1、刍议超高层建筑单元式幕墙设计摘要：近年来，我国单元式幕墙在世界范围内得到了越来越广泛的应用。随着超高层建筑群将推近城市都市化的进程，同时行业标准也在不断的提高，在抗震、风压、消防、人防等方面提出了新要求，单元式幕墙在建筑的应用也将带来更高的城市标准。本文结合了元式幕墙设计特点和要点，对新的结构造型技术进行探讨，以供同行借鉴参考。 关键词:超高层建筑；单元式幕墙； 中图分类号：TU97 文献标识码： A 文章编号： 一、前言 随着建筑幕墙经历几十年的发展和完善，现已有多种结构、多种型式。用于建筑幕墙的材料也日益多样化，功能日渐完善和先进，各种幕墙结构和构造则各有其特点，同时其技术性能指标和经济指
2、标也各不相同。幕墙技术的不断创新和成熟，近几年单元式幕墙以其技术先进、造价合理、性价比高、工期短等特点越来越受人们的青睐。 二、工程概括 某工程商业办公室工程地下 3 层，地上 41 层，建筑总高度为 200m，总面积为 103000m2。由一个星级酒店和 5A 写字楼组成, 钢结构混凝土框架-核心筒结构体系,外立面建筑做法为全玻璃幕墙体系且带有超大型竖向装饰条,风格严谨而丰富, 以单元式幕墙为主。幕墙工程总面积约 4.3万 m2, 其中单元式幕墙的面积约 4 万 m2。基本风压值为 0.70kN/m2。按50 年一遇。本工程所在地地面粗糙度按 C 类设计。抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地
3、震加速度值为 0.10g。 三、单元式幕墙的特点 1.立柱设计 根据风洞试验报告，大面风荷载标准值按 4.19kPa，局部区域风荷载标准值按 643kPa 取值，对一般高层建筑而言，本工程风荷载取值较大，板块分格宽度为 1500mm，层高主要有 5000mm、4275mm、3700mm 等，从而使得幕墙主受力立柱型材截面较大，超大铝材模具的生产难度较高。按常规做法，立柱外侧装饰盖板与立柱通常为两个单独型材组成。结合本工程的具体情况，并对立柱和装饰盖板两者的合并，使其成为一个整体，增大了立柱的轴向尺寸，即有效增大了立柱惯性矩，比未合并时设计的立柱惯性矩增大了约 1O%左右，从而使得安全和经济性能
4、都得到了充分保证。见图 1。 图 1 立柱优化设计 立柱的设计是幕墙结构设计的重要部分，它与面板和支承结构体系组成完整的幕墙结构系统，它只承受直接作用于其上的荷载和作用，不分担主体结构的荷载和作用。因此，对于幕墙立柱设计，应遵循一定的设计原则，需考虑在重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下的安全性。 2.转角板块设计 在工程实例中，由于转角板块处加工及安装误差相对标准平面板块控制较难，经常使得幕墙板块在现场安装时无法准确就位或就位后又存在配合不到位的情况，必然导致转角处成为整个幕墙工程漏水的最大隐患。随着现代加工及安装技术的不断发展，加工、测量和安装设备的不断改进，对加工和现
5、场误差控制水平也越来越精确，结合本工程建筑外形特点，设计过程考虑到超高层幕墙安装简便性和可操作性，将 29 度等转角区域设计成三个分格连成一体的整体板块，一方面提高了板块安装的工作效率，另一方面转角板块合成整体后，幕墙开缝减少，配合严密，消除了薄弱环节漏水的隐患。一体化设计不仅满足建筑的美观造型，同时提高了产品性能。见图 2。 图 229 度转角设计 关于超高层幕墙所受的风荷载值较大，一体化转角板块较大，连接杆较多，受力情况也较为复杂。所以，本转角结构使用同济大学 3d3s 软件进行建模进行全面的结构受力分析，找到铝框架结构受力最不利、最薄弱的环节，分析结果详见图 3、4、5。最不利工况的计算
6、分析结果：强度应力设计强度的最大比值为 0931，满足要求；整体稳定性应力设计强度的最大比值为 0921，满足要求；剪应力设计强度的最大比值为 0081，满足要求；最大转角位移为一 9ImmL180 或 20mm，满足要求。 、 图 3 工况单元荷载图 图 4 组合弯距图图 5 位移组合图 3.转接挂件系统设计 在超高层建筑大风压的基本前提下，单元式幕墙的上墙挂件常常采用 Q235B 材质钢材，建筑行业钢材的加工精度相对来说较低，误差一般较大，从而会造成单元式板块现场安装时可能由于误差而无法就位，影响了施工效率；另一方面，由于气候环境的影响，钢材的耐候性能也进一步受到挑战，某些工程因为钢材连接
