幕墙规范的新解读(4)—石材面板和金属面板的设计

　　一、 幕墙用天然石材的分类

　　幕墙用天然石材面板的分类和名称可按两个系统予以界定。

　　1. 岩石的地质学分类(GB/T13890)

　　石材的容重、吸水率、放射性水平等物理性能，取决于岩石的地质学分类，可按国家标准《天然饰面石材术语》GB/T13890规定(表1)。JG133规范的新版本中，按此种地质学分类时均称为“岩”。

　　2. 石材面板的商品分类(GB/T17670)

　　在石材市场上，习惯了一种商品分类、编号的办法，它按国家标准《天然石材统一编号》GB/T17670进行，这种分类将晶粒相似、花纹相似的石材，以其外观感觉归并为一类，不管其岩石的形成过程和化学成分。这种分类方法便于幕墙选用商品石材。按这种分类时，规范中称之为“石”或“XX石类型”(表2)。

　　板石类型的天然石材性能较差，不适合用作幕墙面板。

　　二、 石材防水剂的选用

　　表面防水处理材料可采用有机硅材料或有机氟材料。有机硅材料防水性能好，抗氧化、抗静电，但常偏碱性;有机氟材料抗氧化、防水、抗油、防污，且多为中性，但价格稍高，防水性能稍逊于有机硅防水材料。有些工程两者兼用，各刷一层。

　　除非建筑上有特别要求，一般应选用透气的、不成膜的防水材料，防水材料不应改变石材的颜色和表面光泽。

　　防水剂目前耐久性约为5年，应要求厂家提供使用寿命检验证明。防水剂应有可再涂刷性能，以便日后补涂。

　　三、 石材面板的连接方式

　　1 . 已经取消的连接方式

　　JGJ 133-2001版本中列入了钢销连接，这种连接方式可靠性差，并不合理。实际上在工程中已经不采用。这次修订时取消了钢销连接方式。

　　2. 同向斜挂件背面连接不宜采用

　　45度上斜挂件通过石材面板背后开斜槽连接的方式(图1)不宜采用，因为：

　　斜钩入槽深度很浅，施工稍有偏差，挂件就有可能没有进槽，脱出槽口外;

　　斜向开槽形成尖角，石材尖角容易破损;

　　两个斜构同一方向，竖向地震时石板向上跳动，容易脱出。

　　3. 长槽连接工程中已经少用

　　本次修订JGJ133规范时，原版本中的边部长槽连接方式仍然保留，因为这种连接方式在技术上还是可行的。这种连接方法在1990年代曾经使用过，例如1997年建成的深圳新时代广场，高度175m，当时国内最高，且超出规范的适用范围。这工程采用的花岗岩石板厚度30mm，长槽宽度7mm，采用4mm壁厚铝型材L形挂板，上下边通长配置。

　　4. 短槽连接

　　4.1 短槽连接石材幕墙经受了强震考验

　　振动台试验表明，短槽连接的石材幕墙可以承受9度地震的作用。2008年汶川大地震中，短槽连接的石材幕墙表现良好，按7度抗震设计的石材幕墙基本上经受了9度地震的考验，没有发生明显的地震震害，不仅支承结构完好无损,甚至石材面板都能保持完好。

　　但是正如振动台试验表明那样，与背栓连接相比，短槽连接要稍弱一些。到10度地震力输入时，短槽槽口发生破坏，而此时背拴连接完好无损。

　　同样，在汶川地震中，石材幕墙总体表现良好，但个别短槽连接的板块发生了槽口掰开的破损。

　　4.2 不应采用T形挂件

　　短槽槽口发生破损的原因，除了短槽连接本身相对抗震性能较弱以外，更主要的是因为这些板块采用了T形挂件或蝴蝶形挂件(图2、图3)。这两类挂件性质相同，统称T型挂件。

　　石材面板不应采用这种连接方式，其原因为：

　　1)每一个挂件同时连接上下两块面板，地震时两块面板可能产生不同的振动，但又被挂件连在一起，相互影响，彼此牵扯，加之槽口处石材很薄，容易破坏;

　　2) 石板破损后，更换新面板时无法直接插入，必须移动多块面板才能腾出足够宽度的空隙，新面板才能装入。这样，维修就非常困难;

　　3) 当挂件刚度不足时，石板重量有可能层层下传，影响下层石板的安全。

　　JGJ133的新版本对这个问题做出了明确的规定。

　　4.3 短槽连接应采用L形挂件

　　短槽连接应采用L形挂件(图4)，L形挂件(或称之为S形挂件)每个挂件分别固定一块石材面板，拆装方便;上下石板各自独立，地震时相互不影响;也不存在自重向下传递的问题。

