基于仿石材彩釉打印的異形超大板塊玻璃幕墻系統(tǒng)建造技術(shù)

顧任池（上海建工四建集團有限公司，上海 201103）

1 工程背景概況

近年來，在城市文化新布局下，一大批重點文化設(shè)施類公共建筑正在緊密鑼鼓地建設(shè)中。圖書館作為重要的公共活動場所和文化教育空間，在追求大空間布局、自然采光、綠色節(jié)能的基礎(chǔ)上，對外立面獨特造型和裝飾效果提出更高的要求。

上海圖書館東館項目坐落于花木城市副中心的城市公共綠地，建筑外立面呈現(xiàn)倒梯形外觀，從城市的尺度看，整個建筑就像一塊正在雕琢的玉石，漂浮在公園的綠樹之上，是世紀公園地區(qū)的一個焦點。其構(gòu)思理念來源森林璞玉，以玉石隱喻圖書館育人的過程，玉石需要經(jīng)過精雕細琢方成器物，寓意人只有不斷學(xué)習(xí)才能成為棟梁之才。

項目地塊用地面積為 39 508 萬 m2，總建筑面積114 951 m2，地上建筑面積 77 968 m2，地下建筑面積 36 983 m2。地下局部 2 F，上部結(jié)構(gòu) 7 F，高度 50 m。地下室為混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部是鋼結(jié)構(gòu)為主體的框架剪力墻體系，外側(cè)有最大跨度 16.8 m 的懸挑結(jié)構(gòu)懸掛于屋蓋，3～7 F懸挑結(jié)構(gòu)尺寸由上至下逐層遞減，鋼結(jié)構(gòu)外立面呈倒梯形布置且 4 個立面造型均存在傾角為 67° 的斜切面。外立面玻璃通過特殊的打印上釉技術(shù)呈現(xiàn)不同層次的透明度，就像石材表面變化的肌理。

2 幕墻系統(tǒng)介紹

本項目幕墻總面積約 40 000 m2，采用雙夾膠中空鋼化 LOW-E 玻璃，大范圍玻璃面積達到 6.5 m2，重量達到近 700 kg；幕墻龍骨采用鋼型材，總用量約 3 000 t；鋼材采用氟碳噴涂處理，可視部位鋁型材采用氟碳噴涂處理，其余不可見型材外表面處理為陽極氧化。幕墻系統(tǒng)分為屋頂天窗幕墻、主樓玻璃幕墻、裙房玻璃幕墻，其中以主樓玻璃幕墻和裙房玻璃幕墻為主。

2.1 主樓玻璃幕墻系統(tǒng)

主樓 3～7 F 大面幕墻系統(tǒng)為豎隱橫明構(gòu)件式半隱框幕墻，標(biāo)準(zhǔn)層高 6.2 m，標(biāo)準(zhǔn)分格寬度尺寸為 4 200 mm，玻璃分格高度為 1 550 mm 及 775 mm 兩種；玻璃類型采用 4片超白鋼化雙夾膠三銀 LOW-E 中空玻璃，局部玻璃采用壓花＋彩釉打印玻璃；幕墻龍骨采用精致鋼龍骨，鋼型材截面尺寸 250 mm×100 mm。主樓四個立面設(shè)置大窗幕墻系統(tǒng)，最大跨度 20.8 m，基本玻璃分格為：寬×高= 4 200 mm×1 550 mm，玻璃類型采用四片超白鋼化雙夾膠三銀 Low-E中空玻璃，幕墻龍骨采用空腹桁架。

2.2 裙樓玻璃幕墻系統(tǒng)

主樓 2 F 以下及裙房玻璃幕墻系統(tǒng)為構(gòu)件式全明幕墻，基板玻璃分格為：寬×高= 2 100 mm×2 850 mm，玻璃類型采用四片超白鋼化雙夾膠三銀 LOW-E 中空玻璃，局部玻璃采用壓花＋彩釉打印玻璃；幕墻龍骨采用精致鋼龍骨，鋼型材截面尺寸為 250 mm×100 mm。

3 主要施工難點分析

3.1 直角鋼型材龍骨加工要求高

本工程的幕墻龍骨體系為直角鋼龍骨體系，標(biāo)準(zhǔn)立柱截面以平行四邊形為主，傳統(tǒng)意義的焊接鋼方管在精度控制、外觀質(zhì)量、生產(chǎn)周期等方面不能夠滿足此工程。經(jīng)幕墻顧問和專業(yè)單位推薦擬采用擠壓鋼龍骨，由于直角擠壓型材加工屬于新興工藝，行業(yè)內(nèi)缺少專用的規(guī)范參考，所以加工質(zhì)量難以保證。

