1 简介
国内建筑节能设计要求从建筑规划设计开始执行节能标准。 高层建筑节能工作的核心是围护结构节能。 由于外墙在围护结构中所占比例最大，其损失的能量和热量是建筑围护结构中耗散最多的。 通过建筑物外墙和窗户散发的热量占建筑能量损失的50%以上。 因此，合理设计外墙围护材料有望显着减少建筑能量损失。
近十年来，钢结构建筑在中国开始流行。 唯一使用的外墙围护结构几乎全部是金属玻璃幕墙。 只有极少数配备了预制钢筋混凝土外墙（PC外墙）。 金属玻璃幕墙非常耗能，并产生大量碳。 除了排放之外，如果采用改进型节能金属玻璃幕墙，成本也会大幅上升，不符合国内绿色节能的强烈要求。 因此专门推出了适合钢结构建筑的PC外墙来替代部分金属玻璃幕墙。 达到节能减碳的目的，使国内钢结构外墙建筑设计多样化，丰富城市面貌。
二、钢结构建筑采用PC外墙（幕墙）的优缺点
2.1 目前钢结构建筑常用的非承重外墙类型有：
钢结构建筑外墙常用作非承重外墙。 它们被设计成非承重的，像窗帘一样悬挂，所以也被称为“幕墙”。 它是由面板和支撑结构体系组成的、相对于主体结构具有一定位移能力或具有一定变形能力、不承担主体结构作用的建筑围护结构或装饰结构。 国内钢结构建筑常用的幕墙按材质可分为：
1 玻璃幕墙
它由铝合金型材支撑结构和玻璃组成。 一般分为：框支撑玻璃幕墙、全玻璃幕墙、点支撑玻璃幕墙、单元式玻璃幕墙，是目前国内钢结构建筑外墙的主流设计。 如图1、图2所示，厦门世茂海峡大厦是两座超高层建筑，高度为250米。 外墙玻璃幕墙采用竖（立）明、横（隐）式设计。
▲图1 世茂海峡塔效果图
▲图2 世茂海峡大厦玻璃幕墙
2金属幕墙
面板材料为金属板材的幕墙有单层铝板、铝蜂窝板、铝塑复合板、不锈钢板等。 如图3所示，厦门帝景园钢结构大厦外墙采用铝塑复合板幕墙。
▲图3 厦门帝景园钢结构建筑外墙
3石材幕墙
一般可分为背栓式石材幕墙、托盘式石材幕墙、通道式石材幕墙、湿铺式石材幕墙和装配式石材幕墙。 如图4所示，台湾台北新光曼哈顿大厦五层以下为干挂石材幕墙，五层以上为干式PC外墙和部分玻璃幕墙。
▲图4 台湾台北新光曼哈顿大厦外墙
2.2预制钢筋混凝土（PC）外墙在钢结构建筑中的应用及优缺点：
预制钢筋混凝土外墙（PC外墙）是指工厂生产的预制钢筋混凝土外墙，可与外墙装饰材料、夹芯保温材料一起浇筑。 PC外墙的优点是质量高、施工快、工厂化生产、作业规范、生产环境稳定、施工现场清洁安全、减少垃圾扬尘噪音、成熟的防水节点技术、外饰多样化且可预制、防火且保温可一次完成，缺点是外墙重量较重，会增加钢结构主体结构的造价，吊装费用较高钢结构楼板厚度，外观不太现代新颖。 在台湾，润泰PC外墙已应用于钢结构建筑，已完成五十多个项目。 图5为台湾台北市元里区金山南路一栋住宅钢结构建筑的外墙。 三层以下外墙为干挂石材幕墙，三层至屋顶均采用干式预制外墙板。 图6为台湾台北市地保住宅钢结构建筑。 六栋建筑的外墙均采用润泰干式PC石材饰面外墙。
▲图5 台湾台北市元里金山南路住宅楼PC外墙
▲图6 台湾台北低保住宅钢结构大厦PC外墙
2.3 同一建筑节能设计下玻璃幕墙与PC外墙对比
建筑节能设计是指在规划、设计、生产、施工、维护等过程中，一方面满足建筑物的使用功能和外观美观，另一方面结合节能技术的应用尽可能减少建筑能量损失。 目前国内有JGJ 26-2010《严寒地区住宅建筑节能设计标准》和JGJ 134-2010《夏热冬冷地区住宅建筑节能设计标准》和JGJ 75-2012 《夏热冬暖地区住宅建筑节能设计标准》均要求节能指标达到50%至75%。 所谓节能指标是指建筑通过采用合理的节能建筑设计，在保证相同的室内热环境的情况下，与采取节能措施之前相比（相当于20世纪90年代建造的房屋的80%） ），全年空调、采暖总能耗降低50%至75%。 下表1为同等建筑节能标准下可节能50%区域玻璃幕墙和PC外墙的设计及造价测算。 下表2为同等建筑节能标准下可节能65%区域玻璃幕墙和PC外墙的设计及造价测算。 从下面两张表可以看出，在同等节能标准下，PC外墙板的成本比玻璃幕墙便宜20~30%。
