廈門港務大廈鋼鋁組合幕墻的構造設計

崔浩（廈門佳迅裝飾建筑工程有限公司）

廈門港務大廈鋼鋁組合幕墻的構造設計

崔浩
（廈門佳迅裝飾建筑工程有限公司）

大跨度玻璃幕墻設計中，為了保證幕墻構件的強度、剛度滿足要求，節省鋁型材用量，降低成本，一般采用鋼鋁組合結構，它充分發揮了鋁合金型材和鋼材各自的優勢，鋁合金型材保證了幕墻具有良好的裝飾性能，鋼立柱主要承受幕墻的工作荷載。鋼鋁組合結構必將在大跨度、受力復雜的建筑幕墻中得到廣泛的應用。

建筑幕墻；大跨度；鋼鋁組合；球鉸付框

1　引言

隨著高層、超高層建筑物的迅猛發展，建筑幕墻已經成為現代建筑必不可少的一部分。幕墻作為建筑物的裝飾性維護體系，可以使建筑墻體的防風遮雨性能、保溫隔熱性能、氣密性能和水密性能、美觀性能得到很大的改善。幕墻主要由金屬（通常為鋁合金型材和鋼材）構件和各種板材組成的墻體構件，通過豎框上的掛件與主體結構上的預埋件相連接而成的建筑物外表的一層帷幔［1-5］。鋼鋁組合結構充分發揮了鋁合金型材和鋼材各自的優勢，鋁合金型材保證了幕墻具有良好的裝飾性能，鋼立柱主要承受幕墻的工作荷載。在玻璃幕墻龍骨和鋁合金門窗的框料的設計中，為了保證幕墻構件的強度、剛度滿足要求，節省鋁型材用量，降低成本，一般采用鋼鋁組合結構，同時達到了外表美觀、截面小巧、視線通透的效果。另外在框架式玻璃幕墻的維修加固中，一般也采用鋼鋁組合結構。

圖1　廈門港務大廈效果圖

2　工程概況

廈門港務大廈項目位于廈門東渡路西側、客運聯檢大樓北側，主體結構為框架核心筒結構，建筑總高度為146.95m，大廈主樓層為33層及2層（屋頂）設備層，廈門港務大廈是廈門郵輪辦公區域內的主要標志性建筑，將會成為臨海的重要辦公地標建筑。設計的概念來自‘帆船航行的動力’。帆船航行的動力來自大自然。一旦帆船從大自然中吸收了動力，便展出帆船航行時的動感氣勢。建筑的立面處理上，橫向線條與周邊建筑協調，西立面兩條雙曲弧線顯露出強烈的光影效果，突出陽光的概念與挺拔的風格。建筑細部的處理，力求精致與細膩，體現出現代建筑的精湛工藝。整個塔樓幕墻形式用簡潔單純的幕墻裝飾線條來簡化建筑物的復雜形體，有規律間隔地設計豎向鋁合金裝飾線條。不同的建筑外裝飾線條，不僅是構成建筑物的裝飾元素，也給建筑物以強大的視覺沖擊力，極具現化感和震撼力，積極追求建筑物的優美輪廓，讓整個建筑物融入并障顯于周圍繁華環境之中，突出建筑物的大氣、時尚、中國、國際的意蘊中。本工程主要采用半隱框架式玻璃幕墻，南北二側應為平板玻璃折線拼成弧狀玻璃，玻璃分塊原則上是按柱距等分，標準層層高3.8m，部分層高達到了6.6m和4.2m，主要為淺灰色透明8mm+12A+6 mm Low-E雙鋼化中空玻璃，鋁包鋼龍骨，龍骨室外表面氟碳噴涂處理，室內陽極氧化處理。西立面漸變式橫明豎隱框架式玻璃幕墻，部分為雙曲椎面玻璃要求采用無色熱彎玻璃，正是本工程的重點和難點。首層全玻幕墻8mm+12A+6 mm Low-E雙鋼化中空玻璃，主入口雨蓬采用10mm+1.52PVB+10mm夾層雙鋼化玻璃。

3　幕墻受力桿件的兩種鋼鋁組合結構

幕墻受力桿件組合結構主要有“鋁穿鋼”和“鋁包鋼”兩種形式［6］，“鋁穿鋼”組合結構的典型節點如圖2所示，具體做法是把鋼插芯插入鋁合金型材的腔體中，鋼插芯和鋁合金型材通過抗剪構件（一般為對穿螺栓等）使二者協同受力，幕墻立柱在均布線荷載作用下，鋼插芯與鋁合金型材所受的荷載是按照型材的抗彎剛度進行分配，二者會產生同樣的變形曲線，撓度變形處處相同，整個截面處的應力分布更加趨于均勻。值得注意的是，對于“鋁穿鋼”組合結構在設計時，必須保證抗剪構件具有足夠強度，保證鋼材和鋁型材不發生相對滑動。否則，如果抗剪構件產生較大的變形或者剪切破壞，那么，“鋁穿鋼”的組合結構將轉變為無剪切的疊合梁，這種疊合梁在均布線荷載作用下，鋼材與鋁材在接觸面將產生縱向的剪切滑移，因此，二者并不能協同受力，與真正的“鋁包鋼”組合梁相比，疊合梁的慣性矩和剛度大大降低了［7］，有可能無法滿足幕墻構件強度和剛度的要求，甚至會造成安全隱患。另外，還應該注意在鋼材和鋁合金材料的接觸面設置絕緣層以防止電化學腐蝕，一般“鋁穿鋼”組合結構中設置絕緣墊片比較困難，即使安裝的過程中設置好了，也可能因為沒有固定好位置而產生偏移，達不到預期的效果。為了解決這個問題，我們可以在鋼插芯的外表面涂刷3～5遍的有絕緣性能的防銹漆，并使防銹漆干膜的厚度滿足相關規范的要求。同時，為了防止鋼插芯內表面的銹蝕，鋼插芯的兩個端口應用封口板焊接密封。

