芻議某項目大裝飾條單元式幕墻的設計分析

文／陸啟躍 上海龍華航空發展建設有限公司 上海 200232

1、工程概括

上海龍華航空服務產業集聚區項目（以下簡稱龍華國際）由X-1A（西岸鳳巢）、X-1B（西岸智塔）、W-1A（上海航空器適航審定中心）、W-1B（上海國際航空服務中心）四個地塊組成（圖1），基地占地面積約為84059平方米?？偨ㄖ娣e515468平方米，其中地上319368平方米，地下196100平方米。項目X-1A（西岸鳳巢）高54.4米，7層，性質為商業；X-1B（西岸智塔）高199.9米，39層，性質為辦公；W-1A（上海航空器適航審定中心）高72.8米，15層，性質為辦公和商業；W-1B（上海國際航空服務中心）高235.9米，52層，性質為酒店、辦公和商業。項目位于西側臨豐谷路、東側臨龍騰大道路、南側臨龍耀路、北側龍啟路。

圖1 上海龍華航空服務產業集聚區項目效果圖

本項目幕墻系統種類繁多，體量超大，幕墻總面積20萬平方米，建筑物表面材料以玻璃、聚碳酸酯板、鋁板和石材面板為主。由于單元式幕墻具有預裝配率高，工廠制作精度高，工地安裝周期短，現場安裝方便等因素，結合X-1B和W-1B二棟塔樓為超高層的特點，我們選擇了單元式幕墻作為二棟塔樓的幕墻設計方案。

2、建筑效果還原設計

二棟超高層的建筑師原設計理念中主立面以玻璃為主，每隔2.4米，有一條尺寸為深500mm、寬200mm的裝飾構件從頂至底，效果為橫隱豎明，由此，我們有三個方案可以實現建筑效果。

方案一、裝飾條與外維護幕墻分離，外裝飾構架作為獨立的裝飾件與外維護幕墻分開，幕墻橫隱豎明，幕墻豎向龍骨以常規80mm左右寬設計，外面的裝飾條通過轉接件連接到單元式幕墻，再由幕墻連接到主體結構，或者裝飾條直接穿過單元式幕墻連接到主體結構上；

方案二、裝飾條與幕墻一體，根據上海建筑幕墻工程技術標準DG/TJ08-56-2019,4.1條一般規定中，鋼化玻璃應不大于4.5m2,因此單元式幕墻分格為1.2米寬，豎向立柱寬度以200mm、80mm寬交替布置，幕墻橫隱豎明；室內側增加扶手欄桿；

方案三、裝飾條與幕墻一體，單元式幕墻分格為2.4米寬，豎向立柱寬度以200mm，在離室內完成面1050mm高度位置增加橫向分格；

以上方案通過效果圖模擬，再經綜合考慮，方案一和二由于施工復雜，容易漏水，從室內側效果凌亂以及造價高等因數，最終選擇了方案三（見圖2）。

圖2 幕墻效果

3、幕墻光反射分析

建筑玻璃幕墻對周圍環境會產生太陽光反射影響，對周圍的居民會有一定的影響，本項目通過專業的環評單位，出具了建筑玻璃幕墻光反射影響分析報告，結論為本項目玻璃反射率控制在15%以下，另外弧形區域立面玻璃反射率不大于采用12%，可以大大降低玻璃產生的炫光程度?？紤]到玻璃效果的整體性，我們的建筑玻璃采用反射率為12%的玻璃。

4、熱工分析

根據設計院提供的《上海公共建筑權衡計算報告書》，透明玻璃幕墻部分U≤0.20W/(m2.K),遮陽系數SC≤0.32；非透明幕墻部分U≤0.45W/(m2.K)。

計算原理

面材的傳熱系數與面材邊緣的線傳熱系數在總面積上的加權，公式如下：

Ag——透明玻璃的面積

Ap——非透明板的面積

Ug——透明玻璃的傳熱系數

Up——非透明板的傳熱系數

LTJ——面材邊緣的長度

ΨTJ——面材邊緣線傳熱系數

其中公式中的 UCW也就是我們要計算的幕墻的整體傳熱系數，也稱之為 K 值。（表1）

表1

結論：KCW=1.939≤2.0，滿足節能要求。

5、結露分析

基本計算參數：

計算地點：上海

室內計算溫度ti：18℃

冬季室外計算溫度te：-2℃

冬季室內相對濕度：60.00%

露點溫度T露點：10.15℃

通過粵建科?MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件以下溫度場圖（圖3）

圖3 溫度場圖

結論：溫度場圖顯示，室內溫度均高于10.15℃，室內側不結露。

6、幕墻防火構造設計分析

本項目室內設置了自動噴水滅火系統，在玻璃幕墻與樓層邊沿實體墻上、下水平縫隙的防火封堵，采用厚度不小于200mm厚容重不低于100KG/m3的巖棉進行填充密實，使用厚度為1.5mm的鍍鋅鋼板作為承托板，并與幕墻橫梁連接，另外一邊與主體結構連接，并用防煙膠填滿縫隙。上下填充的巖棉距離不小于0.8米。