表1 节能50%区域外墙对比
表2 节能65%地区外墙对比
2.4 玻璃幕墙与PC外墙建筑能耗对比
据统计，目前我国建筑业材料消耗约占材料消耗总量的15%-20%，建筑能耗约占能源消耗总量的30%，且逐年增加。 其中，我国每年有超过600万平方米的玻璃幕墙与钢结构建筑配套使用，并以每年10%的速度持续增长。 下表3比较了PC外墙和玻璃幕墙的碳排放数据。 表3 3 可见，最大设计风压<200kg时，PC外墙每平方米碳排放量为92.99（kg-CO2）钢结构楼板厚度，而玻璃幕墙每平方米碳排放量为675.18（kg-CO2） /㎡。 玻璃幕墙和玻璃的建筑能耗是PC外墙板的六倍左右。 因此，钢结构建筑如果从一开始就能够采用PC外墙设计，将大大降低建筑整体能耗。
表3 建筑材料碳排放量计算——摘自林显德、张友生，《台湾建筑材料生产能源消耗与二氧化碳排放分析》，建筑学报，第40期，第1~15页，2002年6月
2.5 玻璃幕墙与PC外墙防火性能比较
目前玻璃幕墙垂直方向的防火方法是在邻近幕墙的主体结构上端安装水平防火防烟材料。 玻璃幕墙的铝合金龙骨没有涂装防火涂料，铝合金龙骨的熔点在600℃左右。 当一层建筑着火时，该层的所有幕墙玻璃都会被烧毁。 因此，只要发生火灾，就会造成巨大的财产损失和人身伤害。 由于PC外墙采用钢筋混凝土材料，可采用夹层保温设计，不外露保温材料，且钢筋混凝土墙体为不燃体，截面厚度可达到2.5hr的耐火极限12cm，所以PC外墙的防火性能远远超过玻璃幕墙。
2.6 玻璃幕墙与PC外墙耐久性比较
根据建制[2006]291号《既有建筑幕墙安全维护管理办法》规定，建筑幕墙工程自竣工验收交付使用后，每十年必须进行一次安全评价。 玻璃幕墙常因钢材劣质、焊接缺陷、涂层不足、幕墙骨架承载力不足、变形过大或与主体结构连接不良等原因造成。 玻璃幕墙每十年就会通过一次安全鉴定，需要进行大修。 幕墙的设计寿命一般为二十五年。 由于PC外墙技术成熟、材料稳定，墙体主体连同建筑设计年限可达到50年的要求。 十年后维护只需更换部分填缝剂即可。 因此，PC外墙的耐用性也远远超过玻璃幕墙。
3、钢结构建筑PC外墙设计实践及适用范围及限制
润泰的预制钢筋混凝土（PC）外墙技术是在欧美、日本技术的基础上结合台湾技术开发的创新施工技术。 符合国家节能减排发展战略，同步实现建筑节能与建筑工业化。 。 下面我们将介绍PC外墙如何与钢结构建筑相结合，创造出良好且成熟的设计。 从拿到建筑施工图纸后，我们根据建筑的不同需求来决定使用哪种类型的PC外墙系统。 然后进行PC外墙的基本设计和详细设计，确定PC外墙的接缝力学模型和防水方法。 最后，我们需要注意适用范围。 有限制。
3.1不同PC外墙系统的差异分析
润泰预制钢筋混凝土（PC）外墙技术包括干式PC外墙、湿式PC外墙、半湿式PC外墙全套生产和组装技术。 不同的PC幕墙系统详细介绍如下：
1、干式PC外墙是指用四个铁件将板材与结构连接起来。 底板只需在铁件连接处预留凹槽即可。 板材吊装定位后，对铁件进行间隔和保护，然后用砂浆回填，板材与结构之间必须填充层间塞。 干墙板系统的工艺是先结构，后吊装PC外墙。 干法施工精度比湿法高，但与半湿法相当。 目前台湾地区高层钢结构商业建筑均采用干式PC外墙。 外墙的主流设计方法。 图7、图8和图9显示了干式PC外墙的铁制形式。
▲图7 干墙系统承重及调节铁件施工照片
▲图8 干式PC外墙铁模板
▲图9 干式PC外墙铁件设计图
2、湿式PC外墙是指用一排钢筋代替承重部分。 需要与楼板混凝土一体浇筑，仍采用铁件调节位移。 湿墙板采用“先安装法”安装方式。 所谓“先安装法”是指在主体结构施工时，先将PC墙板安装到位，并在墙板顶部预留筋骨，用现浇板安装PC。现浇混凝土。 外墙和楼板作为一个整体的施工过程连接在一起。 这种PC外墙需要与现浇混凝土逐层连接，与钢结构建筑可跳层施工的优点相冲突，所以在钢结构建筑中一般不采用。 图10为湿式PC外墙钢筋铁件的形式。
