孫志剛 李長(zhǎng)春 中建深圳裝飾有限公司
在裝配式建筑大力發(fā)展的現(xiàn)狀下,單元式幕墻逐現(xiàn)優(yōu)勢(shì),本文主要圍繞單元式幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,希望能為單元式幕墻在未來(lái)發(fā)展提供理論依據(jù)。
單元式幕墻是指將幕墻各種面板和支撐框架(橫梁、立柱)在工廠加工組裝為幕墻單元板塊,以單元板塊的形式在工地上通過(guò)轉(zhuǎn)接系統(tǒng)直接安裝在主體結(jié)構(gòu)上的幕墻。
(1)安裝速度快,現(xiàn)場(chǎng)安裝周期短,特別適用于施工場(chǎng)地狹窄的高層建筑;
(2)幕墻表面安裝較平整,幕墻板塊和龍骨間的拼縫效果好;
(3)幕墻的水密和氣密性能可靠;利用等壓腔原理實(shí)現(xiàn)幕墻的排水和防水,密封性能好,因單元板塊全部在工廠加工組裝,并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn),不依靠現(xiàn)場(chǎng)工人高空操作的水平來(lái)保證質(zhì)量,故幕墻的水密和氣密性能會(huì)更可靠;
(4)單元板塊之間的拼縫采用柔性橡膠膠條代替硅酮密封,因柔性橡膠膠條吸附灰塵的能力較硅酮密封膠少,故降低了幕墻的污染;
(5)單元構(gòu)件是采用電腦控制加工中心在工廠內(nèi)完成加工,保證了加工質(zhì)量;
(6)單元式幕墻的掛接系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單元板塊的三維調(diào)整,可以適應(yīng)正常土建結(jié)構(gòu)偏差的2 倍,使幕墻系統(tǒng)較大的吸收外因素造成的變位,從而提高了幕墻的抗震性能。
雨幕的設(shè)計(jì)原理是指如何阻止雨水對(duì)幕墻表面的滲透,這一原理的應(yīng)用,主要形成因素為在接縫位置內(nèi)部有空氣的腔體要保持和室外的連通,保證腔體與室外處于等壓狀態(tài),內(nèi)部有空氣腔體的外表面即上述所說(shuō)的“雨幕”。等壓狀態(tài)的取得是使內(nèi)部有空氣的腔體與室外大氣相流通。
所謂的單元幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)際上就是在滿足建筑外視效果、在可控的成本范圍內(nèi),通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)幕墻各種性能要求。
單元幕墻插接的設(shè)計(jì)原理就是板塊間的橫立柱插接部位,要保證單元體間的插接在整面幕墻上的連續(xù)性,插接部位不允許存在密封的間斷點(diǎn),保證幕墻的密封。單元板塊插接的十字交叉點(diǎn)是最容易產(chǎn)生問(wèn)題的位置,因此不管在設(shè)計(jì)過(guò)程中還是安裝過(guò)程中該處都要重點(diǎn)考慮。對(duì)于單元幕墻插接的設(shè)計(jì)原理的實(shí)現(xiàn)方式有兩種,一種為密封線的前置方式,一種為密封線的后置方式。密封線的前置方式優(yōu)于密封線的后置方式,所以現(xiàn)在的做法為密封前置方式。密封線前置的做法見圖1,圖2。
圖1 單元縱剖節(jié)點(diǎn)圖
圖2 單元橫剖節(jié)點(diǎn)圖
如圖1和圖2所示,單元體下橫梁①面和立柱②面在一個(gè)平面上,③面和④面在一個(gè)平面上。公立柱的前插接刺在①、②面的外側(cè),后插接刺在③、④面的外側(cè),單元板塊安裝時(shí)可避免單元體公立柱插接刺與上橫梁插接刺的干涉,保證單元豎向插接密封性;同時(shí),位于上橫梁插接刺上的膠條可以壓在①、②、③、④面上,保證了單元橫向插接密封性;可通過(guò)在公立柱前插接刺與上橫梁批水膠條間的空隙內(nèi)填充閉合海綿條的方式,保證單元體橫向插接密封性。在十字接縫位置,上下橫梁插接處要加泡棉密封。
