石材新工藝在文化建筑外立面上的應(yīng)用

本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載

　　1 前言

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興起了一股文化建筑建設(shè)的高潮，特別是對(duì)于宗教建筑外立面來(lái)講，石材立面的運(yùn)用最外廣泛，在無(wú)錫靈山大佛三期工程、南京牛首山文化旅游項(xiàng)目、普陀山觀音圣壇等項(xiàng)目中，石材是最大量使用的外墻裝飾材料（詞條“裝飾材料”由行業(yè)大百科提供）。隨著社會(huì)物質(zhì)文化的繁榮昌盛，人民精神層面的需求會(huì)越來(lái)越大，文化建筑也會(huì)在建筑市場(chǎng)上扮演相當(dāng)重要的角色，另一方面，近代隨著新材料新工藝的大力發(fā)展，以及佛教在新歷史時(shí)期對(duì)宗教建筑耐久性的新要求，石材在工藝系統(tǒng)上的革新和進(jìn)步勢(shì)在必行。

圖1 無(wú)錫靈山世界佛教會(huì)議中心

　　而這類(lèi)建筑往往坐落在山區(qū)或海島，海島上面的如普陀山觀音法界項(xiàng)目，在酸性海洋性氣候下，要達(dá)到宗教文化建筑立面（詞條“建筑立面”由行業(yè)大百科提供）歷久彌新的耐久性設(shè)計(jì)要求，給石材的選材和設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

　　建筑立面的耐久性設(shè)計(jì)，所涉及的方面較多，其中包括面板，無(wú)論是玻璃、金屬、石材、混凝土或GRFC;骨架，以及將墻板固定于結(jié)構(gòu)并傳遞水平荷載的埋件（詞條“埋件”由行業(yè)大百科提供）;板或單元體之間的接縫。另外墻體與基礎(chǔ)，與屋面，與其他相鄰部位的連接部分，連同洞口都很重要。不同的系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)不同的問(wèn)題，每個(gè)相關(guān)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)職責(zé)也不相同。建筑物越高，使用越脆以及越重，所存在的安全隱患就越嚴(yán)重。其中滲漏水問(wèn)題應(yīng)該是影響耐久性的關(guān)鍵性因素[1]。

　　常見(jiàn)的滲漏水原因主要由下面幾個(gè)方面引起：

　　(1) 建筑師、承包商、分包商、技術(shù)顧問(wèn)沒(méi)有充分理解防水處理的設(shè)計(jì)原理;

　　(2) 防水設(shè)計(jì)沒(méi)有被施工人員或承包商充分理解，彼此缺乏交流、溝通;

　　(3) 沒(méi)有通過(guò)加工圖紙和組裝圖，檢測(cè)和施工監(jiān)督對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行核查;

　　(4) 各參與方缺乏協(xié)調(diào)合作。

　　正確的系統(tǒng)防水設(shè)計(jì)概念除了將水隔離在墻體以外的同時(shí)，需要考慮漏氣、保溫、防止結(jié)露、適應(yīng)結(jié)構(gòu)相對(duì)位移等方面影響。所以系統(tǒng)耐久性的提高有耐于高品質(zhì)的設(shè)計(jì)、構(gòu)件、裝配、安裝、以及各部分的通力合作。要達(dá)到百年的設(shè)計(jì)壽命，除了石材自身的耐久性、科學(xué)合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，最為關(guān)鍵的因素是完善的檢測(cè)體系，包括立面幕墻制作、施工過(guò)程中以及幕墻系統(tǒng)服役階段持續(xù)檢測(cè)，同時(shí)要有可維護(hù)設(shè)計(jì)的概念。

　　2 現(xiàn)行的石材工藝

　　2.1 干法施工工藝

　　目前常見(jiàn)的干法施工工藝是短槽和背栓形式。

圖2 石材短槽形式剖面圖

圖3 石材短槽形式現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 石材背栓形式剖面圖

圖5 石材背栓形式三維效果圖

　　從上圖可以看到，這類(lèi)系統(tǒng)采用的是碳鋼（詞條“碳鋼”由行業(yè)大百科提供）橫豎龍骨，通過(guò)石材轉(zhuǎn)接掛件(掛鉤或背栓)將石材與龍骨連接成一體，密閉式的干掛石材系統(tǒng)都是在石材板塊拼縫的地方采用石材專(zhuān)用密封膠密封。而密封膠為有機(jī)高分子材料，能否滿足一百年甚至幾百年的壽命，無(wú)法考證。

