單元式幕墻深化設計案例分析

舒華

摘要：為滿足業主在品質和工期上的要求，越來越多的辦公樓采用單元式幕墻。單元式板塊在工廠內生產、加工、組裝完成，可充分確保板塊加工的質量和進度，極大的提高工地的安裝效率和安裝精度，同時其特點可較好的適應建筑及結構變形要求。文章介紹某工程單元式幕墻深化設計過程，包括結構、立柱、水槽料、支座、抗彎抗扭、防水設計與建筑位移和熱工位移的容納等內容，以期和各位幕墻設計同行進行交流。

關鍵詞：單元式幕墻；立柱；結構；水槽料；支座

1工程概述

某擬建項目是地標性建筑，三棟辦公樓塔樓標準層高4.3m，單元寬度模數為1.5m。

其外立面的半隱框單元式幕墻在現代建筑中具有代表性意義。采用橫滑型單元式幕墻設計，豎明橫隱半隱框形式，由標準層單元（玻璃單元板塊）和避難層單元（鋁合金百葉單元板塊）組成，半隱框單元式幕墻標準節點效果圖見圖1。主要分布于辦公樓塔樓東、南、西、北立面大面位置。下文旨在通過對該項目幕墻的分析，形成一個比較系統的單元式幕墻概念和有一定借鑒意義的深化設計管理經驗。

圖1半隱框單元式幕墻標準節點效果圖

2幕墻系統深化設計

2.1結構設計

2.1.1豎向鋁合金裝飾條設計

深化點一：

原設計：

（1）豎向鋁合金裝飾條由五種鋁型材組成，其中有三種型材截面最大尺寸超過350mm,最大達386mm,而大多數鋁型材生產廠家，最大型材截面生產尺寸通常都小于350mm，型材生產困難,成本會大幅增加。

豎向鋁合金裝飾條組件（原設計）

豎向鋁合金裝飾條組件效果圖（原設計）

深化設計：

（2）豎向鋁合金裝飾條由五種鋁型材減為四種型材組合，鋁型材外型尺寸均小于220mm，滿足鋁型材生產要求,節約了鋁型材開模費用。由于鋁型材外型尺寸減小，型材壁厚也可相應減小（原鋁型材壁厚2.5mm,現為2.0mm），經測算比原設計節省鋁材30℅左右。

豎向鋁合金裝飾條組件（深化設計）

豎向鋁合金裝飾條組件效果圖（深化設計）

深化點二：

原設計:

（1）鋁型材組件片狀設計，尺寸大，易變形，支撐體系復雜,在負風壓的情況下，有脫落的危險，不安全。其組合而成的豎向鋁合金裝飾條強度和剛度均不理想。

豎向鋁合金裝飾條（原設計）

豎向鋁合金裝飾條組件效果圖（原設計）

深化設計:

（2）豎向鋁合金裝飾條改為閉腔截面鋁合金組件，其強度和剛度明顯提高。

鋁合金裝飾條組件（深化設計）

豎向鋁合金裝飾條組件效果圖（深化設計）

深化點三：

原設計:

（3）裝飾條連接板較難定位，導致鋁合金扣線和膠條均扣壓不緊而脫落。

豎向鋁合金裝飾條連接板安裝圖（原設計）

深化設計:

（4）裝飾條連接板設置定位扣和卡位，使其定位準確，傳力簡單合理，保證外鋁合金扣線的適度扣壓而不脫落。

豎向鋁合金裝飾條連接板安裝圖（深化設計）

深化點四：

原設計：

（1）連接螺栓無防松設計，其更換須雙邊操作，空間狹小，拆裝困難。

連接螺栓安裝圖（原設計）

深化設計：

（2）采用雙螺紋防松脫設計、可單邊拆裝，解決了操作空間小、豎向裝飾條難拆裝的問題。

連接螺栓安裝圖（深化設計）

2.1.2鋁合金公母立柱設計

深化點一：

原設計：

（1）公母立柱對插組合后，但采用密封條單邊密封，在正負風壓作用下，易失效。

公母立柱對插組合圖（原設計）

公母立柱對插組合效果圖（原設計）

深化設計：

（2）在公母立柱的對插處采用雙邊密封，保證幕墻在正負風壓作用下，保持良好的密封性。且合理選用不同硬度不同壓縮量的膠條，在公母槽外側選用較低硬度較大壓縮量的膠條以確保槽口始終密封，從而保證幕墻的水密、氣密性能；而在公母槽內側則選用較高硬度，較小壓縮量的膠條以確保公母槽結構的傳力，使公母槽的配合緊密組合受力，同時可消除鋁合金立柱直接接觸產生的噪音。

公母立柱對插組合圖（深化設計）

公母立柱對插組合效果圖（深化設計）

深化點三：

原設計：

（3） 豎向鋁合金裝飾條在單元板塊外側，板塊重心偏移，易失穩側翻。所占空間大，運輸安裝困難。

單元板塊組裝圖（原設計）

深化設計：

（4）將豎向裝飾條安裝位置對調，可減少板塊偏心和所占空間，有效解決了運輸和安裝困難，提高施工效率。

單元板塊組裝圖（深化設計）

2.1.3 鋁合金水槽料設計

原設計：

（1）水槽料采用有坡度向外直排水方式，受正風壓作用下，大量雨水易通過泄水孔進入單元板塊后腔，形成滲漏。

深化設計：

（2）通過設計排水小腔，外部雨水難以直接進入內腔，并可達到內外氣壓平衡，形成雙等壓腔。而少量進入內腔雨水則采用落差排水流出室外，很好的保證了系統的水密性能和氣密性能。

