大跨度建筑幕墙系统设计案例分析——以上海世博会主题馆为例

大跨度建筑幕墙系统设计案例分析——以上海世博会主题馆为例

巴增强

（上海远大铝业工程有限公司）

【摘要】大跨度建筑幕墙系统因受荷载、地震作用、安装难度等因素的影响，给设计和施工都带来了挑战。文章以上海世博会主题馆为例，着重阐述南立面大跨度自承重幕墙的设计，为良好的工程质量取得保障。

【关键词】建筑幕墙；大跨度；荷载、地震作用；设计

引言

作为建筑围护体系的新型外装饰，玻璃幕墙不仅具备通透、明亮、重量较轻等优点，且便于建筑采光，减少结构自重，因此玻璃幕墙在近几年的深入推广逐渐得到广泛的应用，而采用大跨度玻璃幕墙的目的在于实现建筑分格的扩大化，现多应用于底层或是高档的公寓、写字楼的外装饰中。本文以上海世博会主题馆为例，就大跨度建筑幕墙系统的设计展开分析。

1工程难点与重点

上海世博会主题馆为中国2010年上海世博会永久保留建筑之一，工程位于上海世博会规划围栏区，建筑高度27.7m。主题馆东西总长约290m，南北总宽约190m，为亚洲第一大跨度大空间展示建筑。本工程的一个难点为位于南北立面的大跨度自承重幕墙的设计。对于大跨度建筑幕墙系统，设计者首先要考虑到幕墙结构系统的稳定性及其精度的保证措施，同时满足幕墙基本的性能要求。文章将从本工程南北立面的大跨度幕墙系统的设计与性能进行阐述。

2南北立面大跨度的建筑幕墙系统设计及其性能分析

2.1大跨度框架式玻璃幕墙结构设计

大跨度框架式玻璃幕墙系统位于本工程南北立面东西侧展厅，此处幕墙分为两层，外层为开放式不锈钢板干挂幕墙，内层为框架式玻璃幕墙。外层面材采用1.5mm厚304压花不锈钢板。内层面材采用8mm（透明钢化）+12A+8mm(透明钢化)Low-E中空彩釉玻璃,幕墙横向龙骨跨度达6米，玻璃幕墙在4.5m以下为隐框形式，4.5m以上为明框形式。明框幕墙分格主要为3米宽，2米高，（室外效果图）如图1-a、（室内效果图）1-b所示。

幕墙支撑龙骨设计为铝合金型材，横向龙骨通过12mm厚钢板和不锈钢螺栓与主体H型钢龙骨（非幕墙范围）连接，在转接钢板上设置长条孔，以吸收因荷载和温度变化作用引起的横梁变形。横梁铝合金采用铝镁合金6063-T6，明框幕墙室外可视部分采用三涂层灰色氟碳喷涂，厚度不小于40μm。室内可视部分采用灰色粉末喷涂，厚度不小于60μm。不可见铝型材采用15μm阳极氧化。不可见钢结构件采用热浸镀锌，厚度大于65μm。横竖向构造节点如图2-a、2-b所示。

幕墙玻璃通过铝合金压板及紧固件与钢龙骨上的预栽不锈钢螺柱及套筒连接。为充分保证玻璃幕墙的精度，设计采用非焊接的喜利得X-BT尖头螺纹钢螺钉，本工程要求钢幕墙最终安装公差控制在±3mm以内。针对这一要求，我们将主要通过以下几个方面对幕墙最终安装公差进行控制：

1）与幕墙主支撑H型钢龙骨（非幕墙范围）加工及施工单位紧密配合，在设计过程中充分考虑H型钢龙骨的安装偏差。在竖向铝合金龙骨与H型钢龙骨之间设置柔性垫片，满足极端情况下H型钢龙骨±5mm（规范要求）的变形，保证铝合金龙骨的竖向垂直度。

2）采用X-BT植钉技术，避免钢龙骨由于焊接而产生的热变形，减少对安装精度的影响。

3）充分考虑主支撑结构的变形及幕墙结构热变形，设置伸缩缝隙，满足变形要求。

4）提高幕墙支撑次龙骨及主要幕墙材料的加工精度，并严控执行安装过程中的质量控制计划。

工程采用的双钢化中空Low-E玻璃，具有较好的遮阳性能和保温性能，半透明彩釉改善室内向室外的视觉效果，在背后有楼板的窗槛墙区域为阴影盒做法，采用与可视区相同的玻璃。窗间墙背板采用1.5mm外侧粉末喷涂镀锌钢板作为衬板，涂层厚度大于60μm，后置100mm保温防火岩棉，内衬1.5mm镀锌钢板，在需要防火隔断的区域设双高密度12厚纤维水泥加压板(容重1.6g/cm3)，100mm防火岩棉和1.5mm镀锌钢板，满足建筑防火要求。玻璃幕墙采用由EPDM胶条组成的排水系统，保证幕墙整体排水通道连续，从而将立面上可能存在的渗水集中向下排放到地面。明框部分全部采用不锈钢钉点状连接，形成良好隔热设计，隔热通道连续贯通，不被冷桥打断，保证系统良好的热学性能，同时提高隔声性能。

2.2荷载确定

在作用于幕墙上的各种荷载中，主要有风荷载、地震荷载、幕墙结构自重和温度变化等共同引起的作用效应。我们主要取跨度为6m的横梁进行强度和刚度的验算。

a,重力作用下的自重：

标准值:Gak0=tg1•ρg1=KN／m-2；

设计值：Gk＝Gak=KN／m-2

b,风荷载和地震作用组合：

标准值:qk=ψw(Wk)+ψe(qek)=KN／m-2;

设计值:q=ψw(Ww)+ψe(qe)=KN／m-2

2.3大跨度横梁的强度和刚度验算

所选用横梁型材的截面特性如下：

It¬_x——对x轴方向的惯性矩=3158674mm4

It¬_y——对y轴方向的惯性矩=21575235mm4

Wt¬_x——对x轴方向的抵抗矩=78967mm3

Wt¬_y——对y轴方向的抵抗矩=194226mm3

A0——截面面积=3365mm2

幕墙分格距离参数设置如下：

横梁上部荷载高度：It¬_1=1000mm

横梁下部荷载高度：It¬_2=1000mm

横梁跨度：Bt¬_1=6000mm

玻璃面板高度：Hg1¬_1=2000mm

垫块距离：ag1¬_1=200mm

a)横梁强度校核：

横梁强度设计值：σt=107.1N/mm-2

b)横梁刚度校核：

横梁竖直挠度允许值经计算：dt¬_y=9.97mmmm

横梁水平挠度设计值：

=16.024mm

=16.024mm

32.047mm=33.333mm

所以横梁强度和刚度均满足要求。

3结语

根据本工程设计难点和特点，施工单位需严格遵守招标文件及相关规范的要求完成视觉模型和测试模型，确保本工程整个幕墙结构的一致性，满足本工程物理性能（抗风压、气密、水密、平面内变形、热工、空气声隔声、耐冲击和光学等性能）要求及美观要求。

参考文献：

[1]谢萍.关于大型项目大跨度幕墙结构设计研究[J].施工技术,2015,36(6):53-57.

[2]宋海罡.超大跨度幕墙结构设计[J].建筑技术,2013,(4):337-341.