　　挂板可采用铝型材或不锈钢材质。

　　铝型材的材质应符合JGJ 133 规范的相应规定。

　　幕墙中常用的不锈钢牌号为：

　　S30408—06Cr19Ni10 无磁性，常用于室内正常环境，防锈性能一般;

　　S31608— 06Cr17Ni12Mo2、S31603—022Cr17Ni12Mo2 无磁性，可用于室外环境， 防锈性能较好。

　　使用不锈钢应有化学成分检测报告。

　　4.4 短槽连接的适用范围

　　根据振动台试验结果和汶川地震的经验，JGJ 133 规范新版本对短槽连接的使用范围规定为：高度100m以下的花岗石幕墙。

　　非花岗石天然石材强度低，空隙多，性质软弱，开槽后剩余部分难以承受大的外力，地震中容易破损。所以不宜采用短槽连接方式。

　　5 背拴连接

　　5.1 背拴连接的使用范围

　　背拴连接是目前石材幕墙最可靠的的面板连接方式(图5)，振动台试验表明，直到10度地震作用，连接依然有效。汶川地震中也未发现背拴连接的任何震害。

　　背拴连接可以用于各种类型的石材面板。高度100m以下的花岗石幕墙推荐使用背拴连接，高度100m以上的花岗石幕墙应采用背拴连接;非花岗石幕墙应采用背拴连接。

　　5.2 注意选用背栓的材质

　　A2不锈钢背栓的材质相当于S304，只适合用于室内正常工作条件，不适合室外石材连接;A4不锈钢背栓的材质相当于S316，含合金钼，有较高的防锈性能，可用于室外开放式石材连接。

　　通常建议采用较好性能的A4材质不锈钢背拴。 背拴进场时， 必须有背拴化学成分检验报告。

　　四、 板 缝

　　1 宜采用注胶式板缝

　　石材面板是脆性材料，破碎后立即坠落。作为安全的第二道防线，注胶板缝是减少石块坠落危险的有效措施。

　　宜采用注胶式板缝， 100米以上高度的区域，应采用注胶式板缝。万一石板破碎，胶缝的粘结力可以减少碎石块下坠伤人的危险。如果建筑师希望突出板缝线条，可以采用深打胶。

　　非花岗石面板材质较差，容易破碎，应采用注胶式板缝。

　　2 胶缝的宽度和厚度

　　石材面板的胶缝厚度不应小于6mm。由建筑密封胶的性能要求，用于石材这样的粗糙多孔表面时，胶缝宽度不应小于厚度，再考虑石板加工安装的精度较差，所以石材幕墙的板缝宽度不应小于8mm。JGJ133规范按照上述要求作出相应的规定。

　　3 深打胶 — 凹入式胶缝

　　当建筑师要求石材幕墙立面具有空缝效果时，可以采用深打胶的方式。石材面板的厚度不小于25mm，6mm厚的密封胶可以深入板面之内，达到与空缝相似的建筑效果。通常密封胶面深入板面5mm~10mm。

　　采用凹入式板缝还可以减少板缝边部位的灰尘，有利于保持石材幕墙的清洁。

　　4 开放式板缝

　　现在许多工程要求采用开放式板缝。开放式板缝应符合以下要求：

　　1)背部空间应防止积水，要采取措施使之能顺畅排水;

　　2)背部的保温材料应有防水措施，可采用金属防水衬板;

　　3)背部空间应保持通风，使水汽可以排出;

　　4)支承结构和连接件应采取更有效的防腐措施;

　　5)石板要背面贴防坠落的玻璃纤维织物或设置粘胶层;

　　6) 石板宜采取六面防水处理;

　　7) 背面防水衬板应能承受相应的风荷载。

　　五、 高度100m 以上的花岗石幕墙

　　十多年来，我们通过大量的工程实践已经积累了超高花岗石石幕墙丰富的设计施工经验。应该可以说，现在超高花岗石幕墙的设计施工技术已经相当成熟。因此JGJ133规范的新版本中，第1.0.2条已修改为“本规范适用于……..设防烈度为6、7、8度的民用建筑石材幕墙工程”，JGJ133规范将适用于花岗石幕墙的全部高度。