4.4.1 設(shè)計(jì)原理
單元式幕墻水密性能設(shè)計(jì)原理是指通過(guò)單元體之間的插接和擋水密封膠條的設(shè)置,使單元板塊的插接位置形成多個(gè)腔體,并與室外大氣連通,將幕墻的氣密線和水密線分開處理。從而使進(jìn)入腔內(nèi)的雨水通過(guò)自身重力順利排到室外,保證靠近室內(nèi)側(cè)的位置(即:氣密線)無(wú)水的存在,實(shí)現(xiàn)幕墻的水密性能。
4.4.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)
從圖2 的構(gòu)造形式可以看出,正常情況下,單元會(huì)有三四道擋水密封膠條,擋水量由外至內(nèi)遞減,根據(jù)四性試驗(yàn)確定外側(cè)第一道膠條上的排水口的大小,對(duì)于第二道批水膠條,在成本允許的情況下選擇合適的批水膠條,整體式的批水膠條擋水性能比較好。
各密封面的密封可靠性主要與板塊的安裝定位是否準(zhǔn)確、膠條具體尺寸設(shè)計(jì)是否合理有關(guān),在安裝過(guò)程中必須保證板塊的插接縫尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相同,從而保證橫立柱插接處膠條對(duì)接嚴(yán)密,通過(guò)膠條密封防止大量進(jìn)水,該膠條的具體尺寸一定要慎重選擇,膠條太小則水密、氣密性能無(wú)法保證,膠條尺寸太大則安裝比較困難。
4.4.3 擋水設(shè)計(jì)
單元式幕墻均采用密封膠條進(jìn)行擋風(fēng)、擋水,幕墻第一道擋水密封膠條俗稱塵密線。它的作用是防止灰塵和大量雨水進(jìn)入內(nèi)部腔體。擋水密封膠條在使用時(shí)具有一定的拉伸壓縮性能,保證幕墻單元板塊在發(fā)生變位時(shí),擋水密封膠條仍具有一定密封擋水性能。
4.4.4 排水設(shè)計(jì)
一般情況下,單元式幕墻插接形成的腔體至少有兩個(gè)。根據(jù)插接形式和擋水密封膠條的不同,還可以形成更多的內(nèi)部腔體,如圖1和圖2中的等壓腔體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。
在擋水密封膠條的室外側(cè)擋刺上增設(shè)排水孔,使腔體Ⅰ與室外大氣形成貫通。
在擋水密封膠條的室內(nèi)側(cè)擋刺上增設(shè)排水孔,使腔體Ⅱ與腔體Ⅰ形成貫通。
在單元體上橫梁的前插接刺上增設(shè)排水孔,使腔體Ⅲ與腔體Ⅱ形成貫通。
4.4.5 單元幕墻排水路線
室外雨水可通過(guò)兩種途徑進(jìn)入單元體插接形成的空氣腔體,即兩單元板塊橫梁或豎立柱間的擋水密封膠條搭接處。通過(guò)橫梁擋水密封膠條搭接處進(jìn)入腔體Ⅰ內(nèi)的水,一部分可通過(guò)擋水密封膠條擋刺上的排水孔排出,另一部分進(jìn)入腔體Ⅱ內(nèi)的雨水會(huì)在自身重力作用下通過(guò)擋水密封膠條間的縫隙排出,另外極少量進(jìn)入腔體Ⅲ內(nèi)的雨水,通過(guò)上橫梁前插接刺上的排水孔排到下層單元的腔體Ⅱ中,最后通過(guò)上述原理排到室外。通過(guò)立柱擋水密封膠條搭接處進(jìn)入腔體Ⅰ內(nèi)的水,一部分通過(guò)自身重力落到上橫梁的披水鋁板或披水膠條上,與橫梁腔體Ⅰ內(nèi)的雨水一同排出。另一部分進(jìn)入等壓腔Ⅱ的大部分雨水會(huì)通過(guò)自身重力落到上橫梁的披水鋁板或披水膠條上,與橫梁腔體Ⅱ內(nèi)的雨水一同排出。還有少量雨水會(huì)進(jìn)入腔體Ⅲ內(nèi),通過(guò)上橫梁前插接刺上的排水孔排到下層單元的腔體Ⅱ中,最后通過(guò)上述原理排到室外。
