石材新工藝在文化建筑外立面上的應用

本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載

　　1 前言

　　近年來，國內興起了一股文化建筑建設的高潮，特別是對于宗教建筑外立面來講，石材立面的運用最外廣泛，在無錫靈山大佛三期工程、南京牛首山文化旅游項目、普陀山觀音圣壇等項目中，石材是最大量使用的外墻裝飾材料（詞條“裝飾材料”由行業大百科提供）。隨著社會物質文化的繁榮昌盛，人民精神層面的需求會越來越大，文化建筑也會在建筑市場上扮演相當重要的角色，另一方面，近代隨著新材料新工藝的大力發展，以及佛教在新歷史時期對宗教建筑耐久性的新要求，石材在工藝系統上的革新和進步勢在必行。

圖1 無錫靈山世界佛教會議中心

　　而這類建筑往往坐落在山區或海島，海島上面的如普陀山觀音法界項目，在酸性海洋性氣候下，要達到宗教文化建筑立面（詞條“建筑立面”由行業大百科提供）歷久彌新的耐久性設計要求，給石材的選材和設計帶來了挑戰。

　　建筑立面的耐久性設計，所涉及的方面較多，其中包括面板，無論是玻璃、金屬、石材、混凝土或GRFC;骨架，以及將墻板固定于結構并傳遞水平荷載的埋件（詞條“埋件”由行業大百科提供）;板或單元體之間的接縫。另外墻體與基礎，與屋面，與其他相鄰部位的連接部分，連同洞口都很重要。不同的系統會帶來不同的問題，每個相關設計人員設計職責也不相同。建筑物越高，使用越脆以及越重，所存在的安全隱患就越嚴重。其中滲漏水問題應該是影響耐久性的關鍵性因素[1]。

　　常見的滲漏水原因主要由下面幾個方面引起：

　　(1) 建筑師、承包商、分包商、技術顧問沒有充分理解防水處理的設計原理;

　　(2) 防水設計沒有被施工人員或承包商充分理解，彼此缺乏交流、溝通;

　　(3) 沒有通過加工圖紙和組裝圖，檢測和施工監督對設計進行核查;

　　(4) 各參與方缺乏協調合作。

　　正確的系統防水設計概念除了將水隔離在墻體以外的同時，需要考慮漏氣、保溫、防止結露、適應結構相對位移等方面影響。所以系統耐久性的提高有耐于高品質的設計、構件、裝配、安裝、以及各部分的通力合作。要達到百年的設計壽命，除了石材自身的耐久性、科學合理的設計系統，最為關鍵的因素是完善的檢測體系，包括立面幕墻制作、施工過程中以及幕墻系統服役階段持續檢測，同時要有可維護設計的概念。

　　2 現行的石材工藝

　　2.1 干法施工工藝

　　目前常見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 石材短槽形式現場照片

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，這類系統采用的是碳鋼（詞條“碳鋼”由行業大百科提供）橫豎龍骨，通過石材轉接掛件(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都是在石材板塊拼縫的地方采用石材專用密封膠密封。而密封膠為有機高分子材料，能否滿足一百年甚至幾百年的壽命，無法考證。

　　另外由國外引進的開敞式石材系統如下圖：

圖6 開放式干掛石材形式三維效果圖

　　此時，石材系統的耐久性依靠內部防水板(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連續完整防水面設計，通常沒有像建筑立面那樣大面的金屬板材直接生產出來，即便生產出來也無法施工。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材料，一百年的設計要求能否保障，同樣是個問題。

　　2.2 傳統石材濕貼工藝

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

圖7 濕貼石材圖集

　　可以看到，在類似于垂直錯縫的古代城墻式立面設計非常適合采用石材濕貼系統，圖集中只給了跨度六米的做法，這主要是因為濕貼體系的水平荷載傳遞主要先傳到石材背部植筋，然后再從鋼筋再連接到主體結構上，同時灌注水泥砂漿（詞條“水泥砂漿”由行業大百科提供）也起到一定的結構作用。如果跨層大面采用，如何適應主體結構層間水平位移、豎向位移的問題，無法解決。隨著高度的增加，石材的自重如何承擔也是一個問題。

　　另外，由于石材大面積與水泥接觸，其泛堿現象無法忽視。普通混凝土為硅酸鹽，遇空氣或者墻體內的水氣，硅酸根離子發生水解（詞條“水解”由行業大百科提供）反應，生成的氫氧根與金屬離子結合形成溶解度較小的氫氧化物(化學性質為堿性)，遇到氣溫的升高，水蒸氣蒸發，將氫氧化物從墻體中析出，隨著水分的逐漸蒸發，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，就發生泛白、起皮、脫落，這一過程稱之為“泛堿”。

