国内外夹心三明治保温外墙设计的思考(定稿)

关于国内外三明治墙板设计的思考
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。

一、我国外墙节能设计的基本状况
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。

二、三明治墙板的技术概况
1、发展过程
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）。

图9 Thermomass品牌的MS/MC型、CC型、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）。