白啟安

（浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

圖1 單元式幕墻橫向插接縫示意

單元式幕墻樓層位置的橫向插接縫的搭接量（見圖1）在GB/T 21086—2007《建筑幕墻》和 JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中都沒有規(guī)定明確的計(jì)算規(guī)則，在上海市的地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ 08-56—2012《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中有所規(guī)定，該規(guī)定中的計(jì)算要素如何取值和是否增加計(jì)算要素值得分析。

1 上海市地方標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法

DGJ 08-56—2012規(guī)定，單元式幕墻樓層處橫向插接縫的間隙和搭接量按式（1）計(jì)算：

式中：L′b——有效間隙，mm；

Lb——搭接長(zhǎng)度，mm；

α——立柱的線膨脹系數(shù)，1/K；

b——立柱長(zhǎng)度，mm；

△t——幕墻的年溫度變化，K；

dc——施工偏差，可取2 mm；

dE——考慮地震等其它因素影響的預(yù)留量，可取2 mm。

從式（1）可以看出，間隙和搭接量算法相同，方向相反，近似對(duì)稱。

2 制作偏差和施工偏差

提到施工偏差就容易想到制作偏差，并且制作偏差會(huì)在施工中有所體現(xiàn)。在GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003中均對(duì)單元式幕墻單元組件框和單元組件組裝偏差進(jìn)行了規(guī)定，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中2種偏差一致，大于2000 mm的單元組件長(zhǎng)度偏差均為±2 mm。由此可見，以理論安裝定位點(diǎn)為基點(diǎn)，長(zhǎng)度偏差影響單元式幕墻樓層處橫向插接縫的間隙和搭接量，并且兩者對(duì)稱、方向相反，即式（1）中應(yīng)該增加制作偏差項(xiàng)dM，單向計(jì)算時(shí)取2 mm。若將施工偏差dc理解為單元安裝時(shí)的高低偏差，以樓面安裝標(biāo)高為參照，相鄰的A、B樓層為例：

（1）A樓層1號(hào)單元制作組裝偏差為-2 mm（短了為負(fù)），安裝時(shí)高了2 mm，B樓層1號(hào)單元安裝時(shí)處于理論安裝位置，A、B樓層單元的橫向插接縫在A樓層樓面處變寬了4mm。

（2）A樓層2號(hào)單元制作組裝偏差為2 mm（長(zhǎng)了為正），安裝時(shí)低了2 mm，B樓層2號(hào)單元安裝時(shí)處于理論安裝位置，A、B樓層單元的橫向插接縫在A樓層樓面處變窄了4 mm。

顯然上述2種情況是不可接受的。GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003對(duì)單元式幕墻的插接縫間隙和搭接量偏差分別作了規(guī)定，即±1 mm。

結(jié)論：（1）單元式幕墻的插接縫的有效間隙和搭接量不需將制作偏差和施工偏差疊加考慮，施工偏差施工時(shí)整體控制，制作偏差根據(jù)通用性互換匹配。（2）式（1）中的施工偏差dc應(yīng)理解為施工時(shí)插接縫間隙和搭接量偏差，且其值單向取1 mm。

3 溫度變化

溫度變化的計(jì)算方法在GB/T 21086—2007、JGJ 102—2003及DGJ 08-56—2012中均未給出明確的計(jì)算方法，在GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的可查數(shù)據(jù)是50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫和月平均最低氣溫，但該規(guī)范同時(shí)明確了對(duì)金屬結(jié)構(gòu)等對(duì)氣溫變化敏感的結(jié)構(gòu)，宜考慮極端氣溫的影響，幕墻面材的脆性需要考慮極端氣溫的影響。為了方便計(jì)算，行業(yè)內(nèi)專業(yè)軟件或設(shè)計(jì)文件中△t常常采用80℃。這里存在3個(gè)問題：（1）溫度升高間隙L′b減小、搭接長(zhǎng)度Lb增大；溫度降低間隙 L′b增大、搭接長(zhǎng)度 Lb減小，L′b和 Lb不可能同時(shí)承受幕墻的年溫度變化。（2）△t采用80℃這一數(shù)值接近全國(guó)極端年溫差，以 b=4200 mm 為例，αb△t＝8.46 mm，這數(shù)值在式（1）中占比較大，影響設(shè)計(jì)效果。（3）沒有考慮溫度變化對(duì)幕墻載體（主體結(jié)構(gòu)）的影響。

