纯干货!关于国内外三明治墙板设计的思考

来源：深圳市现代营造科技有限公司  作者：谷明旺

常规外墙保温材料多数有可燃性、易老化，火灾危险性较大且寿命有限，发达国家把保温材料夹在两层不燃材料之间，形成了三明治墙板，解决了以上缺陷。三明治墙板技术经过40多年的不断进化，预制混凝土的三明治墙板技术逐渐成熟，并形成了非组合式、组合式、部分组合式3类三明治墙板，其中的保温拉接件也从普通碳钢、不锈钢等金属材料向尼龙塑料、复合材料等非金属材质过渡，不同保温拉结件产品的三明治墙板设计和技术要求差异很大，本文简述三明治墙板的技术发展过程并着重介绍非组合三明治墙板的设计要点，供同行参考。

非人工室内环境条件并不能完全满足日常生活的需求。我国北方地区冬季普遍具有采暖措施、夏天需要制冷空调，一般采暖季约4个月、空调季约2~3个月。南方地区需要长期使用制冷空调，以深圳为例，空调使用期长达9个月，普通家庭的空调电费远超过北方的采暖费用支出，节能潜力已经超过北方。随着生活水平的提高，国内建筑能耗日益增高，因此无论南方还是北方都开始重视外墙的保温节能问题。

常用的外墙保温材料主要分为有机和无机两类。无机保温材料以岩棉和矿棉制品为主，多数为不可燃烧产品，但多数为松散性材料、价格较贵，存在受潮后保温性能下降等缺陷。常用的有机保温材料为聚苯板、EPS（模塑聚苯板）、XPS（挤塑聚苯板），其具有保温隔热性能好、整体性好、不易吸水、价格便宜等优点，但同时具有可燃、易老化等缺点，直接应用于墙体外皮容易老化（图1），不能与建筑同寿命，使用期间不但翻修成本高，火灾危险性也很大。

▲ 图1 有机保温板外装饰脱落

如果把有机的保温材料夹在两层不可燃烧的建筑材料之间，形成三明治形式的三明治墙板，就可以有效解决以上的不足，不但价格便宜，且可以使保温与建筑同寿命。随着混凝土建筑成为主流以及建筑工业化的发展，混凝土夹心三明治墙板技术在国内工程的应用数量不断上升，由于三层材料之间没有相容性，必须使用保温拉接件穿透保温层并锚入两层混凝土之中，如何保证墙板构件在符合保温节能的前提下，同时满足墙板整体性、受力安全、与建筑同寿命等要求，成为了行业需要解决的新问题。

三明治墙板技术起源于欧美发达国家的气候寒冷地区，并逐渐向气候温暖地区发展，至今已有50年的历史，分为现浇和预制两种生产方式，由于预制生产作业条件较好，墙板的质量更有保证，逐渐成为主流。

预制混凝土三明治墙板刚刚出现时，考虑的主要因素是解决三层构造之间连接的可靠性，一般采用普通碳钢作为保温拉接件，拉接件的形式多样（图2），为了连接可靠，甚至采用单片的钢筋焊架作为拉接件（图3）。

▲ 图2 不同形式的金属保温拉接件

▲ 图3 金属桁架式保温拉接件及构造示意图（芬兰佩克）

金属保温拉接件具有一定的导热性，有可能形成冷热桥而造成热损失，这一过程是肉眼无法看见的，但可以通过红外成像仪观测到，图5的金属拉接件穿过保温板形成冷热桥，在红外线照片中，红点部位的冷热桥清晰可见。

▲ 图4 金属拉接件

▲ 图5 观测到的三明治墙板冷热桥

用不锈钢制作的拉接件导热系数远低于普通碳钢，可以减少拉接件的热损失，同时提高了拉接件的耐久性，逐渐形成系统的不锈钢拉接件产品，例如哈芬保温拉接件系统，在欧洲地区应用广泛（图6、图7）。