樓層每個防火分區設置不少于2個消防救援窗，相鄰的救援窗間距不大于20米，單個消防救援窗的寬度不小于1.2米，高度不小于1米，消防救援窗的下沿距室內地面的高度為1.1米。

7、幕墻防雷設計分析

本項目幕墻采用了隔熱構造設計，因此對有隔熱構造的幕墻鋁型材，內外側采用金屬導體連接，對幕墻橫豎兩方向單元板之間橡膠條縫隙連接處，采用導電金屬條連接，形成良好的電氣通路。每100平方米為一個單元，每個單元網格角點與防雷系統連接，形成電器貫通。其中連接的金屬條可以銅編織帶，也可以鋁質等具有良好通電性能材料制作。項目最高點設置避雷帶。幕墻建筑防雷接地電阻應符合防雷設計規范要求。

8、幕墻防滲漏設計分析

單元式幕墻結構發生漏水，基本上可以確定幕墻的縫隙中出現了水，在室外壓力的作用下，把水分子擠進室內，造成了幕墻滲水。

水分子的出現，是大自然現象，是無法通過人的意志來轉移的，所以要做到幕墻不滲水，我們需要在開展單元式幕墻結構防水設計過程中，科學合理的對其縫隙消除，并通過平衡壓力差，消除外界對水分子的作用力，從而防止幕墻滲漏。由此，我們在單元式幕墻設計中要考慮以下二點：

（1）第一道防水作為幕墻防水的基礎，首先單元式幕墻本身的豎料與橫梁的連接處，需要打膠密封，玻璃面板與單元式幕墻框料之間，需要通過硅酮密封膠連續密封，中間不可有漏洞縫隙存在；其次單元式幕墻板塊周邊，需要設置披水膠條，披水膠條的寬度要大于幕墻單元板安裝后的縫隙，通過披水膠條等措施，要把絕大部分的雨水排除在外。

（2）等壓腔防水設置和排水設置,雖然第一道披水膠條能把大部分雨水擋在室外，但不能排除有少量雨水進入腔體，由此，我們需要在單元式幕墻的公母料、頭尾料按壓力平衡原理設計，公母料及頭尾料在拼接以后，能形成大于等于二個壓腔，從而通過腔體降低與室外的壓力，雨水受重力影響，從豎向腔體排入到橫向腔體，并從排水孔排出至室外。排水路徑見附圖4。

圖4 排水示意圖

9、結構設計分析

9.1 設計計算依據

工程基本條件：

（1）地區類別：B類

（2）基本風壓：WO=0.55KN/m2(根據50年一遇風壓取值）

（3）地震烈度：7度

9.2 設計荷載確定原則：

（1）風荷載計算：

安裝荷載規范與風洞試驗報告結果比較取大值

（2）地震作用計算：

幕墻平面外地震作用標準值計算公式如下：

其中：qEK為垂直幕墻平面的分布地震作用（KN/m2)；

βE為地震動力放大系數，按5.0取定

αMAX為水平地震影響系數最大值（7度：αMAX=0.08）

（3）幕墻結構自重：

按規范要求，幕墻結構自重的分項系數取γG=1.2

（4）荷載和作用效應組合：

S=γGSGK+ΨWγWSWK+ΨTγTSTK

荷載和作用效應組合的分項系數，按下表2采用：

表2

9.3 幕墻系統結構計算

（1）中空夾膠玻璃結構計算：

1）部位基本參數：

最大標高235.9米，玻璃為8mm（半鋼化）+1.52PVB+8mm(半鋼化）+12Ar+10mm（鋼化）夾膠中空玻璃，最大橫向計算分格寬度2400mm,最大縱向計算分格寬度1950mm。玻璃為四邊支撐。彈性模量E=0.72X105N/mm2;松柏比ν=0.2；設計強度fg=84/mm2(鋼化）；設計強度fg=56/mm2(半鋼化）；

