超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術*

田 偉，劉祖龍

(1.上海中建海外發(fā)展有限公司，上海 200125； 2.中國建筑股份有限公司埃及分公司，埃及 開羅 11835)

0 引言

幕墻系統(tǒng)具有自重小、抗震性能好、可再生循環(huán)利用等優(yōu)點，符合建筑可持續(xù)發(fā)展的理念[1]，因此，幕墻系統(tǒng)已成為超高層建筑外墻圍護系統(tǒng)的主流選擇。

當前，設計標準化、構件預制化、加工工業(yè)化、施工機械化的建造方式逐漸成為共識[2]。單元式玻璃幕墻的所有構件都在工廠加工組裝完成，其工業(yè)化程度在所有幕墻類型中最高。單元式玻璃幕墻已成為超高層建筑幕墻的主要形式，絕大多數超高層建筑幕墻都采用單元式幕墻體系[3]。單元式幕墻由獨立的單元板塊組合而成，每個單元板塊內部所有組件安裝及組件間接縫的密封均在工廠加工組裝完成，并按安裝順序運往工地進行吊裝。通常幕墻單元板塊高度為一個樓層高，單元板塊間采用公母插接的連接形式，單元板塊的左右豎框、上下橫框都是和相鄰單元板塊插接連接。單元式幕墻的安裝可與主體結構施工同步進行。

本文從超高層建筑單元式幕墻的特點出發(fā)，以超高層建筑單元式幕墻分段同步安裝技術為研究對象，分析其技術原理、關鍵節(jié)點、工藝流程和安裝要點，并結合工程案例對超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術和工程應用進行探討。

1 單元式幕墻特點

1)氣密性能、水密性能好 單元式幕墻采用雨幕原理進行設計[4]，在氣密線與水密線間設置等壓腔，并進行構造排水設計，合理組織排水，因此單元式幕墻氣密性、水密性良好。

2)變形能力強、抗震性能好[5]單元板塊間以插接方式連接，單元板塊接縫間留有空隙，幕墻單元板塊在平面內變形能力強，抗震性能良好。

3)加工精度高、質量可靠 單元板塊在工廠內加工組裝，每個單元板塊在出廠前均經過嚴格的質量檢測，并按幕墻單元劃分進行編號，每個單元編號都是唯一的，對應建筑立面的特定位置[6]。加工、組裝精度高，質量可靠。

4)安裝速度快 單元式幕墻的現場安裝無焊接作業(yè)與濕作業(yè)，主要通過機械輔助安裝，單元板塊與主體結構的連接方式簡單、安裝方便，施工速度快[7]。

5)安裝順序嚴格 單元式幕墻的安裝必須按順序進行對插，有嚴格的施工順序，在豎向必須按插接順序按樓層逐層安裝。

2 單元式幕墻多段同步安裝技術

超高層建筑建造工期短，幕墻安裝時間緊，同時幕墻的封閉直接影響內部裝飾等工作開展[8]。因此，對于超高層建筑來說，越早完成幕墻封閉越有利。按單元式幕墻傳統(tǒng)的逐層安裝的施工工藝，在一些情況下不能滿足進度要求，需在超高層單元式幕墻傳統(tǒng)的逐層插接安裝工序的基礎上對單元式幕墻的節(jié)點設計和安裝技術進行改進與優(yōu)化，探索在多個樓層同步進行幕墻單元板塊安裝的可實施性，并對此技術進行深入研究，形成超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術，如圖1所示。其技術原理、關鍵節(jié)點、工藝流程、安裝要點如下。

圖1 單元式幕墻多段同步安裝技術示意

2.1 技術原理

超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術的原理是，將分段施工樓層幕墻單元的固定插接式節(jié)點設計為平推式節(jié)點，解決了單元式幕墻必須按樓層逐層插接安裝的工序問題，實現單元式幕墻的分段同步施工。該技術的關鍵是分段樓層收口單元板塊橫梁和豎框的節(jié)點設計與施工安裝。收口單元板塊橫梁下部節(jié)點仍是通過插接方式與下部單元板塊連接，收口單元板塊上部橫梁單元的連接方式由插接改為平推，并通過扣條扣接固定。收口單元板塊的豎框間采用平推連接，并通過豎框扣條扣接固定。同時，滿足氣密性、水密性等功能要求。

