多維度幕墻設(shè)計在工程中的應(yīng)用

多維度幕墻設(shè)計在工程中的應(yīng)用

隨著社會分工的精細(xì)化，建筑設(shè)計行業(yè)也劃分了特殊的墻體設(shè)計，即“專業(yè)人的專業(yè)”。但是現(xiàn)代社會，綜合能力也同樣重要，作為建筑幕墻專業(yè)人員，有必要了解其他相關(guān)建筑專業(yè)的基本概念及各專業(yè)之間的相互聯(lián)系。下面以寧波院士中心這個項目為例，簡述進(jìn)行多專業(yè)融合幕墻設(shè)計的必要性和重要性。1既有建筑進(jìn)行改擴(kuò)建項目位于浙江省寧波市鄞州區(qū)東錢湖畔的陶公山南麓，原為寧波師院的老校舍，現(xiàn)存兩座教學(xué)大樓建于20世紀(jì)60年代。本次設(shè)計充分利用既有建筑進(jìn)行改擴(kuò)建，其中包括改建西樓、東樓2個單體，新建訪客中心、陶公講堂、連廊和景觀塔4個單體，將其打造成國際一流的院士中心。以既有建筑的拱形板為建筑立意，工程立面幕墻和屋面鋁板蓋頂設(shè)計延續(xù)了原教學(xué)大樓預(yù)制拱形混凝土的拱形元素并將其放大，形成具有獨特韻味的建筑造型和室內(nèi)空間。2設(shè)計墻體下面簡述如何從綠建節(jié)能、鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震、泛光照明、消防、數(shù)字化技術(shù)、裝配式等多專業(yè)角度進(jìn)行幕墻設(shè)計。2.1幕墻傳熱系數(shù)計算項目位于寧波，屬于夏熱冬冷地區(qū)，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求，西樓東南西北各立面的窗墻比分別為0.12、0.48、0.37、0.48，均屬于小于0.50，因此可以將幕墻的傳熱系數(shù)設(shè)定為2.4W/(m綜合玻璃面積限值和強(qiáng)度要求，最終選用10+3.04PVB+10Low-E+12A+12mm夾層中空玻璃，型材的隔熱條采用長度為24mm的聚酰胺隔熱條，采用二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計算軟件算出幕墻節(jié)點框的傳熱系數(shù)，再由框和玻璃的傳熱系數(shù)及面積加權(quán)平衡得出幕墻傳熱系數(shù)為2.247W/(m2.2從結(jié)構(gòu)體系形成的專業(yè)設(shè)計特點結(jié)果分析為延續(xù)原建筑的拱形元素，東樓和西樓加建的主體采用鋼梁加勁肋的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層高約9m。按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》6.3.5條，幕墻立柱宜采用上端懸掛式，所以通常把立柱設(shè)計成拉彎構(gòu)件，懸掛于上部主體結(jié)構(gòu)，這樣幕墻自重將通過立柱傳遞至混凝土薄殼結(jié)構(gòu)上。此處的玻璃幕墻高度約10m、玻璃厚度32mm、幕墻周長160m，幕墻自重G=25.6×0.032×1.2×10×160=1572kN，屋蓋的面積為1242m這種幕墻體系可以讓加建的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)做得纖細(xì)，彰顯寧波江南園林建筑的輕盈、細(xì)膩之美。但是當(dāng)幕墻采用了坐支式體系，幕墻立柱則成了壓彎構(gòu)件。為滿足長細(xì)比要求，幕墻立柱弱軸方向的截面寬度需要做到180mm，然而作為幕墻構(gòu)件，這么大的截面寬度既浪費材料也不美觀，雖減小了主體結(jié)構(gòu)柱截面，卻加大了幕墻立柱截面，變得本末倒置。為了縮小立柱弱軸方向的截面寬度，改變常規(guī)幕墻橫梁一端固定、另一端可伸縮的構(gòu)造做法，將橫梁兩端和立柱的連接全部焊接，每隔3根橫梁才設(shè)置1個自由端，并且在立柱截面后部翼緣增設(shè)支撐桿，前端橫梁和后端支撐桿可作為幕墻立柱的側(cè)向支撐，類似鋼結(jié)構(gòu)中檁條和隅撐的作用，減小立柱弱軸方向的計算長度，幕墻立柱滿足長細(xì)比和整體穩(wěn)定性要求。由此幕墻龍骨截面大小和構(gòu)造進(jìn)一步確定。2.3幕墻平面內(nèi)抗震技術(shù)本工程地處寧波，寧波的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震加速度0.10g，幕墻需要進(jìn)行抗震設(shè)計。通常建筑結(jié)構(gòu)抗震的方法為兩種：(1）傳統(tǒng)的剛性抗震。類似武術(shù)外家拳中的以力打力，幕墻平面外的抗震就是通過增加玻璃和龍骨的剛度來抵抗地震力，地震作用采用簡化等效靜力方法計算，本工程的地震荷載為qek=αmax×βE×Gk=5×0.08×1.08=0.43kPa，將地震荷載和風(fēng)荷載組合后計算幕墻面板和龍骨、連接件和預(yù)埋件，滿足強(qiáng)度和撓度要求。(2）柔性抗震，即隔震和耗能減震技術(shù)。