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超高層藝型單元式玻璃幕墻設計要點

  建筑幕墻是由面板與支承結構體系(支承裝置與支承結構)組成的、可相對主體結構有一定位移能力或自身有一定變形能力、不承擔主體結構所受作用的建筑外圍護墻。建筑幕墻除了有技術發展較成熟的玻璃幕墻、金屬板幕墻和石材幕墻外,還有人造板材幕墻(如陶板幕墻、千思板幕墻)、點支承玻璃幕墻、雙層幕墻及光電幕墻等。
  建筑幕墻是現代建筑派的主要表現特征,在新世紀的現代化城市建筑中具有不可替代的藝術地位。近幾年,隨著新技術、新材料的不斷應用,建筑幕墻行業發展得比較快,建筑幕墻在城市的現代化建設中發揮著舉足輕重的作用。
  在建筑幕墻的實際應用中,超高層建筑要承受更大的風力、地震力和溫度變化的影響,主體結構會產生更大的豎向變形,這些因素會使幕墻相應要承受更大的內力和位移。超高層建筑施工層、現場安裝,要求簡約化、快速化、文明化。因此設計標準化、構件預制化、安裝機械化是一個前提條件。單元式幕墻系統標準化程度可達 80%~90%;現場人工操作工作量很低,90%以上的工作量可以在工廠內完成;預制品加工質量高、精度高;工廠內和施工現場工人勞動生產率高;施工受氣候條件影響小件影響小;施工安裝不用腳手架,工地文明清潔簡約;建造用工少、工期短等特點。因此超高層建筑的幕墻都會首先選用單元式幕墻。
  超高層建筑的幕墻設計與普通幕墻有一定的差異,幕墻方案的設計往往不容易引起重視。筆者根據多年幕墻設計經驗,總結了對超高層建筑幕墻在設計階段應考慮的幾個要點問題,包括建筑幾何形態造型對幕墻系統的影響,避難層的幕墻系統設計,清洗維護系統(擦窗機)的系統選擇等方面,均提出了細致而周到的解決方案,希望能對建筑幕墻設計行業起到些許積極的作用。
  2 根據建筑幾何形態造型設計幕墻系統
  2.1 工程概述
  沈陽盛京金融中心項目區域在沈陽市和平區南京北街西側,距沈陽機場27.5km,距沈陽北站2.8km,緊鄰沈陽市和平區城市核心區,總規劃用地面積約71598.11m^2。東西走向的丹東路將項目用地劃分為A、B兩個地塊兩個地塊,A地塊共包含T1、T2、T3三棟塔樓,其中T2塔樓建筑高度高,如圖1所示。本文針對T2 塔樓的建筑幕墻分析超高層幕墻的設計要點,該塔樓建筑總高度 319.04m,裙樓建筑總高度約41.7m,幕墻面積約6.5 萬平方米。地下3 層,塔樓地上 67 層,裙樓地上6 層。結構選型為框架-核心筒體系,出屋面結構為鋼結構。
  2.2 建筑幾何形態分析
  如圖2所示,塔樓平面形態由四個圓弧大面和四個轉角內凹槽傾斜面組成。四個轉角內凹面漸變向上內傾延伸,整體形成向上突破的圍合、挺拔之勢。樣板如圖3所示。
  塔樓大面位置采用橫明豎隱的單元式玻璃幕墻,平面內為圓弧造型,體現建筑物的體量感;橫向裝飾條內布置燈具。
  塔樓角部凹槽側面采用單元式鋁板幕墻,強化體量輪廓,進一步體現塔樓伸展上升的形態。鋁板造型與造型內玻璃幕墻形成的凹槽造型墻,凹槽整體造型先逐漸收分縮小,到達一定高度后逐漸收分縮增大,形成喇叭口形狀。
  凹槽內玻璃幕墻為豎明橫隱的單元式玻璃幕墻,配合凹槽造型收分,先是豎向外傾弧面幕墻,到達一定高度后逐漸調整為內傾弧面幕墻。
  塔樓采用的是單元式玻璃幕墻系統和單元式鋁板幕墻系統,建筑表皮的多種形態的造型給幕墻設計帶來了較大的難度,而水平圓弧面和垂直圓弧面與鋁板凹槽的特殊性,對幕墻系統的設計提出了更高的要求。
  幕墻設計必須正確理解建筑幾何形態的成型理念,并以此作為建筑幕墻的設計基礎,才能正確深化出超高層建筑的幕墻體系。