▲ 图6 不锈钢保温拉接件系统

▲ 图7 不锈钢抗扭和抗剪拉接件及构造方法

为了杜绝冷热桥，人们想到了用非金属材料来制作拉接件，如高强尼龙、高强塑料等，但这类拉结件一般存在易老化和塑性疲劳的问题，甚至出现过严重的质量安全问题，已经逐渐被市场淘汰（图8）。

▲ 图8 美国某项目采用的尼龙（塑料）拉接件出现了严重的质量事故

上世纪八十年代，高强复合材料技术开始兴起，如GFRP（玻璃纤维复合）、BFRP（玄武岩纤维复合）、CFRP（碳纤维复合）等材料，由于复合材料强度高、导热系数低、弹性和韧性好，被用作制造保温拉接件的理想材料，美国艾奥瓦州CTC公司的Thermomass品牌保温拉接件就是用GFRP材料制成，历经35年的发展，已经在美国、加拿大、澳大利亚等国普及（图9）。

▲ Thermomass品牌的MS/MC型

▲ Thermomass品牌的CC型

▲ Thermomass品牌的CIP型保温拉接件

█  2、设计方法概述

三明治墙板在应用发展过程中，其设计理论也在不断地进化，美国科学家对不同的内、外叶墙组合形式进行了系统的研究，根据不同的构造型式及受力特性，将三明治墙板划分为组合式、非组合式、部分组合式三大类。

对于组合式三明治墙板，一般被设计成内、外叶墙共同受力，具有较好的经济性，目前仅在美国部分低层建筑中得到应用，能否应用于高层建筑，仍需继续进行研究。

对于非组合式三明治墙板，外叶墙只是作为保护层使用，不与内叶墙发生组合，外叶墙的自重完全由内叶墙承担，并且外叶墙基本不参与内叶墙的受力分配，内叶墙和外叶墙的受力和温度变形行为完全独立，这就要求保温拉接件在侧向具有较好的抗弯、抗剪强度和足够的弹性和韧性，当外叶墙在温度变化时可以自由胀缩，能够基本消除温度应力，保护外叶墙混凝土不会开裂，经过大量的实验和30年的实践证明该理论是成立的（图10~图13）。

▲ 图10 Thermomass非组合三明治墙板示意

▲ 图11 Thermomass三明治墙板构造图

▲ 图12 三明治墙板生产过程及成品脱模（美国）

▲ 图13 三明治墙板建筑节能效果热成像照片（美国）

在《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014，纳入了夹心保温外墙技术，在条文说明中明确，我国目前推荐的主要为“非组合三明治墙板”，因此本文着重介绍非组合三明治墙板。

为了保证非组合三明治墙板在正常使用使用过程和生产施工过程的安全，保温拉接件的性能和设计是成功的关键，如果设计或施工不当，可能会影响产品质量和性能，造成使用过程中外叶墙面板开裂、门窗开启困难、墙板之间填缝胶开裂渗水等质量、安全事故，严重的甚至会出现外叶墙板脱落，这些问题在国内外屡见不鲜，多数与保温拉接件的性能、品质及设计使用方法有很大的关系（图14、图15）。

▲ 图14 局部PCF施工中爆裂（国内项目）

▲ 图15 外叶墙开裂严重（国内项目）

█  1、三明治墙板的“非组合”设计要点

保温拉接件垂直穿过保温层两端分别锚入内、外叶墙混凝土中，是形成“非组合”的首要条件；

其次，在拉接件垂直穿过保温板的情况下，如果拉接件刚度越大、布置越密，则组合性越强，内、外叶墙板趋向于共同受力；相反则组合性越弱，内、外叶墙板趋向于行为独立。

内、外叶墙板之间应具备相互滑移的基本条件，以保证外叶墙在温度作用下能够自由胀缩，释放温度应力、防止墙板表面开裂。所使用的保温材料表面应该光滑，以减少摩擦阻力，墙板在刚制作完成时，由于混凝土干缩及摩擦力的存在，会表现为具有一定的组合性，在经历一段时间后摩擦力会消失，即真正成为非组合三明治墙板。

