多维度幕墙设计在工程中的应用和思考

多维度幕墙设计在工程中的应用和思考

王飞

北京东方泰洋幕墙股份有限公司 100076

幕墙技术的不断发展，需要幕墙专业人员不断丰富自己的专业能力和其他相关专业知识，通过宁波院士中心工程的幕墙设计，阐述绿建节能、钢结构、结构抗震、泛光照明、消防、数字化技术、装配式等专业在幕墙工程中的应用。

关键词：幕墙设计；系统选型；细部构造；建筑立面；施工安装

随着社会分工的不断细化，建筑设计行业也分出了幕墙专项设计，即俗话说的“专业的人干专业的事”。但是现代社会，综合能力也同样重要，作为建筑幕墙专业人员，有必要了解其他相关建筑专业的基本概念及各专业之间的相互联系。下面以某实际项目为例，简述进行多专业融合幕墙设计的必要性和重要性。

1. 工程概况

本项目原为某师院的老校舍，现存两座教学大楼建于20世纪60年代。本次设计充分利用既有建筑进行改扩建，其中包括改建西楼、东楼2个单体，新建访客中心、陶公讲堂、连廊和景观塔4个单体，将其打造成国际一流的院士中心。以既有建筑的拱形板为建筑立意，工程立面幕墙和屋面铝板盖顶设计延续了原教学大楼预制拱形混凝土的拱形元素并将其放大，形成具有独特韵味的建筑造型和室内空间。

2. 幕墙设计

下面简述如何从绿建节能、钢结构、结构抗震、泛光照明、消防、数字化技术、装配式等多专业角度进行幕墙设计。

2.1从绿建节能专业角度确定幕墙系统初步选型

项目地区属于夏热冬冷地区，根据《公共建筑节能设计标准》要求，西楼东南西北各面的窗墙比分别为0.12、0.48、0.37、0.48，均属于小于0.50，因此可以将幕墙的传热系数设定为2.4W/(m2·K)，太阳得热系数SHGC设定为0.35。按照上述参数，把幕墙初步设计为保温隔热型玻璃幕墙系统，根据《民用建筑热工设计规范》，幕墙型材需选用多腔密封隔热型材，幕墙玻璃需采用不小于6的中透光Low-E+12A+6mm透明中空玻璃，玻璃的中部传热系数达到1.8W/(m2·K)时，整窗传热系数可以达到2.4W/(m2·K)，满足建筑节能要求。因整窗太阳得热系数SHGC需要满足不大于0.35，推算出玻璃的遮阳系数要求为不大于0.50，按《公共建筑节能设计标准》，窗墙比小于0.4时，可见光透射比不小于0.6。中透光Low-E+12A+6mm透明中空玻璃的传热系数为1.8W/(m2·K)，遮阳系数为0.5，可见光透射比为0.62，各项参数均满足上述要求。

综合玻璃面积限值和强度要求，最终选用10+3.04PVB+10Low-E+12A+12mm夹层中空玻璃，型材的隔热条采用长度为24mm的聚酰胺隔热条，采用二维稳态热传导计算软件算出幕墙节点框的传热系数，再由框和玻璃的传热系数及面积加权平衡得出幕墙传热系数为2.247W/(m2·K)，满足建筑要求。由此幕墙玻璃配置和幕墙龙骨形式初步确定。

2.2从钢结构专业角度确定幕墙龙骨截面大小和连接构造形式

为延续原建筑的拱形元素，东楼和西楼加建的主体采用钢梁加劲肋的混凝土薄壳结构，结构层高约9m。按照《玻璃幕墙工程技术规范》6.3.5条，幕墙立柱宜采用上端悬挂式，所以通常把立柱设计成拉弯构件，悬挂于上部主体结构，这样幕墙自重将通过立柱传递至混凝土薄壳结构上。

