李強(qiáng)國(guó)

（北京北投通城建設(shè)開發(fā)有限公司，北京 101121）

1 工程概況

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)和改革開放不斷深入，建筑幕墻市場(chǎng)得到快速發(fā)展。但北京市乃至國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)超大單元板塊并不多見，相較以層高作為分格的常規(guī)幕墻板塊，一般跨度在4～6m。

北投投資大廈工程立面呈大分格劃分方式，跨越2層，跨度達(dá)9m，是具有跨層性的超大幕墻板塊。采用791塊大單元式幕墻板塊，每個(gè)板塊中間為玻璃，周圈為石材及穿孔鋁板，形成凹凸?fàn)睢ＴO(shè)計(jì)中單元式幕墻板塊轉(zhuǎn)角處最大板塊為4.0m×9.0m，最大質(zhì)量為5.8t；標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2.8m×9.0m，單元板塊中玻璃部分尺寸為1 299mm×2 898mm×54mm，石材部分尺寸為348mm×348mm×30mm，標(biāo)準(zhǔn)單元板塊質(zhì)量為5.3t。本工程采用的幕墻系統(tǒng)分格超過常規(guī)建筑，在提升外立面美觀的要求下，為幕墻的安裝帶來一定難度，主要體現(xiàn)以下方面。

1）超大板塊的單元式幕墻鋼材在加工過程中的誤差會(huì)導(dǎo)致鋁型材復(fù)合難以保證插接效果。

2）因板塊較大，在安裝、吊裝過程中易發(fā)生板塊變形，導(dǎo)致單元板塊無法與前后板塊插接，甚至導(dǎo)致板塊破壞。

3）因單元板塊質(zhì)量較大，對(duì)施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載要求高。

4）因本工程將雨落管設(shè)置在幕墻空腔內(nèi)存在一定難度。

5）因單元板塊尺寸較大，單元體水平跨度達(dá)4m，在石材板塊位置進(jìn)行插接，影響防水功能。

因此在深化設(shè)計(jì)過程將原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更改。在滿足采用大分格設(shè)計(jì)外觀要求下，本工程將單元式幕墻更改為分體裝配式安裝，即單元板塊分解成龍骨系統(tǒng)+面板系統(tǒng)進(jìn)行分體安裝。更改后采用工廠加工框架、現(xiàn)場(chǎng)分體吊裝的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。單個(gè)幕墻板塊石材周圈布置，采用背栓式安裝構(gòu)造固定在鋼架上；中間為玻璃，玻璃與石材之間為4mm厚穿孔鋁板，穿孔鋁板兼具系統(tǒng)通風(fēng)功能。其中主受力結(jié)構(gòu)為鋼骨架，采用工廠焊接、現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝設(shè)計(jì)，安裝后外立面效果具備單元體幕墻特點(diǎn)。其余如保溫等材料現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工安裝。鋼架作為面板掛接的支撐，其他面板及支撐的鋁合金次龍骨依附于倒梯形的鋼架外側(cè)。

鋼架采用Q235B鋼材，外露鋼結(jié)構(gòu)表面氟碳面漆處理，隱蔽鋼構(gòu)件表面采用熱浸鍍鋅的防腐措施。其余幕墻相關(guān)材料如各類緊固件、膠條、玻璃、鋁板、鋁合金、石材等均按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證外觀效果，鋼架設(shè)計(jì)時(shí)凸出不同的面形成多種傾角的多邊形，為確定鋼架是否在各個(gè)面滿足受力要求，須通過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定在荷載作用下鋼架的變形量是否滿足要求。在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)大跨度框架幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在中間主受力的9m跨倒梯形鋼架，空間模型顯示如圖1所示。

圖1 立面框架幕墻鋼龍骨三維圖

鋼架由兩部分組成，倒梯形鋼架主要承擔(dān)2個(gè)鋼架之間玻璃自重產(chǎn)生的荷載及作用在玻璃上的水平風(fēng)壓帶來的荷載，側(cè)向外凸梯形構(gòu)造主要承擔(dān)鋁板及石材產(chǎn)生的荷載，同時(shí)鋼架將承擔(dān)側(cè)向及正面的風(fēng)荷載作用。