為了精準(zhǔn)計(jì)算可參考荷載，規(guī)范GB 5009—2012引入施工溫度t0并考慮幕墻載體的溫度變化，則計(jì)算L′b時(shí)：

計(jì)算Lb時(shí)：

式中：b——幕墻單元高度，mm；

△b——幕墻立柱的相對(duì)溫度變化，mm；

△tc——幕墻框架溫度變化，℃；

△ts——主體結(jié)構(gòu)溫度變化，℃；

tc，max——幕墻立柱最高溫度，℃；

t0，min——幕墻施工時(shí)最低氣溫，℃；

——幕墻施工時(shí)月平均氣溫，℃；

t0，max——幕墻施工時(shí)最高氣溫，℃；

te，max——幕墻工程所在地極端最高氣溫，℃；

te，min——幕墻工程所在地極端最低氣溫，℃；

ti——建筑物夏季室內(nèi)溫度，按GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，取26℃；

ρs——幕墻立柱外表面太陽輻射吸收系數(shù)；

Is，max——投射到幕墻外表面的最強(qiáng)太陽輻射照度，W/m2；

αe——夏季幕墻外表面換熱系數(shù)，按GB 50176—2016選取，W/（m2·K）；

αc——幕墻立柱線膨脹系數(shù)，1/℃；

αs——主體結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)，1/℃。

以杭州某工程為例，b=4200 mm，αc=2.35×10-5℃-1，αs=1.2×10-5℃-1，ρs=0.9，Is，max=669 W/m2，αe=19 W/（m2·K），te，max=39.9℃，te，min=-8.6 ℃；7 月份施工時(shí)，t0，min=26.2 ℃，t0，max=34.8 ℃；10 月份施工時(shí)，t0，min=16.2 ℃，t0，max=23.8 ℃，則計(jì)算 7 月份 L′b中的△b：

計(jì)算7月份Lb中的△b：

同樣計(jì)算可得10月份L′b中的△b=5.2 mm，Lb中的△b=1.8 mm。

結(jié)論：（1）引入施工溫度和幕墻載體的溫度變化，可有效降低溫度變化在單元式幕墻橫向插接縫計(jì)算中的比例，升溫和降溫并非雙向完全對(duì)稱。（2）施工周期可能跨越季節(jié)，材料的堆放位置等因素都會(huì)影響幕墻單元框架安裝時(shí)的表面溫度，但無論如何不會(huì)低于環(huán)境氣溫，將單元框架安裝時(shí)的表面溫度降至環(huán)境溫度是式（6）的前提條件，同時(shí)也便于保證安裝精度。

4 結(jié)構(gòu)變形

主體結(jié)構(gòu)變形對(duì)單元式幕墻橫向插接口的影響不但在式（1）中沒有體現(xiàn)，也不被設(shè)計(jì)師重視，但其影響往往超出現(xiàn)有因素。以某項(xiàng)目為例，柱子相對(duì)結(jié)構(gòu)外輪廓內(nèi)退3.875 m，懸索幕墻為7字形，大跨度處高68.2 m，短跨處8.4 m，相對(duì)結(jié)構(gòu)外輪廓內(nèi)退2.45 m（見圖2）。

出挑結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下產(chǎn)生了明顯的上揚(yáng)或者下垂，以17層到頂層為例，經(jīng)計(jì)算2～15號(hào)節(jié)點(diǎn)的變形如表1所示。

