大型機場航站樓幕墻系統(tǒng)設計研究

陳 明

（上海和甲幕墻設計咨詢有限公司，上海）

引言

近年來，我國航空機場建設發(fā)展迅速，新建機場項目越來越多。機場項目功能劃分和幕墻系統(tǒng)存在一定的相似性和可參考性，所以本文依托于杭州蕭山國際機場三期項目，詳細闡述該項目中層間無遮擋玻璃幕墻系統(tǒng)、大跨玻璃幕墻系統(tǒng)、大尺寸鋁合金遮陽系統(tǒng)、平行四邊形開啟窗系統(tǒng)的設計技術難點和解決方案，為后續(xù)大型機場項目幕墻系統(tǒng)的設計提供一定方案參考，從而更好地實現(xiàn)建筑的具體功能和設計效果。

1 項目概述

杭州蕭山國際機場三期項目是浙江省迄今以來最大的機場建設項目，其中的核心項目為新建航站樓（T4），其全部建成后總建設面積約72 萬m2。此項目包含地下2 層，地上4 層（局部6 層），建筑最大高度為44.55 m。航站樓平面布局中央集中式構型，實現(xiàn)南北兩翼空側貫通，中央陸側聯(lián)系。主樓面寬約466 m，進深約261 m，北側三根指廊寬度均為42 m。

2 幕墻系統(tǒng)分類與設計

由于項目體量龐大、幕墻系統(tǒng)種類繁多，主要包括主樓標準全明框玻璃幕墻系統(tǒng)、長廊全明框大跨玻璃幕墻系統(tǒng)、南北長廊全明框玻璃幕墻系統(tǒng)、長廊接主樓傾斜高側窗幕墻系統(tǒng)、長廊鋸齒鋁板幕墻系統(tǒng)、指廊玻璃幕墻系統(tǒng)、室外蜂窩鋁板吊頂幕墻系統(tǒng)、采光天窗系統(tǒng)、雨篷系統(tǒng)等組成部分，以下只針對主要的、典型的幕墻系統(tǒng)設計成果進行介紹。

2.1 主樓標準全明框玻璃幕墻系統(tǒng)

本系統(tǒng)外設進深150 mm 的豎向鋁合金裝飾桿件，幕墻橫梁、立柱均為鋁合金型材，立柱跨度為3 600 mm，立柱通過鋼鑄件與主體結構可靠連接。幕墻橫梁跨度為1 800 mm，與立柱采用插芯連接。玻璃面板基本分格為：寬×高=1 800 mm×3 600 mm=6.48 m2，玻璃配置為8HS+1.52PVB+8HSLow-E+16Ar+8HS+1.52PVB+8HS超白半鋼化雙夾膠雙銀Low-E 中空玻璃。

2.2 長廊全明框大跨玻璃幕墻系統(tǒng)

本系統(tǒng)外設寬300 mm的橫向鋁合金遮陽桿件。幕墻立柱采用鋁包鋼做法，鋼龍骨截面為220 mm×80 mm×14 mm×14 mm H 型鋼，材質(zhì)為Q355B，幕墻立柱上下兩端通過兩個M24 的螺栓連接在幕墻鋼橫梁上，幕墻立柱最頂端與主體結構橫向封邊鋼梁連接，幕墻立柱對幕墻鋼橫梁的豎向變形起約束作用；幕墻橫梁采用350 mm×100 mm×16 mm×20 mm 直角鋼通，材質(zhì)為Q235B，橫梁一端開圓孔一端開長孔，其最大跨度為14.4 m，鋼橫梁通過厚鋼板轉接件與主體鋼立柱連接。

圖1 標準全明框玻璃幕墻豎剖節(jié)點圖

圖2 全明框大跨玻璃幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點圖

2.3 指廊全明框玻璃幕墻系統(tǒng)

本系統(tǒng)玻璃面板基本分格為：寬×高=3 000 mm×1 200 mm=3.6 m2，玻璃配置為6HS+1.52PVB+6HSLow-E+16Ar+8FT超白雙銀夾膠中空玻璃。玻璃幕墻外側設置橫向大小兩種鋁合金遮陽桿件，大遮陽桿件凈寬600 mm，最外端距玻璃幕墻扣板1 500 mm，其跨度為6 m；小遮陽桿件凈寬100 mm，最外端距玻璃扣板1 200 mm，其跨度為3 m。

