異型展示館幕墻施工技術(shù)分析

趙世友[上海城投資產(chǎn)管理(集團(tuán))有限公司，上海 200438]

在城市現(xiàn)代化建設(shè)中，不斷出現(xiàn)外觀新穎、形式復(fù)雜的公共建筑形態(tài)，尤其是各類展示館外立面形式不斷推陳出新。幕墻工程廣泛應(yīng)用于大型公共建筑外裝飾工程中，不斷標(biāo)新立異的公共建筑外立面形式為幕墻工程設(shè)計與施工都帶來了新的挑戰(zhàn)，也給幕墻工程施工過程帶來了一定的困難和風(fēng)險。

1 工程概況

該規(guī)劃展示樓工程位于某市江海產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，占地面積 23 000.00 m2，總建筑面積 11 279.19 m2，建筑為地下 1 層，地上 3 層（局部 4 層），總高度 23.430 m，其中幕墻面積約 8 200.00 m2。該工程主體結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部為鋼結(jié)構(gòu)。該規(guī)劃展示樓幕墻工程實行設(shè)計與施工一體化方案，幕墻深化設(shè)計及審圖工期 60 d，幕墻施工工期 90 d。

2 幕墻體系的選擇

該規(guī)劃展示樓作為一個多功能的建筑，其幕墻系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性和外立面的莊重、沉穩(wěn)及美觀是至關(guān)重要的。在幕墻深化設(shè)計過程中，通過對建筑圖紙和參考效果圖的研究推敲，堅持安全可靠、造型美觀、環(huán)保節(jié)能、抗震減災(zāi)、結(jié)構(gòu)輕巧、維修方便等原則，針對該建筑體型較為特別、線條豐富、層次感個性化程度高、有三維角度傾斜的實際情況，選擇了豎明橫隱半隱框玻璃幕墻系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)體系選擇如下。

(1) 1 層外立面幕墻寬度分格為 2 460.000 mm，2～3 層幕墻寬度分格為 1 500.000 mm，以三維形式傾斜。

(2) 立柱采用 180.000 mm×80.000 mm 的鋁型材，橫梁采用 80.000 mm×90.000 mm 的鋁型材，玻璃采用 6＋12 A（氬氣）＋6 中空 Low-E 鋼化玻璃，外片 6.000 mm Low-E 鋼化玻璃，Low-E 層位于第 2 面，中間 12.000 mm 的空氣層充氬氣，內(nèi)片采用 6.000 mm 鋼化玻璃。

(3) 層間采用 1.500 mm 厚鍍鋅鋼板，上放 100.000 mm 厚防火巖棉，防火高度 ＞800.000 mm，頂部 1.500 mm 厚的防煙板，滿足建筑的防火要求。

(4) 立柱采用雙支點的連接固定方式，上支點固定，下支點滑移，滿足層間變位要求，同時提高幕墻的抗震性能，滿足材料受拉不受壓的特性。

3 異型幕墻施工技術(shù)難點分析

該展示館外立面新穎獨特，外形多變不規(guī)則，給幕墻施工增添了很大的困難。具體難點如下。

(1) 水平剖面外形為橢圓造型，整體外墻控制點難于精確定位。

(2) 幕墻外立面由下而上為外傾造型，越向上越外張，定位控制和安裝施工難度大。

(3) 玻璃幕墻共有 972 個單元，每個單元均為非標(biāo)雙曲面板，意味著每個單元都不同，為玻璃幕墻加工以及安裝帶來非常大的困難。

(4) 石材幕墻和玻璃幕墻相間，分別占比 42.000% 和 40.000%，且石材幕墻突出玻璃幕墻平面，石材造型尺寸較大，石材幕墻龍骨與玻璃幕墻龍骨銜接成為施工難點之一。

(5) 幕墻施工期正處于雨季，項目位于沿海區(qū)域，風(fēng)天較多，施工環(huán)境比較惡劣，使異形幕墻安裝難度增大。

4 施工過程控制

依據(jù) JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對外傾玻璃幕墻系統(tǒng)、石材造型幕墻系統(tǒng)等構(gòu)件進(jìn)行計算復(fù)核，確保符合設(shè)計要求，然后進(jìn)行構(gòu)件加工，組織安裝施工，控制施工質(zhì)量，保證施工進(jìn)度。

4.1 幕墻系統(tǒng)計算校核

4.1.1 外傾玻璃幕墻系統(tǒng)校核

(1) 玻璃面板校核。經(jīng)計算選取 6.000 mm＋1.2 A＋6.000 mm 中空鋼化玻璃，玻璃尺寸 1 426.000 mm×2 093.000 mm，玻璃面板計算簡化模型為 4 邊支撐，校核如下。