單元體幕墻排水路徑詳見圖3。
圖3 單元幕墻排水路徑示意圖
4.4.6 單元式幕墻的排水設(shè)計(jì)
單元式幕墻在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)成逐層排水或分層排水,采用分層排水時(shí)一般不超過(guò)2 層。單元幕墻的排水有以下兩種設(shè)計(jì)方式。
整體式披水膠條具有防水密封可靠,幕墻板塊插接縫位置密封效果好,打膠粘接環(huán)節(jié)少,依托膠條實(shí)現(xiàn)單元板塊件間進(jìn)出水通道的阻隔,不會(huì)因單元板塊發(fā)生變位而造成破壞。
采用批水鋁板,其加工難度和造價(jià)均較低,且防水性能優(yōu)良;其防水性能主要依靠現(xiàn)場(chǎng)打膠保證,在板塊發(fā)生變位時(shí)或造成膠縫撕裂,其本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)單元板塊件間進(jìn)出水通道的阻隔,需在單元上橫梁上進(jìn)行單獨(dú)的阻隔設(shè)計(jì)。整體式披水膠條與批水鋁板在原理上均可達(dá)到相同效果,但批水鋁板依賴于其他設(shè)計(jì)和施工方法,綜合對(duì)比,整體式披水膠條性能更好。
4.5.1 設(shè)計(jì)原理
氣密性設(shè)計(jì)原理是指通過(guò)在單元幕墻③面位置設(shè)置膠條、閉合海綿以及打密封膠形成最后一道密封線,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣的阻隔。氣密性位置必須設(shè)置密封膠條,插接位置的膠條形狀、尺寸和槽口的設(shè)計(jì)應(yīng)相同。同時(shí)在板塊交接位置的上橫梁上放置300mm 長(zhǎng)左右的閉合海綿,單元板塊安裝后閉合海綿具有一定的壓縮和回彈能力,以保證幕墻的氣密性能。
4.5.2 密封膠密封
應(yīng)在十字接縫處打密封膠密封,保證密封線的連續(xù)完整性。
4.6.1 插接預(yù)留尺寸H、D的確定方法
板塊間的插接尺寸H、D應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)變形量、溫度和自重引起的變形、地震影響及板塊加工、組裝、安裝的誤差等多方面因素。
4.6.2 橫梁插接預(yù)留尺寸設(shè)計(jì)
H1~H4的尺寸大小均應(yīng)≥H。其中,H1、H2、H4為單元板塊件預(yù)留的壓縮尺寸,避免上下兩單元因結(jié)構(gòu)變位造成相互擠壓破壞;H3為單元插接受力尺寸,避免上下兩單元不會(huì)因結(jié)構(gòu)變位造成插接脫落。
4.6.3 立柱插接預(yù)留尺寸設(shè)計(jì)
立柱插接尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)各種變形因素,一般單元板塊的橫向插接變位小于豎向插接變位。D1~D3的尺寸大小均應(yīng)≥D。D1、D3為單元板塊件預(yù)留的壓縮尺寸,避免左右兩單元因結(jié)構(gòu)變位造成相互擠壓破壞;D2為單元插接受力尺寸,保證左右兩單元不會(huì)因結(jié)構(gòu)變位造成插接脫落。
4.7.1 插芯的作用