水槽料縱剖節點圖（原設計）

水槽料縱剖效果圖（原設計）

水槽料縱剖節點圖（深化設計）

水槽料縱剖效果圖（深化設計）

2.1.4 支座設計

原設計：

（1）單元板塊和支座間采用螺栓連接，板塊定位安裝均困難。當結構誤差導致支座與板塊間有角度偏差時無法解決。

（2） 根據《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ 102-2003規定：“立柱與主體結構之間每個受力連接部位的連接螺栓不應少于2個”。而原設計單元板塊每個掛件與支座連接僅靠單個螺栓，當該螺栓失效時，無任何保護措施，存在安全隱患。

支座橫剖節點圖（原設計）

支座縱剖節點圖（原設計）

支座效果圖（原設計）

深化設計：

支座橫剖節點圖（深化設計）

（3）單元板塊直接掛接在支座上，一次掛接到位，定位準確迅速，安裝調節方便，工人勞動強度小，安裝工效高。

（4）由于單元板塊直接掛接在支座上，幕墻安全使用性能可得到保證。

支座縱剖節點圖（深化設計）

支座三維節點圖（深化設計）

支座效果圖（深化設計）

2.1.5單元式幕墻（帶豎向裝飾線條）抗彎抗扭設計

本工程單元式幕墻外側豎向鋁合金裝飾線條外挑尺寸較大，在風荷載作用下其傳遞給立柱、掛件及支座較大的彎矩和扭矩。為保障幕墻系統的安全可靠，采取了以下幾點措施：

豎向鋁合金裝飾條橫剖節點圖（深化設計）

（1）為充分利用好各幕墻桿件力學性能，通過型材結構設計，使立柱和連接板、連接板和裝飾線條均相互通長插接，三者有效組合，使其能整體受力，抗彎和抗扭能力明顯提高。

（2）豎向裝飾線條組件均采用閉腔設計，增強其抗彎和抗扭能力。

（3）對該幕墻系統進行整體建模計算，從理論上驗算其結構的安全可靠。

并對以上設計進行抗彎抗扭性能專項測試，檢驗其理論結果是否正確及可行性。

2.2防水設計

原設計：

原設計單元式幕墻系統采用雨幕原理，利用立柱內腔與橫梁內腔形成連續“等壓腔”，同時在外側設置了通長的批水膠條，阻止了室外的大部分雨水進入，但在惡性劣天氣條件下，仍會有部分雨水進入后腔而形成滲漏。

單元式幕墻排水示意圖（原設計）

深化設計：

通過設置批水膠條、防水膠皮、彈力海綿等“堵”“排”結合的措施，使單元板塊的前、后腔形成多道連續不間斷的防水屏障。而同時對于進入前、后腔的雨水，有組織的分層排到室外，整個排水路徑清晰直接。

等壓腔內排水縱剖節點圖

等壓腔內排水橫剖節點圖

單元式幕墻排水示意圖（深化設計）

“十字縫”封堵設計：（1）在兩個單元板塊水槽連接處施打密封膠，并在鋁合金水槽料存水較多的前腔加設防水膠皮，用于正面封堵及分層排水。（2）鋁合金水槽料和立柱相接處采用雙道彈力海綿，用于封堵鋁合金公母料和水槽料產生的空隙。

雙等壓腔排水設計：（1）通過批水膠條進入前腔的雨水因自重而下落由下一單元板塊水槽料前端的缺口排到鋁合金公母料披水膠條的外側。（2）進入后腔的少量雨水，通過排水小腔流入下一單元板塊鋁合金公母料的前腔。同時室外的氣流通過相同的路徑到達單元板塊的內腔，達到內外壓差平衡，形成雙等壓腔。

2.3單元式幕墻系統對建筑位移和熱工位移的容納

在地震和風荷載作用下，建筑物各層之間產生相對位移時，幕墻構件就會產生水平方向的強制位移。在溫度變化時幕墻構件也會產生熱脹冷縮現象。要使幕墻在主體位移和溫度變化的情況下不發生損壞的現象，就必須使幕墻的位移大于主體結構的變形和溫度變化引起的位移。

根據《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ 133-2001 要求，幕墻橫框和豎框伸縮量△L由以下公式計算

△L=aL3L3△T

其中aL為材料的線膨脹系數，L為型材的長度，△T為溫差。本工程L型材的長度為單元豎框的長度，取最不利值8.975米，溫差取最不利值80℃。

代入公式：△L=2.35310-538.975m340=8.4365mm

在本工程中幕墻與主體采用浮動連接，各板塊之間設計有容納變形的伸縮縫。單元板塊伸縮縫插接達到+/-20mm，充分保證幕墻在主體位移和溫度變化引起變形時不會發生損壞。

單元式幕墻豎剖節點圖

3結論

在本項目幕墻深化設計和施工過程中，我們組織了多場專家論證會，對幕墻型式進行對比選擇，對設計計算進行分析，對結構安全進行驗算，對施工方案進行優化，使得幕墻各項性能指標均能滿足規范及使用要求，項目建設實現了安全、 美觀、 經濟的管理目標。