胡博，高艷偉，梁柱

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003；2.黃石市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，湖北 黃石 435000）

外墻外保溫是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和綠色建筑的主要途徑，但隨著外墻外保溫系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了開(kāi)裂、空鼓、脫落等各種質(zhì)量問(wèn)題，造成后期使用和維修的難度。尤其是在大風(fēng)荷載的持續(xù)作用下，造成的保溫板脫落問(wèn)題層出不窮，不但影響正常使用，減少使用年限，而且給生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失。由于高層建筑外墻外保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)性能研究較為復(fù)雜，目前專(zhuān)門(mén)針對(duì)相關(guān)方面的研究較少，更是缺乏合理的理論體系。因此，加強(qiáng)對(duì)高層建筑外保溫抗風(fēng)荷載的研究，對(duì)于大風(fēng)地區(qū)的外墻外保溫工程實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高層建筑物外保溫層的安全性分析

在外墻外保溫系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)所受到的荷載為：包含外飾面的系統(tǒng)自重，系統(tǒng)各層的粘結(jié)力，錨栓處的機(jī)械錨固力，正、負(fù)風(fēng)壓荷載等。正常情況下系統(tǒng)在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下又能通過(guò)耐候性和抗風(fēng)壓性能的測(cè)試，使用年限可達(dá)到20年以上。

1.1 外墻外保溫系統(tǒng)的受力情況

外保溫系統(tǒng)的自重和外界荷載的沖擊力主要由砂漿粘結(jié)層和錨栓加固層共同承擔(dān)。整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各構(gòu)造層通過(guò)彼此間的粘結(jié)層向內(nèi)傳遞荷載，最終把所有的荷載傳到基層墻體上。錨栓靠斜向支撐與摩擦膨脹加固，砂漿粘結(jié)劑與墻面的粘結(jié)力和摩擦力是以斜向壓力的形式傳至墻體結(jié)構(gòu)層的[1]。整個(gè)受力過(guò)程中系統(tǒng)自重的剪切與負(fù)風(fēng)壓荷載的外推力再加上粘結(jié)層內(nèi)部大氣壓強(qiáng)的剝離對(duì)耐久性造成極大沖擊，需要粘結(jié)砂漿和錨栓同時(shí)達(dá)到最佳粘結(jié)性能，才能確保整個(gè)外保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

1.2 高層建筑物的風(fēng)壓變化

風(fēng)荷載的大小決定著風(fēng)壓的大小，且隨著建筑高度的增高而不斷增大，其大小主要受建筑結(jié)構(gòu)的自振特性、高度、體型、表面狀況、風(fēng)向、周?chē)h(huán)境等諸多因素的影響。

測(cè)得的風(fēng)壓分布系數(shù)（見(jiàn)圖1）[2]表明，對(duì)于建筑物的同一高度，迎風(fēng)面受正壓力作用，生成的拉力有利于保溫板與基層墻體的粘結(jié)。兩側(cè)面受到吸力和剪力的雙重作用，背風(fēng)面受負(fù)壓吸力的影響，其產(chǎn)生的吸力均為負(fù)，使得兩側(cè)面與迎風(fēng)面交界處和背風(fēng)面上部?jī)山敲娌渴茱L(fēng)載破壞較大[3]；隨著建筑高度的增加，各面的壓力和拉力逐漸加強(qiáng)，在迎風(fēng)面上部正中間產(chǎn)生較大的正壓區(qū)，在4/5建筑物高度處產(chǎn)生最大的小區(qū)域正壓區(qū)，形成抗風(fēng)壓安全帶。建筑物底部的迎風(fēng)及背風(fēng)面的正負(fù)風(fēng)壓對(duì)外保溫板影響較小。另外鑒于建筑物形狀、體型系數(shù)及周?chē)h(huán)境等條件的不同，高層建筑物外表面的風(fēng)壓很不均勻，破壞程度也不盡相同[4]。重點(diǎn)是研究負(fù)風(fēng)壓區(qū)保溫板的破壞并強(qiáng)化加固。

圖1 同一建筑同一高度下四周的風(fēng)壓系數(shù)分布情況

2 風(fēng)壓對(duì)高層外保溫板的破壞

風(fēng)荷載對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)的破壞情況主要取決于負(fù)風(fēng)壓發(fā)生區(qū)和連通空腔的嚴(yán)重程度。

