單元式幕墻外裝飾條施工技術創新探究

張心彬

上海金冠幕墻股份有限公司 上海 201104

建筑立面采用玻璃幕墻作外圍護結構并配以鋁板裝飾條的形式越來越多。同時，單元式幕墻由于其施工方便、節能環保的特點，近年來得到了迅速推廣。目前，單元式幕墻外裝飾條施工時大量采用焊接形式。盧星存等[1]研究表明，雖然幕墻連接件焊接殘余應力不會影響整體結構的應力分布、剛度和承載力，但在焊縫周圍60 mm范圍內，殘余應力最大值接近材料的屈服強度。沈雋等[2]在對單元板連接的大型外裝飾條所產生的側向荷載及彎矩進行計算時，得出焊接產生的焊縫會對幕墻系統產生較大影響的結論，并認為采用焊接形式時焊縫需保證結構要求。祝偉等[3]認為幕墻施工中的焊縫應飽滿平滑，不得有夾渣、裂紋。范晶[4]在工程實踐中得出結論：除非為呈現特定的外觀效果，幕墻工程施工時應盡量減少焊縫數量和焊縫長度，以提高工程質量。鄭春等[5]在某幕墻工程裝飾條施工要點中指出，鋼方管及角鋼進行焊接時要考慮焊接偏差，避免累積，以確保裝飾線條尺寸準確。

基于大裝飾條在安裝施工中的難點，設計團隊開發出一種新型的第二支點安裝系統。該系統采用全螺栓連接，三維可調，可有效消除安全隱患，安裝效果可靠，且提升了結構偏差吸收能力，從而減少了成品損壞現象。該系統在上海某超高層建筑外裝飾條施工過程中得到成功應用，解決了由于裝飾條巨大、操作空間狹小、風壓大等導致的焊接難度大、返工率高、周期長等技術難題。

1 幕墻結構第二支點安裝系統研究

1.1 現行第二支點安裝系統

現行大裝飾條第二支點安裝方式都是將轉接件通過焊接直接安裝在主結構上[6]，現有技術單元體第二支點安裝豎剖、橫剖節點如圖1所示。

圖1 現有技術豎剖、橫剖節點

該技術存在以下幾點不足：

1）現場大量采用焊接，焊接質量較難控制。

2）焊接時操作空間狹小，且為仰焊，對工人技術水平要求較高，焊接質量很難把控；裝飾條外挑較長，側向受力較大，存在較大的安全隱患，且不利于成品保護。

3）現場大量采用焊接，安裝間隙較小，極易燙傷已安裝的鋁材及玻璃，造成不可修復的破壞。

4）安裝精度要求較高。焊接完成后左右無法調節，因此對鋼件定位要求較高。

5）在工程施工過程中，易出現諸多問題，直接導致施工周期延長，影響工程進度。

1.2 新型第二支點安裝系統

根據工程特點創新研發了第二支點安裝系統（圖2），其通過在結構鋼梁外側面焊接固定平板。該平板設有豎向的通槽，通槽面向結構鋼梁的側面焊接有哈芬槽，使其開口與通槽對正，哈芬槽內設有能滑動的T形螺栓。平板外側面設有水平的連接橫梁，該連接橫梁兩側面與平板通過L形的轉接件固定連接。轉接件的2個側面相互垂直，第一側面通過T形螺栓與平板固定連接，第二側面通過固定螺栓與連接橫梁固定連接，兩垂直側面端部設有三角形加強肋。

圖2 創新技術三維

為便于三維調節，第一側面設有橫向的第一長孔，T形螺栓位于該第一長孔內。連接橫梁設有豎向的第二長孔，第二側面設有橫向的第三長孔，固定螺栓分別穿過該第二長孔和第三長孔。為在調節后能夠牢靠地固定位置，第一長孔和第三長孔周圈均設有豎向的鋸齒，T形螺栓末端和固定螺栓末端均設有帶豎向鋸齒的墊片。該創新技術的豎剖、橫剖節點如圖3所示。

圖3 創新技術豎剖、橫剖節點

由于哈芬槽（圖4）與平板結合設計并預制在主體鋼結構上，且均布橫梁左右兩側，因此能承受較大的側向荷載。豎向哈芬槽與T形螺栓的齒牙咬合關系可以實現螺栓的上下調節，同時避免豎向滑動。轉接件采用雙向拉齒，可實現左右、前后調節，進而達到三維可調的目的。同時，哈芬槽與平板預制在鋼結構上可對鋼結構本身起到局部加強的作用，滿足了幕墻結構受力及連接要求。此外，哈芬槽還具有防側移功能，可實現臨時定位功能，使螺栓在未擰緊的情況下，仍可實現定位。超高層建筑大裝飾條懸挑長，外挑達1 000 mm，第二支點的連接處側向風荷載大，標準值為5.23 kPa。為能夠承受較大風壓，轉接件采用鋼材質，同時在側向增加2塊肋板，以加強抗彎性能。

