人民大学新校区高性能混凝土复合保温一体板关键技术探讨

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    高性能混凝土复合保温一体板融合了预制混凝土与钢结构的优势，能够实现多样化的纹理和模块设计。中国人民大学新校区建设项目中，采用的高性能混凝土复合保温一体板在造型、空间布局、色彩以及质感方面呈现丰富多样性。基于此，本文将深入探讨该一体板的纹理确认、生产加工、运输、现场安装以及质量检验等关键环节的技术细节，并分析其在实际应用中的效果与潜在价值。

    【关键词】高性能混凝土；复合保温一体板；肌理；设计；施工

    1 工程概况

    中国人民大学在北京市通州区潞城镇设立的通州新校区，其中标志性建筑和关键组成部分便是该校的通州新校区。该校区内的西区学部楼一期工程，作为人民大学通州新校区首批学部楼工程之一，同时也是该校最知名的“双一流”学科教学楼项目，不仅承担着学校重要的交通和景观功能，还成为了校区中具有礼仪意义的节点建筑。

    中国人民大学通州新校区西区学部楼一期工程包括新闻学院所在的1号楼、艺术学院所在的2号楼以及未来传播创新中心的3号楼。该项目的总建筑面积达到54500平方米，其中地上部分为25135平方米，地下部分为29365平方米。这三个独立建筑在地下有一层，而地上部分各自独立，但在地下第二、三层则是整体相连的。工程的具体效果可参考图1。

    图1 工程效果图

    本工程的外墙广泛采用了高性能混凝土复合保温一体板（简称HPC复合墙板），其外檐设计既复杂又丰富多样。HPC复合墙板在造型、空间角度、色彩以及纹理方面都极具变化，尤其是在大模块的构造上，最大幕墙单元模块尺寸为×，最小则为×900mm。艺术学院的外墙板在同一模块上便实现了四种不同的纹理需求，对外檐纹理效果的要求极为严格。

    2 高性能混凝土复合保温一体板2.1 定义

    HPC复合墙板由内、外面板及保温岩棉芯材复合而成。内部及外部面板采用高品质混凝土制成，内置不锈钢网格，厚度不小于30毫米，内外面板均为集装饰与一体化功能于一体的板材；中间填充保温岩棉，厚度介于100至190毫米之间，密度在80至120千克每立方米；该材料具有优异的抗压和抗拉性能，本工程中的高性能混凝土复合墙板极限抗压强度达到或超过60兆帕（不含装饰层），抗折强度不低于14兆帕，耐用性出色，堪称土木工程领域的新一代材料。产品特点如下：

    高强耐久的大尺寸HPC混凝土面板能够承受极大的负荷，同时面板具备卓越的耐候性能，其使用寿命亦相当长久。

    个性化产品的形态可以随心所欲地设计成曲面或特殊形状，其独特的造型、色彩、材质以及打孔设计，为建筑师带来了无穷无尽的创意空间。

    这种具有生命力的高性能混凝土（HPC）系一种天然的无机材料，其原料经过加工后，能够形成一种独特的混凝土质感表面效果。

    其卓越的防火性能，凭借优异的热工特性（达到A1级防火等级，属于不燃材料），能够确保整个系统的绝对安全性以及卓越的耐火能力。

    便捷的安装过程，得益于工厂化生产和装配式安装技术，HPC夹心保温系统在建筑物理性能、生态效益以及经济性方面均展现出卓越的优越性。

    HPC和岩棉的保温性能出色，传热系数较低，它们都是优质的保温材料。将HPC与岩棉结合用于外墙，不仅利用了HPC的高强度特性，还通过内部填充岩棉提升了保温效果，同时减轻了构件的重量。

    2.2 设计肌理

    HPC复合墙板的表面纹理既丰富又细腻，既能呈现出平滑如水、细致入微的效果，亦能展现出狂野、粗犷，仿佛自然天成般的质感。建筑师们能够借助这一特性来展现他们的建筑审美和情感表达。为了确保HPC复合墙板的效果能够得到建设单位的认可，我们对样板进行了多次对比和精心挑选，最终确定了以下几种纹理。

    一栋楼的新闻学院位于HPC复合墙板构件上呈现的是深沉的红色，其制作工艺融合了白水泥、多彩的硅砂以及氧化铁色粉进行搅拌上色；其表面呈现出类似砂岩的质感，使用了缓凝剂，并经过水洗处理。图2展示了砂岩纹理的具体效果。

    图 2 砂岩肌理

    2号楼艺术中心的HPC复合墙板构件整体呈现灰色调，其表面处理工艺融合了白水泥、彩色硅砂以及氧化铁色粉，通过搅拌染色技术完成。该表面纹理丰富，融合了木纹、编织布以及光滑的清水面三种肌理（见图3）。此外，在制作过程中使用了缓凝剂，并进行了水洗处理，最终肌理面的装饰效果是通过聚氨酯模具浇筑成型实现的。