在此基礎上，為保障幕墻單元分段安裝過程中的安全性，需在分段施工樓層區(qū)域設置起底板塊第2支撐點和頂部硬性防護。起底板塊第2支撐點的設置，可有效防止起底板塊在上部板塊安裝插接時轉動導致后續(xù)橫滑插芯密封膠撕裂，同時也可防止其在風荷載等水平荷載作用下晃動。第2支撐點的節(jié)點如圖2所示。頂部硬性防護主要防止超高層建筑施工過程中上部墜物等對下部安裝的幕墻單元產生破壞，保證施工人員安全。

圖2 第2支撐點示意

2.2 分段單元節(jié)點

超高層建筑單元式幕墻多段同步安裝技術的重點為收口層單元板塊的節(jié)點設計。收口層分段單元板塊橫梁節(jié)點和標準層單元板塊橫梁節(jié)點的設計對比如圖3所示，圖中上部淺灰色部分是上橫梁節(jié)點，下部灰色部分是下橫梁節(jié)點，圖3b中右側深黑色部分是橫梁扣條。可看到，傳統(tǒng)的橫梁插接節(jié)點主要由2部分組成，上、下橫梁節(jié)點通過插接連接，如圖3a所示；橫梁平推式節(jié)點主要由3部分組成，需將下橫梁平推到位，然后通過橫梁扣條扣接固定，如圖3b所示。收口層分段單元板塊豎框節(jié)點和標準層單元板塊豎框節(jié)點的設計對比如圖4所示，圖中左側淺灰色部分是左豎框節(jié)點，右側灰色部分是右豎框節(jié)點，圖4b左上角深黑色部分是豎框扣條?？煽吹?，傳統(tǒng)的豎框插接節(jié)點主要由2部分組成，左、右豎框節(jié)點通過插接連接，如圖4a所示；豎框平推節(jié)點主要由3部分組成，需將豎框平推到位，然后通過左上角的豎框扣條扣接固定，如圖4b所示。收口層橫梁和豎框均是將插接節(jié)點改為平推節(jié)點，方便收口層單元板塊的安裝，單元板塊安裝到位后通過扣條扣接固定。

圖3 分段單元橫梁節(jié)點對比

圖4 分段單元豎框節(jié)點對比

收口層單元板塊采用標準單元板塊進行設計和加工。同時，依據雨幕原理，設置三級等壓腔進行逐級減壓，并合理規(guī)劃單元排水路徑，以保證幕墻系統(tǒng)的塵密、水密和氣密性能。圖3，4中，①為塵密線，②為水密線，③為氣密線。收口層單元板塊設置3道防線，分別為塵密線、水密線和氣密線。

1)塵密線 設置在最外側的1道防線，主要阻止灰塵進入單元系統(tǒng)，防止灰塵進入單元幕墻系統(tǒng)的腔體后堵塞排水孔，同時塵密線也可阻擋大部分雨水進入幕墻單元腔體。

2)水密線 單元幕墻的重要防線，承擔阻水、披水作用，是完成雨幕原理的第1步，通過幕墻單元表面的少量水會經塵密線進入等壓腔，通過水密線的阻擋作用，進入等壓腔的水將通過重力作用被有組織地排出，達到阻水目的。

3)氣密線 設置在單元的最內側，是最后一道防線。由于水密線和氣密線間的等壓腔和室外基本上相通，因此水密線不能阻止空氣滲透，阻止空氣滲透的任務由最后一道防線即由氣密線完成。

收口層幕墻單元的排水路徑規(guī)劃如圖5～7所示，圖中，①為等壓腔1，②為等壓腔2，③為等壓腔3，主要采用錯層排水策略。在強風特殊情況下，風壓波動瞬間，室內外氣壓差加大，微量水可能穿越塵密線和水密線進入等壓腔3，此部分微量水通過橫梁上設置的凹槽匯集，如圖5所示。匯集后的水通過立柱的排水孔排到下一層橫梁，如圖6所示。積水在橫梁的等壓腔3中匯集，并通過橫梁中預先設置的開孔排到室外，如圖7所示。

圖5 等壓腔布置及橫梁排水示意

圖6 匯集水沿豎框下排示意

圖7 等壓腔3微量水在橫框排出示意

2.3 工藝流程

超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術的工藝流程如圖8所示。首先是選定分段安裝樓層，同時設計平推式節(jié)點。后面板塊的加工、運輸過程與一般單元完全一致。在分段安裝前，需完成轉接件安裝和分段施工樓層硬性防護安裝。開始分段同步安裝時，需對起底板塊安裝第2支撐點，完成后即可分段同步安裝。在下部樓層單元安裝完成后，即可開始收口樓層單元安裝，完成單元板塊的平推安裝后進行橫梁扣條和豎框扣條安裝，并對收口樓層進行密閉性檢查。

