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摘要：本文介紹了某總部辦公樓幕墻深化設(shè)計(jì)，包括單元幕墻在豎直面、外傾面和內(nèi)傾面幾種情況組合使用時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，內(nèi)傾單元幕墻防排水的綜合考慮以及空縫金屬幕墻系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)介，并介紹了BIM技術(shù)在幕墻設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：單元幕墻;空縫金屬幕墻;BIM應(yīng)用
1 引言
單元式幕墻是指由面板與支承框架在工廠制成的不小于一個(gè)樓層高度的幕墻結(jié)構(gòu)基本單元，直接安裝在主體結(jié)構(gòu)上組合而成的框支承建筑幕墻。單元幕墻具有工廠預(yù)制程度高，組裝質(zhì)量易控制，現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快，抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)。單元幕墻相鄰板塊之間通過(guò)立柱（詞條“立柱”由行業(yè)大百科提供）和橫梁對(duì)插，形成多道密封腔，利用雨幕等壓原理防水，具有優(yōu)異的防水性能。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，單元幕墻廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑幕墻。本文介紹的單元幕墻是豎直、外傾和內(nèi)傾幾種情況組合使用的案例。
2 項(xiàng)目概況
項(xiàng)目是某著名企業(yè)的總部辦公樓，由廠房和辦公樓兩座塔樓和裙房連廊組成。塔樓玻璃幕墻采用單元式幕墻。廠房幕墻高度83.25m，南北立面為豎直面，東立面為與水平呈95º夾角的外傾面，西立面為與水平呈75º夾角的內(nèi)傾面。辦公樓幕墻高度34m，東西立面為豎直面，北立面為與水平呈105º夾角的外傾面，南立面為與水平呈60º夾角的內(nèi)傾面。廠房西南角為鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻，從廠房屋頂往下延伸，繞過(guò)連廊直至辦公樓西南角屋頂，呈飄帶狀把整個(gè)建筑連成整體。項(xiàng)目透視圖見(jiàn)圖1、圖2。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 單元幕墻
塔樓玻璃幕墻在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)的選型進(jìn)行了對(duì)比。擬選方案有3種，分別是構(gòu)件式、單元式和注膠單元式。從經(jīng)濟(jì)性考慮，構(gòu)件式造價(jià)最低，單元式最高，注膠單元式適中;從品質(zhì)控制考慮，單元式最優(yōu)，注膠單元式其次，構(gòu)件式最難保證。從施工難易程度考慮，單元式可以把支承框架和面板整體吊裝，快捷方便;構(gòu)件式需要現(xiàn)場(chǎng)分別安裝立柱、橫梁和面板，特別是內(nèi)外傾斜立面，施工難度大;注膠單元式需在板塊安裝后在板塊之間注膠密封，沒(méi)有單元式方便。經(jīng)過(guò)比選，最終選定了單元式結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了分層內(nèi)排水構(gòu)造。幕墻采用橫明豎隱的形式，面板采用夾膠中空玻璃。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是豎直、外傾和內(nèi)傾三種情況單元系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)以及內(nèi)傾面的防水加強(qiáng)措施。
3.1.1 豎直面單元幕墻
豎直面單元幕墻面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夾膠中空玻璃，夾膠片在室外側(cè)。在結(jié)構(gòu)梁上下位置，單元幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間填充防火巖棉。單元系統(tǒng)橫剖和豎剖節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖3、圖4。
