装配式建筑中异形单元幕墙设计探讨

时间：2024-07-28

曾伟清,余国保（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东珠海 519000 )

1 工程概况

海南移动指挥调度中心一期幕墙工程位于海口市，建筑高度为 111.05 m，主体结构为装配式钢结构加钢筋混凝土核心筒结构组合体系。

根据建筑的效果，4 个角部位置采用框架幕墙形式，中间大面位置采用单元幕墙形式，大面位置与 4 个转角位置以曲线的形式分隔。因此，大面幕墙的边角位置单元体全部为异形，大面中间位置单元体为规则形状。本文重点解析单元幕墙部分。

2 幕墙设计部分

2.1 标准位置单元幕墙的设计

中间标准单元板块规格为1 500 mm(L)×4 000 mm(H)，挂件采用螺栓加 U 槽形式，幕墙节点横、纵剖面见图 1、图 2。

图1 幕墙节点横剖面图（mm）

图2 幕墙节点纵剖面图（mm）

本系统是利用等压原理实现结构防水，由多道密封胶条构成等压腔，并通过迂回渠道与外界连通，保持腔内外空气压力均衡。渗入幕墙内部的少量水能在每一层顺畅排出。由此有效保证了气密性和水密性。

2.2 转角位置单元幕墙的设计

转角位置的玻璃全部为异形，且最外端玻璃板块挑出边部钢结构支点最大位置有 990 mm，距离示意见图 3。

图3 转角位置外端玻璃板块挑出边部钢结构支点距离示意(mm)

在转角幕墙的前期系统选择上主要有两种：一种是采用框架式，优点是框架幕墙灵活，方便曲线位置幕墙的收口，缺点是框架幕墙与单元幕墙交接不便，影响立面效果，且现场施工麻烦；另一种是采用单元幕墙，优点是与大面的相邻位置板块组成一个整体，采用工厂化大面积加工，现场安装方便，工期短，缺点是 4 个面一共有 144 块单元板块全部为异形，工厂的加工较为复杂。考虑到工期、立面等多方面的原因，系统最终还是采用单元式的做法。

因玻璃板块挑出边部钢结构支点最大位置有 990 mm，且根据项目的风洞试验报告得出，边角位置最大的风荷载达到 6.3 MPa，因此，转角位置的单元板的连接将主要有两个问题：一是单元体本身的结构受力，仅采用铝龙骨无法满足受力问题；二是悬挑的部分单元板块产生的水平荷载支座反力非常大，因此支座的设置需重点考虑。

2.3 单元体铝包钢构造的设计

转角位置采用普通的铝立柱无法满足结构要求，只有考虑采用钢型材，并采用有限元软件SAP 2000，进行结构模拟、结构计算、结构优化。转角龙骨模型见图 4。

图4 转角龙骨模型

根据图 4 中的钢结构形式，需要将铝型材包饰在钢架上，组成一个钢架受力的单元体。组成后的单元体见图 5。

图5 钢架受力的单元体（mm）

铝扣盖需要根据单元体组装的工序进行开模，以方便单元体的工厂安装。图 5 中节点A、B、C做法见图 6。

A、B节点中 175mm×70mm×6mm厚镀锌钢方通(Q 345 B)为钢架主龙骨，B节点中的 80mm× 60mm×5mm钢方通(Q 345 B)为次龙骨，主、次龙骨通过焊接组成一个钢架，次龙骨将力传递给主龙骨，主龙骨将力最终传递给单元体支座，组合部分的铝材不参与受力，仅仅起到外饰作用。为了防止钢铝之间的电化学反应，主要采取以下 3 点措施：①钢型材表面全部进行热镀锌处理，在工厂加工因搬运破坏或焊接破坏镀锌表面的，均需做二次防锈处理；②组装铝型材时，在钢铝接触面加 2.0mm厚橡胶垫片进行绝缘处理;③在铝扣盖组合完毕后，在端部用铝板封口密封，在扣盖与立柱、横梁扣接位置，均用密封胶封闭，确保雨水不进入钢铝组合材腔体内，避免钢材生锈。整个钢骨架与铝型材均在加工厂组装好，而后运输到现场整体安装。

图6 单元体不同位置节点

2.4 单元体支座的设计

采用有限元软件计算出转角钢架支座反力，见图 7。

图7 支座反力图

其中B支座的水平拉力达到了 119.93 kN。如果按正常的风压来算，水平拉力远不到这个数值，可以悬挑单元体产生了很大的反力。杆件产生的弯矩见图 8。

图8 杆件弯矩图

从图 8 中可以看出，杆件 2 中支座位置的弯矩达到了37.4 kN·m。由于幕墙进出位及成本的限制下，采用原来标准的支座已经无法满足此处的受力要求，如果无法解决此处的支座问题，转角处采用单元装配式的做法将无法实现，因此，需要换一种思路，改变做法。创新性地采用两用支座来解决此位置的单元板块的多方向的受力。根据需要，此处设置 2 种不同类型的支座A、B。支座布置见图 9，支座的具体做法见图 10。

图9 单元体支座（mm）

图10 单元体支座布置图

此支座的设置主要为了解决此处很大的拉拔力，因此，设置有m24 定制 T 型螺栓。此 T 型螺栓随单元在工厂临时固定好，到现场进行入槽安装。支座的设计考虑了 3 个方向的调节：①单元体钢连接板上设置竖向长孔，以保证螺栓可以高度方向的调节；②进出位方向通过螺杆本身的螺纹进行调节；③平面外可以通过埋件支座上的长条孔进行调节。有了这种方向的可调节设置，安装过程中，无须焊接，确保了工地的施工质量与安全。

B支座的安装采用普通位置的连接方式，考虑到比较大的扭矩，因此，将钢连接件进行加厚处理。此支座的设置主要为了承受单元板块的自重。

从上面的分析可以看出，支座A与支座B各自承担不同的功能，利用材料的最优性能去承受不同的力，达到了节省材料的同时把难题化解，使得转角单元体可以顺利地进行安装。