2.1 負(fù)風(fēng)壓區(qū)的作用

建筑物在大風(fēng)荷載的作用下，其兩側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的外保溫板產(chǎn)生吸力，為負(fù)風(fēng)壓區(qū)；對(duì)多數(shù)有空腔的外墻外保溫系統(tǒng)，負(fù)風(fēng)壓區(qū)的空腔內(nèi)空氣壓強(qiáng)大于外界空氣壓強(qiáng)，從而對(duì)外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生由空腔內(nèi)向系統(tǒng)外的作用力即負(fù)風(fēng)壓力；在正風(fēng)壓區(qū)則反之。而對(duì)于無(wú)空腔的外保溫系統(tǒng)，正負(fù)風(fēng)壓力的破壞作用較小，很難影響板材的安全性。

建筑物的負(fù)壓部位通常在與風(fēng)向平行的建筑兩側(cè)和背風(fēng)一側(cè)，其中以建筑兩側(cè)的負(fù)壓最大，最容易造成負(fù)壓破壞。尤其是在高層建筑結(jié)構(gòu)中，該影響更為嚴(yán)重，需特別重視。

2.2 連通空腔的破壞

在負(fù)風(fēng)壓易發(fā)生區(qū)位置，如果采用有連通空腔的保溫層做法，負(fù)壓產(chǎn)生的作用力會(huì)集中在負(fù)壓最大的位置，再加上粘結(jié)劑的涂抹不均勻性，造成應(yīng)力集中應(yīng)變過(guò)大，導(dǎo)致負(fù)壓易發(fā)生部位保溫板的破壞。由于連通空腔的存在，使得大面積空腔產(chǎn)生較大的負(fù)壓破壞力，先破壞粘結(jié)強(qiáng)度低或粘結(jié)面積小的不利粘結(jié)點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致各粘結(jié)點(diǎn)的粘結(jié)力不斷消失、老化，最終造成保溫板在大風(fēng)荷載的持續(xù)作用下發(fā)生大面積脫落破壞。如圖2所示。

圖2 負(fù)風(fēng)壓作用下粘結(jié)力失效保溫板脫落的過(guò)程

2.3 外保溫板破壞規(guī)律

風(fēng)荷載持續(xù)反復(fù)的作用力對(duì)保溫板產(chǎn)生長(zhǎng)期的疲勞荷載，加速了外保溫板的空鼓、開(kāi)裂直至脫落。當(dāng)外墻外保溫系統(tǒng)局部所受的負(fù)風(fēng)壓增大時(shí)，空腔內(nèi)部與外表面的壓力差明顯提高，隨之產(chǎn)生較大的向外推力，使得風(fēng)荷載對(duì)保溫層的外向吸力加強(qiáng)。先從粘結(jié)面積小連通空腔大的部位逐漸脫落，最終蔓延到整個(gè)系統(tǒng)。

3 風(fēng)載對(duì)不同建筑物布局外保溫的影響分析

對(duì)多個(gè)建筑物，尤其是密集的高層建筑群，要考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。而單體建筑則不需要考慮，其四周沒(méi)有阻擋物，暴露在風(fēng)壓作用下，風(fēng)速流場(chǎng)對(duì)各個(gè)面的沖擊強(qiáng)度都較大[5]，尤其是兩側(cè)面和背風(fēng)面在系統(tǒng)的剪切作用加上保溫板內(nèi)外產(chǎn)生的大氣壓強(qiáng)共同作用下，極易發(fā)生脫落破壞。

在串聯(lián)和并聯(lián)布局情況下，由于相鄰建筑間的風(fēng)速流場(chǎng)會(huì)造成相互干擾，串聯(lián)建筑物會(huì)形成遮擋效應(yīng)，造成小區(qū)高層建筑物間明顯的靜力干擾作用；并聯(lián)建筑除了考慮風(fēng)載對(duì)單體建筑物的影響外，還要考慮兩樓間過(guò)風(fēng)道的狹縫效應(yīng)[6]，主要影響相鄰兩建筑物間狹縫區(qū)域的側(cè)風(fēng)面，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域風(fēng)荷載局部密集和突然增大，外保溫板內(nèi)外形成壓強(qiáng)差，在風(fēng)荷載的持續(xù)高速作用以及系統(tǒng)自身與墻體剪切的雙重作用下，引起抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的安全問(wèn)題。另外由于兩樓較近，局部風(fēng)壓的驟然加強(qiáng)引起建筑物發(fā)生垂直于風(fēng)向的水平變化和扭轉(zhuǎn)，尤其是當(dāng)兩樓間的凈距小于2倍的樓寬時(shí)，影響更加明顯[7]。