　　但是，应用超过100m高的花岗石幕墙还需要有相应的技术措施。

　　1)应对高度超过100m的工程采用花岗石幕墙进行技术分析，对其设计方案进行可行性评估，对其加强措施作出明确规定。

　　2)确保石材的质量：

　　1.1 认真考察石材原矿，确保石材有足够储量，有挑选的余地。石材各项物理力学指标经检验合格。

　　1.2 花岗石抗弯强度平均值不小于12N/mm2，最小值不小于10N/mm2。

　　1.3 花岗石吸水率不大于0.6%。

　　1.4 石材面板不得有裂缝、软弱矿脉

　　3) 加强进场石材检验，每批进场石材均须做抗弯强度检验;每块石板均须进行外观检查。

　　4) 花岗石板最小厚度为30mm。其允许偏差按国家标准采用。但不应当有意生产全部为负偏差的薄型产品。

　　5) 花岗岩石板100m以下宜采用背栓连接，100m以上应采用背栓连接。背栓不锈钢材质不应低于A4(S316)。

　　6) 安全措施

　　6.1 采用注胶式板缝时花岗石板背部宜加贴玻璃纤维布等材料以防石板破碎坠落。采用胶条嵌缝和开放式板缝时，所有花岗石板背面均应加贴玻璃纤维布。

　　6.2 附着于主板上的小块石板应设金属件与主板连接，宜采用角码背栓连接。

　　6.3 造型线条、窗口上方的倒挂石板宜采用铝蜂窝复合石板。采用实心石板时应采用背栓连接。

　　6.4 宜采用注胶板缝。

　　6.5 石材幕墙下方2m~3m范围内宜设置绿化、水池等隔离带，不宜设置停车位和可能吸引行人停留的商业设施。出入口应设雨蓬。

　　六、 非花岗石幕墙

　　JGJ133-2001规范原版本并未列入非花岗石幕墙的规定，因为上世纪九十年代时只采用花岗石作为石材幕墙的面板材料，其他石材由于性能较差，被认为不适合于石材幕墙。

　　此后十多年间，已经建成了数量很多的砂岩、洞石的幕墙工程，其中有些还达到150m以上的高度。这些工程在当时是超规范的，所以都进行了专门的技术论证，采取了相应的技术加强措施。

　　这十多年工程经验的积累，为JGJ 133 规范修订准备了条件，规范新版本加入了非花岗石幕墙的内容。

　　考虑到非花岗石材质较差，超高工程的经验不多，所以规范新版本同时也规定了高度超过100m的石材幕墙应采用花岗石。也就是说，JGJ133规范新版本只适用于100m以下的非花岗石幕墙。超出这一高度，就必须按特殊问题进行专门的处理。

　　1 非花岗石天然石材

　　非花岗石天然石材中，质地最好的是大理石，其次是石灰石。这两类石材强度较高，质地致密，用于建筑外墙已经有上千年的历史，古希腊和古罗马留下了大量精美建筑，都是由大理石和石灰石构成。中国古建筑大量采用的汉白玉，就是白色大理石，完好地保留到今天。

　　砂岩和洞石都是沉积岩，强度低，吸水率高，耐候性差，本不是石材幕墙面板的理想用材，但是砂岩和洞石独有的质感、颜色和风格，使得建筑师又很喜欢将它们用作石材幕墙。因此，如何选用这些石材面板，最大限度地保证安全，就是一个很重要的问题，必须慎重对待。

　　砂岩由细颗粒的砂子胶结而成，自然表面是粗糙的细颗粒状。砂岩的物理力学性能因产地不同有很大的差别，有些澳大利亚黄砂岩和意大利黄砂岩，抗弯强度可能小于3MPa，而四川隆昌的绿砂岩硬如磨刀石，抗弯强度可达到10MPa以上，接近于花岗岩。

　　有些砂岩较为致密，吸水率可以低于2.5%，而有些砂岩吸水率超过6%。因此不同的砂岩，其饱和抗弯强度和冻融系数有较大的差别。有些砂岩，如四川、广东的红砂岩，吸水后还会有软化现象，有些红砂岩长期潮湿后甚至变为泥土状，这样的红砂岩用于幕墙是不大合适的，不得不用时，应采取更有效的措施。

　　洞石是商品名称，常指多孔石灰岩和多孔凝灰岩，石材内含有许多孔洞。孔洞直径和分布密度与石材种类和产地有关。其共同特点是强度低、质地疏松、孔洞内容易积水、抗冻融性能和耐候性都较差。有些强度很低的洞石，加工好的石板甚至在运输过程中就断裂、破碎。