圖4 創新技術哈芬槽（紫色）

當現場安裝單元體時，可在安裝單元體前，就將第二支點的鋼轉接件進行臨時安裝定位。單元體安裝就位后，由于第二支點三維可調，使得安裝較為方便。在大型裝飾條的安裝中，為保證整體裝飾條的結構強度，現有施工技術一般是在與主體結構連接部位采用全部焊接的工藝，但焊接時的高溫極易將安裝完成的鋁材及玻璃燙傷，造成不可修復的破壞。因此，在焊接空間狹小的不利條件下，創新的第二支點安裝系統相較于現有施工技術而言，由于全部采用螺栓連接，故能夠避免現場的大量焊接工作，大大提高了現場施工的安全性，改善了施工條件。同時，新型第二支點安裝系統的三維可調功能可有效地控制安裝質量，消除安全隱患，提升吸收結構偏差的能力，減少對成品的破壞。

2 工程實施案例

2.1 背景介紹

上海前灘中心辦公樓項目建筑高度280 m，共55層，幕墻總面積約55 000 m2。在55層屋頂層，層高4.5 m，幕墻面積8 000 m2，玻璃單元1 152樘，每層144樘，裝飾條2 500延米，層間設100 mm厚防火巖棉。主要幕墻系統為單元式幕墻與屋頂層異形鋁板裝飾條（框架）系統，結構支撐形式為單跨支點承載。幕墻形式為橫明豎隱單元式玻璃幕墻，外挑豎向遮陽裝飾線條，裝飾線條為異形裝飾條（圖5）。

圖5 55層屋頂層異形裝飾條

2.2 現場施工方法

異形鋁板裝飾條龍骨固定的第二支座需要現場焊接，在如此狹小的層間位置進行焊接施工，難度很高，且很容易燙壞已安裝好的單元體板塊，存在較大的施工難度和安全隱患。

新型第二支點連接系統的安裝方法為：在建筑主體上預留安裝橫向的工字形結構鋼梁，在該結構鋼梁內側對稱安裝2個帶有豎向哈芬槽的平板，并將該哈芬槽內的T形螺栓通過該平板的豎向通槽伸出，將L形轉接件的第一側面通過T形螺栓與平板固定連接，再將用于連接裝飾條的連接橫梁的兩側面分別與2個連接件的第二側面通過固定螺栓連接。在施工過程中，單元掛接后只需穿螺栓即可，避免了此位置的現場焊接工作，如圖6所示。

圖6 新型連接技術應用

2.3 強度校核分析

該建筑結構形式為框架核心筒結構，建筑高度279.85 m，地面粗糙度類型為C類，抗震設防烈度為7度，主體結構設計使用年限50年，基本風壓0.55 kPa，基本雪壓0.20 kPa。計算軟件采用PTC_Mathcad_15.0_M045_CHS。連接螺栓為3-M16不銹鋼螺栓A2-70，支座鋼埋板設計采用Q345鋼板，考慮到扭矩作用，將其等效為水平作用力，支座連接設計采用3-M20的8.8級T形螺栓。

螺栓校核：轉接件與鋼梁連接螺栓設計采用兩列3-M16不銹鋼A2-70，此處螺栓主要承受扭剪作用。經計算，單個螺栓承受剪力39.882 kN，螺栓抗剪設計承載力為41.605 kN，應力比為0.959，因此螺栓剪力校核滿足要求；單個螺栓承受Y軸拉力74.844 kN，單個螺栓承受X軸剪力4.217 kN ，螺栓抗拉設計承載力為98 kN，應力比為0.766，因此單個螺栓的拉、剪復合驗算滿足要求。

2.4 試驗檢測分析

對安裝完成的單元體試件進行物理性能檢測，選取板塊中某一根外裝飾條，長度約4 500 mm，寬度約1 000 mm，進行風墻模擬測試以及耐撞擊測試（圖7、圖8）。

圖7 風墻模擬測試

圖8 耐撞擊測試

風墻模擬測試中的風墻高度約4 500 mm，寬度約1 200 mm，風墻模擬風速為40 m/s，外裝飾條側面承受風壓作用，風口距試樣約2.5 m，持續時間為15 min。測試結果顯示，外裝飾條無永久變形，無任何損壞，無異響，滿足要求。

裝飾條耐撞擊測試按室外3級標準，撞擊物體是總質量為（50±0.1） kg的軟體重物，由2個輪胎、2個重塊和其他連接件組成，輪胎內壓力為（0.35±0.02） MPa。室外側的最大撞擊降落高度按700、1 100、1 800 mm逐級增加，最大撞擊能量800 N·m，觀察并記錄試件的狀況并測試試件的殘余變形。試驗結果顯示，撞擊力消失后，樣品未發生永久變形，撞擊力未導致樣品零部件脫落，滿足要求。

3 結語

大裝飾條第二支點安裝系統的創新研究避免了施工現場的大量焊接工作，實現了安裝三維可調，有效控制了安裝質量，消除了安全隱患。同時，該系統提升了吸收結構偏差的能力，減少了對成品的破壞，并在上海前灘中心超高層建筑上得到了成功運用，為同類工程項目的施工提供了很好的借鑒。