  2.3 塔樓大面圓弧幕墻的系統設計要點
  大面圓弧幕墻的幕墻板塊寬度 1.4m,幕墻板塊間的折線水平夾角 179.5°;因為角度較小因為角度較小,實際放樣橫梁端部切斜角距離僅為 1.02mm,如圖 4 所示。過小的距離使其很難實現車間內的加工,橫梁端部仍按照90°切角,平面角度安裝時,通過接縫調整適應角度變化縫調整適應角度變化;確定采用板塊折線擬合的方式完成圓弧造型,但是本方案一定要合理設置,注意前端豎向膠條的截面設計,保證防水性能。
  其他建筑幕墻項目其他建筑幕墻項目,如果幕墻板塊水平夾角較大時,一般橫梁端部切角≥5mm,橫梁端部必須按照實際角度加工橫梁端部必須按照實際角度加工,角度通過橫梁切角度解決,單元板塊角度為實際;由于幕墻水平分格與幕墻板塊水平夾角影響較大,所以設計初期應與建筑師充分溝通,做到有的放矢。
  單元幕墻通過幕墻板塊上的掛件和預先設置在結構上的單元體掛座掛接,實現單元體幕墻的的安裝。掛件和掛座安裝過程中具備三維可調能力;單元體掛座初步選擇頂面掛接(槽式埋件+鋁合金掛座)和側面掛接(鋼制轉接件連接+鋼質掛軸)兩種方案,如圖5所示。對于兩種掛接方案進行分析后,再確定合理的掛接方式。
  本工程用于幕墻連接的鋼結構環型邊梁考慮到工程造價等因素,未考慮彎弧處理,均為直線段,這樣就造成了選擇側面連接方案時,轉接件長度規格較多、現場焊接量大等不足。
  本工程的樓板采用成品鋼樓承板的樓板型式,標準混凝土板厚為120mm,很難滿足槽式埋件的埋設需要;經過與建筑結構院的多次溝通,選擇樓板外輪廓向內500mm 范圍內局部加厚到200mm的做法,滿足槽式埋件的埋設需要,需提前了解槽式埋件對于混凝土厚度的要求等。
  大面位置單元體玻璃幕墻選擇頂面掛接(槽式埋件+鋁合金掛座)的方案。
  2.4 凹槽內單元式玻璃幕墻的系統設計要點
  凹槽內單元式玻璃幕墻的幕墻板塊寬度1.4m,層高為4.2m和5.4m;通過對于幕墻犀牛模型的分析,立面幕墻在14層標高69m的位置為分界線,分界線以下幕墻板塊向外傾斜,分析數據詳見圖 6;分界線以上幕墻板塊為向內傾斜,分析數據詳見圖7。
  由于單元體板塊之間的豎向夾角接近 180°,采用單元體板塊折線擬合的方式實現;尤其應當注意的是分界線以上的幕墻單元體板塊(內傾斜),需要關注單元體幕墻的上橫梁截面設計,排水角度由常規的 3%加大到 4%(如圖 8),保證單元體幕墻的排水性能。
  2.5 凹槽側面轉角單元式鋁板幕墻的系統設計要點
  凹槽側面轉角單元式鋁板幕墻的幕墻板塊寬度為 1.7m,出挑龍骨面1.5m,層高為4.2m和5.4m;通過對于幕墻模型的分析,轉角單元式鋁板幕墻為規則扭轉單元;每層扭轉角度小于0.05°,整體幕墻向內側傾斜2.11°,如圖9所示。
  由于單元體鋁板幕墻的板塊扭轉造型,通過軟件逐層對板塊間翹曲值進行分析。通過得到的數據,按照層數對單元板塊進行歸集,確定合理的區段劃分;選擇每 5 層的單元體鋁板幕墻板塊進行歸類時,翹曲值不大于2mm,滿足設計要求;整個建筑立面分為10種鋁板單元體幕墻板塊。
  鋁板單元板塊造型復雜,出挑距離較多,設計原則考慮功能性與裝飾性分離,更好的實現建筑功能和外立面效果。鋁板單元體龍骨選擇鋼鋁結合方式(如圖10);受力桿件為鋼材,滿足強度剛度要求;鋁型材主要解決單元板塊插接和排水連續的功能性要求;裝飾造型鋁板內側設置鋁單板防水板,與鋼龍骨挑出的干涉位置采用鋁板開洞上下搭接、打膠密封的方式,保證防水性能。
  鋁板單元板塊出挑結構較多,埋件位置受力較大,采用常規的槽式幕墻埋件無法滿足要求;經過與建筑結構院的溝通,選擇采用板槽式埋件,此種埋件采用鋼槽與鋼板加工制作而成,功能上滿足槽式埋件的功能;連接方式為埋件肋板與主體結構鋼梁直接焊接,埋件受力能力大大增加,可以滿足受力要求(如圖11、圖12)。
