造型鋁板在幕墻應用中的設計要點解析

文／車亮 北京中鐵裝飾工程有限公司 北京 100041

引言：

當代建筑中，幕墻體系是建筑外墻裝飾的一大組成部分，建筑幕墻的面材主要為玻璃、鋁板、石材，其中玻璃和石材為脆性材料，不方便進行異型設計，而鋁板作為金屬面材，因其方便加工，質感優越，因此絕大部分造型幕墻均采用鋁板作為實現手段。

玻璃幕墻在南方需要做大量的遮陽設計，鋁板的方便加工和可塑性的特性，使其成為了絕佳的選擇。

鋁板在幕墻設計中，不同的設計思路，會極大地影響鋁板造型的實現，且經濟性會有很大的區別。

1、廬江西四邊形遮陽鋁板

廬江西站，位于中國安徽省合肥市廬江縣境內，是中國鐵路上海局集團有限公司管轄的鐵路車站。該車站亮點設計為外露平行四邊形造型鋁板（見圖1）。

圖1 廬江西站房正視圖

1.1 設計依據

1.1.1 基本參數

遮陽板的尺寸為2000mm×3000mm，工程所在地要求基本風壓按0.3kn/m2考慮，地面粗糙度為B類，遮陽板最高處為16.86m。

1.2 設計思路

如按照常規思路設計，則此遮陽板需要從玻璃幕墻上做挑出鋼板，在鋼板上連接鋁板安裝龍骨，龍骨上安裝遮陽鋁板。為了遮擋鋁板龍骨，還需要靠近玻璃位置在安裝一層鋁板，形成玻璃→鋁板→鋁板龍骨→面層鋁板的構造。（如下圖2）

圖2 原方案節點做法

此方案會導致內側鋁板無法安裝，連接挑板受力不利，多兩層鋼龍骨，造成經濟、安全、施工工藝等多方面的困難和問題，為了解決上述問題，需要改變思路。

建筑遮陽板外形為規則的菱形分格造型，4條分格線交于同一點，如用常規思路設計，必然導致連接復雜，采用點式幕墻的設計思路將外層遮陽鋁板做成小單元的體系，在每個交點位置與玻璃幕墻連接，則完美地解決了連接問題。

為了確保點式幕墻設計方案可行，將菱形遮陽板部位的分格進行統一劃分，由原來的2.5m和2m交替分格，統一為2m分格，所有遮陽板的小單元外輪廓全部統一，有利于工廠統一加工，也有利于現場施工。由于項目所在地風荷載小，造型的外輪廓尺寸統一為3×2m，可以在滿足體系安全可靠的前提下，有更好的經濟性，因此點式幕墻設計思路成熟。

確定了設計方向之后，對遮陽板小單元進行受力分析，設計方案經歷了單層面板→50mm寬折邊方案→雙層面板3個階段；經計算分析，單層面板在風荷載作用下，面板強度沒有問題，但撓度超標，為了控制面板的撓度變形，在板的四邊增加了50mm的折邊，增加折邊之后，撓度可以滿足規范要求，制作實物樣板上墻后，發現從室內看50mm的折邊方案會形成一個邊部溝槽的效果，內部效果無法達到建筑師對建筑效果的要求，因此在綜合考慮效果和造價的因素后，決定在室內可見范圍內，采用雙層鋁板設計，內部附加一層鋁板，內外兩層鋁板之間采用焊接連接；在室內不可見范圍，采用50mm折邊方案，可以適當地降低工程造價。最終的建筑效果完全達到了效果與經濟的協調統一。

1.2.1 面板設計

選用3mm厚的3003 H24鋁板，之所以選擇3系列鋁板，是考慮強度和可塑性等方面的要求，1系列鋁板強度低，面板偏軟，加工成型之后，鋁板本身在風荷載作用下，應力和變形都不能滿足設計要求，5系列鋁板強度大，塑性不滿足加工要求，在加工時，容易產生脆性裂紋。

整個遮陽板模塊為平行四邊形，為了方便鋁板加工，將平行四邊形改為2個三角形的鋁板形體，鋁板中間的開洞四周折邊，增加鋁板本身的剛度。每6塊鋁板在尖點固定，類似蜂巢造型（見圖3，4）。