7、件表面防腐处理不当而生锈，从而导致构件变形，严重的情况将出现腐蚀断裂等引起的安全事故。本工程单元式幕墙转接挂件采用铝合金挂件，材质为 6O61-T6 高强航空硬铝，其质量轻，强度高，不生锈，防腐性能较钢挂件优越。且在实际生产过程当中铝合金挂件为挤压成形，其加工精度相对钢挂件也较高，可有效控制整体工程的施工质量，提高建筑的安全性能等级。见图 6。 图 6 转接挂件系统 在超高层幕墙转接挂件系统的设计中，也充分考虑了温度变形、主体位移及施工调整位移量的吸收。具体做法是在单元板块左、右两个铝合金挂钩上进行设计，在其中一边的挂钩上采用螺钉锁入挂座的圆弧导轨进行板块定位，一边挂钩放松可以在挂座的圆弧导轨
8、内进行自由伸缩。幕墙单元板块安装在建筑上，不允许其在各种荷载作用下产生整体板块的位置移动，因而锁定一边的挂件系统。幕墙板块在温度等外部因素作用下产生伸缩、位移等变化时，另一边的挂钩可以沿挂座左右移动，而整体板块的相对位置保持不变。单元式幕墙的安装系统挂座、挂钩，均需在单元板块吊装前调整到位。单元板块吊装后，对通过微调螺栓对之进行上、下方向的微调，不做较大位置尺寸的调整，同时，通过计算层间位移量、风压变形量、温度变形量等引起的幕墙单元板块的变形变位量，使单元板块的上下或左右的打开和闭合移动尺寸量完全符合结构的需要。 4.超大竖向装饰条设计 按建筑设计师要求，本工程建筑大面竖向分布有 400x20
9、0mm 大型铝装饰条，伸出玻璃面长度方向为 400mm。装饰条的固定方式和截面形状设计是关键。设计采用与立柱多点固定和隐藏式螺钉固定的方式，满足结构受力需要，同时通过分段设计，将装饰条分成两部分开模，减少了超大模具的生产难度，顶底处采用螺栓固定防止竖向脱落，满足了建筑效果。此外，此装饰条与单元板块独成体系，可与单元板块同时吊装。见图 7。 图 7 竖向大装饰条 为方便单元板块的运输，分开运输单元板和装饰条，吊装前在现场将装饰线条与单元板组装完成，之后随单元板块直接进行吊装，安装方便快捷。而且在输单元板和装饰条，吊装前在现场将装饰线设计时，充分考虑了其便于维护性，在对玻璃板块或装饰线条进行维护更
10、换时可以顺利地实施。 板块竖向装饰线条设计需考虑到装饰线条与竖料的整体效果，将装饰线外凹槽的效果统一设计，装饰条凹槽深度尺寸统一为 20mm，使建筑效果更加美观。 5.其他重要的部分设计要点 (1)高度大于 200M 或体形、风荷载环境比较复杂的超高层建筑，会引起建筑周围局部地区的风速的增加和紊乱，进行风洞试验可以对每个独立项目的风荷载提供较为准确的评估，荷载取值能够较准确反映项目的实际情况。另一方面，通过测试得出的大面风荷载测试值常常比国家规范计算出的建筑部分小一些，将更具工程的经济性；而不利工况部分局部测试值高于国家规范的计算结果，在设计时又将能够保证特殊位置幕墙的安全性。对于幕墙分包工程
11、而言，除预埋件外的幕墙构件的安全等级一般不超过二级，尽管建筑主体的结构安全等级为一级。 (2)单元式幕墙在风压和地震作用下，必须有适应建筑主体结构的位移能力。只有幕墙本身的平面内变形能力大于主体结构的变形，才能保障幕墙不会被破坏。因而，在水平、垂直方向的可调位移设计中，单元式幕墙应综合考虑温度变化、施工误差和主体结构位移的影响，本工程设计的水平伸缩缝为 13mm，竖向伸缩 25mm，满足了工程设计的要求。 (3)本工程大装饰条对幕墙遮阳系数的综合影响取决于遮阳板的外挑长度，在有外遮阳的楼层部位处，幕墙遮阳系数=玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；在无外遮阳楼层部位，幕墙遮阳系数即为玻璃的遮阳系数。
12、 (4)在大空腔的装饰型材及连接处，系统设计采用了柔性材料及多孔隔声材料填充避免风啸和降低噪音。其他幕墙构件的连接部位，为避免刚性接触，设置柔性垫片或预留 12mm 的间隙内填胶，从而防止产生摩擦噪声。 (5)单元式幕墙系统中四个相邻板块的十字缝处设置了插接水槽与铝披水板，并保证横竖胶条在此处的整体密封，实际操作过程中详细注明了施工打胶密封做法，从而有效的保证了系统的防水性能。 (6)本工程的开口型材在计算时，考虑了型材的侧向失稳及根部应力。另因水槽底部插接部位需承受较大弯矩，通过结构计算，对水槽型材的截面也做了合理设计。在支座反力计算过程当中，因存在施工误差，水平荷载偏心距离考虑了放置的最大允许误差，取最不利的工况计算。 四、结束语 单元式幕墙近些年在国内高速发展，其构造形式也远比框架幕墙复杂、多样，这就要求广大的幕墙设计师多多熟悉各种单元幕墙形式，经常相互交流，提高幕墙设计水平，为我国的幕墙事业做出贡献。 参考文献： 1JGJ102-2003,玻璃幕墙工程技术规范S. 2赵西安.建筑幕墙工程手册(上)M.北京:建筑工业出版社,2002. 3郭佩琳. 高层建筑构件幕墙经济设计的几点体会J .广东土木与建筑, 2005,5(5):98-99.