3.2 仿石材外立面效果選型困難

為了體現(xiàn)玉石效果，建筑師從全球各地的石材中選擇了意大利魚肚白的大理石。由于大理石材料不適合用于室外，從節(jié)能環(huán)保角度，也不具備大量開采進口的條件。根據(jù)初步方案，設(shè)計師擬在外立面選用玻璃，通過 3 D 彩釉打印技術(shù)呈現(xiàn)不同層次的透明度，來實現(xiàn)大理石石材表面自然變化的肌理。透明玻璃采用雙夾膠超白鋼化三銀 LOW-E 中空夾膠玻璃（中空層充氬氣），打印圖案玻璃選型還需綜合考慮外觀、性能參數(shù)和力學(xué)性能等因素，不同的打印位置選擇會影響玻璃安全隱患和參數(shù)性能。

3.3 外立面外傾，施工難度大

本工程上部鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)有最大跨度 16.8 m 的懸挑結(jié)構(gòu)懸掛于屋蓋，3～7 F 懸挑結(jié)構(gòu)尺寸由上至下逐層遞減，四個外立面呈倒梯形布置（上大下?。?，且每個立面由對角線劃分為直面和斜面兩部分，斜面傾角為 67°，斜面最大高度為50 m。采用傳統(tǒng)吊籃僅能完成直面幕墻施工，無法覆蓋斜面；同時，斜面跨度大，投影面積范圍地面有地下室頂板、裙房屋面、下沉式庭院等多種工況，無法大面積采用落地腳手架輔助施工。

4 施工總體技術(shù)路線

4.1 精致直角鋼龍骨加工工藝

直角擠壓鋼龍骨屬于創(chuàng)新工藝，關(guān)鍵控制點在于如何有效解決擠壓過程中鋼管角部開裂的問題。在金屬學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，通過與長江學(xué)者、高校教授等展開合作研究發(fā)現(xiàn)，在擠壓過程中增加中頻加熱環(huán)節(jié)，當(dāng)鋼管處于奧氏體的狀態(tài)可以有效解決冷加壓過程中直角鋼方通角部開裂。

經(jīng)過幾個月的研究工作和實體測試，精致直角鋼龍骨擠壓生產(chǎn)工藝達到成熟階段，最終確定了本工程直角鋼龍骨的制作工藝流程：高頻焊管選擇→退火處理→冷變形擠壓→校直→第一次中頻熱變形擠壓→第二次中頻熱變形擠壓→角部凸起修磨→校直→定尺鋸切→成品檢驗合格出廠。

4.2 仿石材彩釉打印玻璃選型

為了使打印圖案能夠完美呈現(xiàn)自然之美，建筑師考慮先實地拍攝意大利魚肚白大理石圖案，再對照片進行后期處理。為了配合建筑師尋找適合的照片，專業(yè)單位組織建筑師和攝影師去亞洲最大的福建水頭石材貿(mào)易基地進行了為期一周的拍攝，最終從拍攝的 800 多張照片中，選出了 16 張照片，經(jīng)過后期處理，使照片精度達到 1 440 DPI。選用以色列進口的 Dip-Tech 數(shù)碼打印設(shè)備，通過數(shù)碼打印工藝將陶瓷油墨打印在玻璃上，可以均勻細致的高還原度彩釉圖案，最終經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使油墨永久固定在玻璃表面，具有較強的抗酸堿、耐腐蝕性。

為兼顧幕墻節(jié)能性能和建筑采光效果，將彩釉打印玻璃的裝飾效果與幕墻功能分開，通過采用兩層不同性能的玻璃分別實現(xiàn)，同時結(jié)合外立面效果的需求，在保證玻璃結(jié)構(gòu)安全與幕墻結(jié)構(gòu)體系不改變的前提下，對玻璃構(gòu)造進行了調(diào)整，分為半透和不透構(gòu)造。半透構(gòu)造由雙層夾膠打印玻璃（裝飾效果）和超白鋼化夾膠三銀 LOW-E 中空玻璃（幕墻節(jié)能功能）組成；不透構(gòu)造由雙層夾膠打印玻璃（裝飾效果）和背襯板（幕墻節(jié)能功能）組成。

半透構(gòu)造：由外片和內(nèi)片組成，外片為 8＋1.52 SGP＋10 mm 的超白鋼化夾膠彩釉玻璃，將大理石魚肚白圖案彩釉打印在 10 mm 玻璃內(nèi)側(cè)面；內(nèi)片為 8＋16 Ar＋6＋1.52 SGP＋6 mm 超白鋼化夾膠三銀 LOW-E 中空玻璃，以滿足自然采光節(jié)能要求。

不透構(gòu)造：由外片和背襯板組成，外片為 8＋1.52 SGP＋10 mm 的超白鋼化夾膠彩釉玻璃，將大理石魚肚白圖案彩釉打印在 10 mm 玻璃內(nèi)側(cè)面；背襯板設(shè)置在防火背襯墻位置，以滿足消防要求。