立柱采用隱框形式，玻璃面板與單元立柱采用硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）。面板端部采用鋁合金護(hù)邊，護(hù)邊與立柱之間采用隔熱墊斷熱并注膠密封，玻璃面板端部與鋁合金護(hù)邊之間注膠密封。
橫梁采用明框形式，采用鋁合金壓板以及膠條壓緊玻璃面板，壓板與橫梁掛鉤之間設(shè)置隔熱墊斷熱。采用內(nèi)打膠密封，即面板端部與橫梁前端掛鉤間注膠密封，壓板與面板之間不打膠以使外觀更干凈。為防止膠條松脫導(dǎo)致壓板脫鉤失效，在壓板兩端掛鉤處設(shè)置橡膠塊限位。
單元幕墻雖然采用雨幕等壓防水，但仍有可能存在少量滲漏，滲漏水需要排放到室外，單元幕墻排水路徑圖見(jiàn)圖5、圖6。本項(xiàng)目采用分層內(nèi)排水結(jié)構(gòu)，上一層的少量滲漏水，通過(guò)上橫梁的泄水孔D，進(jìn)入上橫梁前端封閉導(dǎo)流腔，通過(guò)導(dǎo)流腔兩端部的泄水孔E流入立柱前端空腔，排放到下層外腔并排放到室外。由于采用分層內(nèi)排水，室內(nèi)外的壓力差不足以把室外雨水倒灌進(jìn)內(nèi)腔，相比橫梁內(nèi)外腔直通的排水方式更可靠。
3.1.2 外傾面單元幕墻
外傾面單元幕墻面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夾膠中空玻璃，夾膠片在室外側(cè)。立柱采用與豎直面相同截面構(gòu)造，橫梁根據(jù)外傾角度采用不同截面，以使橫梁室內(nèi)裝飾面水平、等寬且與豎直面橫梁標(biāo)高一致，室外的明框壓板在正投影的高度也保持一致。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考慮面板重力荷載對(duì)框架以及壓板的附加作用。廠房的外傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖7，辦公樓的外傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖8。
3.1.3 內(nèi)傾面單元幕墻
內(nèi)傾面單元幕墻面板采用10TP(LOW-E)+12A+8HS+1.52PVB+8HS夾膠中空玻璃，夾膠片在室內(nèi)側(cè)。立柱采用與豎直面相同截面構(gòu)造，橫梁根據(jù)內(nèi)傾角度采用不同截面，以使橫梁室內(nèi)裝飾面水平、等寬且與豎直面橫梁標(biāo)高一致，室外的明框壓板在正投影的高度也保持一致。廠房的內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖9，辦公樓的內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖10。
相鄰單元板（詞條“單元板”由行業(yè)大百科提供）塊之間通過(guò)立柱間及橫梁間對(duì)插，形成前、后腔，利用雨幕等壓原理防水。內(nèi)傾單元幕墻由于雨水的重力作用，對(duì)密封膠條存在持續(xù)的壓力，將可能滲漏進(jìn)前腔甚至內(nèi)腔。故內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)需要考慮防水的加強(qiáng)措施，在板塊之間的縫隙(包括立柱之間以及橫梁之間)注膠密封，同時(shí)將滲漏到內(nèi)部的少量滲漏水排放到室外。內(nèi)傾單元幕墻的排水路徑示意圖見(jiàn)圖11、圖12所示。
如圖11，內(nèi)傾單元幕墻上下橫梁之間注膠密封，且采用了深膠縫，不遮擋下壓板的泄水孔A。下橫梁前端懸臂處設(shè)置泄水孔B，上橫梁前端與上壓板掛接處局部銑開(kāi)泄水孔C。與其他立面一樣，上橫梁設(shè)置泄水孔D和E，下壓板設(shè)置泄水孔A。圖11和圖12表示了內(nèi)傾單元幕墻幾種滲漏水的排水路徑。路徑A示室外滲漏到橫向明框壓板內(nèi)部的雨水，從泄水孔A中直接排到室外。路徑B示滲漏到面板端部與鋁合金護(hù)邊之間空隙的雨水，將沿該空隙往下流到下橫梁底部，從泄水孔B流入上下橫梁之間的前腔，并沿上橫梁與上壓板之間的泄水泄水孔C處排出。路徑C表示從單元立柱之間膠縫滲漏到單元立柱之間前腔的雨水，沿立柱之間前腔流到單元上下橫梁之間前腔，并從泄水孔C排出室外。路徑D與其他立面單元幕墻一樣，滲漏到單元立柱和橫梁之間內(nèi)腔的雨水，匯集到上橫梁內(nèi)側(cè)槽，沿泄水孔D流入上橫梁前端封閉導(dǎo)流腔，通過(guò)導(dǎo)流腔兩端部的泄水孔E進(jìn)入立柱前端空腔，排放到下層外腔并排放到室外。通過(guò)以上措施，即使有雨水滲漏進(jìn)內(nèi)部，也將排放到室外。
