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幕墙文集
超高层异型单元式玻璃幕墙的设计要点
2018-08-14 10:49:20 来源: 作者: 【 】 浏览:5362次 评论:0

摘 要:随着科学技术的发展,具有独特造型幕墙的建筑不断涌现,这对幕墙的设计与施工技术提出了更高的要求。本文结合沈阳盛京金融广场幕墙工程方案设计过程,解析如何根据建筑自身的特点,选择技术先进、性能优异、便于清洗维护的幕墙系统方案,把握超高层建筑幕墙设计的设计要点。
关键词:超高层;单元式幕墙;建筑造型;清洗维护系统;设计要点
Abstract:
With the development of science and technology, the parameterized design software is widely used. The buildings with
unique curtain wall are constantly emerging, and higher requirements are put forward for the design and construction technology of the curtain wall. Based on the Shenyang Shengjing Financial Square curtain wall engineering design, this paper analysis according to the characteristics of the construction itself, choose the advanced technology, excellent performance, easy cleaning and maintenance of the curtain wall system, grasp the main points of curtain wall design of high-rise building.
Key words:super high rise, unit curtain wall, building modeling, cleaning and maintenance system, design points

刘晓亮 旭密林能源科技(上海)有限公司北京公司


1 前言
建筑幕墙是由面板与支承结构体系(支承装置与支承结构)组成的、可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力、不承担主体结构所受作用的建筑外围护墙[1]。建筑幕墙除了有技术发展较成熟的玻璃幕墙、金属板幕墙和石材幕墙外,还有人造板材幕墙(如陶板幕墙、千思板幕墙)、点支承玻璃幕墙、双层幕墙及光电幕墙等。建筑幕墙是现代建筑派的主要表现特征,在新世纪的现代化城市建筑中具有不可替代的艺术地位。近几年,随着新技术、新材料的不断应用,建筑幕墙行业发展得比较快,建筑幕墙在城市的现代化建设中发挥着举足轻重的作用。


在建筑幕墙的实际应用中,超高层建筑要承受更大的风力、地震力和温度变化的影响,主体结构会产生更大的竖向变形,这些因素会使幕墙相应要承受更大的内力和位移。超高层建筑施工层、现场安装,要求简约化、快速化、文明化。因此设计标准化、构件预制化、安装机械化是一个前提条件。单元式幕墙系统标准化程度可达 80%~90%;现场人工操作工作量很低,90%以上的工作量可以在工厂内完成;预制品加工质量高、精度高;工厂内和施工现场工人劳动生产率高;施工受气候条件影响小件影响小;施工安装不用脚手架,工地文明清洁简约;建造用工少、工期短等特点。因此超高层建筑的幕墙都会首先选用单元式幕墙。


超高层建筑的幕墙设计与普通幕墙有一定的差异,幕墙方案的设计往往不容易引起重视。笔者根据多年幕墙设计经验,总结了对超高层建筑幕墙在设计阶段应考虑的几个要点问题,包括建筑几何形态造型对幕墙系统的影响,避难层的幕墙系统设计,清洗维护系统(擦窗机)的系统选择等方面,均提出了细致而周到的解决方案,希望能对建筑幕墙设计行业起到些许积极的作用。


2 根据建筑几何形态造型设计幕墙系统
2.1 工程概述
沈阳盛京金融中心项目区域在沈阳市和平区南京北街西侧,距沈阳机场27.5km,距沈阳北站2.8km,紧邻沈阳市和平区城市核心区,总规划用地面积约71598.11m^2。东西走向的丹东路将项目用地划分为A、B两个地块两个地块,A地块共包含T1、T2、T3三栋塔楼,其中T2塔楼建筑高度最高,如图1所示。本文针对T2 塔楼的建筑幕墙分析超高层幕墙的设计要点,该塔楼建筑总高度 319.04m,裙楼建筑总高度约41.7m,幕墙面积约6.5 万平方米。地下3 层,塔楼地上 67 层,裙楼地上6 层。结构选型为框架-核心筒体系,出屋面结构为钢结构。

图1 沈阳盛京金融广场鸟瞰图(T2塔楼在中间)


2.2 建筑几何形态分析
如图2所示,塔楼平面形态由四个圆弧大面和四个转角内凹槽倾斜面组成。四个转角内凹面渐变向上内倾延伸,整体形成向上突破的围合、挺拔之势。样板如图3所示。

塔楼大面位置采用横明竖隐的单元式玻璃幕墙,平面内为圆弧造型,体现建筑物的体量感;横向装饰条内布置灯具。


塔楼角部凹槽侧面采用单元式铝板幕墙,强化体量轮廓,进一步体现塔楼伸展上升的形态。铝板造型与造型内玻璃幕墙形成的凹槽造型墙,凹槽整体造型先逐渐收分缩小,到达一定高度后逐渐收分缩增大,形成喇叭口形状。