此处的玻璃幕墙高度约10m、玻璃厚度32mm、幕墙周长160m，幕墙自重G=25.6×0.032×1.2×10×160=1572kN，屋盖的面积为1242m2，幕墙自重折合为屋面荷载GA=1572/1242=1.27kN/m2，相当于53mm厚钢筋混凝土屋面的自重，占了薄壳板自重的44%。如果这部分幕墙自重作用在混凝土薄壳结构上，将会增加混凝土薄壳结构的主梁、拉杆拱和钢柱的荷载，从而加大这三种构件的截面，增加用钢量。因此我们改变常规做法，将幕墙设计成坐支式体系，把幕墙的自重荷载传递到立柱下端的4层混凝土结构梁上，上端设为轴向自由伸缩端。

这种幕墙体系可以让加建的混凝土薄壳结构做得纤细，彰显当地园林建筑的轻盈、细腻之美。但是当幕墙采用了坐支式体系，幕墙立柱则成了压弯构件。为满足长细比要求，幕墙立柱弱轴方向的截面宽度需要做到180mm，然而作为幕墙构件，这么大的截面宽度既浪费材料也不美观，虽减小了主体结构柱截面，却加大了幕墙立柱截面，变得本末倒置。为了缩小立柱弱轴方向的截面宽度，改变常规幕墙横梁一端固定、另一端可伸缩的构造做法，将横梁两端和立柱的连接全部焊接，每隔3根横梁才设置1个自由端，并且在立柱截面后部翼缘增设支撑杆，前端横梁和后端支撑杆可作为幕墙立柱的侧向支撑，类似钢结构中檩条和隅撑的作用，减小立柱弱轴方向的计算长度，幕墙立柱满足长细比和整体稳定性要求。由此幕墙龙骨截面大小和构造进一步确定。

2.3从结构抗震角度确定幕墙构造的细部尺寸

本工程地区抗震设防烈度为7度，设计地震加速度0.10g，幕墙需要进行抗震设计。通常建筑结构抗震的方法为两种：

（1）传统的刚性抗震。类似武术外家拳中的以力打力，幕墙平面外的抗震就是通过增加玻璃和龙骨的刚度来抵抗地震力，地震作用采用简化等效静力方法计算，本工程的地震荷载为qek=αmax×βE×Gk=5×0.08×1.08=0.43kPa，将地震荷载和风荷载组合后计算幕墙面板和龙骨、连接件和预埋件，满足强度和挠度要求。

（2）柔性抗震，即隔震和耗能减震技术。类似武术内家拳中的太极化劲，幕墙平面内抗震可以近似理解为柔性抗震。幕墙面板玻璃上边缘和左右边缘跟龙骨之间都留有足够的空隙，下边缘和边槽采用硬质橡胶垫块衬托，玻璃在幕墙平面内可以自由移动，地震荷载通过基础传到主体结构梁柱，再通过转接件传递到幕墙立柱和横梁，但传递不到幕墙玻璃面板上，实现了“柔性抗震”。那么这个空隙具体需要多大呢？本项目的主体结构最大层间位移角为1/324，玻璃的最大高度为3850mm，玻璃的最大宽度为1700mm，由主体结构层间位移引起的分格框的变形限值u=3×3850/324=35.65mm，玻璃和左右框架之间的空隙为C1=15mm，和上下框架之间的空隙为C2=5mm，考虑施工误差1.5mm，玻璃和框架变形后实际总间隙为2×13.5×（1+（3850/1700）×（3.5/13.5））=42.85mm，大于u=35.65mm，空隙大小足够。当发生地震时，地震荷载只能传递到幕墙框架使幕墙框架变形，但是框架挤压不到玻璃面板，保证玻璃不破碎脱落。由此进一步确定幕墙节点的各项细部构造尺寸。