3.2 金屬幕墻
本工程廠房西南角為扭曲的鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻，從廠房屋頂往下延伸，繞過(guò)連廊至辦公樓西南角屋頂，呈飄帶狀把整個(gè)建筑連成整體。金屬幕墻局部立面見(jiàn)圖13。
鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻采用空縫形式，內(nèi)層采用2厚內(nèi)襯板防水密封，固定于內(nèi)層鋼龍骨上，內(nèi)襯板之間注膠密封。從內(nèi)襯板膠縫中伸出鋼板連接件，固定外層鋁合金龍骨。鋁龍骨帶齒配合齒墊片，可使鋁合金龍骨前后可調(diào)。鈦金復(fù)合蜂窩板四邊安裝鋁附框，并鑲嵌膠條以防止摩擦噪音。采用鋁合金壓塊及內(nèi)六角螺栓將面板固定在外層鋁龍骨上。鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻大部分是扭面以及外傾面，兩者采用曲面過(guò)渡。室內(nèi)側(cè)采用2厚鋁板（詞條“鋁板”由行業(yè)大百科提供）做裝飾面板（詞條“飾面板”由行業(yè)大百科提供），固定在鋼龍骨上。鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖14、圖15。
4 BIM應(yīng)用
4.1 BIM必要性及應(yīng)用
本工程的金屬幕墻通過(guò)扭面、曲面、外傾面等組合，呈飄帶狀將廠房、連廊及辦公樓連接成整體，扭面與外傾面通過(guò)曲面轉(zhuǎn)接過(guò)渡(見(jiàn)圖16、圖17)。廠房東南角以及辦公樓西北角的單元幕墻是豎直面與外傾面采用曲面過(guò)渡，弧形部位的面板以及龍骨存在彎曲和扭轉(zhuǎn)的情況(見(jiàn)圖18)。連廊與廠房、辦公樓的交接部位也存在幾個(gè)面交接的情況(見(jiàn)圖19)。這些異形部位也是本工程設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)。
針對(duì)以上難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和施工中采用了BIM技術(shù)，在Rhino+Grasshopper平臺(tái)對(duì)幕墻工程進(jìn)行整體建模。BIM技術(shù)主要的應(yīng)用有：①建立三維模型后，可將項(xiàng)目整體效果直觀地展示，特別是金屬幕墻從塔樓扭面到連廊外傾面的曲面過(guò)渡、塔樓豎直面與外傾面弧形過(guò)渡位置，以及塔樓與連廊交接部位細(xì)節(jié)，使設(shè)計(jì)、施工人員更好地理解空間關(guān)系;②與主體結(jié)構(gòu)、空調(diào)通風(fēng)、燈光等其它專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)沖突，避免施工過(guò)程整改。例如通過(guò)碰撞檢查發(fā)現(xiàn)了連廊吊頂位置幕墻與主體鋼結(jié)構(gòu)間的干涉問(wèn)題，及時(shí)讓設(shè)計(jì)院修改了鋼結(jié)構(gòu);③對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的材料下單提供了全方位的技術(shù)支持，通過(guò)模型可直接輸出龍骨、面板的規(guī)格尺寸，大大提高了準(zhǔn)確率和工作效率;④為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線(xiàn)提供了各個(gè)系統(tǒng)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，結(jié)合全站儀，控制點(diǎn)準(zhǔn)確打點(diǎn)，確保在安裝過(guò)程與三維模型吻合。三維模型見(jiàn)圖20、圖21所示。
4.2 塔樓外傾面與豎直面圓弧轉(zhuǎn)角板塊優(yōu)化
