關于一種拋物線切面玻璃單元式幕墻設計解析

李 莉

隨著建筑行業的飛速發展，建筑造型設計越來越體現多元化和多樣化。特別是在大型公共建筑、商業建筑之中，異形斜面及切面應用案例更是不勝枚舉。

本文結合武漢保利時代K18 地塊辦公塔樓圓柱斜切面玻璃設計施工過程對斜切面的設計要點進行分析，以期對后續其他相似工程提供參考。

1 背景與概況

本項目幕墻系統設計從建筑外觀效果、功能和自然條件等因素出發，在熱工性能、安全性能、聲學性能、光學性能上充分考慮了其建筑的特點和要求，利用不同的幕墻技術、方法、工藝、材料創造優越的建筑外圍護功能。滿足建筑的安全、健康、舒適各項要求，合理提高建筑的熱舒適度、光舒適度、聲舒適度，創造良好的建筑室內外視覺感受。

武漢保利時代K18 地塊辦公塔樓單元式幕墻工程項目組成概況：第1，主體結構形式：框架核心筒結構；建筑高度：辦公塔樓171 m；建筑抗震設防烈度：六度；建筑地面粗糙度類型：C 類；建筑物耐火等級：一級；本項目基本風壓：0.35 kN/m2；基本雪壓：0.5 kN/m2。年溫度變化為80 ℃。第2，建筑概況：本項目辦公塔樓為5A級辦公樓，共34層，最大標高171 m，標準層層高4200 mm，避難層層高5400 mm。商業樓為商業用途，塔樓共7 層，一層層高6 m，其他樓層層高5.4 m，局部有負一層（最大層高5.7m），裙樓建筑高度39.1 m。

2 建筑幕墻物理性能

2.1 抗風壓性能

具體施工時嚴格按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）[1]第5.1.1 條 的規定，本工程風荷載標準值為1.708，因此本工程幕墻的風壓變形性能分級應為2 級。建筑幕墻的抗風壓性能分級標準如表1 所示。

表1 建筑幕墻抗風壓性能分級表

2.2 水密性能

按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 條的規定，建筑幕墻水密性能的分級標準如表2 所示。

表2 建筑幕墻水密性能分級

按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 條的規定，水密性能指標計算如下：

由《建筑氣候區劃標準》（GB 50178—1993）[2]知，本工程為非熱帶風暴和臺風多發地區，經按規范要求計算得，P＝595Pa 按照規定P小于700 時按照700 取值，所以本建筑的幕墻雨水滲透性能分級應為2 級。

2.3 氣密性能

建筑幕墻的氣密性能按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）的第5.1.3條的規定，以在標準狀態下，壓力差為10 Pa的空氣滲透量q為分級依據，建筑幕墻開啟部分氣密性能分級標準以及整體氣密性能分級，如表3 所示。《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.3 條規定如表4 所示，規定了建筑幕墻氣密性能設計指標的一般性規定。

表3 建筑幕墻開啟部分氣密性能分級標準以及整體氣密性能分級

本建筑所在地屬于其他地區，幕墻的氣密性能要求應達到3 級。符合上表的一般要求，符合《公關建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)[3]、《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176）[4]、《采暖居住建筑節能檢驗標準》(JGJ/T 132—2001)[5]、《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準（校正版）》（JGJ 26—2010）以及《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134—2010）的有關規定，滿足這些標準的節能要求。

2.4 平面內變形性能

建筑幕墻平面內變形性能，抗震設計時，應按主體結構彈性層間位移角限值的3 倍進行設計；非抗震設計時，應按主體結構彈性層間位移角限值進行設計。主體結構樓層最大彈性層間位移角如表5 所示。按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.6條的規定，建筑幕墻的平面內變形性能分級標準如表6 所示。

表5 主體結構樓層最大彈性層間位移角

表6 建筑幕墻平面內變形性能分級

本建筑為框架-核心筒結構，并采用抗震設計，平面內變形性能分級指標值應不小于3 級，本工程建筑幕墻的層間位移角為1/246。本建筑幕墻的平面內變形性能，幕墻分級為2 級。