凹槽内玻璃幕墙为竖明横隐的单元式玻璃幕墙,配合凹槽造型收分,先是竖向外倾弧面幕墙,到达一定高度后逐渐调整为内倾弧面幕墙。


塔楼采用的是单元式玻璃幕墙系统和单元式铝板幕墙系统,建筑表皮的多种形态的造型给幕墙设计带来了较大的难度,而水平圆弧面和垂直圆弧面与铝板凹槽的特殊性,对幕墙系统的设计提出了更高的要求。


幕墙设计必须正确理解建筑几何形态的成型理念,并以此作为建筑幕墙的设计基础,才能正确深化出超高层建筑的幕墙体系[2]。


2.3 塔楼大面圆弧幕墙的系统设计要点


大面圆弧幕墙的幕墙板块宽度 1.4m,幕墙板块间的折线水平夹角 179.5°;因为角度较小因为角度较小,实际放样横梁端部切斜角距离仅为 1.02mm,如图 4 所示。过小的距离使其很难实现车间内的加工,横梁端部仍按照90°切角,平面角度安装时,通过接缝调整适应角度变化缝调整适应角度变化;最终确定采用板块折线拟合的方式完成圆弧造型,但是本方案一定要合理设置,注意前端竖向胶条的截面设计,保证防水性能。
其他建筑幕墙项目其他建筑幕墙项目,如果幕墙板块水平夹角较大时,一般横梁端部切角≥5mm,横梁端部必须按照实际角度加工横梁端部必须按照实际角度加工,角度通过横梁切角度解决,单元板块角度为实际;由于幕墙水平分格与幕墙板块水平夹角影响较大,所以设计初期应与建筑师充分沟通,做到有的放矢。


单元幕墙通过幕墙板块上的挂件和预先设置在结构上的单元体挂座挂接,实现单元体幕墙的的安装。挂件和挂座安装过程中具备三维可调能力;单元体挂座初步选择顶面挂接(槽式埋件+铝合金挂座)和侧面挂接(钢制转接件连接+钢质挂轴)两种方案,如图5所示。对于两种挂接方案进行分析后,再确定合理的挂接方式。


本工程用于幕墙连接的钢结构环型边梁考虑到工程造价等因素,未考虑弯弧处理,均为直线段,这样就造成了选择侧面连接方案时,转接件长度规格较多、现场焊接量大等不足。
本工程的楼板采用成品钢楼承板的楼板型式,标准混凝土板厚为120mm,很难满足槽式埋件的埋设需要;经过与建筑结构院的多次沟通,最终选择楼板外轮廓向内500mm 范围内局部加厚到200mm的做法,满足槽式埋件的埋设需要,需提前了解槽式埋件对于混凝土厚度的要求等。
大面位置单元体玻璃幕墙选择顶面挂接(槽式埋件+铝合金挂座)的方案。


2.4 凹槽内单元式玻璃幕墙的系统设计要点


凹槽内单元式玻璃幕墙的幕墙板块宽度1.4m,层高为4.2m和5.4m;通过对于幕墙犀牛模型的分析,立面幕墙在14层标高69m的位置为分界线,分界线以下幕墙板块向外倾斜,分析数据详见图 6;分界线以上幕墙板块为向内倾斜,分析数据详见图7。
由于单元体板块之间的竖向夹角接近 180°,采用单元体板块折线拟合的方式实现;尤其应当注意的是分界线以上的幕墙单元体板块(内倾斜),需要关注单元体幕墙的上横梁截面设计,排水角度由常规的 3%加大到 4%(如图 8),保证单元体幕墙的排水性能。


2.5 凹槽侧面转角单元式铝板幕墙的系统设计要点
凹槽侧面转角单元式铝板幕墙的幕墙板块宽度为 1.7m,出挑龙骨面1.5m,层高为4.2m和5.4m;通过对于幕墙犀牛模型的分析,转角单元式铝板幕墙为规则扭转单元;每层扭转角度小于0.05°,整体幕墙向内侧倾斜2.11°,如图9所示。

由于单元体铝板幕墙的板块扭转造型,通过犀牛软件逐层对板块间翘曲值进行分析。通过得到的数据,按照层数对单元板块进行归集,确定合理的区段划分;选择每 5 层的单元体铝板幕墙板块进行归类时,翘曲值不大于2mm,满足设计要求;整个建筑立面分为10种铝板单元体幕墙板块。
铝板单元板块造型复杂,出挑距离较多,设计原则考虑功能性与装饰性分离,更好的实现建筑功能和外立面效果。铝板单元体龙骨选择钢铝结合方式(如图10);受力杆件为钢材,满足强度刚度要求;铝型材主要解决单元板块插接和排水连续的功能性要求;装饰造型铝板内侧设置铝单板防水板,与钢龙骨挑出的干涉位置采用铝板开洞上下搭接、打胶密封的方式,保证防水性能。