主體鋼結構每6 m設置一組鋼立柱，供幕墻橫梁和立柱連接。幕墻橫梁立柱均為鋁合金型材，表面氟碳噴涂處理。橫梁為主受力桿件，跨度為6 m，橫梁一端固定，另一端可自由伸縮；橫梁中間位置的立柱前腔中設有不銹鋼拉桿，為橫梁提供豎向支撐，立柱跨度為1.2 m。

2.4 采光天窗幕墻系統(tǒng)

采光天窗整體成菱形，玻璃主要為平行四邊形，基本分格為1.8 m×1.2 m，最大約為1.8 m×1.7 m，玻璃配置為8FTLow-E+16Ar+6HS+1.52SGP+6HS 超白鋼化夾膠雙銀Low-E 中空玻璃；天窗主次龍骨采用120×60×6 熱鍍鋅鋼管，外包鋁合金型材，表面氟碳噴涂處理。本系統(tǒng)設有電動開啟窗，開啟窗亦為平行四邊形，其中銳角角度為81°。

3 設計技術難點與解決方案

通過上述的系統(tǒng)分類和介紹可知，各幕墻系統(tǒng)均有各自的特點，下文將根據(jù)各幕墻系統(tǒng)的特點詳細闡述其設計技術難點和解決方案[1]。

3.1 層間無遮擋玻璃幕墻系統(tǒng)的精致連接設計

主樓玻璃幕墻本身屬于常規(guī)玻璃幕墻系統(tǒng)，但其難點在于：（1）本系統(tǒng)位于大空間通高區(qū)域，無層間非透明幕墻；且主體結構為幕墻提供支撐的鋼梁只有120 mm 高，無法對立柱連接構造進行遮擋，這就要求主樓玻璃幕墻系統(tǒng)的連接必須精致美觀；（2）幕墻橫梁與立柱連接件處于同一高度，轉接件需避開橫梁，故轉接件只能通過立柱后端進行連接固定。

通過以上分析，立柱的連接方案設計如下：（1）立柱插芯采用不銹鋼鑄件，此鑄件在立柱轉接件位置開帶螺紋的圓孔，并通過螺栓與鋁合金立柱前端固定；（2）與主體鋼橫梁連接的轉接件為帶掛軸的鋼鑄件，焊接于主體鋼橫梁上；（3）與立柱插芯連接的轉接件一端為直徑Φ50 mm帶螺紋的鋼管，另一端為60 mm寬的掛鉤。立柱連接設計見圖3。

圖3 立柱連接設計示意圖

本系統(tǒng)立柱連接的安裝順序為：先將帶掛軸的轉接件一與主體鋼橫梁定位焊接，然后將不銹鋼插芯通過螺栓與立柱固定，再將帶螺紋的轉接件二與鋼插芯螺紋連接，并通過螺紋前后調(diào)節(jié)好位置，最后將帶轉接件的立柱掛接到轉接件一上完成安裝。此轉接系統(tǒng)安裝方便，外觀輕巧精致，滿足建筑對美觀的要求。

3.2 大跨玻璃幕墻系統(tǒng)結構受力體系設計研究

本項目長廊玻璃幕墻系統(tǒng)為了減少構造層次，釋放室內(nèi)空間，將原主體結構設計的橫向鋼梁取消，由幕墻單位直接設計制作幕墻龍骨，這就造成幕墻龍骨的受力體系發(fā)生巨大變化。

3.2.1 結構受力體系設計

長廊玻璃幕墻區(qū)域，主體結構為幕墻提供的支撐條件只有間距18 m 的對柱，對柱間距為3.6 m，主體鋼柱最頂端設有封邊鋼橫梁。在此條件下，幕墻結構受力體系需變?yōu)闄M梁主受力，此鋼梁跨度非常大為14.4 m（主體對柱之間的距離），主要承擔風荷載。為滿足鋼橫梁豎向變形的限值要求，幕墻立柱不能像常規(guī)幕墻立柱一樣釋放豎向約束，幕墻立柱必須為整個幕墻提供豎向支撐，需將幕墻自重通過立柱最終傳遞到主體結構頂部封邊鋼梁上。

3.2.2 封邊梁剛度控制

由受力體系分析可知，長廊玻璃幕墻重量幾乎全部傳遞到主體結構頂部封邊梁上，這就要求主體頂部封邊梁具有足夠的剛度，否則會造成長廊幕墻最底部分格在安裝完成后尺寸相差較大（相差尺寸為封邊梁豎向變形量）[2]。安裝過程中變形見圖4。