　　另外由國(guó)外引進(jìn)的開(kāi)敞式石材系統(tǒng)如下圖：

圖6 開(kāi)放式干掛石材形式三維效果圖

　　此時(shí)，石材系統(tǒng)的耐久性依靠?jī)?nèi)部防水板(通常是鍍鋅鋼板)的密閉性、石材板塊支座材料及其連接部位的可靠性。而前者防水板需要一個(gè)連續(xù)完整防水面設(shè)計(jì)，通常沒(méi)有像建筑立面那樣大面的金屬板材直接生產(chǎn)出來(lái)，即便生產(chǎn)出來(lái)也無(wú)法施工。防水板與板之間的密封也是靠膠密封處理。硅酮密封膠也屬于有機(jī)材料，一百年的設(shè)計(jì)要求能否保障，同樣是個(gè)問(wèn)題。

　　2.2 傳統(tǒng)石材濕貼工藝

　　從磚的濕貼工藝出發(fā)，考慮到石材較重，跨度增加后，石材的自重荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）和水平荷載都會(huì)引起安全隱患，所以石材的濕貼作法往往用于踢腳線、護(hù)邊等高度較低的部位。圖集中相關(guān)表單如下：

圖7 濕貼石材圖集

　　可以看到，在類(lèi)似于垂直錯(cuò)縫的古代城墻式立面設(shè)計(jì)非常適合采用石材濕貼系統(tǒng)，圖集中只給了跨度六米的做法，這主要是因?yàn)闈褓N體系的水平荷載傳遞主要先傳到石材背部植筋，然后再?gòu)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>鋼筋再連接到主體結(jié)構(gòu)上，同時(shí)灌注水泥砂漿（詞條“水泥砂漿”由行業(yè)大百科提供）也起到一定的結(jié)構(gòu)作用。如果跨層大面采用，如何適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)層間水平位移、豎向位移的問(wèn)題，無(wú)法解決。隨著高度的增加，石材的自重如何承擔(dān)也是一個(gè)問(wèn)題。

　　另外，由于石材大面積與水泥接觸，其泛堿現(xiàn)象無(wú)法忽視。普通混凝土為硅酸鹽，遇空氣或者墻體內(nèi)的水氣，硅酸根離子發(fā)生水解（詞條“水解”由行業(yè)大百科提供）反應(yīng)，生成的氫氧根與金屬離子結(jié)合形成溶解度較小的氫氧化物(化學(xué)性質(zhì)為堿性)，遇到氣溫的升高，水蒸氣蒸發(fā)，將氫氧化物從墻體中析出，隨著水分的逐漸蒸發(fā)，氫氧化物就被析出于混凝土水泥表面，日積月累，使得原本裝飾的涂料或者油漆等物被頂起，不再黏附墻面，就發(fā)生泛白、起皮、脫落，這一過(guò)程稱(chēng)之為“泛堿”。

　　原因就是硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)：

　　干水泥+水 水泥漿 (經(jīng)過(guò)凝結(jié)、硬化)水泥石

　　(1)水泥水化反應(yīng)生成C-S-H(水化硅酸鈣 );氫氧化鈣{Ca(OH)2};AFT鈣礬石等水化產(chǎn)物。

　　(2)氫氧化鈣：是一種白色粉末狀固體，據(jù)有堿的通性，是一種強(qiáng)堿。

　　(3)氫氧化鈣與空氣中二氧化碳反應(yīng) Ca(OH)2+CO2=CaCO3 +H2O

圖8 普通水泥砂漿填縫的泛堿

　　解決水泥泛堿常用方法

　　(1)采用水泥砂漿應(yīng)用前加入水泥砂漿增強(qiáng)劑或抗堿材料。

　　(2)采用快凝型膠粘劑作為砌筑粘結(jié)材料代替水泥砂漿，此類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)具有粘結(jié)強(qiáng)度高、柔韌性好、固化快、密實(shí)度高、吸水率（詞條“吸水率”由行業(yè)大百科提供）低(杜絕泛堿)。

　　(3)用石材防護(hù)劑對(duì)飾面材料花崗巖進(jìn)行表面防護(hù)，達(dá)到防水、防污染、防侵蝕的目的。

　　(4)砌筑石材外露砂漿接縫盡量做小，按4mm設(shè)計(jì)。

　　(5)保證空心砌體墻的通風(fēng)和排水（詞條“排水”由行業(yè)大百科提供）

　　3 石材砌筑系統(tǒng)

　　3.1 國(guó)外的砌筑系統(tǒng)

　　目前主要有歐美兩套相關(guān)系統(tǒng)可供參考。

　　(1) Cavity Bearing Walls[2]系統(tǒng)

　　美國(guó)砌體行業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)中砌體墻的系統(tǒng)主要構(gòu)造原理如下：