圖2 工程示意圖

表1 主體結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)mm

4.1 總體變形和相對(duì)變形分析

從表1可以看出：

（1）樓層17層對(duì)7種工況都敏感，并且隨著懸索幕墻的升溫和降溫產(chǎn)生波動(dòng)（見圖3）；18～20層對(duì)主體結(jié)構(gòu)恒荷載、單元式幕墻恒荷載和活荷載敏感；屋面層對(duì)主體結(jié)構(gòu)的恒荷載和活荷載敏感，變形的總體趨勢(shì)隨著荷載增加而增加，方向向下。

圖3 17層各工況曲線

（2）主體結(jié)構(gòu)變形向下的最大值在17層的8號(hào)節(jié)點(diǎn)的工況7，為49.17 mm，向上的最大值在20層的4號(hào)節(jié)點(diǎn)的工況4，為-4.09 mm，如此多的工況和如此大的變形在設(shè)計(jì)單元式幕墻橫向插接縫時(shí)一定要考慮。受構(gòu)造尺寸和承載能力限制，單元式幕墻的橫向插接縫無法吸收表1中的變形量。

（3）單元式幕墻橫向插接縫是吸收和適應(yīng)相鄰樓層的相對(duì)變形的，不可以直接采用表1數(shù)據(jù)直接設(shè)計(jì)插接縫。

按照各工況對(duì)相鄰樓層的相對(duì)變形（上一樓層的變形減下一樓層的變形，正值向下，表征有效間隙L′b；負(fù)值向上，表征搭接長(zhǎng)度Lb）進(jìn)行分析可以得出：

（1）相對(duì)變形向下的最大值在工況7的18層減17層的2號(hào)節(jié)點(diǎn)，為24.58 mm；向上的最大值在工況7的18層減17層的4號(hào)節(jié)點(diǎn)，為-21 mm（見圖4）。相對(duì)變形有所減少并且趨于對(duì)稱。

圖4 工況7的相對(duì)變形曲線

（2）考慮7種工況的產(chǎn)生順序，即：工況1至工況3在單元式幕墻施工前已經(jīng)產(chǎn)生并穩(wěn)定，工況4是在單元式幕墻施工過程中由工況3至工況4動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，工況5至工況7的溫度作用和活荷載是幕墻施工完成產(chǎn)生，因此，應(yīng)按工況結(jié)合相對(duì)變形進(jìn)行分析。

4.2 工況1至工況3的變形分析

工況1至工況3中以恒荷載起控制作用的最大變形在屋面的13號(hào)節(jié)點(diǎn)，為35.15 mm，以恒荷載加溫度作用組合控制的最大變形在17層的8號(hào)節(jié)點(diǎn)，為30.86 mm。工況1至工況3的變形在單元式幕墻施工前產(chǎn)生，并在設(shè)定的施工溫度（工況3中的常溫）下穩(wěn)定，可通過放線測(cè)量確定單元幕墻立柱支座孔位吸收適應(yīng)，但需注意放線測(cè)量、生產(chǎn)制作和單元式幕墻的施工溫度的一致性。

4.3 工況3至工況4的變形分析

除了屋面層外，17～20層工況4主體結(jié)構(gòu)均有變形，這一變形由單元式幕墻自重產(chǎn)生。這一過程是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，即當(dāng)單一樓層關(guān)聯(lián)面或整個(gè)樓層一圈單元式幕墻掛裝完成，工況4的變形才穩(wěn)定，因此工況3向工況4轉(zhuǎn)換時(shí)，單元式幕墻的橫向插接縫的有效間隙和搭接量應(yīng)該大于工況4與工況3的變形差，才能保證單元式幕墻的橫向插接縫順利入槽。若施工時(shí)除主體結(jié)構(gòu)變形以外的其它預(yù)留間隙或搭接量可以吸收這部分變形差，可以不考慮，否則，應(yīng)該與工況5至工況7的相對(duì)變形比較，并取大值。經(jīng)分析，工況3減工況4的向上的最大正值在20層的4號(hào)節(jié)點(diǎn)，為4.09 mm，表征有效間隙L′b，即有效間隙被壓縮再滑出；向下的最大負(fù)值在20層的2號(hào)節(jié)點(diǎn)，為-25.6 mm，表征搭接長(zhǎng)度Lb，即預(yù)搭接再滑入（見圖 5）。