  3 超高層建筑幕墻避難層的幕墻系統設計
  避難層是高層建筑中專供火災時人員臨時避難用的樓層。避難間則是供消防人員在一定高度(大于等于100m的樓層)上設置的臨時避難用的的房間。自建筑的首層至第一個避難層的高度不應大于45m,兩個避難層之間的高差不宜大于45米。通向避難層的防煙樓梯應在避難層分隔、同層錯位或上下層斷開,使人員均必須經避難層方能上下;避難層的凈面積應能滿足設計避難人員避難的要求,并宜按5.0人/m^2計算。由于避難層可兼作設備層,但設備管道宜集中布置;本工程 10、20、29、39、49、59 層為避難層,避難層層高 7m,標準樓層層高為4.2m和5.4m。避難層由于層高高、跨度大,標準單元體幕墻龍骨無法滿足需要,針對此種實際情況,我們考慮加大單元體幕墻龍骨或者增加鋼立柱的方式解決。
  由于單元體幕墻與土建結構邊的進出位關系是確定的,所以單元體龍骨的龍骨截面加大也是有一定局限性的;本工程由于層高較高,幕墻龍骨截面加大后與土建結構的進出位較小,調節量小,所以未選擇截面加大的方案。
  增加鋼立柱的方式時主受力龍骨為鋼型材,鋁合金龍骨可以采用增加掛點的方式增加受荷載能力,也便于幕墻工程型材截面的統一,減少開模費用;選擇在龍骨后側增加鋼立柱的方案(如圖13)。
  由于避難層兼做設備層,設備層的機房需要建筑幕墻具有通風和防風雨的功能,由于超高層幕墻的風壓較大,對于防風雨百葉的選擇尤為重要。本工程凹槽內幕墻采用在設備層選用防風雨百葉,大面幕墻由于效果需要,選擇玻璃百葉效果,后面設置防風雨百葉,滿足性能需要。
  安裝在超高層建筑設備層機房的防風雨百葉,其通風量需要達到額定的速度,葉片不能有振動或產生噪音,不能超過靜壓消耗允許的zui大值。采用防雨百葉系統,通風設備百葉系統的防雨有效性為95%~98%,外界空氣流速在13m/s時;有效的通風面積為百葉總面積的60%,以及降雨量在75mm/h 的情況下能達到B極。防風雨百葉要求具備BS或ASTM的測試認證;百葉的表面處理采用氟碳噴涂,噴涂的顏色應與幕墻外裝飾型材一致。
  玻璃百葉位于 TP8mm(鍍膜)+1.52SGP+TP8mm 超白鋼化夾膠中空玻璃,百葉規格 1400mm(W)×200mm(H),間距200mm;玻璃百葉后側采用成品氟碳噴涂防風雨百葉玻璃百葉;SGP膠片是夾層玻璃離子聚合物中間膜。離子聚合物中間膜性能優異,撕裂強度是一般PVB膜的5倍,硬度是PVB膜的30倍~100倍。SGP 夾層玻璃和同樣厚度的單片玻璃多少會有相等的彎曲強度。同PVB夾層玻璃相比,SGP夾層玻璃有更高的強度性能和剛性。
  4 超高層建筑清洗維護系統的選用
  擦窗機是高層建筑物外墻立面和采光屋面清洗、維護作業的常設專用設備。需根據建筑物的高度、立面及樓頂結構、承載、設備行走的有效空間,設計不同型式的擦窗機。既要考慮到安全、經濟、實用,又要考慮到安裝的擦窗機能與建筑物協調一致,不影響建筑物的美觀,所以擦窗機的選型與建筑設計及施工等密切相關。
  擦窗機是室外高空載人設備,因此對擦窗機的安全性和可靠性要求非常高。
  針對每一棟大樓的獨特建筑形式和功能,在選用擦窗機時,應從安全性、經濟性、實用性這三大原則的基礎上綜合考慮,初期應從如下幾點進行考慮:
  a) 優先選用軌道式,自動化程度高,安全可靠;
  b) 樓頂空間通道、立面結構等是否適合所選擇的擦窗機型式;
  c) 選用的擦窗機是否滿足結構承載要求;
  d) 選用的擦窗機盡量不影響建筑物的美觀;
  e) 擦窗機的造價符合業主投資需求;
