主动呼吸式双曲面幕墙工程设计与应用

付小兵

广州江河幕墙系统工程有限公司 广东 广州 510000

摘 要：以广州珠江城大厦的主动呼吸式双曲面幕墙为研究对象，研究主动呼吸式双层幕墙结构、节能、维护等功能的设计理论和要点；研究玻璃幕墙的双曲面单元体的加工制作方法及施工控制；研究全封闭幕墙的隐蔽式擦窗系统设计与控制；通过性能试验测试和实际工程验证，证明该幕墙系统的结构可靠性和节能合理性。研究表明：该项目的设计可靠、生产加工合理、安装便利、维护方便，是一种较为理想的主动呼吸式内循环节能幕墙系统。

关键词：双曲面；单元幕墙；内循环；主动呼吸；遮阳百叶；

1 工程概况

广州珠江城大厦位于珠江新城CBD的核心区域，建筑高度309m，地上71层，包含1栋33.36m的会议中心，总建筑面积21万平米，建筑幕墙面积约8万平米，大厦践行建筑本身“零能耗”的环保理念，被誉为“世界最节能环保的摩天大厦”。幕墙工程由南北立面主动式呼吸式单元双层玻璃幕墙及内置电动遮阳百叶、东西立面单元幕墙带外挑遮阳板（西面遮阳板上设光伏系统）、玻璃天窗雨棚系统、会议中心半单元幕墙系统、东西面侧缘单元体隐框幕墙系统、屋顶小单元幕墙系统、通风防雨百叶系统、设备层框架幕墙系统等。

南北面主动式单元双层幕墙的外层玻璃采用8mm+12A + 6mm中空低辐射钢化玻璃，内层采用12mm厚钢化玻璃。标准单元体（3m×3.9m）分格较大，形体复杂，单个板块重量约2吨，设计须考虑较大的风荷载与结构位移。西立面悬挑水平遮阳板上带光电系统的幕墙采用8mm+12A + 6mm中空低辐射钢化玻璃，遮阳板通过排列组合成别具一格的图腾，由于光电系统的布线大量穿透幕墙系统，其接口防水处理是方案设计的重点。双曲面表皮效果产生大量翘曲单元幕墙板块，须提前对立面进行放样处理与分析，对每个翘曲板块进行点面偏离的数据测量与统计，形成定量的板块翘曲度汇总表格，然后依据玻璃批量生产能力，制定翘曲玻璃的成型工艺方案。超宽双曲面板块的组装工艺涉及到大量复合角度拼接，加工件精度是组框质量控制的首要因素，是下步工序顺利进行的基本保证。双曲面表皮的现场分格定位是非线性的，难度较大，须依靠三维建模和全站仪的相互配合才能实现，其中放线精度控制是曲面幕墙保证安装质量的基准。因封闭建筑表皮的形体特殊性，擦窗机应隐蔽在建筑内部，工作时可移至到外墙设置的水平轨道上，展开清洗或更换作业，其进出口位置的幕墙板块可开启设计、水平轨道设计和幕墙性能保证是系统设计的重点与难点。

2 主动呼吸式单元双层幕墙设计

双层曲面幕墙系统位于南、北立面，共有2955樘单元板块，约占外墙总面积的55%，其热工与节能设计、幕墙结构设计、防排水设计、支座设计是关乎“零能耗”的环保理念是否顺利践行的控制指标。

2.1 热工性能

内循环系统的进气口为50mm高的穿孔板，穿孔率为80%，穿孔面积为40000mm²/m,热通道宽292mm，净高为2685mm。遮阳百叶采用60mm×0.45mm厚的银色百叶片，在每个单元顶部设置2个150×150mm的排风口，与排风机连接；内层采用平开门结合密封胶条设计，既保证幕墙的气密性，又方便后期维护；中间层采用电动遮阳百叶帘，即夏季开启、冬季关闭实现冬暖夏凉的遮阳功能。

图3 主动呼吸式双层幕墙节点示意图

根据文献^【4】规定高档办公楼人均占有的使用面积为8m²；文献^【5】规定写字楼每人最小新风量为30m³/h。为保证室内为适度正压，取最小新风量的80%，可知通道内空气平均流速为0.055m/s，进风口空气流速为0.36m/s，出风口空气流速为1.11m/s，均小于3.5m/s，故进风口不会产生空气流动噪声。经过热工计算，本项目的双层幕墙这样系数为0.076（百叶帘关闭）、0.314（百叶帘开启），夏季传热系数1.058W/m2·K，冬季传热系数1.186W/m2·K，对比普通幕墙，节能效率提升30%~50%。

2.2 通风管道设计

根据文献^{【4】【5】}及建筑图可知，每一标准单元板块所需排风量为153m³/h，为了使排风性能达到较佳状态，2个单元板块设置一个排风系统，通过一个变截面矩形风管（俗称静压箱）在侧面分别开4个边长150mm的方形孔以实现每个单元板块均匀排风的要求，再由该静压箱通过支管与系统中的主风道连接，使气体及时排到主风道中，见图4和图5所示。根据文献^【5】对室内送排风速的要求，拟定孔口的平均流速1.1m/s，计算出静压速度1.833m/s，和侧孔面积0.019m²。对流量进行分析计算，可知各个断面的尺寸，把断面连接起来，成为一条锥形风管，断面1处应具有的压降为2.5Pa（约0.24mm水柱高度），此为均匀排风管道的总压力损失，也是该静压箱均匀排风克服的最小压力。