圖5 工況3至工況4的相對(duì)變形曲線

4.4 工況5至工況7的變形分析

工況5至工況7的變形是溫度作用和活荷載下在單元式幕墻施工部分完成或完全完成產(chǎn)生的，因此要減去工況4的變形，減去后的主體結(jié)構(gòu)向下的最大變形在17層的工況7減工況4的7號(hào)節(jié)點(diǎn)，為13.44 mm，向上的最大變形在17層的工況6減工況4的4號(hào)節(jié)點(diǎn)，為-2.87 mm（見圖6）。

圖6 減去工況4的變形曲線

4.4.1 工況5至工況7各樓層同時(shí)出現(xiàn)的相對(duì)變形分析

減去工況4后工況5至工況7中溫度作用和活荷載同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，相鄰樓層的相對(duì)變形向下最大在工況6減工況4的18層減17層的5號(hào)節(jié)點(diǎn)，為7.46 mm，表征有效間隙L′b；相對(duì)變形向上最大在工況7減工況4的18層減17層的4號(hào)節(jié)點(diǎn)，為-4.94 mm，表征搭接長(zhǎng)度Lb（見圖7）。

圖7 減去工況4后相對(duì)變形極值曲線

4.4.2 工況5至工況7各樓層隨機(jī)出現(xiàn)的相對(duì)變形分析

減去工況4后工況5至工況7中溫度作用和活荷載隨機(jī)出現(xiàn)時(shí)，相鄰樓層的相對(duì)變形向下最大在屋面層與20層交界處（20層樓面插接縫處，20層無活荷載）的8號(hào)節(jié)點(diǎn)，為11.33 mm，表征有效間隙L′b；向上最大在18層與17層交界處（17層樓面插接縫處，18層無活荷載，17層有活荷載，懸索處于低溫）的8號(hào)節(jié)點(diǎn)，為-12.2 mm，表征搭接長(zhǎng)度Lb（見圖 8）。

圖8 隨機(jī)可變荷載的相對(duì)變形曲線

4.5 變形分析小結(jié)

（1）根據(jù)案例分析，表征有效間隙 L′b>max（4.09，7.46，11.33）=11.33 mm，表征有搭接長(zhǎng)度 Lb>max（|-25.6|，|-4.94|，|-12.2|）=25.6 mm。

（2）式（1）應(yīng)該添加主體結(jié)構(gòu)梁的彎曲變形項(xiàng)df，必要時(shí)還應(yīng)考慮主體結(jié)構(gòu)柱的壓縮變形dp，則式（1）修改為：

（3）結(jié)構(gòu)變形計(jì)算出的有效間隙和搭接量并非雙向完全對(duì)稱。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)時(shí)要了解工程所在地的氣候條件和施工時(shí)的氣溫情況，對(duì)溫度敏感結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要適時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸，如本文中溫度變化分析和結(jié)構(gòu)變化分析中的懸索結(jié)構(gòu)的溫度變化的影響。

（2）從結(jié)構(gòu)變形的影響因素可以看出，幕墻附著的載體并非無窮剛的，主體結(jié)構(gòu)變形對(duì)幕墻的影響不可忽視。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)變形的吸收和適應(yīng)不能直接采用結(jié)構(gòu)變形的絕對(duì)值，也不是單純的采用相對(duì)變形，要分清工況的產(chǎn)生順序，哪些變形是幕墻施工前產(chǎn)生的，哪些是施工過程中產(chǎn)生的，哪些是施工完成產(chǎn)生的，哪些是恒定的，哪些是可變的，針對(duì)不同工況采取不同的應(yīng)對(duì)措施。

（4）設(shè)計(jì)階段采取與施工相關(guān)的技術(shù)措施要落實(shí)到施工方案中，如本文溫度變化中的施工溫度，結(jié)構(gòu)變形中的工況1至工況3的解決方法，工況4中的預(yù)留間隙或搭接量的復(fù)位時(shí)機(jī)及點(diǎn)位，工況4中所提到的常溫作用的溫度等。