異形玻璃幕墻施工技術(shù)

馮 穎，黃尚克，韋雨秀

(1.廣西建工第五建筑工程集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545001；2.巴馬瑤族自治縣重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)服務(wù)中心，廣西 巴馬 547500；3.巴馬瑤族自治縣農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)服務(wù)中心，廣西 巴馬 547500)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑在建造和實(shí)際使用過(guò)程中需消耗的能源量為總能源的27%～30%。綠色、節(jié)能環(huán)保、低碳建設(shè)是當(dāng)今建筑研究的主題思想，在建筑中，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)和建筑高度已定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)則成為建筑節(jié)能關(guān)注的重點(diǎn)。玻璃幕墻是一種應(yīng)用廣泛、新穎美觀的建筑墻體裝飾方式，現(xiàn)代幕墻更多地成為建筑整體的有機(jī)組成部分，參與整個(gè)建筑的功能建設(shè)，環(huán)保節(jié)能與追求美觀及個(gè)性化是幕墻的發(fā)展方向，隨著建筑造型不斷朝著異形異狀、凸顯個(gè)性發(fā)展，為滿足契合建筑構(gòu)造形式，幕墻工程結(jié)構(gòu)與材料多樣化，受力形式多樣復(fù)雜，材料形狀各異。

1 工程概況

柳州風(fēng)情港酒店、商務(wù)樓工程幕墻建筑面積 94 463m2，地下2層，地上25層，建筑高度99.2m，為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。抗震設(shè)防烈度6度，建筑耐火等級(jí)一級(jí)，主體設(shè)計(jì)使用年限為50年。幕墻形式包括隱框玻璃幕墻、明框隔熱斷橋玻璃幕墻、3mm厚氟碳噴涂鋁單板幕墻、3mm厚氟碳噴涂鋁單板雨篷、采光頂、金色蜂窩格柵幕墻，面積約55 000m2，設(shè)計(jì)年限25年；鋁合金裝飾格柵幕墻面積約 30 000m2，設(shè)計(jì)使用年限25年。設(shè)計(jì)思路主要以合理性、先進(jìn)性、安全性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、環(huán)保設(shè)計(jì)、美觀設(shè)計(jì)等方面為原則。

如圖1所示，建筑設(shè)計(jì)為鉆石形蜂窩狀外凸形不規(guī)則形體，為達(dá)到這一效果，傳統(tǒng)立柱支撐方式難以適用，取消立柱支撐鋼框架，改為梁式受力，支撐結(jié)構(gòu)以鋼桁架作為支承體系，主要以受彎形式傳遞荷載，豎梁沿空間豎向斜向布置、橫梁沿空間水平布置，滿足建筑物立面凹凸起伏鉆石形外觀要求。

圖1 風(fēng)情港酒店鋼桁架模型

2 蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻結(jié)構(gòu)

構(gòu)件式幕墻最大優(yōu)勢(shì)在于造型多樣、散件拼裝。為達(dá)到設(shè)計(jì)觀感要求，發(fā)明一種玻璃幕墻單體、蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻整體結(jié)構(gòu)，該整體結(jié)構(gòu)在固有受力體系無(wú)法改變的情況下，運(yùn)用幾何原理將立體幕墻外形分化為單個(gè)平面形狀，由點(diǎn)及面、由面及體塑造立體，形成異形玻璃幕墻外形。將成熟的平面玻璃幕墻工藝通過(guò)深化設(shè)計(jì)應(yīng)用于新興異形玻璃幕墻上，解決目前異形玻璃幕墻選材難、材料尺寸多樣、施工工藝復(fù)雜、施工管理繁瑣等問(wèn)題。

該玻璃幕墻單體由m塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃及n塊非標(biāo)準(zhǔn)玻璃和結(jié)構(gòu)邊框線組合構(gòu)成，每塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃為矩形或正方形，結(jié)構(gòu)邊框線為正六邊形、矩形或梯形，n塊非標(biāo)準(zhǔn)玻璃位于m塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃外圍與結(jié)構(gòu)邊框線構(gòu)成的空隙間，m，n均為4～12的偶數(shù)。

如圖2所示，玻璃幕墻單體由4塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃及4塊非標(biāo)準(zhǔn)玻璃和結(jié)構(gòu)邊框線組合構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)玻璃為矩形，邊框線為正六邊形，非標(biāo)準(zhǔn)玻璃為1/2標(biāo)準(zhǔn)玻璃。

圖2 玻璃塊和正六邊形結(jié)構(gòu)邊框

蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻整體結(jié)構(gòu)由P(P為>3的整數(shù))塊玻璃幕墻組件組合構(gòu)成。使用時(shí)，將平面不等大三角形玻璃幕墻等邊連接，形成蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻整體結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)由玻璃幕墻單體及龍骨構(gòu)成，玻璃幕墻組件包括正六邊形幕墻組件、三角形蜂巢狀玻璃幕墻面組件Ⅰ、三角形蜂巢狀玻璃幕墻面組件Ⅱ。組件如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 三角形蜂巢狀玻璃幕墻面組件