3 斜切面系統介紹

本項目塔樓轉角圓柱面斜切隱框鋼框架單元式玻璃幕墻（本系統為塔樓部分的重難點之一）位置：辦公樓27 層～辦公樓屋頂層西北角和東南角，1 層～6 層東南角。面材：玻璃面材為TP8 mm+12A mm+TP6 mm 鋼化中空LOW-E 玻璃，系統構造特點：采用隱框鋼框架龍骨單元式幕墻結構體系。

3.1 斜切面制作階段分析

由于上下切面拋物線型材分析切面主要存在的區別在于兩者為上下對稱的關系，由BIM 配合對幕墻切面交接的拋物線，按實際情況對幕墻型材扭轉的角度對幕墻典型的下切面進行了實際分析。

將幕墻拋物線型材定位軌跡線按照建筑層高分為5 段，從下至上依次編號。分析拋物線曲率半徑區間：在每一段線上取1000 個測量等分點，測量拋物線曲線在每個點處的曲率半徑，得出每個分段線的曲率半徑區間。角度分析：截取每段拋物曲線的中點，測得拋物曲面與平面在該點處的夾角及最大處拱高值，表7 為拋物角度變化及曲率半徑分析。由表7 可知，拋物曲線的曲率半徑從下到上呈遞減趨勢，可見拋物曲線越往上越彎曲。由上述分析的結果，對切面影響較大的型材和玻璃2 種材料進行加工制作分析。

表7 拋物角度變化及曲率半徑分析

3.2 鋁型材加工分析

經過與鋁型材拉彎加工廠家溝通，鋁型材存在的問題：第1，鋁型材如果存在2 個方向的扭轉彎弧無法加工；第2，一般單曲鋁型材拉彎靠模最多允許弧段為3 段，超過允許弧段無法拉彎；第3，鋁型材拉彎長度最大不宜超過4.5 m 以上，超過拉彎長度彎弧半徑無法保證精度；第4，豎向受力鋁型材拉彎存在鋁型材能否時效的問題，鋁型材時效后硬度大無法拉彎成型，不做時效的話對于鋁型材的強度存在無法保證。

經實際三維模擬下切面1～5 號型材，其中將5 型材進一步分析型材半徑及拱高（圖1 所示為5 型材半徑及拱高）。5 號型材分為3 段后的半徑各不一樣，拱高只能控制在50 mm 的范圍內，這樣的型材按照單曲彎弧也無法作為一根型材加工制作。對于這個范圍內的型材安裝的誤差更加不好控制。尤其是單元的雙型材安裝配合困難，無法在精度上很好把控，型材與型材間隙是難點，如間隙會較大。

圖1 5 型材半徑及拱高（來源：作者自繪）

3.3 玻璃面材加工分析

玻璃廠家提供的玻璃制作工藝的技術要求為：第1，彎弧玻璃加工要求最小邊尺寸需達到500 mm 以上，才能滿足玻璃彎弧滾輪最小彎弧尺寸要求，小于500 mm 將無法彎弧。玻璃弧長部分不宜超過2 m，超過弧長要求的玻璃無法彎弧，勉強彎弧對于彎弧半徑的誤差也無法保證要求。第2，玻璃鋼化要求，玻璃最小邊尺寸需達到20 mm 以上才能滿足玻璃鋼化對尺寸的最低要求，所以三角形玻璃尖角將不會是尖角。三角形玻璃最小邊尺寸需達到150 mm 以上，才可制作，小于150 mm 將無法制作。

根據以上玻璃廠家提供的加工工藝要求，需要將圓柱面斜切玻璃面材做一定規整。對玻璃提取3 塊典型性玻璃進行分析：第1，1 號彎弧玻璃（圖2a，1 號玻璃展平圖），圖中玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見可以加工。第2，2 號彎弧玻璃（圖2b，2 號玻璃展平圖），圖中玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見無法加工。主要是最小邊尺寸不滿足彎弧要求，需和其它玻璃合并制作。第3，3 號彎弧玻璃為異形三角形玻璃（圖3a，3 號玻璃展平圖），下圖玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見無法加工。主要原因為三角形無法滿足彎弧要求，需和其他玻璃合并制作。將1 號和3 號玻璃合并（圖3b，1 號與3 號玻璃合并展平圖），新的問題是該塊玻璃彎弧邊長度超過了2 m，這樣的尺寸也是無法制作的。3 號玻璃尖角部分需按鋼化最小要求減尖角。