單元式幕墻插芯具有定位和導(dǎo)向作用,單元幕墻板塊是靠插接刺和槽口相互插接,槽口內(nèi)設(shè)置柔性膠條,因膠條具有拉伸和壓縮能力,單元板塊無(wú)法準(zhǔn)確定位,單元插芯插入緊密配合的槽口內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)定位,并且具有安裝導(dǎo)向作用。
4.7.2 承壓的作用
對(duì)于所有的橫滑式單元幕墻,風(fēng)荷載作用到幕墻外表面上時(shí),單元板塊上下橫梁和左右立柱交接位置也是通過(guò)下單元插芯將上單元所承受的部分風(fēng)荷載傳到下單元板塊的固定端,再由下單元固定端傳遞到主體結(jié)構(gòu)上。因而,單元插芯在整個(gè)受力體系起承壓的作用,插芯的承壓能力必須通過(guò)計(jì)算確定。
4.7.3 插芯的排水和密封作用
單元式幕墻的特點(diǎn)在于合理的干法密封設(shè)計(jì)與施工,并使幕墻能有效地疏導(dǎo)排水。單元式幕墻橫豎龍骨在設(shè)計(jì)合理時(shí),單元板塊的拼縫處往往是幕墻的密封和防水性能的薄弱位置。因此,插芯除連接相鄰兩單元板塊外,其還可保證相鄰板塊件的水密性能和排水的功能。
4.7.4 橫滑插芯強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由于插芯在單元幕墻系統(tǒng)中起著承壓作用,所以插芯的截面尺寸和長(zhǎng)度必須滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求。對(duì)于橫滑單元式幕墻,上單元板塊和下單元上橫梁相互插接位置構(gòu)成單元立柱的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu),因單元上橫梁多采用開腔體系,自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很難滿足計(jì)算要求,就需要插芯參與單元體的計(jì)算,并作為該簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的下支點(diǎn)。單元上橫梁插接刺在承壓計(jì)算時(shí)不能將其作為一個(gè)整體連續(xù)體,應(yīng)將其承壓段(承壓段長(zhǎng)一般取300mm)和插芯配合計(jì)算,以確定插芯截面和長(zhǎng)度。
4.7.5 橫滑插芯其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)
底部和前后壁應(yīng)與上橫梁應(yīng)留有足夠的打膠間隙,保證密封膠的變位能力。當(dāng)采用立柱開釘槽時(shí),由于上橫梁向立柱打釘情況時(shí),插芯要預(yù)留間隙,避開釘頭。
4.8.1 在轉(zhuǎn)角部位做幕墻收口處理
建筑周圈均為單元幕墻時(shí),單元幕墻的最后一個(gè)板塊將無(wú)法正常安裝,所以在單元幕墻交圈的最后收口部位需做特殊處理。幕墻的轉(zhuǎn)角可以做收口處理的,如圖4 所示,當(dāng)單元幕墻收口為轉(zhuǎn)角時(shí),需要做一樘雙公框單元和一樘雙母立柱單元。當(dāng)同層除雙母立柱單元外的所有板塊都安裝后,再將雙母立柱單元板塊從上至下安裝,完成板塊交圈收口。
圖4 收口為轉(zhuǎn)角單元板塊做法示意圖
4.8.2 轉(zhuǎn)角板塊的主定位點(diǎn)設(shè)置