圖4 蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻整體結(jié)構(gòu)

3 玻璃幕墻施工工藝原理

通過(guò)改善幕墻結(jié)構(gòu)受力體系，受力體系特殊處理幕墻空間異形分割降維平面安裝，配合其他形式結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用涂料原料噴涂，隱藏幕墻玻璃外框，達(dá)到建筑外形設(shè)計(jì)和顏色設(shè)計(jì)效果，同時(shí)滿足承載力、環(huán)保節(jié)能、安全性等要求。

1)鋼框架整體梁式受力設(shè)計(jì)技術(shù) 通過(guò)受力計(jì)算，取消立柱，打破橫平豎直的一般結(jié)構(gòu)受力形式，取消立柱支撐鋼框架，改為梁式受力，支撐結(jié)構(gòu)主要以受彎形式傳遞荷載，通過(guò)將豎梁沿空間豎向斜向布置、橫梁沿空間水平布置，滿足建筑物立面凹凸起伏鉆石形外觀要求，有效保證幕墻體系承載力。

2)空間異形降維技術(shù) 通過(guò)將鉆石形建筑空間異形外形三維轉(zhuǎn)二維，將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為平面結(jié)構(gòu)，使用型鋼梁將平面不全等三角形玻璃幕墻位置相鄰等邊連接，兩三角形面間形成一定角度(見(jiàn)圖5)。

圖5 軸立面展開(kāi)示意

4 幕墻安裝施工

4.1 預(yù)埋鐵件

通常采用鍍鋅、鍍鋁鋅、噴涂等表面處理方法來(lái)增強(qiáng)抗腐蝕能力。預(yù)埋鐵件為幕墻與主體結(jié)構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隨著主體施工進(jìn)行預(yù)埋。預(yù)埋件施工關(guān)鍵在于定位和防腐處理，幕墻施工前，對(duì)預(yù)埋件位置、尺寸、銹蝕和錨固強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2 連接件安裝

對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行清掃或待后植埋件強(qiáng)度滿足要求后，對(duì)連接件進(jìn)行安裝。連接件主要作用是連接幕墻與主體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)，以焊接為主，焊縫質(zhì)量為控制要點(diǎn)，焊接完成后進(jìn)行清渣、防腐、防銹作業(yè)。

圖6 連接件節(jié)點(diǎn)連接

4.3 轉(zhuǎn)接件安裝

安裝鐵角碼、槽鋼作為轉(zhuǎn)接件，在其安裝前首先對(duì)上一步安裝的連接件進(jìn)行清理，將污染物清除，必要時(shí)可噴涂防腐材料進(jìn)行防腐處理。安裝直角鐵角碼或槽鋼時(shí)，連接件和轉(zhuǎn)接件采用高強(qiáng)螺栓連接，擰緊螺栓，但要使其處于水平可調(diào)節(jié)狀態(tài)，便于后期安裝其他構(gòu)件時(shí)進(jìn)行調(diào)整。安裝完成后，根據(jù)圖紙?jiān)俅魏藢?duì)轉(zhuǎn)接件位置，及時(shí)調(diào)整或更換。

4.4 豎梁安裝

豎梁是構(gòu)筑幕墻工程成空間異形及保證其形狀準(zhǔn)確的關(guān)鍵，豎梁與水平面形成角度與橫梁連接，框架整體形成外凸形鉆石狀效果。通過(guò)有限元軟件進(jìn)行建模，施加模擬荷載，分析受力特點(diǎn)，優(yōu)化鋼架截面尺寸，節(jié)省材料。通過(guò)受力分析，獲得鋼架整體受力較大的部位和節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行特殊加固處理，嚴(yán)格控制其施工質(zhì)量。

1)豎梁安裝自下而上，采用吊船施工，首根豎梁按懸垂構(gòu)件安裝方式，芯套一端朝上，上端先固定在預(yù)連接件上，調(diào)整下端對(duì)齊預(yù)埋連接件后進(jìn)行固定。其他豎梁安裝時(shí)，下端對(duì)準(zhǔn)上一根豎梁上端芯套，保留伸縮縫，伸縮縫寬20mm，再對(duì)位安裝上端。

2)每根豎梁安裝后，先根據(jù)圖紙初調(diào)其三維位置，保持誤差在允許范圍內(nèi)，全部安裝完成后，在下道工序中進(jìn)行全面調(diào)整。

3)豎梁安裝后，及時(shí)進(jìn)行校正和調(diào)整，確保螺栓擰緊質(zhì)量，幕墻質(zhì)量及效果由豎梁決定，對(duì)此道工序的反復(fù)驗(yàn)收是整個(gè)幕墻質(zhì)量的基礎(chǔ)。