2）設計荷載確定：

根據風洞試驗報告最大風壓ωK=0.45KN/m2

計算時風壓取大值ωK=0.45KN/m2

3）結構計算：

玻璃短邊尺寸/玻璃長邊尺寸=1950/2400=0.8125,按線性插入法可得彎矩系數m=0.0615,中空玻璃需按玻璃剛度分配荷載

玻璃重力面密度：GK=25.6X0.008=0.2048KN/m2

地震荷載：qEK=5X0.08X0.2048=0.082KN/m2

標準值：qHK=ωK1=1.252KN/m2

設計值：qH=1.4ωK1+1.3X0.5XqEK=1.4X1.252+1.3X0.5 X0.082=1.806KN/m2

根據規范，玻璃強度和撓度可進行折減：

查表，可得折減系數：η=0.777

玻璃計算截面正應力

玻璃重力面密度：GK=25.6X0.010=0.256KN/m2

地震荷載：qEK=5X0.08X0.256=0.1024KN/m2

標準值：qHK=ωK2=2.223KN/m2

設計值：qH1=1.4ωK2+1.3X0.5XqEK=1.4X2.223+1.3X0.5X0.1024=3.179KN/m2

根據規范，玻璃強度和撓度可進行折減：

查表，可得折減系數：η=0.826

玻璃計算截面正應力

玻璃剛度計算：

中空玻璃等效厚度：

標準值：qHK=ωK=4.5KN/m2

查表得玻璃撓度系數：μ=0.0059

根據規范，玻璃強度和撓度可進行折減：

查表，可得折減系數：η=0.829

玻璃中心最大擾度：

結論：玻璃滿足強度和變形要求。

（2）其它部分的結構設計：

相關的立柱、裝飾條、橫梁、牛腿、預埋件、結構膠、玻璃承壓托條、相應的螺栓等均需要滿足結構計算，由于本項目的裝飾條尺寸偏大，還需要增加裝飾條的側向受力計算。

10、單元板運輸分析

本項目的裝飾條尺寸寬200X深500mm,單元板厚度為185mm,外凸牛腿掛碼92mm,總計厚度為777mm,根據幕墻單元板組裝廠運輸至項目工地，路線限高4.2米，根據卡車車板據限高點，運輸方案一，裝飾條與單元板分離，待運輸至項目后再組裝，單次貨架可以疊加7塊單元板；方案二，裝飾條在出工廠前組裝完畢，單次貨架可以疊加3塊單元板；相比方案一的運輸效率優于方案二，由此，選擇幕墻單元板裝飾條由項目工地上組裝。

11、幕墻設計性能檢測試驗檢測分析

幕墻單元板在大面積加工安裝前，除了需要對其垂直方向變形性能、平面內變形性能以及平面外變形性能、氣密性能、水密性能以及抗風壓性能檢測以外，本項目的裝飾條尺寸比較大，需要對其增加耐撞擊性能，檢測方法可以根據《建筑幕墻耐撞擊性能分級及檢測方法GB/T38264-2019》和《建筑幕墻GB/T21086-2007》，裝飾條耐撞擊實驗按《建筑幕墻耐撞擊性能分級及檢測方法》4.2.2條表一三級標準，逐級增加，撞擊物體為由3個靠攏的輪胎、配重和其它連接件組成的軟重物，總重量為50Kg，輪胎內壓力為（0.35±0.02）MPa,試驗中，應避免因彈性而造成多次反復撞擊，待撞擊停止后，觀察幕墻吸收撞擊能量后仍能保持原有性能，未見零部件脫落以及發生永久變形等情況，滿足要求。

以上試驗中，如有結構損壞、剝落、滲水等情況發生，需要分析失敗原因，并根據實際情況對其調整或重新設計。

12、幕墻各分項設計

（1）清洗及維修分析

幕墻立面的清洗和維修是通過擦窗機來日常維護，擦窗機在每隔二個樓層設置一組防風銷，我們把防風銷隱藏在裝飾條中，并緊固在豎料上，通過豎料連接到幕墻牛腿。

（2）泛光配合設計

本項目的幕墻為橫隱豎明，所以我們把燈具藏于裝飾條內，燈光的電源及相關信號線，通過止水閥，穿過幕墻單元板連接至配電間，以上的設計即保證建筑效果的同時，也保證了幕墻的水密性。

結語：

我們通過以上步驟來設計單元式幕墻，不但保證了幕墻的安全性及質量，同時也避免了后期施工過程中由于前期考慮不周引起的整改、反工。為項目順利推進做出了貢獻，為同類項目的幕墻提供設計思路。