    图 3 2 号楼设计肌理

    3号楼的传播中心HPC复合墙板构件呈现出统一的深红色，其表面处理融合了白水泥、彩色硅砂以及氧化铁色粉，通过搅拌染色工艺完成。灯芯绒的竖向纹理呈现出凿刻效果，使用了缓凝剂进行固化，并经过水洗处理。肌理面的装饰效果是通过聚氨酯模具浇筑实现的。具体肌理效果可参照图4。

    图 4 灯芯绒肌理

    HPC复合墙板构件的构造需遵循以下要求：内、外两面板均需使用高性能混凝土制作；同时，需与保温材料、直径为10毫米的圆钢以及304不锈钢套筒进行整体浇筑；在预制阶段，需预先埋设连接套筒，以确保连接的可靠性。

    3 重难点分析

    根据数据统计，本工程所使用的HPC复合墙板总数达到了2800块，这些墙板在表面颜色上呈现出丰富的变化，且纹理种类繁多。鉴于此，确保这些板块的质量可追踪性和纹理颜色的统一性，成为了本工程的关键挑战。具体措施包括：选用同一家厂商同一批次的材料，生产加工人员需严格依据图纸和工艺流程操作，并执行首件检查、自我检查及相互检查，检查过程中需核实量具的精度；针对各个板块进行单独编号，并实施分类存放。

    本项目的墙体外围护结构中，HPC复合墙板板块数量众多，尤其是其中某些混凝土板块，其尺寸较大、重量较重、种类繁多，因此，在对外墙围护材料进行包装、搬运和运输的过程中，确保成品不受损害成为了工程中的关键难点。具体措施包括：对各个板块实施标记，并选用合适的包装方式，确保材料在运输途中不会受损；根据HPC复合墙板的形状和尺寸，选用不同的运输工具，全面保障材料在运输全程中安全无损；确保外墙围护施工质量，板块在运输过程中必须与车体牢固绑定；对于特殊材料，如大型板块木材，使用支架进行固定，单次运输一块大板块，并实施稳固的固定和保护措施，防止运输过程中发生碰撞或损坏。

    HPC复合墙板体积庞大，重量较重，对安装精度的控制成为本工程的关键所在。为此，我们采取了以下措施：运用三维激光扫描系统对建筑结构和外墙进行实时监测，以此获取三维修正后的BIM模型，并与设计师的三维模型进行比对，进而对设计方案进行修正和深化，确保安装的精确度。三维激光扫描系统如图5所示。

    图 5 三维激光扫描系统

   

    在探讨高性能混凝土复合保温一体板的应用时，首先需关注的是4.1节中提到的HPC复合墙板的原材料质量控制环节。

    HPC构件的原材料包括52.5R级白水泥、P·O42.5R硅酸盐灰水泥，以及含硅量不低于96.5%的石英砂。此外，还使用了含锆量达到16.5%的耐碱玻璃纤维和密度在80至120kg/m3范围内的岩棉。而在外加剂方面，则选用了丙烯酸乳液。

    1）矿物掺合料

    硅灰必须满足规范要求，其SiO2含量需超过90%。在相同的项目中，推荐使用来自同一厂家、同一冶炼炉的灰源。在本项目中，我们选择了微硅粉作为灰源。

    在选用其他类型的矿物掺合料时，必须确保其性能符合我国现行的国家标准规定，并且必须经过严格的试验来加以验证。只有当这些掺合料能够满足高性能混凝土的设计性能要求后，才能被允许使用。

    2）骨料

    应选择粒径不超过1.25毫米的石英砂，这种石英砂根据粒径的不同，可以分为粗粒径砂（粒径范围在1.250至0.630毫米之间）、中粒径砂（粒径范围在0.630至0.315毫米之间）以及细粒径砂（粒径范围在0.315至0.160毫米之间）。石英砂的含泥量不得超过0.5%，泥块含量必须为零，石粉含量需控制在5%以内，亚甲蓝试验的MB值不能超过1.4，氯离子含量不得多于0.02%，硫化物和硫酸盐含量应低于0.5%，云母含量同样应不超过0.5%，而二氧化硅的含量则必须高于99%。此外，所有其他性能指标还需符合GB/—2001《建筑用砂》的相关规定。筛分实验需遵循JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，同时，氯离子含量、硫化物及硫酸盐含量、云母含量的检测亦应依此标准执行。至于二氧化硅含量的检验，则需参照JC/T874—2021《水泥用硅质原料化学分析方法》的相关规定。

