U型玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

宋慶博?王文濤?劉慶宇?史陽(yáng)?羅達(dá)妮

摘 要 U型玻璃是一種新穎的建筑玻璃型材，因截面呈U型，使之比普通平板玻璃有較高的機(jī)械強(qiáng)度，并具有理想的透光性，較好的隔音性、保溫隔熱性，能節(jié)省大量金屬材料，同時(shí)具有施工簡(jiǎn)便、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已經(jīng)得到了一定范圍的應(yīng)用，適用于建筑的內(nèi)外墻、隔斷、屋面及窗等。本文以某辦公樓為例，從玻璃幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)入手，進(jìn)而對(duì)其施工工藝進(jìn)行分析論述，為同類工程提供一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 U型玻璃幕墻；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；施工工藝

1 概述

1.1 U型玻璃材料

U型玻璃又常稱為槽形玻璃，它是一種斷面為U型的玻璃，原產(chǎn)于德國(guó)，在歐美已有30多年的生產(chǎn)應(yīng)用歷史。U型玻璃因截面呈U型，與普通平板玻璃相比，除了保持了理想的透光性外，還具有較高的強(qiáng)度。U型玻璃墻體系統(tǒng)除兩端的固定用金屬型材外，主要靠玻璃的兩翼作為抵抗水平荷載的構(gòu)件，如同全玻璃幕墻的玻璃肋板。因此，與普通玻璃幕墻相比，U型玻璃墻體系統(tǒng)能節(jié)省大量金屬型材，施工更為簡(jiǎn)便。與其他傳統(tǒng)墻體材料相比，U型玻璃具有自重輕、耐候性及耐久性強(qiáng)（使用100年以上），施工方便，透光不透視，無(wú)須二次裝修，無(wú)放射性物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。由于非光面U型玻璃的透光不透視性能，運(yùn)用于墻體時(shí)能夠產(chǎn)生柔和的光線漫射效果，使室內(nèi)照度更為均勻，避免了陽(yáng)光直射引起的不適；夜晚，室內(nèi)的燈光則使建筑成為一個(gè)柔和的發(fā)光體，使它和周圍的環(huán)境融為一體[1]。

1.2 工程概況

某辦公樓工程總建筑面積約53933m2，地上七層，框架結(jié)構(gòu)，建筑高度30.05m，外墻裝飾有花崗石石材幕墻、面磚面層、銀灰色鋁合金隱框中空玻璃幕墻及U型玻璃幕墻。

2 U型玻璃幕墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 構(gòu)造要求

U型玻璃可用于室內(nèi)，也可用于室外。用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U型玻璃，其外觀質(zhì)量應(yīng)符合《建筑用U型玻璃》JC/T867-2000優(yōu)等品的規(guī)定，且應(yīng)進(jìn)行鋼化處理。

U型玻璃幕墻可采用單排構(gòu)造，也可采用雙排構(gòu)造，雙排構(gòu)造可采用對(duì)縫布置，也可采用錯(cuò)縫布置。單排構(gòu)造的玻璃幕墻隔聲性和熱工性較差，因此對(duì)U型玻璃幕墻有隔聲或熱工性能要求時(shí)，應(yīng)采用雙排構(gòu)造。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1） 結(jié)構(gòu)完整性

幕墻結(jié)構(gòu)的完整性以及可靠性是幕墻設(shè)計(jì)首先要考慮的要點(diǎn)。幕墻的自重可使橫框構(gòu)件產(chǎn)生垂直撓曲，全部元件都會(huì)沿著風(fēng)荷作用向產(chǎn)生水平撓曲，而撓度的大小，決定著幕墻的正常功能和接縫的密封性能，過(guò)大的撓度會(huì)導(dǎo)致玻璃的破裂，同時(shí)，框架構(gòu)件在風(fēng)荷的作用下，由于豎梃和橫框各自的慣性矩設(shè)計(jì)不當(dāng)，從而使撓曲得不到平衡，則使縫隙產(chǎn)生不同的撓度值，從而導(dǎo)致幕墻的滲漏。因此，完整、合理的結(jié)構(gòu)布置，能夠有效傳遞幕墻的自重和風(fēng)荷載，有效控制溫度變化引起的變形，從而防止幕墻滲漏甚至倒塌。

