關(guān)于一種拋物線切面玻璃單元式幕墻設(shè)計(jì)解析

李 莉

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，建筑造型設(shè)計(jì)越來(lái)越體現(xiàn)多元化和多樣化。特別是在大型公共建筑、商業(yè)建筑之中，異形斜面及切面應(yīng)用案例更是不勝枚舉。

本文結(jié)合武漢保利時(shí)代K18 地塊辦公塔樓圓柱斜切面玻璃設(shè)計(jì)施工過(guò)程對(duì)斜切面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，以期對(duì)后續(xù)其他相似工程提供參考。

1 背景與概況

本項(xiàng)目幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)從建筑外觀效果、功能和自然條件等因素出發(fā)，在熱工性能、安全性能、聲學(xué)性能、光學(xué)性能上充分考慮了其建筑的特點(diǎn)和要求，利用不同的幕墻技術(shù)、方法、工藝、材料創(chuàng)造優(yōu)越的建筑外圍護(hù)功能。滿足建筑的安全、健康、舒適各項(xiàng)要求，合理提高建筑的熱舒適度、光舒適度、聲舒適度，創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)外視覺(jué)感受。

武漢保利時(shí)代K18 地塊辦公塔樓單元式幕墻工程項(xiàng)目組成概況：第1，主體結(jié)構(gòu)形式：框架核心筒結(jié)構(gòu)；建筑高度：辦公塔樓171 m；建筑抗震設(shè)防烈度：六度；建筑地面粗糙度類型：C 類；建筑物耐火等級(jí)：一級(jí)；本項(xiàng)目基本風(fēng)壓：0.35 kN/m2；基本雪壓：0.5 kN/m2。年溫度變化為80 ℃。第2，建筑概況：本項(xiàng)目辦公塔樓為5A級(jí)辦公樓，共34層，最大標(biāo)高171 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4200 mm，避難層層高5400 mm。商業(yè)樓為商業(yè)用途，塔樓共7 層，一層層高6 m，其他樓層層高5.4 m，局部有負(fù)一層（最大層高5.7m），裙樓建筑高度39.1 m。

2 建筑幕墻物理性能

2.1 抗風(fēng)壓性能

具體施工時(shí)嚴(yán)格按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）[1]第5.1.1 條 的規(guī)定，本工程風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.708，因此本工程幕墻的風(fēng)壓變形性能分級(jí)應(yīng)為2 級(jí)。建筑幕墻的抗風(fēng)壓性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 建筑幕墻抗風(fēng)壓性能分級(jí)表

2.2 水密性能

按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 條的規(guī)定，建筑幕墻水密性能的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 建筑幕墻水密性能分級(jí)

按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 條的規(guī)定，水密性能指標(biāo)計(jì)算如下：

由《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50178—1993）[2]知，本工程為非熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，經(jīng)按規(guī)范要求計(jì)算得，P＝595Pa 按照規(guī)定P小于700 時(shí)按照700 取值，所以本建筑的幕墻雨水滲透性能分級(jí)應(yīng)為2 級(jí)。

2.3 氣密性能

建筑幕墻的氣密性能按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）的第5.1.3條的規(guī)定，以在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，壓力差為10 Pa的空氣滲透量q為分級(jí)依據(jù)，建筑幕墻開(kāi)啟部分氣密性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及整體氣密性能分級(jí)，如表3 所示?！督ㄖ粔Α罚℅B/T 21086—2007）第5.1.3 條規(guī)定如表4 所示，規(guī)定了建筑幕墻氣密性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的一般性規(guī)定。

表3 建筑幕墻開(kāi)啟部分氣密性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及整體氣密性能分級(jí)

本建筑所在地屬于其他地區(qū)，幕墻的氣密性能要求應(yīng)達(dá)到3 級(jí)。符合上表的一般要求，符合《公關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)[3]、《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176）[4]、《采暖居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 132—2001)[5]、《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（校正版）》（JGJ 26—2010）以及《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134—2010）的有關(guān)規(guī)定，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能要求。