非组合三明治墙板在外叶墙自重、风荷载、地震作用、温度作用下，拉接件将承受拉压力、剪切力作用，同时产生弯曲变形，受力情况非常复杂，因此拉接件产品性能的设计和墙板中拉接件的布置显得尤为重要，下面以美国CTC公司Thermomass品牌的MS、MC型保温拉接件为例，简要介绍非组合三明治墙板的设计方法。

█  2、Thermomass产品介绍

Thermomass保温拉结件由GFRP材料（纤维增强复合材料）制成，该产品品质均一，并具有导热系数低、抗拉和抗剪强度高、抗弯承载能力强、弹性和韧性好的特点，使用时所有的拉结件平行穿过保温板，两端分别锚固在内叶墙和外叶墙混凝土之中，拉结件与混凝土材料的相容性和变形协调性好，物理力学性能指标见表1、表2。

MS、MC、CIP型保温拉结件产品的物理性能指标如表1，MS、MC产品在混凝土中的允许承载力标准值如表2：

表1  Thermomass保温拉结件主要参数指标

表2 Thermomass保温拉结件主要力学参数

注1：单只拉结件允许剪切力和允许锚固抗拉力已经包括了安全系数4.0，内外叶墙的混凝土强度均不宜低于C30，否则允许承载力应按照混凝土强度折减。

注2：设计时应进行验算，单只拉接件的剪切荷载Vs不允许超过Vt，拉力荷载Ps不允许超过Pt，当同时承受拉力和剪力时，要求（Vs/Vt）+（Ps/Pt）≦1。

█  3、非组合三明治墙板拉接件在不同工况下的受力状态分析

为了保证工程安全，应综合考虑保温拉结件在构件生产、运输、吊装和使用工况下的受力状态，如：当构件生产时，如果采用平吊出模时，保温拉接件承受外叶墙自重和动力系数及模板的吸附力，拉力叠加；在运输和起吊过程中，拉接件承受外叶墙自重剪力和动力系数，剪力叠加，同时承受外叶墙偏心弯矩作用下产生的拉压应力；正常使用情况下，在外叶墙自重的作用下产生偏心弯矩，拉接件同时承受自重剪力和拉压应力，在风压力和风吸力作用下，拉接件产生拉压应力，在地震作用下产生水平和垂直位移，使拉结件承受地震剪力，拉结件的受力状态应进行组合计算；对于开洞极不规则的墙板，外叶墙的重心也许与拉接件的布置型心不重合，将导致外叶墙在平面内相对拉接件产生偏心扭矩，使得不同部位的拉接件承受不同方向的剪应力。

从以上分析可以看出，拉结件的实际受力计算是非常复杂的，美国经过30多年的工程实践经验总结，如果拉接件在墙板中的布置比较均匀时，风荷载及外叶墙自重、偏心弯矩、地震等作用下引起的拉压应力非常微小，几乎可以忽略不计，正常使用工况下的受力安全一般由承受的外叶墙自重剪力决定，在生产施工阶段时的受力安全由拉结件在混凝土中的抗拔强度决定，因此，只要分别对以上工况中拉接件受剪力和抗拔荷载进行复核即可。

Thermomass保温拉接件在混凝土中允许锚固抗拔力为1894N~3146N之间（已经包括4倍安全系数），远大于允许抗剪承载承载力323N~677N，即使考虑脱模工况的动力系数和模台吸附力，在正常布置间距下，每只保温拉接件的平均抗拔荷载也不会超过1KN，因此在满足抗剪承载力要求的情况下，允许抗拔力也不需要计算。值得注意的是：拉接件的锚固抗拔力与混凝土的真实强度有关，当混凝土强度较低时脱模，将有可能造成拉接件抗拔破坏。

美国在实际工程应用中，一般通过简化的计算方法进行设计，并提供了直接得到结果的计算程序，以方便设计者应用。需要说明的是，三明治墙板除了受力安全外，为了保证墙板的正常使用功能，防止门窗变形和外叶墙接缝部位密封胶开裂，应该控制外叶墙在自重作用下的垂直位移小于2.54mm（图16）。