圖2　“鋁穿鋼”橫梁典型節點圖

在以往的工程實踐中，“鋁穿鋼”組合結構，將鋼插芯插入封閉的鋁合金型材的腔體的施工難度較大，鋼插芯與鋁型材的空隙過小，則不容易其穿入型材空腔內；如果鋼插芯與鋁型材的空隙過大，則會造成二者之間的不能緊密配合，進而無法協同受力。而“鋁包鋼”的做法克服了這一缺陷，鋼型材起到了承擔荷載的作用，而鋁合金型材一般只起到裝飾的作用，往往壁厚都很薄。鋁合金裝飾由幾段開口鋁型材通過螺栓固定在鋼型材上，形成完整的裝飾面。相對“鋁穿鋼”組合結構，“鋁包鋼”組合結構適合各種造型的幕墻構件，由于忽略了鋁合金型材的作用，受力路徑更加清晰明了。

4　本工程中的重難點及解決方案

⑴本工程主要采用“鋁包鋼”的鋼鋁結合結構，標準層層高為3.8m，由于部分層高達到了6.6m和4.2m，為了滿足幕墻構件的強度和剛度要求，不同的層高要求幕墻立柱的慣性矩、截面高度等截面參數不同，勢必造成不同的層高立柱的截面高度尺寸大小不同，不僅占用了室內的空間，還影響了室內幕墻的裝飾效果。針對這種情況，我們采用焊接工字鋼作為鋼插芯，統一了工字鋼的截面高度尺寸，針對不同的層高，通過計算分析，對焊接工字鋼的翼緣和腹板厚度進行調整，不僅滿足了幕墻立柱的強度和剛度要求，而且各層立柱外觀尺寸大小一致。

⑵本工程中局部采用了熱彎玻璃，南北二側為平板玻璃以直代曲拼接成的曲線玻璃，而且幕墻的結構形式有明框、隱框等結構形式，采用普通的幕墻結構，室內玻璃副框與幕墻立柱通常不能保持平齊，而且平板玻璃拼接曲面玻璃幕墻時，每個分格中幕墻橫料與立柱在水平面內的夾角不同，室內的視覺效果很差，針對這種情況，我們通過對立柱外包型材的改進，將玻璃付框隱藏于型材前部，并且采用了鉸接副框（如圖3所示），這樣對于幕墻橫料與立柱在水平面內的夾角不同均可以采用同一種副框，不僅施工方便，而且降低了成本。

圖3　本工程“鋁包鋼”立柱節點圖

⑶本工程采用鋼鋁結合結構，包括了隱框幕墻、明框幕墻、半隱半明等各種幕墻結構形式，要做到有明有隱，各種結構簡潔統一，我們以全隱框玻璃幕墻結構為基礎，通過螺栓固定外加扣蓋的方式來實現明框線條；這樣我們用較少的模具實現了復雜的幕墻結構形式，不僅構造簡單，而且降低了工程成本。

綜上所述，針對建筑造型和獨特的裝飾效果，整個幕墻設計方案力求達到結構形式簡單統一，便于施工，既滿足美觀要求，又滿足功能的要求，并且保證了整個設計方案的安全性與經濟性的統一。

5　結語

隨著高層、超高層建筑物的迅猛發展，必然對建筑幕墻提出新的更高的要求，建筑幕墻設計中將涌現更多新材料、新技術、新結構。幕墻設計師應該根據工程具體的特點和要求，靈活運用各種結構以滿足建筑師和業主的要求。鋼鋁組合結構由于具由強度高、抗火性能好、良好的經濟性必將得到更加廣泛的應用。

［1］洪偉強.單元式幕墻施工技術在建筑工程中的應用［J］.學術論壇，2009，（1）：250.

［2］彭政國，張芹，孟慶范.現代建筑裝飾—鋁合金玻璃幕墻與玻璃采光頂［M］.北京：中國建筑工業出版社，1996.

［3］王朝熙.裝飾工程手冊 ［M］.北京：中國建筑工業出版社，1991.

［4］Richard A.behr.Seimic.Performance of Architectural Glass in Mid-Rise Curtain Wall［J］.Journal of Architectural Engineering［J］.1998，4（3）：113-121.

［5］Amstock，J.S.Handbook of glass in construction［M］. McGraw-Hill，New York，1997.

［6］高樹鵬.鋼鋁組合結構在建筑幕墻工程中的應用［J］.廣東建材，2014，（5）.

［7］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構 ［M］.北京：科學出版社，2003.1-21.