,为此,在考虑GRC自防水的情况下,在镀锌铁皮上施工1层柔性防水层,从而起到2层防水的效果,牛腿部位防水应重点加强。

根据幕墙及屋面板深化设计图,准备GRC板材,对板材逐一编号,根据现场进度节点安排材料进场计划,由于现场场地限制,只能在临近项目现场设置大面积GRC板材堆场,满足施工高峰期材料供应需求,确保工期目标的实现,由于施工现场各专业队伍交叉施工,材料堆场狭小,GRC板安装精度要求高,采用塔式起重机吊装难度较大,周转不灵活,为此GRC板安装采用电动葫芦和汽车式起重机方式进行,吊装前通过小推车将待安装板块运到安装位置下方的地面上,在待安装位置上方设置电动葫芦,电动葫芦离主肋表面500mm,固定电动葫芦的钢梁一端支撑在结构楼层上,一端支撑在脚手架上。通过电动葫芦将待安装板块吊运到安装位置进行安装,对于倾斜幅度较大的墙面采用汽车式起重机进行安装。吊装过程中必须注意保护GRC板棱角不受碰撞损坏,为避免钢丝绳与GRC板直接接触,用半圆管或橡胶垫在钢丝绳与网架板直接接触部位做保护。

采用三维数字定位技术,在牛腿上固定坐标支架,将坐标支架的坐标标记在板缝的中心线上,然后纵横方向拉设成网格线,依次以网格线为基准,确定GRC板安装的准确位置,误差控制在3mm以内,连接固定。GRC屋面板吊装完成后形成的板缝宽度为15mm,在板缝企口处用海绵棒填充,不得漏空,再用耐候密封胶进行封堵。对GRC幕墙和屋面板进行憎水处理,板材表面采用纳米催化材料,从而可以使得板材具有降雨自洁功能。

本工程工期紧,高空作业多,施工难度大,加之幕墙安装精度要求高,质量控制严格,在前期施工准备和施工过程中,主要从以下几点严格控制GRC施工质量和现场安全。

1)严把材料进场质量关,对每一批次进场GRC板材逐一编号,建立数字档案,采用全站仪精确定位放线,控制好板材整体安装精度和变形,同时做好安装后板材的成品保护。

2)现场安装中注意对工人进行详细技术交底,GRC幕墙安装涉及工序多,质量要求高,为此需要对关键控制点进行把关,如细部构造层次处理、防水层施工(尤其牛腿部位防水处理)等。

3)结构为异形非线性GRC幕墙,主体钢龙骨安装过程中应时刻提醒工人做好安全防护工作,确保生命线能有效发挥作用,同时设计专门的爬梯及可移动悬挂式脚手架满足倒T形幕墙施工需要。

4)针对不同部位的特点,分别采用汽车式起重机、卷扬机等进行GRC板材的安装,确保施工质量。

1)GRC板在工厂定尺加工制作,其GRC预制板单元模块的大小可根据工程实际跨度进行划分,GRC幕墙及屋面板施工速度快,缩短施工工期。

2)GRC幕墙及屋面板施工减少了现场湿作业,安装效率高,可有效保护环境,满足现场文明施工及绿色施工要求。

3)GRC生产控制和安装过程运用数字三维技术,较好地解决了模具制作、产品尺寸控制、接缝控制难题,将复杂面的三维定点误差控制在3mm以内,幕墙板背负的钢架安装点误差也能较好地控制在连接角码的误差调节范围内。

4)GRC幕墙和屋面板在南京青奥会议中心大面积的应用,促进了预制装配绿色建筑板材在装饰领域的创新发展和应用,适用于建筑工业化发展方向,可为同类工程应用提供参考和借鉴。