▲ 图16 拉接件在正常使用状态下的受力计算模型

█  4、非组合三明治墙板的连接件布置设计步骤：

①首先需要确定保温拉结件选型，并假定拉结件布置间距。

当两层混凝土厚度均大于63mm（2.5in）时，应选用MC型拉接件，当其中一层混凝土厚度小于63mm时，应使用MS型拉接件，规格应根据保温板厚度确定。以沈阳某项目三明治墙板为例，该项目外墙采用以下构造：200厚C40内叶墙+90mm厚XPS保温层+60厚C40外叶墙，由于外叶墙厚度小于63mm，应选用Thermomass的MS型，根据保温板厚度90mm，对应型号为MS90。

②其次对正常使用工况下，假定拉接件布置间距，计算拉接件在外叶墙自重作用下的挠度位移、每只拉接件平均承受的自重剪力是否符合要求，得出单只拉接件可以承受的外叶墙面积，作为设计控制的指标。特殊情况下，例如混凝土强度较低或拉接件布置过稀时，需要验算单只拉接件在生产脱模工况的抗拔荷载是否超过允许抗拔力。

在以上沈阳案例中计算如下：

当拉结件布置间距为400×400mm间距时，根据计算程序可得出：

挠度值△=2.44mm＜2.54mm，且Qg=230N＜462N，满足安全和正常使用要求。

③最后进行保温板和拉结件的布置设计，一般应根据墙板的具体情况绘制保温板和拉结件排布图、三明治墙板剖面构造图。

由于保温板的厚度为90mm，而一般的窗框截面宽度为50mm左右，如果保温板暴露在室内或者室外，就容易损坏保温板影响使用寿命，为了用窗框遮盖住保温板，宜将保温板在窗口部位局部做45度削角，保留部分保温板厚度，以保证不会形成严重的冷热桥（保留厚度不宜小于30mm），见图17、18。

▲ 图17 Thermomass三明治墙板保温及拉接件排版设计图

（按照反打工艺设计，如果采用正打工艺，则削角的方向相反）

▲ 图18 保温板和拉接件尺寸布置图

█  5、其他注意事项

①在南方地区使用的保温板很薄时，拉接件的垂直挠度很小，拉接件布置间距往往由使用工况的抗剪力和生产脱模工况的锚固抗拔力起决定作用。

②在严寒地区使用保温板很厚时，布置间距往往由使用工况下拉接件的挠度变形起控制作用，此时拉接件布置很密，受力不起控制作用。

③为了保证拉接件在混凝土中的锚固可靠，布置时拉接件距墙板边缘尺寸不宜小于150mm，不应小于100mm，为了满足防火要求，距离门窗洞口的尺寸不应小于150mm，拉接件之间的距离不应小于200mm。当个别保温拉接件位置与受力钢筋、灌浆套筒、承重预埋件相碰时，允许把拉接件偏移50~100mm。

④虽然外叶墙不承受结构荷载，但考虑到耐火30分钟的要求，面板厚度不宜小于50mm，对于外叶墙表面有凸凹装饰的构件，外叶墙最薄处不应小于50mm，且总厚度不宜小于60mm。

⑤外叶墙对保温层起保护作用，以达到保温与建筑同寿命之目的，一般厚度很薄且配筋较少，在施工过程中如果受力过大极易破坏，PCF部份如果作为现浇外模板使用，应在设计时采取适当的加固措施。

由于国内对预制三明治墙板的研究和实践的经验较少，在《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014标准中，涉及的内容不多，多数条文仅仅是从概念和定性的角度制定，对设计和生产、施工的指导作用不明显，甚至其中的部分内容还存在认识的误区，笔者结合数年的研究做如下探讨。

█  1、《规程》第4.3.1条、5.3.3条、5.3.4条内容关于墙板接缝的保温防火内容规定是否合理？

这三条主要是考虑外叶墙接缝的构造需要满足防水、防火的要求，内容规定耐候密封胶需要具有防火性能、接缝保温填充材料使用A防火等级，给出的密封胶均为有机类胶材，本身不具有防火性能，从国外经验看，胶材用量很少，不需要考虑胶材自身的防火性能，并且在接缝处不需要填充保温材料，也不需要单独考虑接缝部位的防火性能，因此从防火的角度，这几条的内容值得重新研究。