類似武術(shù)內(nèi)家拳中的太極化勁，幕墻平面內(nèi)抗震可以近似理解為柔性抗震。幕墻面板玻璃上邊緣和左右邊緣跟龍骨之間都留有足夠的空隙，下邊緣和邊槽采用硬質(zhì)橡膠墊塊襯托，玻璃在幕墻平面內(nèi)可以自由移動，地震荷載通過基礎(chǔ)傳到主體結(jié)構(gòu)梁柱，再通過轉(zhuǎn)接件傳遞到幕墻立柱和橫梁，但傳遞不到幕墻玻璃面板上，實現(xiàn)了“柔性抗震”。那么這個空隙具體需要多大呢？本項目的主體結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/324，玻璃的最大高度為3850mm，玻璃的最大寬度為1700mm，由主體結(jié)構(gòu)層間位移引起的分格框的變形限值u=3×3850/324=35.65mm，玻璃和左右框架之間的空隙為C1=15mm，和上下框架之間的空隙為C2=5mm，考慮施工誤差1.5mm，玻璃和框架變形后實際總間隙為2×13.5×（1+(3850/1700）×（3.5/13.5))=42.85mm，大于u=35.65mm，空隙大小足夠。當(dāng)發(fā)生地震時，地震荷載只能傳遞到幕墻框架使幕墻框架變形，但是框架擠壓不到玻璃面板，保證玻璃不破碎脫落。由此進(jìn)一步確定幕墻節(jié)點的各項細(xì)部構(gòu)造尺寸。2.4從幕墻設(shè)計到照明步設(shè)預(yù)期幕墻上的燈光和幕墻的關(guān)系，類似音樂中伴唱和主場的關(guān)系，燈光如同伴唱中的高音和低音部，能夠增強(qiáng)幕墻的表現(xiàn)力，讓幕墻在科技中舞動。本項目在進(jìn)行幕墻設(shè)計時，照明設(shè)計還未介入，建筑設(shè)計初步設(shè)預(yù)計采用豎向線條的照明設(shè)計方案。為了實現(xiàn)建筑方案中的照明理念，便于照明燈具的安放，幕墻設(shè)計時將幕墻豎向裝飾條的前端做成了開口的凹槽，在不需要燈光的位置采用鋁合金扣蓋封閉，有燈光的位置用亞克力板封閉透光，鋁合金扣蓋和亞克力板均可以輕松拆裝，這樣既可以在槽口中靈活安裝照明燈具，也可以為燈具擋風(fēng)遮雨。遺憾的是在幕墻設(shè)計完成后，泛光照明設(shè)計否定了原建筑照明方案，未采用此燈光設(shè)計，幕墻裝飾框只得變更為全部使用鋁合金扣蓋封閉。這也提醒我們在幕墻施工圖設(shè)計階段需要建筑、照明和幕墻專業(yè)同步設(shè)計，避免因各專業(yè)的設(shè)計脫節(jié)而造成不必要的資源浪費。2.5夾層中空玻璃發(fā)積氣原建筑設(shè)計將消防救援窗放在點式幕墻上，但點式幕墻采用的夾層中空玻璃不能作為應(yīng)急擊碎玻璃使用。為了滿足消防要求，需要將該位置的玻璃設(shè)計成中空玻璃，這樣與相鄰位置的夾層中空玻璃的厚度和顏色不一致，不僅影響建筑立面效果的統(tǒng)一，還增加了玻璃和玻璃夾具的種類，幕墻節(jié)點變得十分復(fù)雜。因消防救援窗的設(shè)置只要滿足不宜大于20m的間距即可，建議建筑專業(yè)將消防救援窗全部設(shè)置在相鄰位置的鋁合金窗系統(tǒng)上，窗系統(tǒng)的玻璃均可采用中空玻璃，無需特殊設(shè)置即可滿足應(yīng)急擊碎要求。幕墻立面優(yōu)化后，既滿足了消防救援窗應(yīng)急擊碎的要求，又不影響建筑外立面效果的統(tǒng)一。2.6雙曲面鋁板屋頂拱形元素在建筑上的應(yīng)用使得立面和屋面產(chǎn)生了曲面造型，且曲面的彎曲半徑各不相同，在檐口位置形成了一個異形雙曲面的鋁板屋檐。為了實現(xiàn)這種異形曲面鋁板，我們先將變化的建筑造型有理化，用真實的弧線模擬出拱，然后借助犀牛軟件建模設(shè)計，提取出單塊鋁板板塊的模型，把雙曲的異形曲面攤平，攤平的鋁板加工圖導(dǎo)入機(jī)床，切割出異形的鋁板，再將鋁板在模具上壓制成雙曲造型，平面鋁板和彎弧鋁板焊接成形，一塊異形鋁板就加工完成了。2.7幕墻安裝過程幕墻本身就是裝配式建筑中非承重外圍護(hù)的一種，尤其是單元式幕墻工業(yè)化程度相當(dāng)高，混凝土板幕墻和裝配式混凝土墻板外觀相似度如孿生兄弟。雖然本工程為常規(guī)構(gòu)件式幕墻，我們同樣也可以參照裝配式建筑，提高幕墻的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化率。構(gòu)件式幕墻的常規(guī)安裝方式和過程如下：1）幕墻立柱編號安裝；2）幕墻橫梁安裝；3）幕墻面板編號和附件安裝。為了提高幕墻的裝配率，減少現(xiàn)場作業(yè)量，提高工程質(zhì)量，降低人工成本，將立柱和橫梁在工廠焊接成預(yù)制鋼架，一個典型立面分成六組鋼架，然后將鋼架運輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行整體吊裝，鋼架和鋼架之間采用螺栓機(jī)械連接，避免現(xiàn)場切割、打孔和焊接作業(yè)。鋁合金附框在工廠組框后，和玻璃在工廠車間用結(jié)構(gòu)膠連接成整體，無現(xiàn)場切割和打膠作業(yè)，具體安裝過程如下：1）鋼架編號安裝；2）鋼架之間螺栓連接；3）幕墻面板編號和附件