    减水剂需遵守2008版《混凝土外加剂》及2013版《混凝土外加剂应用技术规范》的相关要求，推荐使用减水率不低于30%的高效减水剂。其他类型的混凝土外加剂也应遵循国家现行标准，并与水泥及矿物掺合料具备良好的兼容性。此外，这些外加剂必须经过试验检验，确保其性能符合超高性能混凝土的设计要求后，方可投入使用。本项目外加剂有高性能减水剂、减缩剂、消泡剂。

    白水泥的稳定性对于保障产品质量的稳定性至关重要；而优质的硅砂和玻璃纤维则是确保产品质量安全的关键要素。就砂级配曲线而言，如图6所示，与国际上同类产品相比；至于混凝土的力学性能，则如表1所列。

    图 6 砂级配曲线

    表 1 混凝土力学性能比较

    4.2 HPC复合墙板加工制作

    本项目的HPC复合墙板采用了模块化整体设计，并实现了批量化生产。其加工工艺流程包括：首先制作专用模具，接着搭建固定模板框架，然后铺设φ10圆钢作为加强筋，预埋304不锈钢套筒，放置岩棉保温材料，最后进行整体浇筑。

    模具制造使得产品加工实现了批量生产，流水线作业减少了人力成本，提升了资源使用效率，对生产工人的操作规程进行了详细讲解，确保了自检、复检、巡检以及第三方检测的落实，从而加强了质量管理的力度。水泥制品通过工厂化预制加工，确保了成品在养护和保护方面的需求得到满足，有利于确保产品质量的全面提升，同时也促进了品牌和经济效益的创造。

    将耐碱玻璃纤维以及其他纤维材料、水泥、砂等复合材料，按照既定的比例进行混合搅拌，然后将其倒入模具中进行浇筑，最终形成所需形状。

    HPC复合墙板属于一种具有高强度、高韧性和低孔隙率的水泥基材料。该材料通过提升组成成分的细腻度和活性，摒弃了粗骨料的使用，从而显著减少了材料内部的孔隙和微裂缝，进而实现了超高的强度、卓越的耐久性以及出色的抗渗性能。

    HPC复合墙板浇筑完毕后，应立即用塑料薄膜进行覆盖，确保保湿养护，养护时间不少于14天。鉴于脱模时HPC复合墙板的强度仅为设计强度的70%，需将其水平放置在托架上，脱模后的24小时内不得移动或进行剧烈振动，以免HPC复合墙板表面出现裂缝；只有当其强度达到设计强度的100%后，才能进行现场吊装作业。为确保HPC复合墙板在运输环节中不受损害，避免出现质量缺陷，依据墙板的不同规格，选择了木质板材或钢材框架进行量身定制的包装。同时，运用聚苯乙烯泡沫板和铁丝等材料进行间隔和加固处理。

    4.3 HPC复合墙板施工4.3.1 施工工艺

    HPC复合墙板的钢底座，采用15毫米厚度的镀锌钢板制成，必须焊接在主体结构的钢梁预埋板上。在焊接作业开始之前，需使用全站仪对镀锌钢埋件的位置进行精确的复测和定位。确保复测结果准确无误后，方可进行焊接施工。

    转接件系由15毫米厚度的镀锌钢板加工成L型，并依据全站仪重新测定的具体位置进行调试与安装。

    在正式安装之前，需对墙板的安装位置和标高进行现场复核，并依据复核所得结果来安排后续的吊装作业。

    HPC复合墙板的安装过程中，运用了25吨的汽车式起重机以及曲臂登高车进行协同吊装作业。

    对HPC复合墙板的接缝部位实施封闭修缮作业，确保其具备防水和保温功能，同时，对墙板表面的整体平整度进行细致的检测。

    安装完毕后，需对封修作业、构件的安装误差以及表面的平整度进行全面检查和验收。

    HPC复合墙板的缝隙在室内和室外两侧都使用了耐候胶进行密封处理，以此增强了防水性能。

    对HPC复合墙板进行全面清洁，并实施成品保护措施；同时在室内构件表面张贴警示标志；另外，安排专人进行现场巡查；一旦发现污染或损坏现象，立即进行修复处理。

    HPC复合墙板（单元式幕墙）在接缝部位进行防水处理的做法是：于横向接缝的外侧安装防水胶条，仅在两个单元组件的连接点保留一个微小的缝隙，以此确保等压腔与外界空气能够进行流通，从而保持压力的均衡，进而构建起从上至下、从左至右的连续外墙系统，即所谓的“幕”。防水胶条能够沿接缝全长布置，有效防止大量雨水侵入幕墙内部，使得仅有少量雨水通过开口处渗入。这些雨水会沿着U形铝合金型材（即集水槽）汇集，并迅速排出室外。同时，排水孔应设置在接缝之外，以降低缝隙附近水分的积聚。具体的防水处理方法可参考图7。