　　因此，砂岩和洞石的性能比花岗石差得很多，容易产生安全方面的问题。业主和设计师选砂岩和洞石作为幕墙面板，一定要事先慎重考虑。

　　2 非花岗石天然石材用于幕墙的技术要求

　　2.1 用于幕墙的基本条件

　　大理石和石灰石用于幕墙面板问题较少。而砂岩和洞石自身材性较差，总体而言不推荐用于幕墙。如果建筑设计非用不可，则至少应考虑以下最低要求：

　　1)用于幕墙的石板，每批都应进行抗弯强度试验，其试验值应符合以下要求：

　　幕墙高度不超过50m时，试验平均值不低于5N/mm2，试验最小值不低于4N/mm2;

　　幕墙高度超过50m时，试验平均值不低于6 N/mm2，试验最小值不低于4.5N/mm2。

　　单向受力的石板，在主要受力方向应满足以上要求;双向受力的石板，在两个受力方向上都应符合以上要求。

　　2)石板不应夹杂软弱的条纹和软弱的矿脉。洞石的孔洞不宜过密，直径不宜大于3mm，更不应有通透的孔洞。

　　3)吸水率不宜大于6%，加涂防水面层后不宜大于1%。

　　4)冻融系数不宜小于0.8，不得小于0.6。

　　5)石板不应有裂缝，也不能折断，不得将断裂的石板胶粘后上墙。

　　2.2 基本材性试验

　　不同产地的石材材性差别很大，在确定采用石材的矿坑前，应进行基本的材性试验。

　　1)抗弯试验。

　　确定矿点时，抗弯试验件要能代表该矿场各个不同的开采点，试件数目一般不少于20个。以后从各开采点采出的石材，每批应有抗弯试验报告，一般不少于10个试件。分别进行干燥抗弯强度试验和饱和抗弯强度试验，干燥抗弯强度是材性的基本指标。饱和抗弯强度有利了解石材对水的敏感性。

　　试验时采用净石材试件，不宜附有增强层和复合层。

　　2)吸水率

　　未经表面防水处理的石材和经防水处理的石材都应进行试验，经防水处理后的石板，吸水率不宜大于1%。

　　3)冻融系数

　　冻融系数指经过一定次数冻融循环后的抗弯强度与未经冻融循环的抗弯强度的比值。它决定了该种石材能否在寒冷地区应用。在有可能出现负温度的地区，应进行这项试验。

　　2.3 对板材的基本要求

　　只有通过基本材性试验，确认能符合2.1节的基本条件后，这种石材才可以加工为面板板材，用于幕墙工程。

　　加工完成的石材面板，还应符合以下的基本要求：

　　1)板材厚度

　　抗弯试验表明：厚度大的石板，其抗弯强度低于厚度小的石板。但是由于板的承载能力和厚度的平方成正比，厚的石板承载能力还是比薄的石板要大一些。板材的最小厚度可由抗弯强度标准值fk来决定：

　　fk≥8.0MPa时，最小厚度35mm。

　　4.0≤fk<8.0MPa时，最小厚度40mm。

　　抗弯强度标准值fk是其试验平均值减去2.0倍标准差。当这个数值小于试验最小值时，按试验最小值采用。

　　当非花岗石板材疏松、孔洞等削弱部位很多时，建议采购时与厂家协商，采用加厚下料，厚度的允许偏差采用+2mm，-0mm，不允许负偏差，以确保安全。

　　2)板材的尺寸

　　砂岩和洞石强度低，因此板材的尺寸不宜过大，一般应控制在1.0m2以内。大理石和石灰岩可以稍大一些.

　　不宜采用细长的条状石板，这种石板在运输、安装过程中很容易折断。石板的边长比最好在1：2以内，不宜超过1：3。

　　3)表面处理

　　非花岗石材料，尤其是砂岩和洞石吸水性很高，应采用防水涂料使其吸水率降至1%以下。

　　防水剂可采用有机氟或有机硅涂料，一般情况下要求涂料应透气，不形成膜，涂料也不应改变石板的光泽和颜色。由于防水涂料寿命通常不超过5年，涂料要能多次涂刷。

　　采用注胶板缝的石材幕墙，石板可以只做外表面大面防水;采用开放式板缝时，石板应进行六面防水。

　　孔洞较大、孔洞数量太多的洞石，宜进行封孔处理。

　　防水处理要在全部槽、孔机械加工完毕、清洁和干燥后再进行。

　　4)背面复合层

　　非换岗石板材，特别是砂岩和洞石石板，强度低、容易破碎、耐候性差，为防止万一破碎后坠落伤人，应在板材背面粘贴玻璃纤维布或者其它复合材料。

　　5)幕墙下方设隔离带，不设置停车位和吸引行人停留的商业设施，入口处设雨篷。

　　七、 金属面板幕墙

　　1 慎用聚乙烯铝复合板

　　聚乙烯芯材的铝塑板近年来多次发生火灾，因为聚乙烯80度失去黏着力，随即在250度时燃烧、冒烟、熔滴，更高温度下裂解为可燃气体。

　　近年来铝塑板引发的幕墙火灾屡屡发生：

　　2006.3.27.乌鲁木齐城市大酒店幕墙铝塑板被厨房炊火点燃发生大火，铝塑板烧毁;