小區(qū)錯(cuò)落式綜合布局可有效避免串并聯(lián)布局遮擋和狹長(zhǎng)效應(yīng)下的靜力干擾作用[8]。同時(shí)能減緩大風(fēng)多發(fā)地區(qū)風(fēng)荷載的持續(xù)破壞。提高外墻外保溫系統(tǒng)的安全性和耐久性。在考慮城市盛行風(fēng)向和周?chē)h(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)小區(qū)建筑群合理布局，采取有效措施降低風(fēng)荷載的干擾，另外通過(guò)合理的建筑風(fēng)道全面提升整個(gè)住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境舒適性[9]。

4 對(duì)抗風(fēng)荷載的外保溫構(gòu)造

結(jié)合大量的實(shí)踐和具體的試驗(yàn)研究分析發(fā)現(xiàn)，滿(mǎn)粘、點(diǎn)框粘和條粘構(gòu)造的粘結(jié)強(qiáng)度高，能提高系統(tǒng)的耐久性和安全性，對(duì)于高層建筑外保溫抗風(fēng)荷載破壞效果較好[10]。在原有砂漿粘結(jié)的基礎(chǔ)上輔以合適數(shù)量的錨栓固定，形成堅(jiān)固的粘結(jié)強(qiáng)度，可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的外保溫工程5年的最低保修期和正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)情況下的25年使用年限[11]。

4.1 滿(mǎn)粘構(gòu)造（見(jiàn)圖3）

圖3 滿(mǎn)粘構(gòu)造示意

滿(mǎn)粘構(gòu)造情況下粘結(jié)層填滿(mǎn)了粘結(jié)砂漿，沒(méi)有空腔，不會(huì)有負(fù)風(fēng)壓的風(fēng)險(xiǎn)，可避免因空腔和負(fù)風(fēng)壓等引起的外保溫層脫落。尤其是對(duì)高層建筑外保溫的上半部分粘結(jié)，該方式必不可少。

該構(gòu)造砂漿膠粘劑的厚度在6 mm時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度最高，粘結(jié)面積一般在70%以上，相比條粘、點(diǎn)框粘結(jié)等粘結(jié)方式，粘結(jié)材料耗用量過(guò)大，成本相對(duì)較高，但對(duì)高層建筑外墻外保溫系統(tǒng)的抗風(fēng)荷載效果極佳，降低了破損的可能和后期的維修費(fèi)用。但對(duì)墻體基層的平整度要求較高，對(duì)于負(fù)風(fēng)壓區(qū)盡可能地采用墻體和保溫板兩面抹灰粘結(jié)。

4.2 點(diǎn)框粘構(gòu)造（見(jiàn)圖4）

圖4 點(diǎn)框粘構(gòu)造示意

該構(gòu)造屬于閉合小空腔構(gòu)造，在很大程度上降低了負(fù)風(fēng)壓產(chǎn)生的面積，使得負(fù)風(fēng)壓產(chǎn)生的破壞力低于單位面積上的粘結(jié)固定強(qiáng)度，可有效地避免因負(fù)風(fēng)壓導(dǎo)致的保溫層脫落破壞。

在基層的平整度大于5 mm/2 m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用點(diǎn)框粘結(jié)，粘結(jié)應(yīng)牢固，避免松動(dòng)和空鼓的發(fā)生，板縫應(yīng)擠緊，相鄰板齊平，板間縫隙用保溫板填塞，相鄰板間高差和縫隙不得超過(guò)1.5 mm，粘結(jié)24 h后要安裝錨栓。粘結(jié)厚度（5±1）mm，膠粘劑用量為4～5 kg/m2；實(shí)際工程操作中保證砂漿的粘結(jié)均勻度，框內(nèi)板面上粘結(jié)點(diǎn)保證6～8個(gè)/m2，整個(gè)粘貼面積≥40%，下部留50 mm的通氣孔。