铝板单元板块出挑结构较多,埋件位置受力较大,采用常规的槽式幕墙埋件无法满足要求;经过与建筑结构院的沟通,最终选择采用板槽式埋件,此种埋件采用钢槽与钢板加工制作而成,功能上满足槽式埋件的功能;连接方式为埋件肋板与主体结构钢梁直接焊接,埋件受力能力大大增加,可以满足受力要求(如图11、图12)。


3 超高层建筑幕墙避难层的幕墙系统设计
避难层是高层建筑中专供火灾时人员临时避难用的楼层。避难间则是供消防人员在一定高度(大于等于100m的楼层)上设置的临时避难用的的房间。自建筑的首层至第一个避难层的高度不应大于45m,两个避难层之间的高差不宜大于45m。通向避难层的防烟楼梯应在避难层分隔、同层错位或上下层断开,使人员均必须经避难层方能上下;避难层的净面积应能满足设计避难人员避难的要求,并宜按5.0人/m^2计算。由于避难层可兼作设备层,但设备管道宜集中布置;本工程 10、20、29、39、49、59 层为避难层,避难层层高 7m,标准楼层层高为4.2m和5.4m。避难层由于层高高、跨度大,标准单元体幕墙龙骨无法满足需要,针对此种实际情况,我们考虑加大单元体幕墙龙骨或者增加钢立柱的方式解决。

由于单元体幕墙与土建结构边的进出位关系是确定的,所以单元体龙骨的龙骨截面加大也是有一定局限性的;本工程由于层高较高,幕墙龙骨截面加大后与土建结构的进出位较小,调节量小,所以未选择截面加大的方案。

增加钢立柱的方式时主受力龙骨为钢型材,铝合金龙骨可以采用增加挂点的方式增加受荷载能力,也便于幕墙工程型材截面的统一,减少开模费用;最终选择在龙骨后侧增加钢立柱的方案(如图13)。


由于避难层兼做设备层,设备层的机房需要建筑幕墙具有通风和防风雨的功能,由于超高层幕墙的风压较大,对于防风雨百叶的选择尤为重要。本工程凹槽内幕墙采用在设备层选用防风雨百叶,大面幕墙由于效果需要,选择玻璃百叶效果,后面设置防风雨百叶,满足性能需要。

安装在超高层建筑设备层机房的防风雨百叶,其通风量需要达到额定的速度,叶片不能有振动或产生噪音,不能超过静压消耗允许的最大值。采用防雨百叶系统,通风设备百叶系统的防雨有效性为95%~98%,外界空气流速在13m/s时;有效的通风面积为百叶总面积的60%,以及降雨量在75mm/h 的情况下能达到B极。防风雨百叶要求具备BS或ASTM的测试认证;百叶的表面处理采用氟碳喷涂,喷涂的颜色应与幕墙外装饰型材一致。

玻璃百叶位于 TP8mm(镀膜)+1.52SGP+TP8mm 超白钢化夹胶中空玻璃,百叶规格 1400mm(W)×200mm(H),间距200mm;玻璃百叶后侧采用成品氟碳喷涂防风雨百叶玻璃百叶;SGP胶片是夹层玻璃离子聚合物中间膜。离子聚合物中间膜性能优异,撕裂强度是一般PVB膜的5倍,硬度是PVB膜的30倍~100倍。SGP 夹层玻璃和同样厚度的单片玻璃多少会有相等的弯曲强度。同PVB夹层玻璃相比,SGP夹层玻璃有更高的强度性能和刚性。


4 超高层建筑清洗维护系统的选用
擦窗机是高层建筑物外墙立面和采光屋面清洗、维护作业的常设专用设备。需根据建筑物的高度、立面及楼顶结构、承载、设备行走的有效空间,设计不同型式的擦窗机。既要考虑到安全、经济、实用,又要考虑到安装的擦窗机能与建筑物协调一致,不影响建筑物的美观,所以擦窗机的选型与建筑设计及施工等密切相关。