2.4 平面內(nèi)變形性能

建筑幕墻平面內(nèi)變形性能，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值的3 倍進(jìn)行設(shè)計(jì)；非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值進(jìn)行設(shè)計(jì)。主體結(jié)構(gòu)樓層最大彈性層間位移角如表5 所示。按照《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）第5.1.6條的規(guī)定，建筑幕墻的平面內(nèi)變形性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表6 所示。

表5 主體結(jié)構(gòu)樓層最大彈性層間位移角

表6 建筑幕墻平面內(nèi)變形性能分級(jí)

本建筑為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，并采用抗震設(shè)計(jì)，平面內(nèi)變形性能分級(jí)指標(biāo)值應(yīng)不小于3 級(jí)，本工程建筑幕墻的層間位移角為1/246。本建筑幕墻的平面內(nèi)變形性能，幕墻分級(jí)為2 級(jí)。

3 斜切面系統(tǒng)介紹

本項(xiàng)目塔樓轉(zhuǎn)角圓柱面斜切隱框鋼框架單元式玻璃幕墻（本系統(tǒng)為塔樓部分的重難點(diǎn)之一）位置：辦公樓27 層～辦公樓屋頂層西北角和東南角，1 層～6 層?xùn)|南角。面材：玻璃面材為TP8 mm+12A mm+TP6 mm 鋼化中空LOW-E 玻璃，系統(tǒng)構(gòu)造特點(diǎn)：采用隱框鋼框架龍骨單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系。

3.1 斜切面制作階段分析

由于上下切面拋物線型材分析切面主要存在的區(qū)別在于兩者為上下對(duì)稱的關(guān)系，由BIM 配合對(duì)幕墻切面交接的拋物線，按實(shí)際情況對(duì)幕墻型材扭轉(zhuǎn)的角度對(duì)幕墻典型的下切面進(jìn)行了實(shí)際分析。

將幕墻拋物線型材定位軌跡線按照建筑層高分為5 段，從下至上依次編號(hào)。分析拋物線曲率半徑區(qū)間：在每一段線上取1000 個(gè)測(cè)量等分點(diǎn)，測(cè)量拋物線曲線在每個(gè)點(diǎn)處的曲率半徑，得出每個(gè)分段線的曲率半徑區(qū)間。角度分析：截取每段拋物曲線的中點(diǎn)，測(cè)得拋物曲面與平面在該點(diǎn)處的夾角及最大處拱高值，表7 為拋物角度變化及曲率半徑分析。由表7 可知，拋物曲線的曲率半徑從下到上呈遞減趨勢(shì)，可見(jiàn)拋物曲線越往上越彎曲。由上述分析的結(jié)果，對(duì)切面影響較大的型材和玻璃2 種材料進(jìn)行加工制作分析。

表7 拋物角度變化及曲率半徑分析

3.2 鋁型材加工分析

經(jīng)過(guò)與鋁型材拉彎加工廠家溝通，鋁型材存在的問(wèn)題：第1，鋁型材如果存在2 個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)彎弧無(wú)法加工；第2，一般單曲鋁型材拉彎靠模最多允許弧段為3 段，超過(guò)允許弧段無(wú)法拉彎；第3，鋁型材拉彎長(zhǎng)度最大不宜超過(guò)4.5 m 以上，超過(guò)拉彎長(zhǎng)度彎弧半徑無(wú)法保證精度；第4，豎向受力鋁型材拉彎存在鋁型材能否時(shí)效的問(wèn)題，鋁型材時(shí)效后硬度大無(wú)法拉彎成型，不做時(shí)效的話對(duì)于鋁型材的強(qiáng)度存在無(wú)法保證。

經(jīng)實(shí)際三維模擬下切面1～5 號(hào)型材，其中將5 型材進(jìn)一步分析型材半徑及拱高（圖1 所示為5 型材半徑及拱高）。5 號(hào)型材分為3 段后的半徑各不一樣，拱高只能控制在50 mm 的范圍內(nèi)，這樣的型材按照單曲彎弧也無(wú)法作為一根型材加工制作。對(duì)于這個(gè)范圍內(nèi)的型材安裝的誤差更加不好控制。尤其是單元的雙型材安裝配合困難，無(wú)法在精度上很好把控，型材與型材間隙是難點(diǎn)，如間隙會(huì)較大。