4.3 條粘構(gòu)造（見(jiàn)圖5）

圖5 條粘構(gòu)造示意

該構(gòu)造在施工時(shí)采用齒形抹子沿水平或豎向涂抹膠粘劑，保溫板粘結(jié)面積大，粘貼的保溫板空腔小，接近于滿(mǎn)粘構(gòu)造做法。在基層的平整度小于5 mm/2 m，可優(yōu)先選用該構(gòu)造，粘結(jié)厚度為（5±1）mm時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最好，膠粘劑用量為3～5 kg/m2，粘結(jié)面積≥50%，施工時(shí)一定要按規(guī)范實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，砂漿涂抹均勻，保證質(zhì)量。

結(jié)合EPS外墻外保溫板與基層墻體在5種不同粘結(jié)方式情況下的剪切粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。分析得出，在試件規(guī)格為200 mm×150 mm情況下，滿(mǎn)粘、點(diǎn)框粘和條粘3種粘結(jié)方式的粘結(jié)強(qiáng)度較高。

表1 不同粘結(jié)方式下的抗剪粘結(jié)強(qiáng)度[10]

綜上所述，按要求施工的3種構(gòu)造粘結(jié)強(qiáng)度較高，但要抵抗強(qiáng)大的風(fēng)荷載等外力的持續(xù)沖擊，還需要加固合適數(shù)量的錨栓進(jìn)行強(qiáng)化，錨栓用量至少6個(gè)/m2，具體根據(jù)實(shí)際情況確定，一般情況下粘結(jié)面積和錨栓數(shù)量隨著建筑高度增加而增加（見(jiàn)表2）[10]。系統(tǒng)的飾面層要采用涂料裝飾，避免飾面磚導(dǎo)致的脫落。

表2 不同建筑高度所選用的粘結(jié)情況

5 抗風(fēng)荷載破壞的強(qiáng)化措施

5.1 試驗(yàn)段施工

為確保整個(gè)高層建筑外墻外保溫系統(tǒng)的耐久性。在正式施工前，可根據(jù)每個(gè)工程特點(diǎn)、施工環(huán)境等條件，確定合理的施工段，編制試驗(yàn)段方案，進(jìn)行外保溫試粘結(jié)和檢測(cè)，以確定科學(xué)合理的施工工藝、粘結(jié)厚度及粘結(jié)面積等參數(shù)。

5.2 邊角處保溫板的優(yōu)化

建筑墻體邊角受負(fù)風(fēng)壓影響較大，在風(fēng)荷載等的持續(xù)沖擊下容易破壞，對(duì)該部位常采用的施工做法是縱橫向保溫板伸出60 mm，粘結(jié)合適數(shù)量的砂漿搭接，但這種做法往往為后期的破壞埋下隱患，耐久性差。為了避免此種情況發(fā)生，需要對(duì)保溫板進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作出尺寸為600 mm×600 mm×1200 mm的L型新型復(fù)合保溫板（如圖6所示）。施工中需加強(qiáng)保溫板的保護(hù)防止破損，先用砂漿膠粘劑對(duì)保溫板滿(mǎn)粘，再輔以錨栓強(qiáng)化。如此設(shè)計(jì)施工的外保溫邊角構(gòu)造可以很好地防止負(fù)風(fēng)壓產(chǎn)生的破壞，提高整個(gè)系統(tǒng)的耐久性和安全性[10]。

圖6 類(lèi)似于等邊角鋼的L型復(fù)合保溫板

5.3 局部荷載的分散與優(yōu)化

對(duì)從底層到頂部全部粘結(jié)保溫板的（超）高層建筑物，由于整個(gè)外保溫自身的荷載較大，采取分散層間荷載的措施，在每一層間即每相隔3 m設(shè)置承托用的托板檐，有效地分割了縱向保溫板的連續(xù)面，減輕了層間飾面荷載，對(duì)整個(gè)外墻外保溫系統(tǒng)起到一定程度的卸荷作用。保溫板連續(xù)面的減少，可以使得負(fù)風(fēng)壓對(duì)保溫系統(tǒng)的影響降到最低。同時(shí)對(duì)于橫向連續(xù)保溫面過(guò)長(zhǎng)的區(qū)域也采取同樣的結(jié)構(gòu)分離方法，降低保溫層的橫向連續(xù)面，防止房屋不均勻沉降等引起的外保溫層整體開(kāi)裂，提高系統(tǒng)的安全和耐久性。