4.5 橫梁定位、安裝

橫梁與豎梁采用可伸縮結(jié)構(gòu)連接，設(shè)置伸縮縫，以膠墊或密封膠密封，滿足溫度應(yīng)力產(chǎn)生的伸縮效應(yīng)，消除幕墻伸縮噪聲，提高幕墻抗震變位能力。橫梁安裝包括橫梁角碼安裝(橫梁角碼即橫梁與豎梁連接的轉(zhuǎn)接件)、橫梁防震墊圈安裝和橫梁安裝，且連續(xù)性進(jìn)行安裝。先確定橫梁位置，兩端安裝橫梁角碼后，安裝橫梁墊圈，再安裝橫梁，采用螺栓將3個(gè)部分連接并擰緊。

4.6 玻璃安裝

根據(jù)蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻單體結(jié)構(gòu)，將幕墻玻璃尺寸進(jìn)行確定與核準(zhǔn)，根據(jù)尺寸對(duì)玻璃進(jìn)行切割加工，玻璃板塊由車間加工，然后在工地安裝。板塊初裝完成后對(duì)板塊進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)為橫平、豎直、面平。板塊調(diào)整完成后立馬進(jìn)行固定，主要是用橡膠墊塊固定，墊塊要壓緊，杜絕板塊松動(dòng)現(xiàn)象。

1)由于該玻璃幕墻單體由標(biāo)準(zhǔn)玻璃、非標(biāo)準(zhǔn)玻璃和結(jié)構(gòu)邊框線組合構(gòu)成，每塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃為矩形或正方形，標(biāo)準(zhǔn)玻璃尺寸統(tǒng)一，便于采購(gòu)、管理。

2)該玻璃幕墻單體(包括四邊形、梯形和正六邊形)為平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件，施工工藝成熟。

3)玻璃幕墻單體結(jié)構(gòu)線條選材多樣性，同時(shí)滿足現(xiàn)有隱框和明框2種玻璃幕墻需求。

4)多個(gè)正六邊形玻璃幕墻單體組成的正六邊形玻璃幕墻組件呈蜂巢狀，造型美觀。

5)單元體正六邊形玻璃幕墻單體借助玻璃幕墻固有受力型鋼龍骨作為正六邊形玻璃幕墻組件區(qū)域分割線，保證大型幕墻自身重力及受力傳遞滿足設(shè)計(jì)要求。

6)三角形蜂巢狀玻璃幕墻面組件運(yùn)用三角形三邊關(guān)系管理玻璃幕墻，借助玻璃幕墻固有受力型鋼龍骨作為正六邊形玻璃幕墻組件區(qū)域分割，形成平面三角形幕墻，較一般幕墻型鋼龍骨橫平豎直觀感有更好的視覺(jué)效果。

7)相鄰三角形使用等長(zhǎng)共享邊，保證了設(shè)計(jì)美觀性。

8)運(yùn)用型鋼龍骨剛性大的特征，2個(gè)相鄰三角形蜂巢狀玻璃幕墻面設(shè)計(jì)呈一定角度，使原本平面結(jié)構(gòu)形成相交關(guān)系，形成外凸或內(nèi)凹形狀變化。

9)多個(gè)相鄰三角形蜂巢狀玻璃幕墻面通過(guò)深化設(shè)計(jì)，面與面間兩兩相交，且均形成一定角度，最終閉合，形成異形體。采用成熟平面玻璃幕墻工藝簡(jiǎn)化了異形玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。

4.7 格柵幕墻施工

采用明框、隱框玻璃幕墻施工技術(shù)，龍骨室外面外露部分進(jìn)行材料噴涂處理，達(dá)到隱形效果。深化設(shè)計(jì)中，以蜂窩為點(diǎn)、三角形為面、面面相交成體，將三維異形曲面簡(jiǎn)化為二維平面單元組合施工，達(dá)到建筑設(shè)計(jì)優(yōu)美外形效果。使用鋁制方通、單板等產(chǎn)品作為裝飾條，滿足抗拉、抗剪強(qiáng)度要求，自重小，便于施工，提高施工速度，表面進(jìn)行2道氟碳噴涂，抗腐蝕性強(qiáng)。

1)對(duì)格柵進(jìn)行定位放線后安裝格柵(見(jiàn)圖7)，可采用模具定位，格柵安裝時(shí)要求螺栓孔位準(zhǔn)確。

圖7 格柵安裝效果

2)安裝時(shí)，先在格柵兩端安裝格柵角碼，再安裝格柵墊圈，通過(guò)不銹鋼螺栓將格柵角碼、墊圈和豎梁連接。為保證格柵安裝質(zhì)量，擰緊螺栓時(shí)，觀察格柵角碼就位情況和各配件位置，邊擰邊調(diào)整。幕墻安裝完成效果如圖8所示。

圖8 幕墻安裝完成效果

5 結(jié)語(yǔ)

依托柳州風(fēng)情港工程，對(duì)鉆石形蜂窩狀外凸形不規(guī)則幕墻進(jìn)行研究，不僅發(fā)明了一種玻璃幕墻單體構(gòu)造，還對(duì)梁式受力結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻安裝方法進(jìn)行剖析和詳細(xì)描述，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求的富有視覺(jué)沖擊力的效果。鋼框架整體梁式受力設(shè)計(jì)技術(shù)和空間異形降維思維具有實(shí)用性，可為類似工程項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。