▲图10 湿法PC外墙钢筋铁件形式
3、半湿式PC外墙是润泰选择干式PC墙板的优势，可快速吊装，可与钢结构建筑楼板配合进行混凝土浇筑。 也避免了层间干墙板的缺点。 它是纯粹为钢结构住宅开发的系统，可以快速吊装，消除家庭消防问题。 因此，接缝设计将干式PC外墙的上下铁系统和湿式接缝的上钢筋与楼板结合起来。 没有层间接缝。 由于一侧是通过混凝土浇筑固定的，所以使用的铁件可以更轻，成本也更低。 干燥系统的温度较低。 图11、图12、图13为半湿式PC外墙铁件形式、节点图及预留钢筋。
▲图11 半湿式PC外墙铁件及钢筋照片
▲图12 半湿式PC外墙节点图
▲图13 半湿式PC外墙预留钢筋
不同PC外墙系统的分析比较如下表4所示。
表4 不同PC外墙系统分析对比表
3.2 基本设计
▲图14 PC外墙板的基本设计流程
3.3 BIM验证
▲图15 PC外墙BIM检验设计流程
▲图16 PC外墙3D BIM检查
3.4 PC外墙平面与立面分割前的准备工作：
1、阅读建筑物平面图、立面图、剖面图
A、读平面图：读柱轴线确定布局的模块化，读墙体布局的范围和变化确定布局的标准化，读内部功能考虑分缝和装饰的位置处理，并对标准楼层和其他楼层进行分析。 和...之间的不同。
B、读标高：根据外墙的范围和变化以及洞口情况确定预制范围，根据建筑高度和层数确定图案尺寸。
2. 阅读结构图
A、柱、梁尺寸及楼板厚度：相关尺寸的正确性必须由业主签字。
B. 评估结构是否因安装PC板而需要结构加固。
3.审查建筑面积和PC布局规划之间的差异
A、原则是建筑面积不变。
B、PC板厚度=结构厚度+装饰材料厚度。 一般PC板厚度以150mm、180mm、200mm为原则。
C、预计板厚：建筑高度<4.5m时，t=150㎜（瓷砖饰面），t=180㎜（石材饰面）； 当建筑高度＞=4.5m，t=180㎜（瓷砖贴面），t=200㎜（石材贴面）时，板材厚度仍需根据地震力、风力、生产及结构计算确定吊装。
4. 确认非PC打印项目范围
对于不适合预浇的部位（屋顶突出内墙、阳台内墙及特殊立面造型），建议业主采用现浇。 例如，如果图案形状特殊且图案数量较少，就会对生产进度和成本不利。 或者如果连接铁件会裸露在楼板上，或者与楼板连接处的防水处理比较困难，施工性能较差，最好还是以现浇结束。
5、审查PC板生产施工的可行性：
A、审查建筑高度>3.6m时是否需要调整图案宽度。 （运输宽度或高度限制）
B、板材尺寸宜为12~15m2，重量宜为4~6吨左右，宽度不宜超过6m，最好为4~5m。 如果超过6m，就要考虑在图案中间加一组连接铁件。 原则上，图案越大，吊装、铁件的平均单价越低，但图案也越容易变形。 图17为台湾科技大学教学楼PC外墙分割立面。
▲图17 台湾科技大学教学楼PC外墙分割立面
3.5 PC外墙及钢结构建筑外装饰方案选择：
1、造型钢模可配合建筑师的设计思路：图18为台湾中和地政总署树影清水混凝土PC外墙，配合建筑师的树影外观设计思路。
▲图18台湾中和地政大楼树影PC外墙板
2、柱形、梁形PC外墙可打造出建筑师所期望的外观效果：图19、20为台湾善源建设大厦预制外墙版本，形成大开间弧形-异形立面效果。
▲图19 台湾善源建设大厦PC外墙
▲图20 台湾善源建设大厦PC外墙施工照片
3.6 PC外墙节点力学模式选择：
它可以分为以下三种类型。 无论采用哪种类型，墙板在“室内外方向”的移动都是不允许的，必须受到限制和固定，并且必须能够抵抗正、负风压。 墙板接缝铁件滑孔的滑动尺寸还必须考虑地震（包括风）滑动+制造误差+施工现场误差（包括主体结构本身的误差）的尺寸要求。 PC外墙接缝如图21所示。 机械模型表示。
1、水平滑动式（滑动）：承重铁件遇到地震或风力时的运动方式为水平滑动式。 半湿式PC外墙均采用这种运动方式。 宽版一般采用水平滑动式。
2、滚动式（摇摆）：承重铁件遇到地震或风力时的运动方式是旋转和滚动。 高、窄版一般采用滚压式。 采用滚压式接头时，需检查垂直接头填缝材料。 抗剪切力。