图4 均匀排风平面图

图5 均匀排风剖面图

2.3 幕墙结构设计

根据文献^【6】和风洞测试报告，对幕墙龙骨进行不同工况、不利组合下结构计算和校核。由文献^【1】对内循环双层幕墙受风荷载的规定，横竖支承龙骨及外幕墙面板的风荷载取按外风压与内风压之和，内幕墙取内风压且考虑撞击荷载。鉴于单元板块的宽度分格较大，最大达到3.26m，支承玻璃自重的横梁挠度较大，难以满足规范要求，采用玻璃支承垫块往边部放置的构造措施来减小横梁的挠度变形。结构胶应依据文献^【3】进行相关设计与计算，应考虑温度荷载及层间位移作用下结构胶侧向变位承受能力。单元板块上下左右插接设计应考虑正常使用寿命周期内各种不利因素的组合，须考虑温度、楼层活荷载、柱间压缩、徐变、加工安装偏差等因素产生的变形和偏差，可参考文献^【2】中计算方法。

2.4 防、排水设计

单元幕墙利用“雨幕”和“等压”原理实现构造防水设计，采用横滑式水平插接方式，实现层层排水设计，上下单元体之间采用铝合金集水槽与挡水板连接，在单元体上框料两端设置排水孔，使每层单元独立排水，保证幕墙水密性能；单元幕墙横竖龙骨前端设置披水胶条，起“雨幕”作用，阻挡大量水进入内腔，后端采用交圈的密封胶条，披水胶条与密封胶条间空腔形成与室外相通的“等压”腔，满足等压排水及重力排水设计要求；针对倾斜的单元板块，顶横梁水槽料按倾角分类设计，确保任何倾斜板块内墙体中水及时排出；板块插接的十字缝室外侧采用胶皮搭接封堵，后端试打密封胶的方式解决通缝问题。

2.5 支座设计

现场安装是否便利是幕墙设计非常重要的一环，是结构安全、施工安全、质量控制等关键点。由于铝合金结构铝具有高强、可模、轻便、易加工、精度高等优势，标准层采用铝合金挂码、紧固件、地台码的挂装设计，支座涉及满足三向六自由度调节；避难层层高比较大，为提高型材通用性，在梁板底部增加支承点的方式解决结构受力问题。鉴于该工程的单元板块及风压较大，通用槽式埋件不能达到受力要求，板槽式焊接预埋件成为首选，经过现场拉拔测试，其承载力远大于设计荷载。

3 悬挑水平遮阳板上带光电系统的设计

3.1 支承设计

光电光伏系统设计是该建筑另一大特点，是践行建筑“零能耗”环保理念的控制项目和关键技术。该系统在西立面大面积使用，通过排列组合别具一格的图腾，系统性能的优劣会直接影响外墙整体的性能。光电板位于铝合金横向遮阳百叶的上部，需从西立面单元体幕墙上伸出铝合金码件，承受遮阳百叶上各种荷载。光电板需引出大量的连接线路，一旦有雨水渗入，将直接影响外墙的气密性和水密性，结合以往工程案例，采用导排水和多道构造密封的综合设计来保证系统的水密性。幕墙外立面设有大量金属装饰条，它是侧击雷的主要袭击对象，应采取有效的防雷电波侵入措施。该工程采用双回路（一种负荷采用两组防雷）与主体防雷装置可靠连接的方式来解决防雷问题。幕墙竖龙骨与主体结构引下线连接，光电板通过连接件与幕墙柱龙骨连接，形成一个整体防雷体系。

3.2 布线设计

光电板室外悬挑，线路需要穿过单元体幕墙引入室内，与控制室的集线器连接，形成光电系统。光电板线路在工厂内完成与单元体幕墙的配合安装，并预留线路接头到单元体外。采用向上延伸的设计（室内比室外高），防止雨水沿着线路导向室内，实现导排水功能，保证幕墙整体的水密性。在电线与型材的穿孔位置设置橡胶止水螺母，保证幕墙的整体气密性。

4 双曲面单元式加工制作与施工

4.1 翘曲玻璃成型分析

双曲面使得每个单元板块都有少许差别，为了降低工程造价，对部分翘曲不大的玻璃进行冷弯设计，拟合幕墙双曲面效果。利用平板玻璃本身的弹性和柔性，通过人工合理压弯成相应双曲形状，采用连续多块平板玻璃的压弯扭曲变形的方式拟合双曲面表皮的效果。外力作用下冷弯玻璃对本身及支承构件产生额外的应力与应变，因此位移荷载分析是冷弯技术设计的关键，对每种玻璃板块在不同翘曲值下进行有限元仿真分析，必须确保玻璃和型材因翘曲产生应力与外荷载作用下的应力不利组合不超出容许应力，玻璃表面波纹变形不应产生视觉眩晕。