（2） 活動(dòng)量

幕墻設(shè)計(jì)時(shí)要考慮構(gòu)件之間的相對(duì)活動(dòng)和 與建筑結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)活動(dòng)。這種活動(dòng)既產(chǎn)生于風(fēng)力作用，也產(chǎn)生于自重作用。這些活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致承重框架變形或移位，因此在幕墻設(shè)計(jì)中，這些活動(dòng)量是必須要考慮的。溫度變化產(chǎn)生的膨脹和收縮也是產(chǎn)生活動(dòng)量的重要因素，由于幕墻邊框?yàn)殇X合金材料，膨脹系數(shù)比玻璃大，故設(shè)計(jì)幕墻時(shí)，必須考慮接縫的活動(dòng)量。

（3） 防風(fēng)防雨設(shè)計(jì)

幕墻技術(shù)的最新發(fā)展是采用“等壓原理”結(jié)構(gòu)來(lái)防止雨水滲透。簡(jiǎn)而言之，就是要有一個(gè)通氣孔，使外墻表面與內(nèi)墻表面之間形成一個(gè)空氣腔，腔內(nèi)壓力與墻外壓力保持相等，而空氣腔與室內(nèi)墻表面密封隔絕，防止空氣通過(guò)，這種構(gòu)造大大提高了防風(fēng)雨滲漏的能力。

（4） 隔熱

幕墻構(gòu)造的主要特點(diǎn)之一是采用高效隔熱措施，嵌入金屬框架內(nèi)的隔熱材料是至關(guān)重要的，如采用隔熱性能良好的中空玻璃或熱反射鍍膜玻璃作為鑲嵌隔熱材料的透明部分，不透明部分多數(shù)是用低密度、多孔洞、抗壓強(qiáng)度很低的保溫隔熱材料。因此，需進(jìn)行密封處理和內(nèi)外兩面施加防護(hù)措施，一般由三個(gè)主要部分構(gòu)成，即外表面防護(hù)層、中間隔熱層、內(nèi)表面防護(hù)層；另外金屬框架也需考慮隔熱，以防止熱橋的產(chǎn)生。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的構(gòu)造要求，然后對(duì)承受荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，由于玻璃幕墻是非承重結(jié)構(gòu)，因此主要考慮自重荷載及風(fēng)荷載，有抗震設(shè)計(jì)要求時(shí)，還應(yīng)將地震荷載納入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容中。

（1） 自重荷載

幕墻自身質(zhì)量視幕墻材質(zhì)和種類而定，根據(jù)幕墻建筑設(shè)計(jì)所采用的U型玻璃種類而定，幕墻對(duì)墻框的影響視支點(diǎn)的位置而有所不同。

（2） 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載是玻璃幕墻承受的主要荷載，進(jìn)行幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要做正風(fēng)力計(jì)算，對(duì)高層建筑特別是超高層建筑還應(yīng)做負(fù)風(fēng)力（吸力）計(jì)算。后者易被忽略，但卻是最危險(xiǎn)的。如沿海地區(qū)刮臺(tái)風(fēng)時(shí)，許多玻璃幕墻是被吸離建筑物而不是吹進(jìn)建筑物。風(fēng)荷載的取值視地區(qū)、氣候和建筑物的高度而定。

荷載設(shè)計(jì)應(yīng)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012執(zhí)行。U型玻璃是壓延生產(chǎn)工藝，按照《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015規(guī)定，U型玻璃的設(shè)計(jì)許用強(qiáng)度取平板玻璃的0.6倍，鋼化處理后強(qiáng)度增加3倍。U型玻璃承載力可按照式2.3.2-1計(jì)算：

（2.3.2-1）

式中：N—U型玻璃的軸力設(shè)計(jì)值（N）；

M—U型玻璃的彎矩設(shè)計(jì)值（N·mm）；

An—U型玻璃的凈截面面積（mm2）；

Wn—U型玻璃在彎矩作用下的凈截面抵抗矩（mm3）；

fa—U型玻璃的設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）

（3） 計(jì)算內(nèi)容

為了保證玻璃幕墻具備足夠的安全度。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)必須考慮以下幾方面內(nèi)容：

①骨架強(qiáng)度和剛度。玻璃幕墻的骨架，是承受風(fēng)力的主要桿件，選擇斷面時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及變形的復(fù)核?？雌湓谧畲箫L(fēng)壓下的強(qiáng)度及變形是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。重要的受力構(gòu)件應(yīng)該考慮在循環(huán)應(yīng)力作用下的抗疲勞強(qiáng)度。

②各種連接件及緊固件。各種型號(hào)和規(guī)格的連接件與緊固件。有的受剪力，有的承受彎矩作用，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)受力狀態(tài)，分別進(jìn)行復(fù)核。復(fù)核應(yīng)考慮到每個(gè)構(gòu)件，避免因小失大。

