建筑工程大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工研究

建筑工程大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工研究

卢启发

浙江高专建筑设计研究院有限公司

摘要：随着建筑行业的快速发展，高层建筑及复杂结构的建筑越来越多，幕墙是建筑外部结构的重要组成部分，幕墙结构类型也越来越多样。其中大扭转双曲面玻璃幕墙结构，相比较与常规幕墙具有较大的施工难度。基于此，本文结合具体的工程项目，主要介绍单元构件组合式幕墙系统的设计与施工技术内容，希望能够有效解决双向曲面玻璃幕墙施工过程中存在的扭转、连接、防水等方面的问题，进而保证施工质量和施工进度。

关键词：扭转玻璃幕墙；单元构件组合系统；设计；施工

1 工程概况

以某建筑项目为例，该项目主要有6栋高楼组成，建筑高度在62.7-91.5m之间，建筑主体结构与外部幕墙结构均一致，都采用了双向扭转的造型，中间则是细腰结构。考虑到整体建筑的效果，在结构布置上需要在楼结构中间设置核心筒，变化较大的位置则需要在周边设置沿法向变化的弧形斜框架柱，从建筑腰部往外扩张，同时根据不用的楼栋弧形斜柱，也采用了不同的结构形式，其中1#、2#、5#均采用了钢管混凝土弓形柱，3~4#采用了型钢混凝土弓形柱，6#则采用钢架混凝土弓形柱。其他部分则采用了框架柱、建立起内部增设型钢和框架梁等。

2 幕墙施工方案

在以往的建筑幕墙施工过程中，幕墙的结构主要有单元式和构件式。其中单元式幕墙能够有效进行各单元板块的流水化加工，并在现场连接安装，能够大大提升幕墙安装施工的效率，也能够有效降低施工风险。但也有一定的局限性，主要体现在造型困难方面，难以满足设计效果的要求。而构件式幕墙其具有造型多样、散件拼装的优点，但也有工序多、安装工艺复杂等缺点，尤其是对于异性结构，由于每块板的尺寸大小不一，很大程度上会增加安装的难度，同时也难以把控安装质量，并存在较大安全风险。考虑到该项目工程的幕墙为大扭转双向曲面玻璃幕墙，为了保证幕墙安装满足设计效果要求，并且考虑施工质量、施工安全等方面的要求，决定将单元式和构件式幕墙结构相结合，充分发挥两者的优势，以此呈现出良好的造型效果。

目前主要通过空间框、冷弯法、平面框三种组合方式来实现外玻璃幕墙扭曲。其中由于空间框单元板块平面外的第四个点和另外三个点不共面，因此能够通过空间框来实现外立面的扭转效果。但也正因为单元板块平面外的第四个点与另外三个点不共面，一定程度上使得加工难度增加，在进行排水设计时需要加大单元横框来进行，但是这样就会使左右玻璃不能够处于一条等温线上，以致于保温效果并不佳。冷弯法是由工厂进行单元板块的组装，在组装成平板之后运至现场进行安装，通过应力的作用来实现板块的变形，进而达到外立面扭转的效果。但是由于是通过外力强制性冷弯使板块变形，这样就导致幕墙板块长期处于扭转应力的状态下，就很有引起幕墙自爆问题发生，且经适用与小范围空间扭转中，并不用大范围的空间扭转。平面框则是将板块之间相互错开排布，呈现出鱼鳞排布，与普通单元的做法一种，且受力合理，但是并不适用于该项目的外幕墙施工中。考虑到将单元式和构件式幕墙各种的优势，将两者结合成为一种新型的复合型幕墙体系，即单元构件组合式幕墙。

单元构件组合式幕墙的单元板块主要是通过工厂加工龙骨、面板及相关构件而形成，在加工形成单元板块后运至现场按照单元体的方式进行现场吊装，与单元式幕墙做法一致。这样的做法能够将幕墙的竖向龙骨自由错位，呈现出扭曲状，然后用密封胶在两个板块之间进行密封处理，处理完毕后用单元体上的装饰线条进行扭曲安装，也就是构件式幕墙的做法。通过打胶连接和扭转组合的方式进行单元板块之间的组合安装，以此实现幕墙收腰扭转的效果，不仅具备了单元式幕墙整体性的优势，同时也具备了构件式幕墙线条造型的优势。

3 横梁组合方式

虽然采用单元构件组合式幕墙安装工艺施工，其与普通的单元式玻璃幕墙做法类似，但是考虑到该项目为双向曲面扭曲收腰的造型，所以在具体的安装过程中，还需要充分考虑到翘曲值的控制问题。可通过单元体竖框的角度切割与组合的方面来进行建筑扭曲产生的翘曲值控制，如图1所示，同时保证每个单元板块之间平滑过渡，如图2所示，以此保证高质量的扭转效果。