圖9 砌體墻砌筑三維示意圖

圖10 砌體墻砌筑平面剖面節(jié)點(diǎn)詳圖

圖11 砌體墻砌筑水平拉結(jié)筋

　　可以看到，如同中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)圖集一樣，主體結(jié)構(gòu)和砌塊（詞條“砌塊”由行業(yè)大百科提供）磚之間通過(guò)水平加強(qiáng)鋼筋提供水平力的支撐，砌塊磚和主體結(jié)構(gòu)之間不再是采用水泥砂漿填充，而是采用中空層代替，這樣在解決水泥泛堿問(wèn)題的同時(shí)，提供相應(yīng)的通過(guò)排水通道，保證空腔空氣流通，解決鋼件潮濕生銹的問(wèn)題。但考慮到石材和磚塊的重量相差較大，在應(yīng)用到跨越樓層的立面大板塊石材上時(shí)，特便是文化建筑立面中，有一些文案部分的石材雕刻，需要厚重的石材基礎(chǔ)，顯然還存在一定的問(wèn)題。

　　(2) ANCON系統(tǒng)[3]

圖12 砌體墻砌筑三維效果示意圖

圖13 砌體墻砌筑剖面節(jié)點(diǎn)詳圖

　　可以看到，ANCON系統(tǒng)在砌塊中間加入承托磚塊重量的角鋼，有效的解決了重力問(wèn)題。

　　3.2 創(chuàng)新的砌筑系統(tǒng)

　　通過(guò)研究，結(jié)合國(guó)外ANCON公司系統(tǒng)、美國(guó)砌筑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，革新一套較為新穎的石材砌筑體系，能較好的解決防水、耐久、安全性問(wèn)題[4]。

圖14 砌筑石材項(xiàng)目照片

　　石材的砌體夾層墻系統(tǒng)包括內(nèi)外兩層墻體，這兩層砌體墻被空氣層隔開(kāi)并用不銹鋼水平連接件、不銹鋼槽及必要的支撐鋼構(gòu)架將其連接(如圖14)。外層砌體墻用石材砌筑，內(nèi)層砌體墻根據(jù)工程的位置不同采用混凝土實(shí)體墻或混凝土砌塊等建造。兩層砌體墻中間的空氣夾層起到保溫隔熱和通風(fēng)的功能。在內(nèi)層墻體的外側(cè)有連續(xù)的防水層，外層石材砌體墻可作為裝飾和防雨墻(如圖15)。

圖15砌筑石材水平節(jié)點(diǎn)詳圖

　　結(jié)構(gòu)上不銹鋼水平連接件承擔(dān)水平荷載，在每層層間設(shè)置承重鋼結(jié)構(gòu)（詞條“鋼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）(角鋼)，承擔(dān)每層樓石材的重量，這樣可以連續(xù)砌筑到較高的樓層。

圖16砌筑石材水平節(jié)點(diǎn)詳圖

　　4 總結(jié)

　　4.1 幾種石材方案的對(duì)比

表1 幾種石材系統(tǒng)對(duì)比表

　　由上表可見(jiàn)，砌筑石材系統(tǒng)改進(jìn)會(huì)大大提高使用壽命，同時(shí)降低成本，相信有廣闊的應(yīng)用前景。

　　4.2 可深入研究的方向

　　新型的砌筑石材系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，自重荷載通過(guò)層間的鋼托板傳遞給主體結(jié)構(gòu)，在水平方向上，荷載通過(guò)插入石材縫隙中的不銹鋼水平連接件傳給主體結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，水平荷載的抵抗是石材這身重量與接縫處快干膠接觸面產(chǎn)生的靜摩擦力和不銹鋼水平連接件的軸向力共同作用完成的，由于摩擦力的分析復(fù)雜，目前技術(shù)路線是通過(guò)抗風(fēng)性能試驗(yàn)和參考國(guó)外的設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行不銹鋼連接件的設(shè)計(jì)。這部分的設(shè)計(jì)原理定量分析是砌筑石材系統(tǒng)進(jìn)一步推廣的需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

　　隨著文化建筑的興起，石材作為一個(gè)重要?dú)v史和自然元素在建筑的歷史舞臺(tái)上注定要繼續(xù)延續(xù)輝煌，而新型砌筑石材系統(tǒng)的日益完善和成熟，防水和材料表面處理的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，是解決建筑石材立面耐久和防腐蝕設(shè)計(jì)的新思路。同樣，我們也可以考慮針對(duì)傳統(tǒng)砌磚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)突破常規(guī)，期待本文能拋磚引玉，帶動(dòng)整個(gè)文化建筑表皮的創(chuàng)新，為行業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 《外墻設(shè)計(jì)》，(美)達(dá)林.布勞克，2007

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

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

　　[4] Inhabit Group 提供相關(guān)資料，2015