5.4 增加粘結(jié)面積與錨栓數(shù)量

高層建筑為抵抗風(fēng)荷載的破壞，需采取以增加膠粘劑的粘貼面積為主并輔以合適數(shù)量的錨栓，來(lái)提高外保溫層與基層的粘結(jié)強(qiáng)度，對(duì)負(fù)風(fēng)壓區(qū)抗風(fēng)要求高的部位采用滿(mǎn)粘加錨栓固定。另外粘結(jié)砂漿要涂抹均勻以防止應(yīng)力的不均勻變化。

5.5 其他措施

高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)要考慮常年盛行風(fēng)向和周?chē)h(huán)境等因素，采用錯(cuò)落式綜合布局，合理設(shè)計(jì)建筑物間的相互位置及間距等，使建筑物的大表面朝向盛行風(fēng)向，減少建筑物間的流場(chǎng)相互干擾。

對(duì)建筑物兩側(cè)和背風(fēng)區(qū)易產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓的邊角和中間部位進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)化加固，采取措施減少負(fù)風(fēng)壓區(qū)的發(fā)生，提高施工標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，確保系統(tǒng)內(nèi)各材料的溫度膨脹變形一致[12]，使用中定期進(jìn)行檢修和維護(hù)。

從墻體的連接構(gòu)造入手，提高墻體的整體性，改善抗側(cè)移和變形的能力，降低建筑物的搖擺程度，應(yīng)采用多種連接構(gòu)造措施來(lái)增強(qiáng)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接強(qiáng)度以及建筑物的整體性[13]，從而提高抗風(fēng)能力。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）在風(fēng)載影響外保溫板因素中，負(fù)風(fēng)壓區(qū)和連通空腔是導(dǎo)致外保溫層脫落的關(guān)鍵。負(fù)風(fēng)壓嚴(yán)重部位多發(fā)生在高層建筑的兩側(cè)面和背風(fēng)面，尤其是邊角和上部中間部位，為避免出現(xiàn)連通空腔，應(yīng)使用全滿(mǎn)粘粘結(jié)，降低保溫層脫落的風(fēng)險(xiǎn)。小區(qū)高層建筑物設(shè)計(jì)時(shí)要在充分考慮城市盛行風(fēng)向和周?chē)h(huán)境的基礎(chǔ)上采用錯(cuò)落式布局，禁止使用串聯(lián)和并聯(lián)式布局，減緩大風(fēng)多發(fā)地區(qū)風(fēng)荷載的持續(xù)破壞。

（2）對(duì)高層建筑物，風(fēng)荷載產(chǎn)生的風(fēng)壓強(qiáng)度隨高度的增加而加強(qiáng)，且上部增大明顯。為抵抗大風(fēng)荷載持續(xù)作用下的破壞，應(yīng)同時(shí)增加粘結(jié)面積和錨栓數(shù)量進(jìn)行加固，形成雙保險(xiǎn)，確保各個(gè)高度處保溫板與結(jié)構(gòu)層的粘結(jié)強(qiáng)度堅(jiān)固可靠。

（3）對(duì)高層建筑外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，總結(jié)出5種不同粘結(jié)方式下的抗剪粘結(jié)強(qiáng)度情況和不同建筑高度下的粘結(jié)方式、粘結(jié)面積、粘結(jié)厚度及錨栓數(shù)量。

（4）通過(guò)試驗(yàn)分析總結(jié)出抗風(fēng)荷載破壞較好的3種外保溫構(gòu)造。針對(duì)建筑物邊角部位搭接粘結(jié)易破壞問(wèn)題，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)出L型新型復(fù)合保溫板專(zhuān)門(mén)用于墻角，采用滿(mǎn)粘粘結(jié)輔以合適數(shù)量的錨栓固定方式，可以有效地解決風(fēng)荷載作用下的墻體端部破壞問(wèn)題。另外，進(jìn)行試驗(yàn)段試粘和對(duì)外保溫分段卸荷能提高外保溫的安全性和耐久性。