圖1 5 型材半徑及拱高（來(lái)源：作者自繪）

3.3 玻璃面材加工分析

玻璃廠家提供的玻璃制作工藝的技術(shù)要求為：第1，彎弧玻璃加工要求最小邊尺寸需達(dá)到500 mm 以上，才能滿足玻璃彎弧滾輪最小彎弧尺寸要求，小于500 mm 將無(wú)法彎弧。玻璃弧長(zhǎng)部分不宜超過(guò)2 m，超過(guò)弧長(zhǎng)要求的玻璃無(wú)法彎弧，勉強(qiáng)彎弧對(duì)于彎弧半徑的誤差也無(wú)法保證要求。第2，玻璃鋼化要求，玻璃最小邊尺寸需達(dá)到20 mm 以上才能滿足玻璃鋼化對(duì)尺寸的最低要求，所以三角形玻璃尖角將不會(huì)是尖角。三角形玻璃最小邊尺寸需達(dá)到150 mm 以上，才可制作，小于150 mm 將無(wú)法制作。

根據(jù)以上玻璃廠家提供的加工工藝要求，需要將圓柱面斜切玻璃面材做一定規(guī)整。對(duì)玻璃提取3 塊典型性玻璃進(jìn)行分析：第1，1 號(hào)彎弧玻璃（圖2a，1 號(hào)玻璃展平圖），圖中玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見(jiàn)可以加工。第2，2 號(hào)彎弧玻璃（圖2b，2 號(hào)玻璃展平圖），圖中玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見(jiàn)無(wú)法加工。主要是最小邊尺寸不滿足彎弧要求，需和其它玻璃合并制作。第3，3 號(hào)彎弧玻璃為異形三角形玻璃（圖3a，3 號(hào)玻璃展平圖），下圖玻璃為展平圖紙，按玻璃加工廠家反饋的意見(jiàn)無(wú)法加工。主要原因?yàn)槿切螣o(wú)法滿足彎弧要求，需和其他玻璃合并制作。將1 號(hào)和3 號(hào)玻璃合并（圖3b，1 號(hào)與3 號(hào)玻璃合并展平圖），新的問(wèn)題是該塊玻璃彎弧邊長(zhǎng)度超過(guò)了2 m，這樣的尺寸也是無(wú)法制作的。3 號(hào)玻璃尖角部分需按鋼化最小要求減尖角。

圖2 玻璃展平圖：1 號(hào)與2 號(hào)(來(lái)源：作者自繪)

圖3 玻璃展平圖：1 號(hào)與3 號(hào)（來(lái)源：作者自繪）

3.4 型材與面材分析結(jié)論

為了能夠滿足業(yè)主及建筑師對(duì)外觀及單元系統(tǒng)的構(gòu)造的要求，做了如下處理：第1，玻璃方面，對(duì)立面中的玻璃做了優(yōu)化調(diào)整，能夠合并的做了合并處理。不能夠合并的又不滿足玻璃廠家批量加工要求的，由業(yè)主協(xié)調(diào)玻璃廠家給出承諾按做玻璃工藝品的工藝來(lái)做斜面部分無(wú)法正常制作的玻璃。無(wú)法做彎弧的玻璃，就做折線處理等。第2，型材方面，單元一般采用的型材多為鋁型材，但是本工程切面與弧面交接的部分橫向型材存在錯(cuò)位的關(guān)系，拋物線又有扭轉(zhuǎn)。因此，拋物線交接的部位采用了鋼框架的連接方式，橫豎向龍骨均采用鋼龍骨外包不銹鋼板的形式，在能夠滿足結(jié)構(gòu)安全構(gòu)造需求的同時(shí)，即保證了業(yè)主要求的外觀上與型材外觀大小一致，又做到了建筑顧問(wèn)及幕墻顧問(wèn)要求的必須采用單元式的安裝方案。針對(duì)上述的方案措施對(duì)立面的鋼板塊區(qū)域進(jìn)行了劃分,下切面鋼板塊平面區(qū)域劃分如圖4 所示。