  f)選用合理的擦窗機臺數,完成整個大廈的清洗維護作業。
  盛京金融廣場 T2 塔樓屋面構造基本參數:大面建筑幕墻標高 318m,凹槽位置玻璃幕墻的建筑幕墻標高313m,結構混凝土板頂的標高為 269.8m,屋頂鋼結構梁頂標高312m,鋼結構梁頂面距離幕墻頂面高差6m,如圖14所示。
  超高層擦窗機細節設計應注意以下要點:
  a) 基礎結構條件:擦窗機軌道落在混凝土結構上時,沿軌道方向需有預留軌道鋼梁或基礎結構,混凝土梁或柱墩自身寬度為400mm~500mm方形、間距不大于2m;預留鋼梁寬度不小于300mm。擦窗機軌道應在建筑內表面周圈布置,軌道寬度不小于2m;軌道邊緣距建筑內表邊緣zui小距離不得小于600mm。
  b) 軌道與基礎連接:基礎為鋼結構,軌道安裝前擦窗機廠家需與鋼結構單位配合預留好軌道焊接條件;混凝土結構,擦窗機廠家需在混凝土澆筑前提供預埋件,并提供人員指導安裝。
  c) 擦窗機軌道:擦窗機廠家在工廠加工好成品組件,運送至現場,由擦窗機廠家提供人員安裝。
  d) 擦窗機:擦窗機以組件形式運送至現場,由塔吊吊至屋頂進行組裝;應注意塔吊的荷載應與擦窗機部件的荷載匹配,否則影響吊裝作業。擦窗機的制作和運輸時間有一定的工期,考慮塔吊與擦窗機的配合,擦窗機在塔吊拆除前需完成所有構件吊至屋頂工作,滿足組裝條件。
  e) 電動吊船和輔助卷揚吊鉤:電動吊船選用全鋁結構,荷載輕,螺栓均采用不銹鋼螺栓 ;輔助卷揚機額定荷載(600kg)應充分考慮板塊的面板材料更換應充分考慮板塊的面板材料更換,除面板自身重量外,還應考慮輔助鋼架的輔助設施的荷載。
  f) 防風銷座:由幕墻施工單位與擦窗機廠家配合設計、幕墻公司加工、生產,幕墻公司在安裝玻璃前由擦窗機廠家指導幕墻公司安裝。
  T2 塔樓屋頂結構為鋼結構體系,擦窗機軌道需布置在鋼結構的軌道梁上;屋頂中央設有停機坪,考慮擦窗機停放時高度不得超于停機坪和不影響外立面的效果,擦窗機應具有升降功能,當擦窗機使用時升起,高于幕墻頂標高進行工作,當擦窗機停放時需降至6m 以下,并停靠在大面幕墻中間位置,非轉角位置,停放空間8m×2m,不會影響到外立面效果。
  選擇兩臺屋面軌道式伸縮臂擦窗機(立柱可升降),全鋁合金電動吊船的荷載不低于250kg;輔助卷揚吊鉤荷載不低于500kg;防風銷座布置從40m 起,每間隔不超過 20m布置一層,共布置17層,防風銷座橫向間隔2m左右,每層布置約85個,整棟樓約1445個防風銷座。
  超高層建筑的形態各異,安裝的擦窗機型式也不盡相同。超高層建筑在建筑設計時就應考慮擦窗機的安裝型式、結構設計的承載要求、樓頂的預留通道等問題。超高層建筑擦窗機的安裝就好比一部外用電梯,已成為一個不可缺少的常設設備,逐漸成為大家的普遍共識。
  5 結論
  盛京金融廣場作為沈陽的區域性地標超高層建筑,不僅建筑設計造型獨特,結構形式也有較大的難度。結合沈陽盛京金融廣場異型超高層幕墻工程的方案設計實踐,超高層玻璃幕墻工程選擇性能好、技術先進、造價合理的高性價比幕墻技術方案以及依據超高層建筑的不同特點,對幕墻系統選用、材料選用、清洗維護設備選用進行分析,把握整個工程的要點難點,通過深入的設計與技術分析并采取一系列的技術措施,技術難題基本得以圓滿解。
  工欲善其事,必先利其器。超高層建筑幕墻工程技術含量高、安全風險大,只有掌握整個工程的要點難點,通過精心策劃、科學管理,嚴格把好安全質量關,運用先進的設計技術和分析手段以及專業的測量和檢測方法,才能完成令用戶滿意的精品工程。

 

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