　　2008.11.30.上海一座二十层大楼铝塑板幕墙起火，延烧十余层，几公里外都可见浓烟;

　　2008.10 . 哈尔滨二十三层经纬大厦铝塑板幕墙大火;

　　2009.4.6. 北京中国科技馆电焊引燃幕墙铝塑复合板，发生大火;

　　2011.2.3. 沈阳万鑫皇朝大酒店，爆竹引燃219m高的铝塑板幕墙大火灾;

　　2011.3.1. 杭州国大广场电焊引发铝塑板幕墙火灾。

　　频频发生的火灾，不能不令人担心铝塑板幕墙的火灾安全性。由于容易发生火灾，我国幕墙公司在哈萨克承包的工程已被哈萨克政府通令停止使用铝塑板。

　　如果要用铝复合板，宜采用白色芯材的氧化镁复合板。

　　作为铝板幕墙的面板,应优先采用单层铝板和蜂窝铝板。

　　2. 高强铝镁合金板

　　JGJ133-2001只列入了纯铝板0XXX系列和铝锰合金板系列3XXX，由于强度较低，相应最小厚度规定为2.5mm。近年来，强度达250MPa的铝镁合金板5XXX已经在工程中应用，由于这种板采用辊涂工艺，板厚只能为2.0mm。规范新版本已经列入了采用高强铝板时，板的厚度可以为2.0mm的规定。

　　高强铝镁合金板的弹性模量与普通铝板相同，并没有提高。因此板厚减薄后，变形会加大。为了保证板面平整，应加密加劲肋的距离，通常宜为250mm~300mm。深圳电视中心采用5754铝镁合金板，厚度2.0mm，加密肋间距后，幕墙板面相当平整。

　　3. 新型金属板在幕墙中的应用

　　3.1 异型不锈钢板

　　普通幕墙不锈钢板厚度为1.0mm~1.5mm，要保持面板的平整很不容易，需要采取许多技术措施(图6)。

　　3.2 蜂窝铝板和铝蜂窝复合不锈钢板

　　铝蜂窝复合板具有良好的平整度和刚度，通常复合板的面材为铝合金板，就是铝蜂窝板。2010年上海世博会中国馆的大红铝板饰面给大家留下了深刻的印象。中国馆的铝板由20mm厚的蜂窝铝板作为基层`，上面覆盖一层0.8mm厚的瓦楞行铝装饰板，称之为“长城板”。这种条绒布式的面板非常富于艺术性(图7)。

　　2012年建成的哈尔滨艺术馆为自由曲面不锈钢幕墙，考虑到不锈钢单板刚度较小，不容易平整，所以采用了不锈钢面板铝蜂窝复合板。

　　3.2 其他各种有色金属板

　　除铝板外，其他多种有色金属板在幕墙中都有应用，以实现建筑艺术的不同要求。其中，钛板、铜板和锌板用得最多。

　　3.3 穿孔金属板

　　JGJ133规范新版本中没有对穿孔金属板幕墙的设计与施工做出规定，因为它受力性质和承受的风力与实体板由较大的差别。穿孔板承受的风力与其开孔的形状和开孔率由很大的关系，具体工程须具体研究决定。

　　2010年上海世博会的场馆采用穿孔板的实例很多，也取得了很好的装饰效果。现在也有不少办公和酒店建筑采用穿孔金属板作为围护幕墙外面的装饰幕墙。

　　八、 不应采用渗油建筑密封胶

　　某些生产建筑密封胶的厂家为了减低成本，在硅酮建筑密封胶中违规添加矿物油。这种违规产品必然带来胶缝渗油的严重后果(图8)。

　　一旦胶缝发生渗油现象，无论采取什么办法，不管是物理的、化学的还是机械的手段，都无法把油污清理干净，只有把受污染的面板拆除更换。因此，金属幕墙和石材幕墙所用的建筑密封胶必须在使用前进行渗油试验，确认所使用的密封胶不产生污染现象。只能采用无污染的密封胶。掺有白油(矿物油)的劣质胶不得用于金属幕墙和石材幕墙灌缝。

　　JGJ 133 规范的新版本，对此作出了明确的规定。