2.4从泛光照明专业角度优化幕墙装饰框构造做法

幕墙上的灯光和幕墙的关系，类似音乐中伴唱和主场的关系，灯光如同伴唱中的高音和低音部，能够增强幕墙的表现力，让幕墙在科技中舞动。本项目在进行幕墙设计时，照明设计还未介入，建筑设计初步设预计采用竖向线条的照明设计方案。为了实现建筑方案中的照明理念，便于照明灯具的安放，幕墙设计时将幕墙竖向装饰条的前端做成了开口的凹槽，在不需要灯光的位置采用铝合金扣盖封闭，有灯光的位置用亚克力板封闭透光，铝合金扣盖和亚克力板均可以轻松拆装，这样既可以在槽口中灵活安装照明灯具，也可以为灯具挡风遮雨。遗憾的是在幕墙设计完成后，泛光照明设计否定了原建筑照明方案，未采用此灯光设计，幕墙装饰框只得变更为全部使用铝合金扣盖封闭。这也提醒我们在幕墙施工图设计阶段需要建筑、照明和幕墙专业同步设计，避免因各专业的设计脱节而造成不必要的资源浪费。

2.5从消防专业角度优化幕墙立面效果

原建筑设计将消防救援窗放在点式幕墙上，但点式幕墙采用的夹层中空玻璃不能作为应急击碎玻璃使用。为了满足消防要求，需要将该位置的玻璃设计成中空玻璃，这样与相邻位置的夹层中空玻璃的厚度和颜色不一致，不仅影响建筑立面效果的统一，还增加了玻璃和玻璃夹具的种类，幕墙节点变得十分复杂。因消防救援窗的设置只要满足不宜大于20m的间距即可，建议建筑专业将消防救援窗全部设置在相邻位置的铝合金窗系统上，窗系统的玻璃均可采用中空玻璃，无需特殊设置即可满足应急击碎要求。幕墙立面优化后，既满足了消防救援窗应急击碎的要求，又不影响建筑外立面效果的统一。

2.6从数字化技术角度让异形曲面幕墙由概念到实施

拱形元素在建筑上的应用使得立面和屋面产生了曲面造型，且曲面的弯曲半径各不相同，在檐口位置形成了一个异形双曲面的铝板屋檐。为了实现这种异形曲面铝板，我们先将变化的建筑造型有理化，用真实的弧线模拟出拱，然后借助犀牛软件建模设计，提取出单块铝板板块的模型，把双曲的异形曲面摊平，摊平的铝板加工图导入机床，切割出异形的铝板，再将铝板在模具上压制成双曲造型，平面铝板和弯弧铝板焊接成形，一块异形铝板就加工完成了。

2.7从装配式建筑专业角度优化幕墙深化设计和制作安装

幕墙本身就是装配式建筑中非承重外围护的一种，尤其是单元式幕墙工业化程度相当高，混凝土板幕墙和装配式混凝土墙板外观相似度如孪生兄弟。虽然本工程为常规构件式幕墙，我们同样也可以参照装配式建筑，提高幕墙的标准化和工业化率。构件式幕墙的常规安装方式和过程如下：1）幕墙立柱编号安装；2）幕墙横梁安装；3）幕墙面板编号和附件安装。

为了提高幕墙的装配率，减少现场作业量，提高工程质量，降低人工成本，将立柱和横梁在工厂焊接成预制钢架，一个典型立面分成六组钢架，然后将钢架运输到现场进行整体吊装，钢架和钢架之间采用螺栓机械连接，避免现场切割、打孔和焊接作业。铝合金附框在工厂组框后，和玻璃在工厂车间用结构胶连接成整体，无现场切割和打胶作业，具体安装过程如下：1）钢架编号安装；2）钢架之间螺栓连接；3）幕墙面板编号和附件安装。

结语：

建筑幕墙设计过程中，不仅需要过硬的本专业技术能力，还需和其他专业密切配合，了解其他专业知识，兼容并蓄，将其他专业的技术方法和设计理念融合到幕墙设计中，更好地为整个建筑设计服务。

参考文献：

[1]吴慧娟，赵宏彦，王文艳，等.全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇[M].北京：中华计划出版社，2007.

[2]但泽义.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.