① 荷載計算：

面板和構(gòu)件平均重量 Gk＝0.307 kN/m2；

基本風(fēng)壓 ω0=0.500 kN/m2（50 年一遇，高度 24 m）；

風(fēng)載（負(fù)風(fēng)壓） ω=1.952 kN/m2；

水平地震影響系數(shù) αmax=0.04；

分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 qEk=0.061 kN/m2；

面板與水平線夾角 α=81o；

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值 qk=1.0 Gkcosα+1.0 ω ＋0.5 qEksinα=2.030 kN/m2；

荷載組合設(shè)計值 q=1.2×1.0 Gkcosα＋1.4×1.0 ω ＋1.3×0.5 qEksinα=2.830 kN/m2。

② 玻璃強(qiáng)度計算：

玻璃所受荷載組合設(shè)計值 q=2.830 kN/m2；

玻璃彈性模量 E=72 000.000 N/mm2；

經(jīng)計算玻璃最大應(yīng)力：σwo=32.758 N/mm2，σwi=30.275 N/mm2；

玻璃允許應(yīng)力：fg=84.000 N/mm2，玻璃的強(qiáng)度滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

③ 玻璃撓度計算：

玻璃泊松比 ν =0.2；

經(jīng)計算中空玻璃的等效厚度 te=7.182 mm；

撓度最大值 df=22.616mm；撓度允許值 dflim=23.767 mm，玻璃的撓度滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

(2) 橫梁校核。橫梁采用 6063-T 5 鋁合金型材，橫梁跨度 2 093.000 mm, 該鋁合金型材截面特征參數(shù)見表 1。

表1 6063-T 5 鋁合金型材截面特征參數(shù)

① 荷載計算：

集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 Fgk=0.590 kN； 集中荷載設(shè)計值 Fg=0.710 kN； 水平線夾角 α=81o；

風(fēng)載（負(fù)風(fēng)壓）ω=1.952 kN/m2； 面板和構(gòu)件平均平米重量 GK=0.500 kN/m2；

水平地震影響系數(shù)最大值 αmax=0.04； 分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 qEk=0.100 kN/m2；

荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值 qk=1.0 Gkcosα+1.0ω+0.5 qEksinα=2.080 kN/m2；

荷載組合設(shè)計值 q=1.2×1.0 Gkcosα＋1.4×1.0 ω ＋1.3×0.5 qEksinα=2.890 kN/m2；

橫梁受限荷載最大標(biāo)準(zhǔn)值 qkl=2.080 kN/m2×1.426 m÷2=1.483 kN/m；

橫梁受限荷載最大設(shè)計值 ql=2.890 kN/m2×1.426 m÷2=2.070 kN/m。

② 橫梁強(qiáng)度計算：橫梁受力簡圖見圖 1，橫梁彎矩圖見圖 2。橫梁在荷載作用下的彎矩以及正應(yīng)力數(shù)據(jù)見表 2。橫梁在組合荷載作用下的支座反力見表 3 。

圖1 橫梁受力簡圖

圖2 橫梁彎矩圖

表2 橫梁在荷載作用下的彎矩以及正應(yīng)力數(shù)據(jù)

表3 橫梁在組合荷載作用下的支座反力

③ 橫梁的剛度計算：橫梁在荷載作用下的撓度見圖 3。橫梁在荷載作用下的撓度數(shù)據(jù)見表 4。

圖3 橫梁撓度圖

表4 橫梁在組合荷載作用下的支座反力

④ 橫梁的抗剪強(qiáng)度計算：橫梁在荷載作用下的剪力見圖 4。橫梁在荷載作用下的剪力以及剪應(yīng)力數(shù)據(jù)見表 5。

圖4 橫梁剪力圖

表5 橫梁在荷載作用下的剪力以及剪應(yīng)力

⑤ 橫梁的各種強(qiáng)度校核：

校核依據(jù) Umax≤L/1 8 0，且滿足重力作用下 Ugmax≤L/500, Ugmax≤3.000 mm。

橫梁在各種荷載組合作用下的強(qiáng)度校核見表 6。

表6 橫梁在各種荷載組合作用下的強(qiáng)度校核

經(jīng)校核，橫梁正應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求，橫梁抗剪強(qiáng)度滿足要求，橫梁撓度滿足要求。

4.1.2 石材造型幕墻系統(tǒng)校核

計算校核過程略，各項校核計算結(jié)果均滿足要求。

4.2 質(zhì)量控制

4.2.1 測量控制

由于建筑外形的不規(guī)則，幕墻測量放線定位控制難度大、要求精度高。

(1) 首先與土建施工、鋼結(jié)構(gòu)安裝單位協(xié)調(diào)，明確主體結(jié)構(gòu)的測量基準(zhǔn)。幕墻分格軸線的測量放線與主體結(jié)構(gòu)配合，對誤差進(jìn)行控制、分配、消化，不使其積累。

(2) 放線時應(yīng)多次進(jìn)行校正，確保其準(zhǔn)確性。按幕墻分格尺寸線放線，在預(yù)埋件曲梁上畫出幕墻分格軸線的十字中心線。測量放線應(yīng)在風(fēng)力 ≤4 級的情況下進(jìn)行，每天定時進(jìn)行二次校核，以確保測量放線的準(zhǔn)確性。