擦窗机是室外高空载人设备,因此对擦窗机的安全性和可靠性要求非常高。
针对每一栋大楼的独特建筑形式和功能,在选用擦窗机时,应从安全性、经济性、实用性这三大原则的基础上综合考虑,初期应从如下几点进行考虑:
a) 优先选用轨道式,自动化程度高,安全可靠;
b) 楼顶空间通道、立面结构等是否适合所选择的擦窗机型式;
c) 选用的擦窗机是否满足结构承载要求;
d) 选用的擦窗机尽量不影响建筑物的美观;
e) 擦窗机的造价符合业主投资需求;
f)选用合理的擦窗机台数,完成整个大厦的清洗维护作业。
盛京金融广场 T2 塔楼屋面构造基本参数:大面建筑幕墙标高 318m,凹槽位置玻璃幕墙的建筑幕墙标高313m,结构混凝土板顶的标高为 269.8m,屋顶钢结构梁顶标高312m,钢结构梁顶面距离幕墙顶面高差6m,如图14所示。

超高层擦窗机细节设计应注意以下要点:
a) 基础结构条件:擦窗机轨道落在混凝土结构上时,沿轨道方向需有预留轨道钢梁或基础结构,混凝土梁或柱墩自身宽度为400mm~500mm方形、间距不大于2m;预留钢梁宽度不小于300mm。擦窗机轨道应在建筑内表面周圈布置,轨道宽度不小于2m;轨道边缘距建筑内表边缘最小距离不得小于600mm。
b) 轨道与基础连接:基础为钢结构,轨道安装前擦窗机厂家需与钢结构单位配合预留好轨道焊接条件;混凝土结构,擦窗机厂家需在混凝土浇筑前提供预埋件,并提供人员指导安装。
c) 擦窗机轨道:擦窗机厂家在工厂加工好成品组件,运送至现场,由擦窗机厂家提供人员安装。
d) 擦窗机:擦窗机以组件形式运送至现场,由塔吊吊至屋顶进行组装;应注意塔吊的荷载应与擦窗机部件的荷载匹配,否则影响吊装作业。擦窗机的制作和运输时间有一定的工期,考虑塔吊与擦窗机的配合,擦窗机在塔吊拆除前需完成所有构件吊至屋顶工作,满足组装条件。
e) 电动吊船和辅助卷扬吊钩:电动吊船选用全铝结构,荷载轻,螺栓均采用不锈钢螺栓 ;辅助卷扬机额定荷载(600kg)应充分考虑最大板块的面板材料更换应充分考虑最大板块的面板材料更换,除面板自身重量外,还应考虑辅助钢架的辅助设施的荷载。
f) 防风销座:由幕墙施工单位与擦窗机厂家配合设计、幕墙公司加工、生产,幕墙公司在安装玻璃前由擦窗机厂家指导幕墙公司安装。
T2 塔楼屋顶结构为钢结构体系,擦窗机轨道需布置在钢结构的轨道梁上;屋顶中央设有停机坪,考虑擦窗机停放时高度不得超于停机坪和不影响外立面的效果,擦窗机应具有升降功能,当擦窗机使用时升起,高于幕墙顶标高进行工作,当擦窗机停放时需降至6m 以下,并停靠在大面幕墙中间位置,非转角位置,停放空间8m×2m,不会影响到外立面效果。


最终选择两台屋面轨道式伸缩臂擦窗机(立柱可升降),全铝合金电动吊船的荷载不低于250kg;辅助卷扬吊钩荷载不低于500kg;防风销座布置从40m 起,每间隔不超过 20m布置一层,共布置17层,防风销座横向间隔2m左右,每层布置约85个,整栋楼约1445个防风销座。

超高层建筑的形态各异,安装的擦窗机型式也不尽相同。超高层建筑在建筑设计时就应考虑擦窗机的安装型式、结构设计的承载要求、楼顶的预留通道等问题。超高层建筑擦窗机的安装就好比一部外用电梯,已成为一个不可缺少的常设设备,逐渐成为大家的普遍共识。


5 结论
盛京金融广场作为沈阳的区域性地标超高层建筑,不仅建筑设计造型独特,结构形式也有较大的难度。结合沈阳盛京金融广场异型超高层幕墙工程的方案设计实践,超高层玻璃幕墙工程选择性能好、技术先进、造价合理的高性价比幕墙技术方案以及依据超高层建筑的不同特点,对幕墙系统选用、材料选用、清洗维护设备选用进行分析,把握整个工程的要点难点,通过深入的设计与技术分析并采取一系列的技术措施,技术难题基本得以圆满解。
工欲善其事,必先利其器。超高层建筑幕墙工程技术含量高、安全风险大,只有掌握整个工程的要点难点,通过精心策划、科学管理,严格把好安全质量关,运用先进的设计技术和分析手段以及专业的测量和检测方法,才能完成令用户满意的精品工程。
参考文献:
[1] GB/T 21086—2007.建筑幕墙[S].
[2] 刘桁.上海中心大厦外幕墙工程设计[J].建筑技艺,2015(12).




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