圖3 多鋁板連接節點

1.2.2 連接系統設計

連接體系設計，是本方案的設計重點之一，設計思路是從不銹鋼管到鋁合金筒再到開槽可調鋁合金柱的3個階段，最后綜合考慮效果和造價，選擇采用開槽可調鋁合金柱的方案。

鋁合金柱狀底座和鋁板角部連接的鋁合金插件通過插接固定，插件和柱狀底座之間有5mm的可伸縮變形能力，鋁合金插件與鋁板之間采用螺栓固定，鋁合金柱狀底座通過10mm厚不銹鋼挑板與玻璃幕墻立柱焊接固定。不銹鋼挑板和鋁合金柱狀底座之間采用藝術螺栓連接，確保外露面具有觀賞性（見圖5）。

圖5 圓形底座、三角角碼模圖

1.2.3 安裝工序

（1）鋼連接件定位安裝

鋼連接件選用10mm厚的316不銹鋼，鋼連接件在玻璃安裝之前與玻璃幕墻鋼骨架焊接安裝，安裝位置應根據圓形底座位置拉通長鋼絲繩準確定位，且安裝偏差應控制在±2mm以內。

（2）三角形鋁板與三角角碼連接緊固

將加工成50mm長的三角角碼，通過M6＊90mm螺栓固定在三角形盒子鋁板上，三角角碼安裝前應進行氟碳噴涂，顏色與鋁板一致。

（3）圓形底座與鋼連接件連接緊固

加工完成的圓形底座通過2個M12＊100mm螺栓與已安裝好的鋼連接件緊固連接，螺栓中螺帽采用裝飾性螺帽。

（4）三角形盒子鋁板安裝

將安裝有三角角碼的三角形盒子鋁板從正面推入已安裝緊固的圓形底座槽口中，安裝前應先將限位套管套入圓形底座，鋁板進出通過限位套管調節，調節完畢后安裝固定螺絲進行緊固（見圖6）。

圖6 室內完工效果

（5）鋁板裝飾蓋安裝

整體三角形盒子鋁板全部調整安裝完成后，安裝圓形底座端頭鋁板裝飾蓋，扣蓋通過M5＊25mm螺釘固定在圓形底座上，裝飾蓋采用5mm厚鋁板，外漏面氟碳噴涂處理，顏色與鋁板顏色一致。

（6）優劣分析

采用多點連接裝配化施工的鋁板幕墻優點是取消了鋼骨架，降低了鋼材用量節約成本，避免了現場焊接作業有利于安全控制。存在的劣勢是鋁單板的加工難度增加，加工成本有所增加。適合于異型開縫鋁板幕墻。

1.3 方案計算

方案確定后，則需要對方案進行計算核對。

本工程遮陽板所受風荷載為1.5 KN/m2，通過有限元分析軟件進行分析：選定面板材料為：鋁-3003-H24，厚度3mm。

建立鋁板的三維實體模型，施加邊界條件，約束三個角部的位移[1]，施加1.5Kn/㎡的風荷載：查看鋁板應力云圖（見圖7）。

圖7 鋁板應力云圖

應力云圖中以許用應力89Mpa為紅色邊界，觀察云圖可知（見圖8），鋁板面板所受應力基本處于61.376Mpa以下，鋁合金連接件應力小于61MPa＜140MPa(6063-T6)[2]，滿足受力和強度要求。

圖8 連接件應力云圖

1.4 結論

經過軟件建模，有限元受力分析，該遮陽板滿足設計要求。該方案的優點是鋁板加工成一個受力的盒狀單元，鋁板自身承受風荷載，鋁板工廠加工，可以確保加工精度，避免現場安裝鋁板的精度不足問題。

1.5 項目使用中遇到的問題

項目完工后，建筑效果和安裝質量都達到了業主和使用部門的一致好評，但是在經歷2年的使用之后，鋁板的污染問題，成為本工程的缺陷（見圖9）。

圖9 項目投入使用2年后照片

此問題的發生，主要是建筑造型的原因導致的。因此在做鋁板遮陽板設計的時候，一定要規勸建筑設計，規避頂面與墻面圓弧交接的造型。

結語：

通過上述項目異形鋁板的設計過程，論文講述了異形鋁板在的設計思路。純裝飾遮陽鋁板，在設計之初就要摒棄傳統鋁板設計中的龍骨、面板體系；在接到設計任務的時候，首先要統一幕墻分格，統一的分格有利于面板的統一設計，連接點的統一布局，模塊化加工和安裝；分格統一之后，要采用單元體的設計理念，強面板，少掛點，掛點越多，安裝越困難，應根據具體的工程情況設計掛點，采用三點或四點掛接，加強掛點與面板之間的連接，確保體系的安全可靠；不同的工程總有自己的工程特色，但設計思路是相同的，掌握了設計方法，總能根據方法進行相應的設計。通過上述案例進行論述，拋磚引玉，希望對業內從業者提供一些設計思路。