　　原因就是硅酸鹽水泥的水化反應：

　　干水泥+水 水泥漿 (經過凝結、硬化)水泥石

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

　　(2)氫氧化鈣：是一種白色粉末狀固體，據有堿的通性，是一種強堿。

　　(3)氫氧化鈣與空氣中二氧化碳反應 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)采用水泥砂漿應用前加入水泥砂漿增強劑或抗堿材料。

　　(2)采用快凝型膠粘劑作為砌筑粘結材料代替水泥砂漿，此類產品應具有粘結強度高、柔韌性好、固化快、密實度高、吸水率（詞條“吸水率”由行業大百科提供）低(杜絕泛堿)。

　　(3)用石材防護劑對飾面材料花崗巖進行表面防護，達到防水、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設計。

　　(5)保證空心砌體墻的通風和排水（詞條“排水”由行業大百科提供）

　　3 石材砌筑系統

　　3.1 國外的砌筑系統

　　目前主要有歐美兩套相關系統可供參考。

　　(1) Cavity Bearing Walls[2]系統

　　美國砌體行業指導手冊中砌體墻的系統主要構造原理如下：

圖9 砌體墻砌筑三維示意圖

圖10 砌體墻砌筑平面剖面節點詳圖

圖11 砌體墻砌筑水平拉結筋

　　可以看到，如同中國標準圖集一樣，主體結構和砌塊（詞條“砌塊”由行業大百科提供）磚之間通過水平加強鋼筋提供水平力的支撐，砌塊磚和主體結構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題的同時，提供相應的通過排水通道，保證空腔空氣流通，解決鋼件潮濕生銹的問題。但考慮到石材和磚塊的重量相差較大，在應用到跨越樓層的立面大板塊石材上時，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，顯然還存在一定的問題。

　　(2) ANCON系統[3]

圖12 砌體墻砌筑三維效果示意圖

圖13 砌體墻砌筑剖面節點詳圖

　　可以看到，ANCON系統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題。

　　3.2 創新的砌筑系統

　　通過研究，結合國外ANCON公司系統、美國砌筑系統的優點，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、安全性問題[4]。

圖14 砌筑石材項目照片

　　石材的砌體夾層墻系統包括內外兩層墻體，這兩層砌體墻被空氣層隔開并用不銹鋼水平連接件、不銹鋼槽及必要的支撐鋼構架將其連接(如圖14)。外層砌體墻用石材砌筑，內層砌體墻根據工程的位置不同采用混凝土實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的功能。在內層墻體的外側有連續的防水層，外層石材砌體墻可作為裝飾和防雨墻(如圖15)。

圖15砌筑石材水平節點詳圖

　　結構上不銹鋼水平連接件承擔水平荷載，在每層層間設置承重鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）(角鋼)，承擔每層樓石材的重量，這樣可以連續砌筑到較高的樓層。

圖16砌筑石材水平節點詳圖

　　4 總結

　　4.1 幾種石材方案的對比

表1 幾種石材系統對比表

　　由上表可見，砌筑石材系統改進會大大提高使用壽命，同時降低成本，相信有廣闊的應用前景。

　　4.2 可深入研究的方向

　　新型的砌筑石材系統結構上講，自重荷載通過層間的鋼托板傳遞給主體結構，在水平方向上，荷載通過插入石材縫隙中的不銹鋼水平連接件傳給主體結構，實際上，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雜，目前技術路線是通過抗風性能試驗和參考國外的設計手冊進行不銹鋼連接件的設計。這部分的設計原理定量分析是砌筑石材系統進一步推廣的需要攻克的關鍵技術問題。

　　隨著文化建筑的興起，石材作為一個重要歷史和自然元素在建筑的歷史舞臺上注定要繼續延續輝煌，而新型砌筑石材系統的日益完善和成熟，防水和材料表面處理的技術也在不斷創新，是解決建筑石材立面耐久和防腐蝕設計的新思路。同樣，我們也可以考慮針對傳統砌磚系統的設計來突破常規，期待本文能拋磚引玉，帶動整個文化建筑表皮的創新，為行業發展做出貢獻。

　　參考文獻

　　[1] 《外墻設計》，(美)達林.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 提供相關資料，2015