(3) 利用高精度全站儀測距，最大測距 300.000 m 時，測距誤差為 Ms=1+1×0.3=1.300 mm，測角誤差為 Ms=300×1 000×1/206 265=1.450 mm，合成誤差為Mp=±1.950 mm，連接件連接點中心水平距離誤差控制在 ±1.000 mm 內(nèi)，確保測控精度。

(4) 幕墻控制線確定后，找一處具有代表性位置進(jìn)行幕墻試裝，既驗證測量放線的精度，又檢驗各工種間的協(xié)調(diào)程度。

4.2.2 構(gòu)件加工

(1) 加工精度：由于異形曲面幕墻安裝難度和精度的要求，構(gòu)件加工精度進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)控制。構(gòu)件加工制作控制尺寸偏差見表 7。

表7 構(gòu)件加工制作控制尺寸偏差

(2) 玻璃加工：幕墻為曲面，幕墻單元為雙曲面玻璃，原玻璃加工方案是根據(jù)玻璃幕墻單元尺寸通過熱彎工藝定型加工雙曲面玻璃，由于無法滿足設(shè)計要求，改用冷彎工藝。 因此考慮到玻璃單元加工調(diào)整技術(shù)要求，采用超白平面玻璃，嚴(yán)格控制 Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù) ＜0.015%。

(3) 石材加工：經(jīng)過計算和實樣驗證，石材最終選用大理石材鋁蜂窩板，規(guī)格為 5.000 mm＋25.000 mm，該石材既解決了外觀效果，又減輕荷載，更方便加工和施工，一舉多得。

4.2.3 幕墻安裝

(1) 預(yù)埋件的檢查及偏差處理。根據(jù)埋件施工圖埋件分布的情況，對埋件以軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行編號，記錄《埋件檢查表》，發(fā)現(xiàn)埋件超過偏差要求，采用與預(yù)埋件等厚度、同材質(zhì)的鋼板進(jìn)行補(bǔ)板。錨板埋件補(bǔ)埋一端采用焊接方式連接，另一端采用化學(xué)螺栓固定。為保證轉(zhuǎn)接件安裝精度，除控制前后左右尺寸，還要控制每個轉(zhuǎn)接件標(biāo)高，控制精度偏差為±10.000 mm。

(2) 幕墻龍骨系統(tǒng)。該工程打破了常規(guī)模式，設(shè)計了一套玻璃托板系統(tǒng)，此系統(tǒng)與立柱連接作用，將玻璃面材自重作用直接傳遞到立柱，優(yōu)化了橫梁的受力體系，減小橫梁的撓度，增加結(jié)構(gòu)的安全性，實現(xiàn)了玻璃幕墻大寬度分格，保證立面的效果（圖 5）。橫梁采用隔熱式鋁型材，用閉口腔系統(tǒng)連接，立柱采用三維可調(diào)式連接，能較好地適應(yīng)建筑的結(jié)構(gòu)，保證了幕墻的曲面性。

圖5 龍骨系統(tǒng)橫剖節(jié)點

(3) 冷彎玻璃工藝。該幕墻玻璃單元為雙曲面玻璃，采用熱彎工藝加工，無法達(dá)到精度要求，而且現(xiàn)場試裝過程中，發(fā)現(xiàn)玻璃自爆率非常高，＞1.000%。根據(jù)工程實際，調(diào)整方案，邀請專家論證，采用超白平板玻璃，通過冷彎工藝技術(shù)完成雙曲面玻璃的成形并完成單元幕墻安裝，對彎曲度進(jìn)行精度控制，弓形時不超過0.500%，波形時不超過 0.300%。冷彎工藝既實現(xiàn)了曲面幕墻的完美效果，又將自爆率降至 0.100% 以下。

4.3 幕墻性能測試

本工程幕墻氣密性能等級為 3 級，水密性能等級為 4 級，抗風(fēng)壓性能等級為 5 級，平面內(nèi)變形性能等級為 2 級。通過專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對幕墻進(jìn)行四性檢測，四性能均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。同時對幕墻的隔聲性能、保溫性能、耐撞擊性能進(jìn)行測試，有效隔聲量大于 32 dB，隔聲性能等級為 2 級，可承受 250 N·m/s 的沖量，耐撞擊性能達(dá)到 2 級，保溫性能 K 值滿足 5 級要求。

5 結(jié) 語

由于優(yōu)化設(shè)計，采用玻璃冷彎工藝和玻璃托板系統(tǒng)，選用石材鋁蜂窩板等措施，為工程節(jié)省造價 8.000% 以上，而且縮短了工期，降低了在不利氣候條件下施工的風(fēng)險，經(jīng)濟(jì)效益顯著。針對雙曲面幕墻加工和安裝的難度，大家在材料選用、結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件加工、安裝方式等進(jìn)行了較多的探究。本工程的成功實施，為同類曲面幕墻施工探索積累了一定的經(jīng)驗。