单元式幕墙深化设计案例分析

舒华

摘要：为满足业主在品质和工期上的要求，越来越多的办公楼采用单元式幕墙。单元式板块在工厂内生产、加工、组装完成，可充分确保板块加工的质量和进度，极大的提高工地的安装效率和安装精度，同时其特点可较好的适应建筑及结构变形要求。文章介绍某工程单元式幕墙深化设计过程，包括结构、立柱、水槽料、支座、抗弯抗扭、防水设计与建筑位移和热工位移的容纳等内容，以期和各位幕墙设计同行进行交流。

关键词：单元式幕墙；立柱；结构；水槽料；支座

1工程概述

某拟建项目是地标性建筑，三栋办公楼塔楼标准层高4.3m，单元宽度模数为1.5m。

其外立面的半隐框单元式幕墙在现代建筑中具有代表性意义。采用横滑型单元式幕墙设计，竖明横隐半隐框形式，由标准层单元（玻璃单元板块）和避难层单元（铝合金百叶单元板块）组成，半隐框单元式幕墙标准节点效果图见图1。主要分布于办公楼塔楼东、南、西、北立面大面位置。下文旨在通过对该项目幕墙的分析，形成一个比较系统的单元式幕墙概念和有一定借鉴意义的深化设计管理经验。

图1半隐框单元式幕墙标准节点效果图

2幕墙系统深化设计

2.1结构设计

2.1.1竖向铝合金装饰条设计

深化点一：

原设计：

（1）竖向铝合金装饰条由五种铝型材组成，其中有三种型材截面最大尺寸超过350mm,最大达386mm,而大多数铝型材生产厂家，最大型材截面生产尺寸通常都小于350mm，型材生产困难,成本会大幅增加。

竖向铝合金装饰条组件（原设计）

竖向铝合金装饰条组件效果图（原设计）

深化设计：

（2）竖向铝合金装饰条由五种铝型材减为四种型材组合，铝型材外型尺寸均小于220mm，满足铝型材生产要求,节约了铝型材开模费用。由于铝型材外型尺寸减小，型材壁厚也可相应减小（原铝型材壁厚2.5mm,现为2.0mm），经测算比原设计节省铝材30℅左右。

竖向铝合金装饰条组件（深化设计）

竖向铝合金装饰条组件效果图（深化设计）

深化点二：

原设计:

（1）铝型材组件片状设计，尺寸大，易变形，支撑体系复杂,在负风压的情况下，有脱落的危险，不安全。其组合而成的竖向铝合金装饰条强度和刚度均不理想。

竖向铝合金装饰条（原设计）

竖向铝合金装饰条组件效果图（原设计）

深化设计:

（2）竖向铝合金装饰条改为闭腔截面铝合金组件，其强度和刚度明显提高。

铝合金装饰条组件（深化设计）

竖向铝合金装饰条组件效果图（深化设计）

深化点三：

原设计:

（3）装饰条连接板较难定位，导致铝合金扣线和胶条均扣压不紧而脱落。

竖向铝合金装饰条连接板安装图（原设计）

深化设计:

（4）装饰条连接板设置定位扣和卡位，使其定位准确，传力简单合理，保证外铝合金扣线的适度扣压而不脱落。

竖向铝合金装饰条连接板安装图（深化设计）

深化点四：

原设计：

（1）连接螺栓无防松设计，其更换须双边操作，空间狭小，拆装困难。

连接螺栓安装图（原设计）

深化设计：

（2）采用双螺纹防松脱设计、可单边拆装，解决了操作空间小、竖向装饰条难拆装的问题。

连接螺栓安装图（深化设计）

2.1.2铝合金公母立柱设计

深化点一：

原设计：

（1）公母立柱对插组合后，但采用密封条单边密封，在正负风压作用下，易失效。

公母立柱对插组合图（原设计）

公母立柱对插组合效果图（原设计）

深化设计：

（2）在公母立柱的对插处采用双边密封，保证幕墙在正负风压作用下，保持良好的密封性。且合理选用不同硬度不同压缩量的胶条，在公母槽外侧选用较低硬度较大压缩量的胶条以确保槽口始终密封，从而保证幕墙的水密、气密性能；而在公母槽内侧则选用较高硬度，较小压缩量的胶条以确保公母槽结构的传力，使公母槽的配合紧密组合受力，同时可消除铝合金立柱直接接触产生的噪音。

公母立柱对插组合图（深化设计）

公母立柱对插组合效果图（深化设计）

深化点三：

原设计：

（3） 竖向铝合金装饰条在单元板块外侧，板块重心偏移，易失稳侧翻。所占空间大，运输安装困难。

单元板块组装图（原设计）

深化设计：

（4）将竖向装饰条安装位置对调，可减少板块偏心和所占空间，有效解决了运输和安装困难，提高施工效率。

单元板块组装图（深化设计）

2.1.3 铝合金水槽料设计

原设计：

（1）水槽料采用有坡度向外直排水方式，受正风压作用下，大量雨水易通过泄水孔进入单元板块后腔，形成渗漏。

深化设计：

（2）通过设计排水小腔，外部雨水难以直接进入内腔，并可达到内外气压平衡，形成双等压腔。而少量进入内腔雨水则采用落差排水流出室外，很好的保证了系统的水密性能和气密性能。