轉(zhuǎn)角兩側(cè)的單元板塊主定位點(diǎn)應(yīng)設(shè)置靠近轉(zhuǎn)角處。因?yàn)殡p公框結(jié)構(gòu)與其相對(duì)應(yīng)的雙母立柱結(jié)構(gòu)在板塊內(nèi)水平方向上的伸縮量很小,如果雙公框板塊的定位點(diǎn)在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角的一側(cè),則靠近轉(zhuǎn)角的一側(cè)在溫度變形作用下,會(huì)產(chǎn)生沿板塊內(nèi)水平方向的伸縮,該伸縮無(wú)法從結(jié)構(gòu)上消除,對(duì)結(jié)構(gòu)不利;而雙母立柱結(jié)構(gòu),雖然理論上沿著板塊內(nèi)水平方向的伸縮可以通過(guò)結(jié)構(gòu)消除,但是轉(zhuǎn)接處結(jié)構(gòu)變位情況復(fù)雜,應(yīng)將變位點(diǎn)設(shè)在靠近直面的簡(jiǎn)單受力部位。
橫滑式單元式幕墻的密封為周圈插接,故每層最后一塊單元板塊的安裝難度是最大的,正常情況的單元板塊無(wú)法從上向下進(jìn)行安裝固定,在施工的各工程中,主要有以下四種解決方法。
4.9.1 收口部位放在與其他類型的幕墻結(jié)構(gòu)交接位置
此種方法適用于幕墻不為單一的單元式幕墻,在每一層均存在與單元式幕墻交接的其他幕墻結(jié)構(gòu),因其他幕墻結(jié)構(gòu)為非插接結(jié)構(gòu),故可以把單元幕墻的收口板塊定為與其他幕墻交接的板塊,這樣可是實(shí)現(xiàn)單元幕墻的收口作業(yè)。
4.9.2 預(yù)留三塊單元板塊做法
預(yù)留三塊單元板塊,通過(guò)調(diào)整左右兩側(cè)單元以實(shí)現(xiàn)中間收口單元的安裝。該方法需對(duì)單元板塊反復(fù)調(diào)整,且調(diào)整困難,考慮現(xiàn)場(chǎng)的施工難度,此種收口方法不推薦使用。
4.9.3 雙母立柱收口板塊做法
如圖5 所示,如采用正常公母立柱插接體系,中間收口單元板塊的右側(cè)立柱插接刺勢(shì)必與其右側(cè)單元板塊上橫梁產(chǎn)生干涉,無(wú)法進(jìn)行安裝,可采用雙母立柱體系避開干涉情況,如圖6 所示。此插接體系是單元收口板塊左右立柱均采用母立柱,其右側(cè)單元板塊采用雙公立柱做法,可保證中間收口板塊從上而下安裝時(shí),可避免上述干涉情況,實(shí)現(xiàn)單元板塊的交圈收口。此做法不會(huì)影響單元式幕墻的氣密和水密性能。
圖5 正常單元板塊做法示意圖
圖6 收口為雙母立柱單元板塊做法示意圖
4.9.4 單元板塊銑豁插接做法
如圖5 所示,如采用正常公母立柱插接體系,中間收口單元板塊的右側(cè)立柱插接刺勢(shì)必與其右側(cè)單元板塊上橫梁產(chǎn)生干涉,如不采用雙母立柱做法,可對(duì)單元板塊上橫梁進(jìn)行開缺口處理避開上述干涉,以實(shí)現(xiàn)收口板塊的插接。該兩個(gè)銑豁位置位于單元十字接縫處的披水膠條(披水板)和橫滑插芯位置。在單元十字接縫處理過(guò)程中,這兩處豁口可用密封膠封堵,不影響單元整體的密封效果。以上做法均可解決橫滑式單元幕墻的收口問(wèn)題,具體可依照工程實(shí)際情況,選取適用方案。
以上論述僅代表大多數(shù)單元幕墻工程到的設(shè)計(jì)要點(diǎn),也是作者在單元幕墻設(shè)計(jì)中的體會(huì),具體工程還要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)幕墻企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,且幕墻價(jià)格透明度高,微利運(yùn)行,在幕墻設(shè)計(jì)施工過(guò)程中,要綜合分析,廣泛借鑒,合理選擇經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和施工方案,同時(shí)也要遵循安全與質(zhì)量并重的原則,使利潤(rùn)最大化。