3、固定式（fixing）：所有铁件遇到地震或风力时都会以固定的方式移动。 基本上，墙板随着主体结构移动。 一般来说，像阳台板（上下墙板不接触）、包柱小角板（粘在柱子上一起移动）等类型的墙板都是固定式的。
▲图21 PC外墙运动模式
3.7 PC外墙防水方法：
装配式外墙一般采用非承重幕墙系统设计。 当受地震力或风力影响时，它们可以吸收单元墙构件的位移，因此它们往往在四边（干墙版）或三边（半湿墙板）方向接缝处开口，其中弹性嵌缝胶水用于吸收地震力和风力的位移。 图22和图23为常用的防水设计做法，可以达到良好的防水防漏效果。
▲图22 PC外墙水平和垂直排水方式
▲图23 PC外墙各部位防水材料示意图
3.8润泰研发的夹芯保温PC外墙专利设计，减少内外叶板错位变形：
外墙夹芯保温PC墙板克服了传统外墙外保温保温层易脱落、内保温房易结露的缺点。 中间层采用XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）保温板，防火等级为B1级。 但由于内外包裹了钢筋混凝土层，墙板整体耐火性能可达到不燃A级材料，防火效果增强。 为了减少夹芯保温墙板内外叶之间的错位变形，润泰在墙板的铁件上添加了镀锌钢筋，以连接墙板的内外叶。 通过对长宽为3米、外叶板厚度为60mm、保温层厚度为50mm、内叶板厚度为90mm的PC墙板进行分析，得到墙板的吊装错位变形值：大幅度减小，由0.59mm降至0.13mm，如图24所示。PC外墙板试算如图25所示。少量钢筋对夹芯保温墙体整体保温性能影响不大。 墙板传热系数仅增加0.001W/(mk)，对建筑节能几乎没有影响。 最新节能要求GB50189-2015公共建筑节能设计标准表3.4.1-2外墙（含非透明幕墙）满足夏热冬冷地区传热系数≤1.0的设计要求。 该工艺改进专利于2015年12月2日获得国家授权公告批准，专利号为“ZL 2015 2 0618925.2”。
▲图24 夹芯保温PC外墙的改进，防止内外叶板移动
▲图25 夹芯保温PC外墙改良前后传热系数
▲图26润泰改进型夹芯保温外墙版本
3.9 PC外墙施工方法所有墙体均由工厂完成：
对于钢结构建筑中的PC外墙来说，所有装修工作都可以在工厂内完成，施工现场的工作纯粹是吊装和组装。 由于钢结构非常适合铁件的组合，这大大减少了施工现场的施工量，增强了施工现场的工业化程度。 水平，下图27为润泰在台北的敦仁大厦项目。
▲图27润泰盾仁钢结构大厦装配式外墙施工
3.10不同钢结构建筑PC外墙的适用范围、使用条件及限制因素：
我国钢结构建筑尚无统一的分类。 一般可分为板壳钢结构、轻型住宅钢结构、工业厂房钢结构、多层民用建筑钢结构、超高层建筑钢结构。 PC外墙基本上适用于钢结构建筑的外墙围护。 外夹芯保温墙板就像钢结构的外衣，将钢结构包裹起来，连续安装的保温层适用于有保温要求的室内环境。 也是非常有利的，多道防水导水设计的外墙板系统可以解决目前工程中常见的外墙渗水问题。 另外，由于外部预埋瓷砖、石材、金属装饰条的多样性，内部夹芯保温的适用性，良好的防火性和不燃性，以及与建筑物一样长久的能力，可以广泛应用于多高层民用建筑。 钢结构只是由于PC外墙自重的缺点（6cm+5cm+9cm保温材料的20cm厚PC夹芯保温外墙的单位重量约为360kg/m2，即6是玻璃幕墙或金属幕墙（左、右）自重的8倍，生产PC弧形墙板的成本太高，因此PC外墙不太适合板壳钢结构，轻型住宅钢结构、工业厂房钢结构、超高层建筑钢结构。
4。结论
虽然目前国内设计院在钢结构建筑PC外墙设计方面经验较少，之前也没有预制专业承包商的合作，但项目实例却很少。 但PC外墙的绿色节能特性和造价均低于玻璃幕墙、外墙。 因其装饰多样性及可夹于内部防火耐用，在台湾、欧洲、美国及日本广泛使用。 希望本文的分享能够为国内业主及设计院在钢结构建筑外墙规划设计方面提供帮助。 共同推动国内建筑发展又多了一种选择。