水槽料纵剖节点图（原设计）

水槽料纵剖效果图（原设计）

水槽料纵剖节点图（深化设计）

水槽料纵剖效果图（深化设计）

2.1.4 支座设计

原设计：

（1）单元板块和支座间采用螺栓连接，板块定位安装均困难。当结构误差导致支座与板块间有角度偏差时无法解决。

（2） 根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003规定：“立柱与主体结构之间每个受力连接部位的连接螺栓不应少于2个”。而原设计单元板块每个挂件与支座连接仅靠单个螺栓，当该螺栓失效时，无任何保护措施，存在安全隐患。

支座横剖节点图（原设计）

支座纵剖节点图（原设计）

支座效果图（原设计）

深化设计：

支座横剖节点图（深化设计）

（3）单元板块直接挂接在支座上，一次挂接到位，定位准确迅速，安装调节方便，工人劳动强度小，安装工效高。

（4）由于单元板块直接挂接在支座上，幕墙安全使用性能可得到保证。

支座纵剖节点图（深化设计）

支座三维节点图（深化设计）

支座效果图（深化设计）

2.1.5单元式幕墙（带竖向装饰线条）抗弯抗扭设计

本工程单元式幕墙外侧竖向铝合金装饰线条外挑尺寸较大，在风荷载作用下其传递给立柱、挂件及支座较大的弯矩和扭矩。为保障幕墙系统的安全可靠，采取了以下几点措施：

竖向铝合金装饰条横剖节点图（深化设计）

（1）为充分利用好各幕墙杆件力学性能，通过型材结构设计，使立柱和连接板、连接板和装饰线条均相互通长插接，三者有效组合，使其能整体受力，抗弯和抗扭能力明显提高。

（2）竖向装饰线条组件均采用闭腔设计，增强其抗弯和抗扭能力。

（3）对该幕墙系统进行整体建模计算，从理论上验算其结构的安全可靠。

并对以上设计进行抗弯抗扭性能专项测试，检验其理论结果是否正确及可行性。

2.2防水设计

原设计：

原设计单元式幕墙系统采用雨幕原理，利用立柱内腔与横梁内腔形成连续“等压腔”，同时在外侧设置了通长的批水胶条，阻止了室外的大部分雨水进入，但在恶性劣天气条件下，仍会有部分雨水进入后腔而形成渗漏。

单元式幕墙排水示意图（原设计）

深化设计：

通过设置批水胶条、防水胶皮、弹力海绵等“堵”“排”结合的措施，使单元板块的前、后腔形成多道连续不间断的防水屏障。而同时对于进入前、后腔的雨水，有组织的分层排到室外，整个排水路径清晰直接。

等压腔内排水纵剖节点图

等压腔内排水横剖节点图

单元式幕墙排水示意图（深化设计）

“十字缝”封堵设计：（1）在两个单元板块水槽连接处施打密封胶，并在铝合金水槽料存水较多的前腔加设防水胶皮，用于正面封堵及分层排水。（2）铝合金水槽料和立柱相接处采用双道弹力海绵，用于封堵铝合金公母料和水槽料产生的空隙。

双等压腔排水设计：（1）通过批水胶条进入前腔的雨水因自重而下落由下一单元板块水槽料前端的缺口排到铝合金公母料披水胶条的外侧。（2）进入后腔的少量雨水，通过排水小腔流入下一单元板块铝合金公母料的前腔。同时室外的气流通过相同的路径到达单元板块的内腔，达到内外压差平衡，形成双等压腔。

2.3单元式幕墙系统对建筑位移和热工位移的容纳

在地震和风荷载作用下，建筑物各层之间产生相对位移时，幕墙构件就会产生水平方向的强制位移。在温度变化时幕墙构件也会产生热胀冷缩现象。要使幕墙在主体位移和温度变化的情况下不发生损坏的现象，就必须使幕墙的位移大于主体结构的变形和温度变化引起的位移。

根据《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001 要求，幕墙横框和竖框伸缩量△L由以下公式计算

△L=aL3L3△T

其中aL为材料的线膨胀系数，L为型材的长度，△T为温差。本工程L型材的长度为单元竖框的长度，取最不利值8.975米，温差取最不利值80℃。

代入公式：△L=2.35310-538.975m340=8.4365mm

在本工程中幕墙与主体采用浮动连接，各板块之间设计有容纳变形的伸缩缝。单元板块伸缩缝插接达到+/-20mm，充分保证幕墙在主体位移和温度变化引起变形时不会发生损坏。

单元式幕墙竖剖节点图

3结论

在本项目幕墙深化设计和施工过程中，我们组织了多场专家论证会，对幕墙型式进行对比选择，对设计计算进行分析，对结构安全进行验算，对施工方案进行优化，使得幕墙各项性能指标均能满足规范及使用要求，项目建设实现了安全、 美观、 经济的管理目标。