③玻璃厚度與面積。玻璃主要是對(duì)厚度及單塊使用面積進(jìn)行計(jì)算。單塊面積大，相應(yīng)地厚度也要增大，但要用某種厚度的玻璃允許使用的最大面積來(lái)限制。當(dāng)然，這種限制還與固定形式、風(fēng)壓大小有關(guān)。

3 U型玻璃幕墻施工

3.1 安裝要點(diǎn)

（1）U型玻璃的端面和平面應(yīng)無(wú)鋸齒狀缺口或裂紋。

（2）各獨(dú)立的U型玻璃構(gòu)件應(yīng)支撐在具有均勻彈性的襯墊上。

（3）玻璃與臨近的金屬件、混凝土和砂漿結(jié)構(gòu)之間不能有硬性接觸。

（4）在U型玻璃的上端與更高處的建筑物件（如過(guò)梁、大梁、屋面板等）之間必須留有縫隙。U型玻璃上端與臨近的上部結(jié)構(gòu)之間的空氣縫隙不應(yīng)小于25mm，以應(yīng)付其變形，便于安裝更換。

（5）必須用彈性密封材料填充U型玻璃之間的縱縫。密封材料通常有二組分的聚硫塑料、硅酮膠、柔性聚氯乙烯型材等，用于U型玻璃與固定件、U形玻璃條之間的密封。圓繩，用于U型玻璃與邊框之間的密封。條形襯墊、柔性聚氯乙烯型材、浸過(guò)瀝青的條帶、硬泡沫塑料等，用作U型玻璃與邊框之間的脹縫和滑縫。

3.2 施工工藝

（1） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線

用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行施工控制。對(duì)建筑整體控制和細(xì)部測(cè)量，布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)，使幕墻的框架（槽鋼橫梁）施工安裝時(shí)能據(jù)此精確定位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的精確數(shù)據(jù)，詳細(xì)標(biāo)明幕墻水平標(biāo)高和垂直標(biāo)高，以便安裝施工。

（2） 橫梁安裝

對(duì)橫梁進(jìn)行放樣下料，根據(jù)吊線位置，將30#槽鋼固定在鋼筋混凝土梁外側(cè)。

（3） 邊框固定

將邊框料固定在受力鋼梁上。調(diào)整好邊框的水平后用膨脹螺栓將邊框固定在鋼梁上，邊框每側(cè)至少有三個(gè)固定點(diǎn)，邊框固定后，在邊框內(nèi)側(cè)底部放置硬泡沫塑料作為脹縫材料，在邊框兩翼內(nèi)側(cè)貼上墊條，以保證U形玻璃幕墻的自由伸縮。

（4） 嵌入件及U型玻璃安裝

將起穩(wěn)定作用的成品塑料件截成相應(yīng)長(zhǎng)度，放入框中的上下型材內(nèi)。將U型玻璃依次插入，U型玻璃插入上框的深度應(yīng)≥20mm，插入下框的深度應(yīng)≥12mm，插入左右框的深度應(yīng)≥20mm，當(dāng)U型玻璃插至最后一塊，洞口寬與玻璃寬不一致時(shí)，則沿長(zhǎng)度方向裁切玻璃，按端頭玻璃安裝順序?qū)⑺貌Ａаb入。

4 結(jié)束語(yǔ)

U型玻璃已經(jīng)是一種工藝較為成熟的建筑材料，但U型玻璃幕墻作為一種新的玻璃幕墻形式，在建筑領(lǐng)域還未普遍推廣。近年來(lái)，建筑設(shè)計(jì)中越來(lái)越多的開(kāi)始使用U型玻璃幕墻，其造價(jià)、環(huán)保性、美觀性以及耐久性較之普通玻璃幕墻都有明顯優(yōu)勢(shì)，《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015中也增加了U型玻璃的內(nèi)容，因此U型玻璃幕墻的設(shè)計(jì)和施工有了更可靠更充分的理論依據(jù)，本文對(duì)U型玻璃幕墻的設(shè)計(jì)和施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，希望可以對(duì)同類工程提供更加全面的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王永恒，米家華，崔厚寅，等.U型玻璃應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1996：50-52.

作者簡(jiǎn)介

宋慶博（1990-），男，專業(yè)：土木工程，現(xiàn)就職單位：中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司。

王文濤（1994-），男，專業(yè)：土木工程，現(xiàn)就職單位：中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司。