圖2 玻璃展平圖：1 號與2 號(來源：作者自繪)

圖3 玻璃展平圖：1 號與3 號（來源：作者自繪）

3.4 型材與面材分析結論

為了能夠滿足業主及建筑師對外觀及單元系統的構造的要求，做了如下處理：第1，玻璃方面，對立面中的玻璃做了優化調整，能夠合并的做了合并處理。不能夠合并的又不滿足玻璃廠家批量加工要求的，由業主協調玻璃廠家給出承諾按做玻璃工藝品的工藝來做斜面部分無法正常制作的玻璃。無法做彎弧的玻璃，就做折線處理等。第2，型材方面，單元一般采用的型材多為鋁型材，但是本工程切面與弧面交接的部分橫向型材存在錯位的關系，拋物線又有扭轉。因此，拋物線交接的部位采用了鋼框架的連接方式，橫豎向龍骨均采用鋼龍骨外包不銹鋼板的形式，在能夠滿足結構安全構造需求的同時，即保證了業主要求的外觀上與型材外觀大小一致，又做到了建筑顧問及幕墻顧問要求的必須采用單元式的安裝方案。針對上述的方案措施對立面的鋼板塊區域進行了劃分,下切面鋼板塊平面區域劃分如圖4 所示。

圖4 下切面鋼板塊平面區域劃分（來源：作者自繪）

3.5 板塊加工制作

切面板塊制作安裝分解：鋼框架的焊接及防銹處理—安裝拋物線處調平轉接件及防銹處理—安裝鋼框架前端型材—包覆不銹鋼板及不銹鋼表面處理—玻璃面板安裝及打膠密封。這樣的流程保證了鋼板塊的順利完成制作。由于圓柱面斜切交接部位情況較復雜，所有上下圓柱面斜切鋼板塊均采用犀牛軟件（Rhino）建模完成對設計方案的模擬，建模過程中發現設計方案矛盾的位置能夠及時有效的修改，雖然前期投入較多的精力來修改模型調整方案，但這為后期加工制作能從模型中提取實際數據來對應加工提供了方便及良好的技術支持。

板塊主要結構形式，左右與正常板塊交接的部位采用扁鋼管龍骨的規格為30 mm×120mm ×4mm，中間變化部位的龍骨為保證外觀的尺寸及滿足計算要求采用了120 mm×80 mm×4 mm，拋物線位置采用了圓管?70 mm×5 mm 來適應拋物線的扭轉過程。

斜切面重難點部位為塔樓圓柱面下斜切部位，為大跨度區間，1～3F 無主體結構需采用大鋼立柱與切面板塊交接的連接形式。為使最終切面板塊安裝準確，切面處作為主要受力構件，6 根扁鋼柱成為了放線的重點部位，現場放線對該6 根扁鋼柱按理論數據與實際結構的關系核對誤差盡量減小到無誤，確保切面板塊的順利安裝，本系統最終通過了認證發明專利。

3.6 經驗總結

異形項目初始，首件試制的重要性。單元式鋼板塊主要的制作難度在鋼管的焊接誤差上。為了保證焊接質量，找了多個鋼結構制作廠家進行多次比選的試制，才確定最終實施方案。

BIM 技術的應用。BIM 配合從建筑造型的意圖及對建筑原始模型的特征分析，得到了相應的邏輯關系；再到施工圖階段中配合各階段的方案合理性及可實施性的研究，提供了有效可靠的數據支持。鋼架加工制作方面，通過BIM 模型圖來精準確定連接長度及扭轉的方向，加工廠家通過BIM 模型來放樣制作，確保了切面鋼板塊按時順利的完成。

現場施工階段BIM 配合對斜切面拋物線部分提供相應的分格定位點及坐標系數的提取，為現場安裝提供了有效的數據支持。BIM 技術的應用對整個切面系統來說起到了重要的作用。

4 結語

現在工程已經竣工使用幾年，本系統能經受住時間和風雨的考驗是各專業間上下一心協力的成果，是團隊智慧的結晶。整個工程的設計施工過程是一次難得的經驗和知識積累的過程，總結過去是為了更好砥礪前行。經過這個工程項目的鍛煉，大家一定可以勝任更多有難度的工程。