    图 7 防水处理

    4.3.2 注意事项

    HPC复合墙板需通过插槽或螺栓与支撑结构相连，主体结构的连接方式不得采用现场焊接。

    竖向连续分布的构件应当从底部向上进行装配，而那些在竖向上不连续分布的构件则可以在多个层次上同时进行操作；横向连续构件的装配流程需要根据误差来合理分配，最好是从边缘和角落开始进行安装；至于环窗构件的装配流程，建议按照以下顺序进行：先安装窗台，然后是窗边，最后是窗顶。

   

    构件的悬挂位置和数量需依据板块的形态及质量中心来决定，悬挂点数目不得少于两个，在需要加强稳固的情况下，可以适当增加吊点。

    必须进行试吊作业，在吊装时需确保各个吊点承受力量均衡，同时在整个起吊过程中要确保单元板块的稳定。

    5）吊装升降和平移时应确保单元板块平稳，不撞击其他物体。

    6）吊装过程应采取措施保证装饰面不受磨损和挤压。

    在板块安置到位之后，必须首先将其妥善悬挂至主体结构的预定挂点，在板块得到稳固固定之前，吊装设备是不允许被取走的。

    HPC复合墙板安装到位后，需经过精确测量，确保其三维方向的位置和角度均符合规定的误差标准，只有在此条件下，才能进行固定操作。

    HPC复合墙板的接缝在规定的误差范围内，允许在构件的接缝位置对部分安装误差进行微调。

    4.4 HPC复合墙板验收

    鉴于HPC复合墙板施工技术尚属新兴领域，目前尚缺乏专门的验收准则。为此，本项目特邀请专家进行论证，并形成了验收办法的意见书。该意见书由专家组组长、建设单位、设计方、监理机构以及总承包商共同签署认可，从而成为本项目HPC复合墙板在加工、现场安装以及施工验收过程中的参照标准。

    4.4.1 产品生产

    建设单位与设计单位对HPC复合墙板的外观纹理进行了共同封样并达成确认，专业分包单位需按周为单位进行工作回顾，全面考量构件的加工时长，从而保障构件加工的效率和时效性。回顾的内容包括：

    ①原材料检查，模具制作、构件生产、执行品质验收复查。

    ②抽样检测、留样检测。

    ③执行养护制度。

    ④每周提供构件生产周报。

    ⑤出具第三方产品检测报告。

    浇筑完毕后，HPC复合墙板构件应立即用塑料薄膜进行覆盖。因为超高性能混凝土拌合物一旦失水，便容易出现剥落现象，这不仅会损害结构的密实度，还可能诱发收缩裂缝。

    4.4.2 安装质量及验收

    HPC复合墙板的弹性层间位移角设定为1/300，而本项目的层间高度有所规定，据此计算得出的最大层间位移为15毫米。

    2）HPC复合墙板与主体结构的净距要求：

    HPC复合墙板的后侧与预制混凝土结构的间距需达到或超过40毫米，而与现浇混凝土结构的间距则需达到或超过50毫米。

    ②HPC复合墙板背面与钢结构净距应≥40mm。

    HPC复合墙板与主体结构的连接处，在垂直、水平以及前后方向上的可调节距离，其净空值必须达到或超过25毫米。

    安装后的HPC复合墙板外立面需确保线条明显，层次清晰可见，表面保持平整，曲面过渡需顺畅无阻。同时，横向构件需确保其平直，竖向构件则需保证垂直。整体效果必须符合建筑设计的相关要求。

    4）安装偏差要求：

    在建筑平面的布局中，HPC复合墙板与建筑主轴线的间距误差不得超过12毫米。

    3米高的HPC复合墙板立面垂直度误差不得超过5毫米，15米高度时的误差应控制在10毫米以内，而30米高度时的误差则不应超过20毫米。

    单块高性能复合墙板的顶部高度与设计要求的高度之间的差距不得超过10毫米，而相邻构件的顶部高度差距则应控制在5毫米以内。

    当HPC复合墙板的长度不超过6米时，其接缝宽度与设计规定的宽度之间的误差应控制在5毫米以内；而若HPC复合墙板的长度超过6米，那么接缝宽度与设计宽度的误差则应不超过10毫米。

    ⑤相邻HPC复合墙板面内错台偏差应≤5mm。

    ⑥与主体结构相连的连接件定位偏差应≤5mm。

    5 结语

    对HPC复合墙板新技术的样板展示、纹理确认、加工制造、运输配送、现场施工、质量检验等各个环节实施严格把控，以此推动HPC复合墙板施工技术的不断成熟，其效果相较于传统幕墙，更显美观大方且样式丰富多样。此项目的顺利实施，将为其他建筑项目提供宝贵的借鉴经验。