《Journal of Building Engineering》：An innovative fa?ade system for prefabricated prefinished volumetric construction: Experimental and numerical investigations
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本文针对预制模块化建筑（PPVC）中非结构部件特别是幕墙系统存在的防水缺陷与安装难题，提出了一种基于定制单元式幕墙的创新解决方案。研究通过数值模拟与半尺寸模型实验验证了该系统在悉尼特定条件下的结构性能与防水效果（AAMA 501.2标准测试），证实其可消除脚手架使用、减少现场调整工序，显著提升施工自动化水平与工人安全性，为高层钢模块建筑提供了可靠的外围护结构技术路径。
随着全球对快速住房交付需求的不断增长，工业化与自动化建筑技术正迅速推广。其中，预制模块化建筑（PPVC）以其高度集成的单元化生产模式，成为实现高性能建筑规模化交付的重要方向。然而，这类建筑的非结构部件——尤其是外墙系统——的研究却相对滞后。现有幕墙系统与模块化结构的兼容性不足，导致了一系列严峻问题：雨水渗透引发内部装饰损坏、模块间错位造成安装困难、施工现场仍需依赖脚手架或爬升平台进行二次作业，不仅拖慢工程进度，更带来高昂成本与安全隐患。新加坡建筑管理局（BCA）明确将模块接缝处的渗漏列为PPVC建筑关键缺陷，英国政府资助的后期使用研究也指出雨水侵入是模块化建筑最严重的质量问题之一。
为突破这一技术瓶颈，西悉尼大学工程与建筑环境学院的Ramtin Hajirezaei、Pejman Sharafi和Ehsan Noroozinejad Farsangi在《Journal of Building Engineering》上发表了一项创新研究，提出了一种专为中高层钢模块建筑设计的新型幕墙系统。该系统基于经过定制化的单元式幕墙（Unitised Curtain Wall），通过优化安装流程与接口构造，旨在实现工厂化全预装、现场快速对接，并彻底摆脱对外部高空作业设备的依赖。
研究人员采用多学科交叉方法推进此项工作。首先运用SAP2000与ABAQUS软件对系统进行风荷载作用下的数值模拟，依据澳大利亚标准AS 1170.2计算设计风压，并对铝型材龙骨与中置填板进行结构校验。随后，团队制作了半尺寸钢模块 mock-up（模型），逐步模拟幕墙板片通过带槽口挂件（slotted brackets）安装、中置铝板插接、上下层单元式幕墙通过stack joint（堆叠接缝）咬合等关键构造工序，实地验证施工可行性。防水性能则严格按AAMA 501.2现场喷水测试标准执行，对竖向与水平接缝进行持续喷淋检测，评估其抗雨水渗透能力。
4. 数值模拟
分析表明，在服务能力极限状态（SLS）风压2.3 kPa下，系统最大挠度仅为4.2 mm，满足H/250的变形限值要求，应力水平也低于铝材屈服强度（172 MPa）。所选24 mm双玻单元（DGU）配置（6 mm半钢化+6 mm钢化玻璃）符合AS 1288规范，证明系统在悉尼风荷载环境下具备可靠的结构性能。
5. Mock-up testing
5.1. 施工可行性
mock-up实验成功演示了全套安装流程。带调节螺栓的挂钩支座实现了幕墙板在X、Y方向的±10 mm误差调节；中置铝板通过双侧雌雄龙骨（split mullions）插接就位，虽在干式装配下存在一定摩擦阻力，但未影响密封条就位。测试记录显示，单板安装平均耗时20分钟，需2名工人配合，系统可吸收的最大安装错位量达竖向50 mm、水平20 mm。
5.2. 防水性能
经AAMA 501.2标准测试（喷水压力35 psi，持续时间5分钟/接缝），除一处因地面不平导致临时渗漏（经复测后排除）外，所有竖向与水平接缝均未出现渗水。拆解检查显示，密封胶条虽有局部轻微曲折变形，但未影响整体压缩密封效果，证实系统具备良好的现场防水可靠性。
6. 基于情景的比较分析
研究选取Valentine（10层，脚手架施工）与Mapleton Crescent（27层， mast climber施工）两个实际项目进行对比。分析显示，传统脚手架方案在中高层项目中成本约20.3万澳元，碳排放达81–135吨CO2e； mast climber 方案虽碳排放较低（2.9–5.8吨CO2e），但成本增至36.6万澳元。而本文提出的系统因无需外部登高设备，可基本消除此类成本与碳排，同时将幕墙安装工期缩短2–3个月。
本研究系统论证了新型幕墙解决方案在构造合理性、施工可实施性与防水可靠性方面的优势。其核心创新在于通过单元式幕墙的预制化安装与stack joint压力平衡设计，实现了模块建筑外围护结构的高效密封与快速装配。该技术不仅显著提升施工自动化程度、降低全生命周期碳排放，更通过消除高空作业场景大幅提高工人安全保障，为推进模块化建筑在高层领域的广泛应用提供了重要技术支撑。未来研究可进一步开展满尺寸条件下的风压-雨水耦合渗透测试、密封材料耐久性评估以及系统在热工、隔声等方面的综合性能验证，以持续优化这一创新幕墙体系的工程适用性。
