超大復合單元式幕墻系統關鍵技術

李強國

（北京北投通城建設開發有限公司，北京 101121）

1 工程概況

隨著我國經濟持續快速增長和改革開放不斷深入，建筑幕墻市場得到快速發展。但北京市乃至國內范圍內超大單元板塊并不多見，相較以層高作為分格的常規幕墻板塊，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，每個板塊中間為玻璃，周圈為石材及穿孔鋁板，形成凹凸狀。原設計中單元式幕墻板塊轉角處最大板塊為4.0m×9.0m，最大質量為5.8t；標準尺寸為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，標準單元板塊質量為5.3t。本工程采用的幕墻系統分格超過常規建筑，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導致鋁型材復合難以保證插接效果。

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

3）因單元板塊質量較大，對施工平臺結構的承載要求高。

4）因本工程將雨落管設置在幕墻空腔內存在一定難度。

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

因此在深化設計過程將原設計方案進行更改。在滿足采用大分格設計外觀要求下，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+面板系統進行分體安裝。更改后采用工廠加工框架、現場分體吊裝的形式進行設計、施工。單個幕墻板塊石材周圈布置，采用背栓式安裝構造固定在鋼架上；中間為玻璃，玻璃與石材之間為4mm厚穿孔鋁板，穿孔鋁板兼具系統通風功能。其中主受力結構為鋼骨架，采用工廠焊接、現場裝配式安裝設計，安裝后外立面效果具備單元體幕墻特點。其余如保溫等材料現場進行施工安裝。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。

鋼架采用Q235B鋼材，外露鋼結構表面氟碳面漆處理，隱蔽鋼構件表面采用熱浸鍍鋅的防腐措施。其余幕墻相關材料如各類緊固件、膠條、玻璃、鋁板、鋁合金、石材等均按照國家相關標準進行設計。

2 技術要點

2.1 結構設計

為保證外觀效果，鋼架設計時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面滿足受力要求，須通過嚴格的結構計算，確定在荷載作用下鋼架的變形量是否滿足要求。在進行設計計算時大跨度框架幕墻結構設計重點在中間主受力的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2個鋼架之間玻璃自重產生的荷載及作用在玻璃上的水平風壓帶來的荷載，側向外凸梯形構造主要承擔鋁板及石材產生的荷載，同時鋼架將承擔側向及正面的風荷載作用。

鋼架采用簡支梁設計，上端采用掛接支座方式，能承受3個方向的荷載，下端采用伸縮方式，不承擔自重。結構整體為雙向受彎的拉彎結構。相較常規框架幕墻龍骨，本工程框架龍骨具有跨度大且龍骨焊接較多的特點，如何控制焊接質量，降低初始缺陷并保證整體剛度是關鍵。本工程主要通過三維放樣找出最佳切角焊接方式，并對焊縫位置剛性進行評估及強度校核，為幕墻外飾面的安裝精度及外觀效果提供充分保障。

結構設計另一個關鍵點為支座的承載力設計，支座是保證整個幕墻結構安全最重要的位置，也是結構設計的難點之一。本工程單個幕墻板塊均掛接在上下2個支座上，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及側向荷載F3約為10kN作用。本工程主要采用有限元進行精細化分析，如圖3所示，通過有限元分析后得出，最大應力在尖角位置應力集中處，區域很小，并不影響結構安全。但此位置對焊接的加工具有指導意義，即加勁板角部一定要按鋼結構標準要求進行切角再焊接，防止多向應力交錯集中，除此位置，其余區域均能滿足強度要求，以較小的板厚和加工代價保證了結構安全。

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）

本工程結構設計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、氣密性及抗風壓性能等提供保證。

2.2 防水設計

本工程將單元式幕墻改為分體裝配式安裝，最大的優勢是提高了幕墻的防水性能，按框架幕墻的要求設計防水避免單元式十字交縫的漏水隱患，同時避免因單元板塊幕墻在安裝過程中，上下2個單元板塊之間石材分格中間位置進行左右板塊插接時碰撞導致位移調節不方便、對縫隙膠條的精準控制較難實現而導致的防水隱患。因此幕墻采用分體裝配式安裝的方式進行安裝，在層間位置進行防水處理即可。防水采用等壓腔原理，結合內側打膠密封，實現橫向防水線的交圈。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點

由于上下插接關系，此處防水設計采用單元體防水進行。層間插接外側開縫石材內側有1個較大的等壓腔，按等壓腔原理是防水的最佳設計方式，因此首先應保證不會有大量水進入等壓腔，而少量進入的水量將通過設置的1.5mm厚排水鋼板排出，并在內側打膠密封，防止水流繼續進入室內。

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

2.3 節能設計

為貫徹國家大力發展綠色建筑技術理念，踐行節能減排方針，本工程對節能設計提出較高要求。幕墻作為建筑的外圍護結構，需有防寒保溫的作用。而且隨著建筑設計的不斷推陳出新，建筑設計越來越復雜和新穎，施工技術不斷發展，各種新材料、新工藝不斷發展，對幕墻節能要求越來越高，對幕墻施工也提出更大的挑戰。對于幕墻節能設計而言，透明位置的玻璃選型是關鍵，玻璃透光導致的熱量傳遞和輻射問題與常規非透明墻體熱工特性不同，本工程幕墻節能設計玻璃嚴格選型，采用當前市場上最先進的三玻兩腔的Low-e鍍膜充氬氣帶暖邊的低輻射高透玻璃，高標準的玻璃選型是滿足本工程節能要求的關鍵因素，經計算所需的玻璃厚度不僅要滿足結構、環境、隔聲和安全的要求，同時玻璃的外觀質量和性能也符合相關國家標準。

根據工程與規范要求，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，傳熱系數為0.8，是當下幕墻領域相當優越的節能玻璃配置。節能標準節點如5所示。

圖5 立面框架幕墻節能設計節點

其中玻璃外框采用斷橋鋁作為阻斷熱傳導的重要構造措施；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能要求。本工程幕墻整體節能要求滿足建筑所需，傳熱系數低于1.8。采用美國國家實驗室LBNL分析軟件分析標準節點熱傳導云圖可看出，在冬季室外零下20℃極寒天氣下，室內依然能不結露并適于正常生活所需溫度，進一步表明本工程節能設計是成功的。

3 結語

建筑業發展到今天，節約資源、降低勞動力強度已成為行業工作的重點，每年建筑業要消耗大量的能源與資源。在北投投資大廈項目中，通過對原超大單元式幕墻板塊重新進行深化設計，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，并采用環形導軌進行安裝，創造性地將大跨度框架幕墻按單元體幕墻施工，大幅節約人工費，加快施工速度，提高施工質量，相關經驗可大量推廣應用到后續工程中去。通過對大跨度拉索幕墻進行深化設計，在保證特有通透效果的前提下，減少了鋼結構桿件的數量，盡最大可能增加采光，270°觀景轉角玻璃窗為辦公提供無限視野享受。

通過對原單元板塊進行深化設計，將原來的單元式板塊拆分為分體式單元板塊，在滿足“四性”試驗的基礎上，提高了施工效率，通過將大型幕墻板塊現場施工安裝的主要步驟改為工廠進行，將單元體吊裝技術應用于大跨框架幕墻上，解決現在鋼固件焊接的污染，以及人力、場地費用等問題，并響應國家裝配式建筑的要求進行工廠加工、現場吊裝安裝的綠色施工方法，避免現場焊接的污染及安全問題，加快施工進度，避免現場噪聲污染等問題，取得良好的社會和經濟效益。