根据美国CTC公司对三明治墙板的防火试验，用液化气喷枪对墙板的保温板进行30分钟的燃烧试验，发现只有边缘的10CM保温板可以燃烧，并不会引起大面积火灾蔓延，内部的保温材料也不会融化，分析原因是：虽然XPS保温板具有可燃性，遇高温易熔化，但由于内部缺乏氧气，且保温板自身传热效率很低，因此内部温度并没有达到融化和燃烧的程度。（图19）

▲ 图19 Thermomass三明治墙板耐火性试验（室内燃烧4小时，洞口喷火30分钟）

根据国外的研究，外墙之间的接缝做法，存在不密封的“开放式接缝”和使用胶密封的“封闭式接缝”，在有采暖要求的地区只能采用封闭式接缝，缝隙的空腔要求同时具有防水和保温功能，根据国外的研究，在预制外墙板接缝处不宜填充保温材料，而是保持空腔的排水性能更加重要；这是因为小范围的、密闭的空气是天然的保温层，如果填入岩棉材料，一旦有局部的渗漏，会由于岩棉材料的毛细虹吸作用产生积水，因此“预制外墙板的板缝处，应保持墙体保温性能的连续性”是正确的，但是条文说明要求采用A级不燃材料填缝的做法并不科学。下图是墙板缝隙没有绝热材料，只是密封的空腔，通过红外成像仪可以看出缝隙部位并没有严重的冷热桥产生，国外成熟的做法是保持空腔的完整性，在底部设置排水口及时排除冷凝水或渗漏水，做法简单、施工方便（图20、图21）。

▲ 图20 外墙板缝空腔没有保温材料，在密封胶十字缝交接处设有排水

▲ 图21 从红外成像图片可以看出，接缝部位空腔的保温效果很好，冷热桥并不严重

█  2、对南方夏热冬暖地区居住建筑外墙保温节能的必要性探讨

我国绿色建筑和节能方面的标准制定时，在夏热冬冷地区的节能实行“遮阳、通风”为主的原则，对外墙自身的保温隔热要求重视不够，这些地区的空调使用能耗很大，以深圳为例，普通家庭每年的空调使用期为9个月左右，空调电费支出约1万元左右，是北方采暖地区家庭采暖费支出的3倍左右，因此南方地区的外墙节能潜力大于北方地区。

南方地区普遍采用的外墙内保温技术存在众多缺陷，首先是节能效果不能真正达到设计的指标，其次是墙体表面裂缝较多，外墙热胀冷缩变形大容易导致开裂渗漏，如果也仿照北方地区采用聚苯薄抹灰外墙外保温技术，由于风雨天气较多，特别是台风季节，外墙外保温脱落的风险可能不亚于北方地区，如果采用三明治墙板或有更多的优势。

发达国家普遍节能要求较高，所以三明治墙板比较普及，一般在北方地区的保温板会厚一些，而气候炎热的南方保温板会薄一些。

█  3、国内三明治墙板设计普遍存在冷热桥，应该引起重视。

有一种观点认为：在严寒地区气温在零度以下时，冷热桥部位才会出现结霜或结露，在夏热冬冷地区影响不大。其实在一定的室内空气湿度条件下，当内墙表面与室内温差达到12度左右就会结露，例如浴室的温度虽然比较高，但在沐浴过程中镜子表面会出现冷凝水，即使没有达到结露的条件，室内冷热桥部位的表面湿度也会高于室内空气湿度，会引起细菌繁殖，影响室内环境健康，因此应该在设计时尽量避免冷热桥的出现。

国内预制夹心保温外墙只有几年的历史，非组合三明治墙板技术才刚刚兴起，这方面的研究还比较缺乏，各单位积累的设计和施工经验还不多，实际效果有待时间检验，建议可以参考学习国外的成熟经验，加强理论和实践的研究，尽快制定相应的技术和产品标准。由于笔者水平有限难免错漏，欢迎读者一起探讨研究，共同推进我国预制三明治墙板技术的发展。

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