圖4 下切面鋼板塊平面區(qū)域劃分（來(lái)源：作者自繪）

3.5 板塊加工制作

切面板塊制作安裝分解：鋼框架的焊接及防銹處理—安裝拋物線處調(diào)平轉(zhuǎn)接件及防銹處理—安裝鋼框架前端型材—包覆不銹鋼板及不銹鋼表面處理—玻璃面板安裝及打膠密封。這樣的流程保證了鋼板塊的順利完成制作。由于圓柱面斜切交接部位情況較復(fù)雜，所有上下圓柱面斜切鋼板塊均采用犀牛軟件（Rhino）建模完成對(duì)設(shè)計(jì)方案的模擬，建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案矛盾的位置能夠及時(shí)有效的修改，雖然前期投入較多的精力來(lái)修改模型調(diào)整方案，但這為后期加工制作能從模型中提取實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)應(yīng)加工提供了方便及良好的技術(shù)支持。

板塊主要結(jié)構(gòu)形式，左右與正常板塊交接的部位采用扁鋼管龍骨的規(guī)格為30 mm×120mm ×4mm，中間變化部位的龍骨為保證外觀的尺寸及滿足計(jì)算要求采用了120 mm×80 mm×4 mm，拋物線位置采用了圓管?70 mm×5 mm 來(lái)適應(yīng)拋物線的扭轉(zhuǎn)過(guò)程。

斜切面重難點(diǎn)部位為塔樓圓柱面下斜切部位，為大跨度區(qū)間，1～3F 無(wú)主體結(jié)構(gòu)需采用大鋼立柱與切面板塊交接的連接形式。為使最終切面板塊安裝準(zhǔn)確，切面處作為主要受力構(gòu)件，6 根扁鋼柱成為了放線的重點(diǎn)部位，現(xiàn)場(chǎng)放線對(duì)該6 根扁鋼柱按理論數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的關(guān)系核對(duì)誤差盡量減小到無(wú)誤，確保切面板塊的順利安裝，本系統(tǒng)最終通過(guò)了認(rèn)證發(fā)明專利。

3.6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

異形項(xiàng)目初始，首件試制的重要性。單元式鋼板塊主要的制作難度在鋼管的焊接誤差上。為了保證焊接質(zhì)量，找了多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)制作廠家進(jìn)行多次比選的試制，才確定最終實(shí)施方案。

BIM 技術(shù)的應(yīng)用。BIM 配合從建筑造型的意圖及對(duì)建筑原始模型的特征分析，得到了相應(yīng)的邏輯關(guān)系；再到施工圖階段中配合各階段的方案合理性及可實(shí)施性的研究，提供了有效可靠的數(shù)據(jù)支持。鋼架加工制作方面，通過(guò)BIM 模型圖來(lái)精準(zhǔn)確定連接長(zhǎng)度及扭轉(zhuǎn)的方向，加工廠家通過(guò)BIM 模型來(lái)放樣制作，確保了切面鋼板塊按時(shí)順利的完成。

現(xiàn)場(chǎng)施工階段BIM 配合對(duì)斜切面拋物線部分提供相應(yīng)的分格定位點(diǎn)及坐標(biāo)系數(shù)的提取，為現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了有效的數(shù)據(jù)支持。BIM 技術(shù)的應(yīng)用對(duì)整個(gè)切面系統(tǒng)來(lái)說(shuō)起到了重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在工程已經(jīng)竣工使用幾年，本系統(tǒng)能經(jīng)受住時(shí)間和風(fēng)雨的考驗(yàn)是各專業(yè)間上下一心協(xié)力的成果，是團(tuán)隊(duì)智慧的結(jié)晶。整個(gè)工程的設(shè)計(jì)施工過(guò)程是一次難得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累的過(guò)程，總結(jié)過(guò)去是為了更好砥礪前行。經(jīng)過(guò)這個(gè)工程項(xiàng)目的鍛煉，大家一定可以勝任更多有難度的工程。