图1幕墙样板图 图2翘曲值特征图

为了解决单元板块之间翘曲值自由错落及收腰扭曲变截面的困难，决定采用分体式横梁与单元板块相结合的方式进行，具体通过变化单元板块上横梁的定位角度来实现各层楼单元板块的闭合，这样便能够有效解决收腰扭曲变截面的问题见图3。横梁的构造形式见图4，其采用了铝合金定型开模的方式，将其与玻璃板垂直，并为了解决横向不积水的问题，将上横框外排水的坡度设计为2.4°。在施工过程中，先将单元板进行吊装，然后使用不锈钢螺钉使其与横梁连接，在两者连接处用黑色耐候密封胶进行处理，形成一个整体闭合的状态，以此解决缝隙问题和漏水问题。

图3上下单元板块连接节点图

图4 横梁构造图

4 幕墙防水施工

在整个幕墙施工过程中，防水施工的重要的环节，结合该项目采用单元构件组合式幕墙系统，在幕墙防水系统设计时，采用了独立单元体的结构形式，并在竖向设置了三道防水线，中间位置则使用挡水胶条进行密封处理，如下图5所示。

图5 排水设计节点图

通过这样密闭的排水体系，不仅能够达到排水的作用，而且能够起到上下单元板块之间的承插作用，从而有效保证整个幕墙体系的稳定性。

5 转接件的设计与加工

为了实现整体幕墙呈现出扭曲收腰的造型，通过单元板块之间相互错位的方式来消除翘曲值，并借助BIM建筑模型来进行转接件的优化设计。在优化设计过程中，通过预埋支座的方式将单元板块上挂耳与主体结构连接，以此形成一个整体的支撑体系，同时在连接处设置三维可调控体系，实现板块水平、垂直、进出方向的调节，可见下图6。然后在明确转接件相关参数和尺寸后，建立BIM三维模型对转接件进行编号标识，以此保证幕墙板块按照的精准度，避免结构连接偏差。

图6 三维可调控系统图

6 单元板块加工

利用BIM建筑模型对单元板块进行优化设计，避免出现反复修改等问题，以此降低工设计费用和设计材料费用。单元板块的加工可在工厂统一进行加固，然后再通过建立的三维模型提取各板块的加工参数，建立起材料数据库，对需要使用的材料尺寸等信息进行分析，接着定尺定量进行切割，以此减少材料损耗，也能够提高加工的效率。

7 幕墙安装

完成单元板块加工之后，就是单元构件组合式幕墙安装，由于该项目为特殊的麻花形状，如果采用常规的吊装施工需要进行多次重复的安装，不仅费时费力，且风险系数较高。为了确保施工进度，提高幕墙安装的效率，采用了在屋面花架梁的可伸缩调节双规挑架进行安装。首先，对屋面花架梁进行安装，使用工字钢悬挑屋面，再用2个环形抱箍将其固定在花架梁上，并设置前档板进行挑梁悬挑的锚固，在建筑外墙设置轨道，在悬挑长度范围内自由调节，可见图7。之后在对轨道节点构造方式进行改进。

在完成双轨挑架安装后，为了避免施工误差，需要利用三维扫描技术复核幕墙板块的安装空间，以此保证后续幕墙施工顺利进行。同时还需要对转接件的预埋槽钢安全精度进行复核，也是利用三维代码技术进行扫描，构建出预埋槽钢的点云模型，以此对转接间的槽钢位置进行分析，如果存在偏差则需要进行合理调整。

在完成这一系列的复核之后就是幕墙板块的安装，先要将工厂生产的幕墙单元板块运至安装区域的楼层下部，借着利用可伸缩调节的双轨道挑架进行安装。具体的安装过程需要由上下两层人员合力完成，先将单元板块下口与下层的单元板块的上横梁连接，然后利用螺钉进行细微的调整，待连接到位后将夹具拆除，对单元板块左右的接缝进行调整，可以固定螺栓紧固，避免板块滑动。另外，为了达到美观和照明效果，需要增加装饰线条，采用铝合金型材进行扭曲加工安装，并保证组装后处于同一条线上，以此实现整体的顺滑过渡，达到整体建筑的美观效果。

图7 双轨挑架示意图

结语

综上所述，本文结合具体工程的特点，将单元式幕墙与构件式幕墙相结合，即单元构件组合式幕墙系统进行施工，并在具体的施工中借助了BIM技术、三维扫描技术及可伸缩调节的双轨挑架，以此满足该项目工程幕墙施工的要求，并取得了良好的施工效果，施工效率也大大提升，希望能够为类似幕墙施工提供帮助。

参考文献：

[1]黄建国.大尺寸双曲面幕墙玻璃冷弯施工技术[J].建筑安全,2020,35(04):4-9.

[2]胡锋,管基海,刘清春,郑美玲.酒杯形双曲面玻璃幕墙施工技术[J].施工技术,2018,47(03):44-46.

[3]喻颖瑞.大型公共建筑异形幕墙工程施工技术要点分析[J].建材与装饰,2017(30):1-2.