鋼架采用簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)，上端采用掛接支座方式，能承受3個(gè)方向的荷載，下端采用伸縮方式，不承擔(dān)自重。結(jié)構(gòu)整體為雙向受彎的拉彎結(jié)構(gòu)。相較常規(guī)框架幕墻龍骨，本工程框架龍骨具有跨度大且龍骨焊接較多的特點(diǎn)，如何控制焊接質(zhì)量，降低初始缺陷并保證整體剛度是關(guān)鍵。本工程主要通過三維放樣找出最佳切角焊接方式，并對(duì)焊縫位置剛性進(jìn)行評(píng)估及強(qiáng)度校核，為幕墻外飾面的安裝精度及外觀效果提供充分保障。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為支座的承載力設(shè)計(jì)，支座是保證整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)安全最重要的位置，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本工程單個(gè)幕墻板塊均掛接在上下2個(gè)支座上，基本受力如圖2所示。支座受到自重F2約為20kN、水平荷載F1約為30kN及側(cè)向荷載F3約為10kN作用。本工程主要采用有限元進(jìn)行精細(xì)化分析，如圖3所示，通過有限元分析后得出，最大應(yīng)力在尖角位置應(yīng)力集中處，區(qū)域很小，并不影響結(jié)構(gòu)安全。但此位置對(duì)焊接的加工具有指導(dǎo)意義，即加勁板角部一定要按鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行切角再焊接，防止多向應(yīng)力交錯(cuò)集中，除此位置，其余區(qū)域均能滿足強(qiáng)度要求，以較小的板厚和加工代價(jià)保證了結(jié)構(gòu)安全。

圖2 立面框架幕墻支座掛接及受力分析

圖3 立面框架幕墻掛接支座受力分析（單位：kN）

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析保證了大跨度框架幕墻的安全性及外觀變形控制，為整體幕墻的水密性、氣密性及抗風(fēng)壓性能等提供保證。

2.2 防水設(shè)計(jì)

本工程將單元式幕墻改為分體裝配式安裝，最大的優(yōu)勢(shì)是提高了幕墻的防水性能，按框架幕墻的要求設(shè)計(jì)防水避免單元式十字交縫的漏水隱患，同時(shí)避免因單元板塊幕墻在安裝過程中，上下2個(gè)單元板塊之間石材分格中間位置進(jìn)行左右板塊插接時(shí)碰撞導(dǎo)致位移調(diào)節(jié)不方便、對(duì)縫隙膠條的精準(zhǔn)控制較難實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致的防水隱患。因此幕墻采用分體裝配式安裝的方式進(jìn)行安裝，在層間位置進(jìn)行防水處理即可。防水采用等壓腔原理，結(jié)合內(nèi)側(cè)打膠密封，實(shí)現(xiàn)橫向防水線的交圈。而豎向在玻璃及鋼架交接位置通過2道密封解決問題，第1道采用耐候密封膠及膠條防水，第2道采用泡沫棒加密封膠進(jìn)行防水；中間石材開縫位置采用鍍鋅鋼板打膠密封防水（見圖4）。由此橫向及豎向連接位置防水均得到有效解決。

圖4 立面框架幕墻橫向防水節(jié)點(diǎn)

由于上下插接關(guān)系，此處防水設(shè)計(jì)采用單元體防水進(jìn)行。層間插接外側(cè)開縫石材內(nèi)側(cè)有1個(gè)較大的等壓腔，按等壓腔原理是防水的最佳設(shè)計(jì)方式，因此首先應(yīng)保證不會(huì)有大量水進(jìn)入等壓腔，而少量進(jìn)入的水量將通過設(shè)置的1.5mm厚排水鋼板排出，并在內(nèi)側(cè)打膠密封，防止水流繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)。

豎向防水主要在拼接位置處采用密封膠密封，此做法與傳統(tǒng)框架幕墻防水設(shè)計(jì)相同。而橫向防水具有優(yōu)越防水性能，主要是采用單元體防水的等壓腔原理，相較常規(guī)框架幕墻只打膠密封的防水設(shè)計(jì)方法，防水性能得到較大提高，而同時(shí)在縱向不存在插接縫，又規(guī)避了單元體防水的十字縫弱點(diǎn)。因此，本工程的幕墻防水較優(yōu)越。