在明確了打印圖案和玻璃構(gòu)造后，現(xiàn)場根據(jù)設(shè)計確定的圖案排列，進行了 1:1 的實樣施工，分別對透明、不透和半透玻璃進行了實物比選。通過實物掛樣效果，對不同膜系的透明玻璃的觀感效果進行了明確，最終確認了北玻的 72 號膜系為實施效果。彩釉打印玻璃精度滿足設(shè)計要求的同時，圖案對比度過于明顯。由于玻璃反射率較高，彩釉打印玻璃上存在明顯的倒影，導(dǎo)致大理石圖案效果不理想，外立面玉石效果不佳，過高的反射率也無法滿足《幕墻光反射影響分析報告》的要求。為了讓外立面的效果更接近天然石材，降低玻璃反射率，現(xiàn)場著手對實物樣板進行了改造。經(jīng)過十幾次會議討論，多種方案反復(fù)推敲，最終決定將彩釉打印玻璃的外片玻璃改為壓花玻璃來嘗試解決這個問題。建筑師從幾百種壓花圖案中選擇了玉砂、香梨、布紋三種圖案后進實物樣板比選。

通過實體樣板比較，壓花玻璃的圖案最終確認為香梨圖案，外立面的仿石材彩釉打印玻璃的構(gòu)造確定為 8 ＋1.52 SGP＋10 mm 鋼化夾膠彩釉打印壓花玻璃，各類玻璃構(gòu)造的最終配置情況如表 1 所示。

表1 玻璃最終配置表

4.3 異形非對稱幕墻體系吊籃施工

本工程四個外立面都存在外傾角為 67° 的斜切面，每個立面的豎向都存在垂直面和斜面交匯工況。為了使吊籃的使用能夠靈活多變，采用全立面軌道式大斜度吊籃施工工藝，解決大斜度立面施工難題。

屋面布置雙懸軌，內(nèi)側(cè)懸軌作為吊裝物品軌道，外側(cè)懸軌作為吊籃輔助安裝使用；采 I 18 工字鋼作為吊籃軌道（外側(cè)懸軌）使用，I 20 a 工字鋼作為吊物軌道（內(nèi)側(cè)懸軌）使用。在屋面桁架上，每隔 3 m 設(shè)置一道軌道支撐，支撐橫桿采用 I 20 工字鋼，立柱采用 250 mm×150 mm矩形管，與主體鋼結(jié)構(gòu)采用 M 20 螺桿、10 號槽鋼抱箍，和軌道采用高強螺栓連接，非封閉式軌道兩端安裝軌道限位、擋板和緩沖器。

考慮主樓每個立面均有一半的斜面工況，環(huán)軌式吊籃只能覆蓋垂直立面的幕墻施工，為了使吊籃能夠發(fā)揮最大功效，在豎向設(shè)置鋼導(dǎo)索，配合層間導(dǎo)向滑輪實現(xiàn)吊籃在斜面的使用功能。鋼導(dǎo)索型號為 6×37＋ IWR-Φ12 mm-1 870，上端與屋頂鋼結(jié)構(gòu)固定，中間各層與層間調(diào)節(jié)桿固定，下端與地下室頂板固定，作為吊籃平臺的柔性導(dǎo)軌使用，保證吊籃平臺距離施工作業(yè)面一直保持在 150～500 mm 之間，方便施工作業(yè)。中間調(diào)節(jié)桿采用 70 mm×4 mm 方管，采用化學(xué)螺栓與樓板固定，每個吊籃機位設(shè)置兩道。通過全立面軌道式大斜度吊籃施工，有效解決了 67° 外立面的物料提升和工人操作面難題。

5 結(jié) 語

本文以上海圖書館東館項目為背景工程，結(jié)合工程外立面造型獨特的特點、難點，對基于仿石材彩釉打印的異形超大板塊玻璃幕墻系統(tǒng)施工建造技術(shù)進行了研究和實踐。實踐證明：通過對精致鋼龍骨加工工藝的優(yōu)化調(diào)整、不同構(gòu)造玻璃的配置選型、仿石材彩釉玻璃打印技術(shù)研究、超大斜面幕墻體系施工等方面對異形大跨度懸掛體系的超大塊玻璃幕墻建造技術(shù)進行詳盡研究和分析，在施工過程中嚴格按照要求實施每道工序，最終外立面完美呈現(xiàn)出宛如畫卷般的石材效果，達到預(yù)期效果。工程建造過程中的施工難點是國內(nèi)常規(guī)幕墻工程中罕有的，希望對今后類似項目的設(shè)計與施工一體化具有借鑒意義。