裝配式建筑中異形單元幕墻設計探討

曾偉清,余國保（珠海興業綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000 )

1 工程概況

海南移動指揮調度中心一期幕墻工程位于海口市，建筑高度為 111.05 m，主體結構為裝配式鋼結構加鋼筋混凝土核心筒結構組合體系。

根據建筑的效果，4 個角部位置采用框架幕墻形式，中間大面位置采用單元幕墻形式，大面位置與 4 個轉角位置以曲線的形式分隔。因此，大面幕墻的邊角位置單元體全部為異形，大面中間位置單元體為規則形狀。本文重點解析單元幕墻部分。

2 幕墻設計部分

2.1 標準位置單元幕墻的設計

中間標準單元板塊規格為1 500 mm(L)×4 000 mm(H)，掛件采用螺栓加 U 槽形式，幕墻節點橫、縱剖面見圖 1、圖 2。

圖1 幕墻節點橫剖面圖（mm）

圖2 幕墻節點縱剖面圖（mm）

本系統是利用等壓原理實現結構防水，由多道密封膠條構成等壓腔，并通過迂回渠道與外界連通，保持腔內外空氣壓力均衡。滲入幕墻內部的少量水能在每一層順暢排出。由此有效保證了氣密性和水密性。

2.2 轉角位置單元幕墻的設計

轉角位置的玻璃全部為異形，且最外端玻璃板塊挑出邊部鋼結構支點最大位置有 990 mm，距離示意見圖 3。

圖3 轉角位置外端玻璃板塊挑出邊部鋼結構支點距離示意(mm)

在轉角幕墻的前期系統選擇上主要有兩種：一種是采用框架式，優點是框架幕墻靈活，方便曲線位置幕墻的收口，缺點是框架幕墻與單元幕墻交接不便，影響立面效果，且現場施工麻煩；另一種是采用單元幕墻，優點是與大面的相鄰位置板塊組成一個整體，采用工廠化大面積加工，現場安裝方便，工期短，缺點是 4 個面一共有 144 塊單元板塊全部為異形，工廠的加工較為復雜。考慮到工期、立面等多方面的原因，系統最終還是采用單元式的做法。

因玻璃板塊挑出邊部鋼結構支點最大位置有 990 mm，且根據項目的風洞試驗報告得出，邊角位置最大的風荷載達到 6.3 MPa，因此，轉角位置的單元板的連接將主要有兩個問題：一是單元體本身的結構受力，僅采用鋁龍骨無法滿足受力問題；二是懸挑的部分單元板塊產生的水平荷載支座反力非常大，因此支座的設置需重點考慮。

2.3 單元體鋁包鋼構造的設計

轉角位置采用普通的鋁立柱無法滿足結構要求，只有考慮采用鋼型材，并采用有限元軟件SAP 2000，進行結構模擬、結構計算、結構優化。轉角龍骨模型見圖 4。

圖4 轉角龍骨模型

根據圖 4 中的鋼結構形式，需要將鋁型材包飾在鋼架上，組成一個鋼架受力的單元體。組成后的單元體見圖 5。

圖5 鋼架受力的單元體（mm）

鋁扣蓋需要根據單元體組裝的工序進行開模，以方便單元體的工廠安裝。圖 5 中節點A、B、C做法見圖 6。

A、B節點中 175mm×70mm×6mm厚鍍鋅鋼方通(Q 345 B)為鋼架主龍骨，B節點中的 80mm× 60mm×5mm鋼方通(Q 345 B)為次龍骨，主、次龍骨通過焊接組成一個鋼架，次龍骨將力傳遞給主龍骨，主龍骨將力最終傳遞給單元體支座，組合部分的鋁材不參與受力，僅僅起到外飾作用。為了防止鋼鋁之間的電化學反應，主要采取以下 3 點措施：①鋼型材表面全部進行熱鍍鋅處理，在工廠加工因搬運破壞或焊接破壞鍍鋅表面的，均需做二次防銹處理；②組裝鋁型材時，在鋼鋁接觸面加 2.0mm厚橡膠墊片進行絕緣處理;③在鋁扣蓋組合完畢后，在端部用鋁板封口密封，在扣蓋與立柱、橫梁扣接位置，均用密封膠封閉，確保雨水不進入鋼鋁組合材腔體內，避免鋼材生銹。整個鋼骨架與鋁型材均在加工廠組裝好，而后運輸到現場整體安裝。

圖6 單元體不同位置節點

2.4 單元體支座的設計

采用有限元軟件計算出轉角鋼架支座反力，見圖 7。

圖7 支座反力圖

其中B支座的水平拉力達到了 119.93 kN。如果按正常的風壓來算，水平拉力遠不到這個數值，可以懸挑單元體產生了很大的反力。桿件產生的彎矩見圖 8。

圖8 桿件彎矩圖

從圖 8 中可以看出，桿件 2 中支座位置的彎矩達到了37.4 kN·m。由于幕墻進出位及成本的限制下，采用原來標準的支座已經無法滿足此處的受力要求，如果無法解決此處的支座問題，轉角處采用單元裝配式的做法將無法實現，因此，需要換一種思路，改變做法。創新性地采用兩用支座來解決此位置的單元板塊的多方向的受力。根據需要，此處設置 2 種不同類型的支座A、B。支座布置見圖 9，支座的具體做法見圖 10。

圖9 單元體支座（mm）

圖10 單元體支座布置圖

此支座的設置主要為了解決此處很大的拉拔力，因此，設置有m24 定制 T 型螺栓。此 T 型螺栓隨單元在工廠臨時固定好，到現場進行入槽安裝。支座的設計考慮了 3 個方向的調節：①單元體鋼連接板上設置豎向長孔，以保證螺栓可以高度方向的調節；②進出位方向通過螺桿本身的螺紋進行調節；③平面外可以通過埋件支座上的長條孔進行調節。有了這種方向的可調節設置，安裝過程中，無須焊接，確保了工地的施工質量與安全。

B支座的安裝采用普通位置的連接方式，考慮到比較大的扭矩，因此，將鋼連接件進行加厚處理。此支座的設置主要為了承受單元板塊的自重。

從上面的分析可以看出，支座A與支座B各自承擔不同的功能，利用材料的最優性能去承受不同的力，達到了節省材料的同時把難題化解，使得轉角單元體可以順利地進行安裝。

3 結 語

異形的裝配式建筑中采用單元幕墻體系完全可以實現。但幕墻的設計要采用非傳統的思路去思考，同時，幕墻的施工與主體結構的施工要緊密結合，以保證支座、連接件的精度。只有這樣，才能更好地將單元幕墻應用于裝配式建筑中，為我國早日實現裝配式大國，為我國的節能降耗，作出幕墻人應有的貢獻。