2.3 節(jié)能設(shè)計(jì)

為貫徹國(guó)家大力發(fā)展綠色建筑技術(shù)理念，踐行節(jié)能減排方針，本工程對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)提出較高要求。幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，需有防寒保溫的作用。而且隨著建筑設(shè)計(jì)的不斷推陳出新，建筑設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜和新穎，施工技術(shù)不斷發(fā)展，各種新材料、新工藝不斷發(fā)展，對(duì)幕墻節(jié)能要求越來越高，對(duì)幕墻施工也提出更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)而言，透明位置的玻璃選型是關(guān)鍵，玻璃透光導(dǎo)致的熱量傳遞和輻射問題與常規(guī)非透明墻體熱工特性不同，本工程幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)玻璃嚴(yán)格選型，采用當(dāng)前市場(chǎng)上最先進(jìn)的三玻兩腔的Low-e鍍膜充氬氣帶暖邊的低輻射高透玻璃，高標(biāo)準(zhǔn)的玻璃選型是滿足本工程節(jié)能要求的關(guān)鍵因素，經(jīng)計(jì)算所需的玻璃厚度不僅要滿足結(jié)構(gòu)、環(huán)境、隔聲和安全的要求，同時(shí)玻璃的外觀質(zhì)量和性能也符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)工程與規(guī)范要求，本工程選用的玻璃為6mm+1.52mm PVB+6mmLow-e+12mmAr+8mmLow-e+12mmAr+8mm三玻兩中空雙銀雙腔充氬氣加暖邊鋼化夾膠玻璃，傳熱系數(shù)為0.8，是當(dāng)下幕墻領(lǐng)域相當(dāng)優(yōu)越的節(jié)能玻璃配置。節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)如5所示。

圖5 立面框架幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)

其中玻璃外框采用斷橋鋁作為阻斷熱傳導(dǎo)的重要構(gòu)造措施；外框與玻璃之間的接縫位置采用熱阻極高的隔熱毯填縫，保證了連接部分的節(jié)能要求。本工程幕墻整體節(jié)能要求滿足建筑所需，傳熱系數(shù)低于1.8。采用美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室LBNL分析軟件分析標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)云圖可看出，在冬季室外零下20℃極寒天氣下，室內(nèi)依然能不結(jié)露并適于正常生活所需溫度，進(jìn)一步表明本工程節(jié)能設(shè)計(jì)是成功的。

3 結(jié)語

建筑業(yè)發(fā)展到今天，節(jié)約資源、降低勞動(dòng)力強(qiáng)度已成為行業(yè)工作的重點(diǎn)，每年建筑業(yè)要消耗大量的能源與資源。在北投投資大廈項(xiàng)目中，通過對(duì)原超大單元式幕墻板塊重新進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，保持其原有的外立面效果，將單元式幕墻板塊更改為分體裝配式板塊，并采用環(huán)形導(dǎo)軌進(jìn)行安裝，創(chuàng)造性地將大跨度框架幕墻按單元體幕墻施工，大幅節(jié)約人工費(fèi)，加快施工速度，提高施工質(zhì)量，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可大量推廣應(yīng)用到后續(xù)工程中去。通過對(duì)大跨度拉索幕墻進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，在保證特有通透效果的前提下，減少了鋼結(jié)構(gòu)桿件的數(shù)量，盡最大可能增加采光，270°觀景轉(zhuǎn)角玻璃窗為辦公提供無限視野享受。

通過對(duì)原單元板塊進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，將原來的單元式板塊拆分為分體式單元板塊，在滿足“四性”試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提高了施工效率，通過將大型幕墻板塊現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的主要步驟改為工廠進(jìn)行，將單元體吊裝技術(shù)應(yīng)用于大跨框架幕墻上，解決現(xiàn)在鋼固件焊接的污染，以及人力、場(chǎng)地費(fèi)用等問題，并響應(yīng)國(guó)家裝配式建筑的要求進(jìn)行工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)吊裝安裝的綠色施工方法，避免現(xiàn)場(chǎng)焊接的污染及安全問題，加快施工進(jìn)度，避免現(xiàn)場(chǎng)噪聲污染等問題，取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。