圖8 分段同步安裝工藝流程

2.4 收口樓層安裝要點

在收口樓層下部樓層幕墻標準單元安裝到位后，即可開始進行收口樓層幕墻單元板塊的安裝。收口樓層單元板塊預先存放在收口樓層中，通過機械臂和玻璃吸盤將板塊由室內往室外推出安裝。該施工方法不受室外天氣(如大風)影響，也無須在塔頂安裝施工吊裝機械，具有安全便捷的特點。安裝步驟和要點如下。

1)第1步 收口樓層單元板塊查驗，通過布置在收口樓層的機械臂和玻璃吸盤將單元板塊運到安裝位置，單元板塊脫離室內地面，慢慢豎起，如圖9所示。

圖9 單元板塊運輸到位

2)第2步 通過調整機械臂長度和角度，將單元板塊在預定位置豎立，如圖10所示。

圖10 單元板塊豎立

3)第3步 微調單元板塊的位置和角度，實現單元板塊的預就位，如圖11所示。

圖11 單元板塊預就位

4)第4步 單元板塊順時針偏轉，微上抬，使板塊下口和下層單元板塊插接對齊，同時斜向裝入地臺碼，如圖12所示。

圖12 單元板塊下口插接對齊

5)第5步 單元板塊下落至設計位置，與地臺碼連接到位，同時快速安裝地臺碼固定螺栓，如圖13所示。

圖13 單元板塊就位并固定地臺碼

6)第6步 按順序依次安裝收口樓層剩余幕墻單元板塊，如圖14所示。

圖14 依次安裝收口樓層單元板塊

7)第7步 安裝完收口樓層所有單元板塊后，對豎框扣條槽口注膠，并開始安裝豎框扣條，如圖15所示。

圖15 安裝豎框扣條

8)第8步 對收口樓層單元板塊橫梁扣條槽口注膠，安裝橫梁扣條，如圖16所示。

圖16 安裝橫梁扣條

9)第9步 安裝完畢，進行清理，安裝完成后效果如圖17所示。

圖17 單元板塊安裝完畢后效果

3 工程應用

埃及新行政首都中央商務區(qū)Iconic Tower總占地面積 6.5萬m2，建筑面積 26.2萬m2，主要功能包括辦公、酒店、商業(yè)、觀光、地下車庫及附屬配套設施；Iconic Tower采用混凝土核心筒-外框鋼結構混合結構體系，地下3層，地上78層，標準層高4.2m，建筑高度385.8m，建成后將成為繼金字塔之后埃及的新地標，同時也將是非洲第一高樓，如圖18所示。該建筑的幕墻采用單元式幕墻系統(tǒng)，幕墻系統(tǒng)包含1.2m高三角形水平遮陽，3.0m高玻璃幕墻，幕墻單元寬1.5m，如圖19所示。由于新冠肺炎疫情影響，單元幕墻的材料供應、加工組裝、海運、清關等環(huán)節(jié)均受影響，導致幕墻無法緊跟主體結構進行安裝。同時，埃及總理對項目進度高度關注，提出要將幕墻工期壓縮8個月的要求。在這種情況下，通過科研攻關，提出超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術的概念并進行深入研究。

圖18 Iconic Tower 效果

圖19 Iconic Tower 單元式幕墻系統(tǒng)

通過超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術的成功應用，將Iconic Tower幕墻安裝分為L1～L39層和L41到塔冠2個施工段，創(chuàng)造性地將L40幕墻單元的上部插接式節(jié)點改為平推式節(jié)點，2個施工段同步安裝的方法大大提高了安裝效率，相比于傳統(tǒng)的超高層建筑單元幕墻逐層安裝的施工工序，縮短了8個月的安裝工期，直接降低管理成本360萬元，同時工期縮短帶來開辦費用降低，減少設備租借費用，并為其他專業(yè)提前介入創(chuàng)造了作業(yè)面，綜合效益顯著。

4 結語

作為“一帶一路”沿線國家的海外重點項目，本技術應用取得了快速、高效、安全的施工效果，直接縮短幕墻安裝工期8個月，為工程的完美履約提供了有力保障。超高層建筑單元式幕墻多段同步施工技術的工程實踐，向海外市場展現了中國建設者創(chuàng)新發(fā)展、精益求精的工匠精神。