通过对建筑立面进行分区和三维放样处理，分析翘曲类型和分布情况，统计出每种单元板块的点面偏离数据并汇总，对定量的板块翘曲数据进行列表分析，在翘曲区域有大量四点不共面单元板块，其最大翘曲值达到114mm。该系统共有板块2749块，其中需冷弯技术处理的达到了1987块，占板块的72%。经过放样和仿真分析，翘曲度大于100mm的玻璃，经计算无法满足冷弯要求，应采用双曲面热弯的成型方式。

4.2 加工组装

生产加工前，编制详细的加工策划书是非常必要的。对装精度受制于加工精度，若工艺孔和组装孔已加工完成，组装线上需将螺钉攻入钉孔，先将一侧立柱和横梁调教后再将另一侧立柱组装到位。在组装前应提前清理切口油污，再试打碰头密封胶胶，若不清理油污就试打密封胶，胶无法有效和型材切口粘结，极易造成拼接处渗水或漏水。基于此，以下几点需重点控制：a、原材料质量验收；b、机加工的切割精度；c、单元体的构造处理与组装精度。例如制定双曲面产品的质量要求、工序的质量标准、过程检查流程及其他保证措施，特别是工艺翻样是要将空间复合角精确0.01″，否则立柱与横梁间拼缝会出现大小头，不仅影响外观，而且降低幕墙的水密性和气密性，严重时导致漏水现象发生。

采用矩形单元板块，可降低生产、加工组装及施工难度。双曲面冷弯板块的拟合步骤：a、型材在工厂加工成型；b、冷弯型材组装图和放样尺寸组框；c、在型材框内结合玻璃板块定位A、B、C三点确定一个平面；d）将平板玻璃对应点分别约束在A、B、C点，根据所对应的翘曲度值进行合理压弯D点到D’点后定位，垂直间距DD`为点面偏离的距离；e、四点固定后即是拟合的双曲面单元板块。

图6 玻璃板块翘曲示意图

4.3 施工

双曲面单元式幕墙的施工关键在于放线定位是否准确，单元板块的拼装精度是否满足设计公差要求。采用三维软件对建筑表皮进行整体建模，与项目相关方共享模型，并及时协调与更新模型，使之成为工程实施的基准，图纸批复后在此基础上精确建模和定位。工程测量人员通过数据处理设备获取三维模型的坐标数据，连接全站仪进行放线定位，检查预埋件的位置偏差并实时反馈，提前解决问题。例如在码件安装前，将单元体水平剖面的分割点的坐标从模型中取出，用全站仪将其测设到单元体的分格，并用定位针将其固定，单元体倾斜30°时，定位针上下偏差20mm，而平面分格的定位误差不会超过±1mm，是完全可以满足安装精度要求。

5 隐蔽式擦窗系统的设计

幕墙系统除了需满足技术要求及各项物理性能外，还需结合擦窗系统综合考虑。建筑通常会把幕墙清洗系统放置在开放的屋顶上，不影响外观，便于日常维护。因珠江城大厦的建筑形体特殊性，采用封闭式屋面外墙体系，且造型呈双曲特点，中部有凹凸，要求擦窗机不工作时隐蔽在建筑内部，工作状态下可移至外墙结合的水平轨道上展开清洗作业。同时位于擦窗机储藏间的外墙板块，必须具有可拆卸和移动的功能，如何确保此板块与大面上的幕墙性能同级，是双层幕墙系统的难点。针对此特点在46层、66层各设置一套含可开启板块的擦窗清洗系统与水平轨道，轨道与幕墙的收口交接处采用前端胶条和后端密封胶的封堵方式，确保幕墙气密性和水密性。

图7 隐蔽式擦窗系统示意图(左边为轨道，右边为可拆卸板块与室内轨道)

6 结 语

1. 通过多次台风考验以及试验结果分析表面内循环主动呼吸式双层单元体幕墙的结构性能良好，热工性能和节能效果满足设计要求。

2. 通过现场淋水试验和工程验证，说明悬挑水平遮阳板上带光电系统的幕墙与布线之间采用多道密封结合防水构造是有效可行的，采用双回路防雷设计是可靠的。

3. 通过性能试验、数值分析以及工程考验，证明采用玻璃冷弯控制工艺拟合双曲面单元体是简单、实用、经济、安全的。

4. 经过多次清洗和玻璃更换的测试，隐蔽式擦窗系统运行安全可靠，收口防水处理是可行的，外观满足建筑整体效果。

[参考文献]

[1] QB/JH102-2008 双层幕墙工程技术规范[S].

[2] 陈敬申.对单元式幕墙插接缝影响因素的分析[J].建筑与装饰，2014，(46)：17-19.

[3] JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范[S].

[4] GB 50189-2015公共建筑节能设计标准[S].

[5] GB50736-2012民用建筑采暖通风与空调调节设计规范[S].

[6] GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].