圖4 安裝過程中變形示意圖

經(jīng)過與主體結構師反復溝通復核，最終將此鋼梁的剛度控制條件提高到1/500，同時提醒施工單位最底部的玻璃需在上部玻璃安裝完成后，進行現(xiàn)場實測，然后再下料、加工、安裝。確保玻璃面板與橫梁鋁鼻子之間留有一定的間隙，避免使用過程中造成玻璃破損。

3.2.3 橫梁與主體及橫梁與立柱的連接處理

通過受力體系分析可知，長廊玻璃幕墻橫梁及立柱的連接處受力都非常大，這就需要保證幕墻鋼橫梁與主體鋼柱及幕墻鋼橫梁與幕墻立柱之間的連接既要安全可靠，又要兼顧建筑美觀、簡潔要求。

（1）鋼橫梁與主體的連接設計。幕墻在鋼橫梁與主體立柱連接位置主要受水平風荷載，故轉接件采用40 mm厚鋼板；橫梁端頭進行封口處理，并等強焊接兩塊25 mm 厚的耳板，上下與橫梁表面平齊。兩塊25 mm 厚的耳板與40 mm 厚的轉接件通過沉頭螺栓固定。連接完成后，整體厚度與橫梁相同，且所有連接均位于主體鋼柱前端，外觀非常干凈、簡潔。幕墻鋼橫梁與主體連接見圖5。（2）鋼橫梁與幕墻立柱的連接設計。此連接的難點在于，既要美觀不外漏連接構件，又要安全可靠，同時還要減少現(xiàn)場焊接方便施工。經(jīng)過反復推敲研究，并進行有限元受力分析，各構件強度均滿足受力要求[3]。此連接可以完全隱藏在外包的鋁型材內(nèi)部，不影響外觀，同時封板的焊接均在工廠完成，焊接質(zhì)量可靠，更為安全且現(xiàn)場安裝非常方便快捷。

圖5 幕墻鋼橫梁與主體連接示意圖

3.3 大尺寸鋁合金遮陽系統(tǒng)設計

本項目指廊遮陽系統(tǒng)的特點是：（1）遮陽桿件自身尺寸較大；（2）遮陽桿件到玻璃面板的距離較遠；（3）如何實現(xiàn)外觀簡潔、美觀，傳力直接的受力體系。

本系統(tǒng)玻璃面板寬為3 m，考慮到建筑效果和受力的合理性，主體鋼立柱每6 m 設置一道，供幕墻橫梁和立柱連接。本系統(tǒng)特設計不銹鋼鑄造件從主體鋼立柱上挑出，既支撐大遮陽桿件，又支撐幕墻立柱和橫梁。幕墻橫梁為主受力桿件，跨度為6 m，幕墻橫梁中間位置的立柱前腔中設有不銹鋼拉桿，并設有特殊不銹鋼鑄件將橫梁重力荷載傳遞到拉桿上，從而解決幕墻橫梁豎向變形問題。

小遮陽桿件通過豎向拉索固定在大裝飾桿件上，大裝飾桿件固定在由主結構鋼柱上伸出的不銹鋼支臂上[4]。不銹鋼支臂前端設有兩根豎向不銹鋼吊桿，承擔所有裝飾的重力荷載，吊桿最頂端固定在由主體結構挑出的不銹鋼大牛腿上，從而為遮陽系統(tǒng)提供豎向支撐。

3.4 平行四邊形電動開啟窗設計

由于采光頂電動開啟窗尺寸較大，且為平行四邊形，如何確保開啟窗能正常開啟，且不對幕墻龍骨產(chǎn)生較大的扭矩，是此系統(tǒng)的兩個主要技術難點。

經(jīng)過與多家電動開窗器廠家深入溝通，并經(jīng)過反復受力分析，最終確定此開啟窗開窗器采用大角度支撐形式(45°支撐角)。此種支撐形式既能提供較大的推拉力，又能縮小開窗器支架的偏心距離；同時在開窗器的頭部安裝進口的金魚眼支架，使開窗器能適應一定的旋轉角度（允許25°的偏差），確保開啟窗能正常開啟。大角度支撐形式設計見圖6。

圖6 大角度支撐形式設計

4 結論

以蕭山國際機場三期項目航站樓幕墻工程為例，對大型機場項目幕墻工程中的重點、難點進行了詳細分析，并給出了合理的解決方案，最終的建筑效果也得到了業(yè)主和建筑師的一致認可。與此同時，闡述的設計思路和解決方案對后續(xù)大型機場項目幕墻工程的設計具有較大的指導作用和參考價值。