外傾面圓弧轉(zhuǎn)角(見(jiàn)圖18)是一個(gè)類(lèi)似于傾斜圓柱的設(shè)計(jì)，每一層平面線(xiàn)為相同半徑和相同弧長(zhǎng)的圓弧線(xiàn)段，隨著樓層增加，弧線(xiàn)段逐漸向外推移。模型搭建過(guò)程中，如果直接用平面圖紙的線(xiàn)條放樣出玻璃面，生成的表皮為非圓柱面，不利于玻璃的生產(chǎn)加工。為解決這一問(wèn)題，在實(shí)際建模時(shí)，先從平面圖中上下層弧線(xiàn)段的圓心，定位出圓柱的軸線(xiàn)，找一個(gè)垂直于軸線(xiàn)的平面，與前面生成的曲面相交，再以交線(xiàn)為基礎(chǔ)，找到最合適的圓弧線(xiàn)段，用后面生成的圓弧線(xiàn)段放樣生成的曲面為真正的圓柱面。按照?qǐng)A柱面分割出來(lái)的每一個(gè)分格的玻璃，展開(kāi)圖左右兩條邊為直邊，而上下兩條邊是不規(guī)則的曲線(xiàn)，通過(guò)參數(shù)化手段，可快速找到一條與原曲線(xiàn)誤差在2mm以?xún)?nèi)的圓弧線(xiàn)段，作為玻璃加工切割的依據(jù)。展平優(yōu)化后的弧形玻璃見(jiàn)圖22。
從豎直面到外傾面的過(guò)程中，弧形位置這一段橫梁截面的四邊形內(nèi)角是逐漸變化的，造型非常復(fù)雜，加工難度大。經(jīng)過(guò)反復(fù)建模推敲，決定重新定位弧形橫梁的參考線(xiàn)為：中橫梁以下表面外端點(diǎn)與立柱面平齊，上下橫梁以下橫梁上表面內(nèi)端點(diǎn)與立柱室內(nèi)面平齊(見(jiàn)圖23)，這樣可以最大限度地保證外露面的最佳效果。然后結(jié)合已有的直面和兩個(gè)外傾斜面的橫梁模具尺寸，分別在辦公樓和廠房?jī)蓚�(gè)弧形面上放樣，最終在保證橫梁與玻璃面不產(chǎn)生干涉的基礎(chǔ)上，于現(xiàn)有的模具中挑選出既能滿(mǎn)足外觀要求，同時(shí)還是單曲造型的橫梁，同時(shí)可直接導(dǎo)出橫梁的加工圖。
4.3 塔樓扭面、連廊曲面金屬幕墻的優(yōu)化與施工
鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻系統(tǒng)的大面都是扭曲面板，傳統(tǒng)的加工下料方法無(wú)法準(zhǔn)確定位，我司在本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了異形面板全程由BIM參數(shù)化跟蹤，優(yōu)化好的BIM模型直接對(duì)接工廠數(shù)控機(jī)床，通過(guò)格式轉(zhuǎn)化后提取相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到精確生產(chǎn)目的。另外，由于鈦金板幕墻系統(tǒng)龍骨的構(gòu)造復(fù)雜，相互間交錯(cuò)穿插的情況多，非常不利于定位和安裝。經(jīng)與施工人員溝通，優(yōu)化為在模型中將龍骨按實(shí)際拼接切割好，然后按樓層或按區(qū)域在工廠將龍骨預(yù)組裝成一個(gè)模塊，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)只需要找少量的定位點(diǎn)就能把同一樓層或同一區(qū)域的龍骨就位，降低了施工誤差也提高了安裝效率。見(jiàn)圖24、圖25。
鈦金復(fù)合蜂窩板幕墻系統(tǒng)的室內(nèi)鋁板是平行于室外表皮，理論上也是扭面板，并且在與單元玻璃幕墻立柱收口位置，容易出現(xiàn)與立柱內(nèi)表面錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，1m內(nèi)翹曲度小于5mm的誤差，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可通過(guò)面板冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）來(lái)調(diào)整安裝，該位置室內(nèi)凈空約3m，所以面板翹曲15mm以?xún)?nèi)可以?xún)?yōu)化為平板加工。室內(nèi)鋁板在層間結(jié)構(gòu)位置是斷開(kāi)的，可以運(yùn)用BIM軟件中的有限元分析工具，將面板翹曲度小于15mm的鋁板轉(zhuǎn)化為平板，從而減少了翹曲面板加工數(shù)量。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了單元玻璃幕墻以及空縫金屬幕墻的構(gòu)造，特別是單元幕墻在豎直面、外傾面和內(nèi)傾面幾種情況的組合使用以及內(nèi)傾單元幕墻在防排水方面的綜合考慮。幕墻系統(tǒng)經(jīng)過(guò)物理性能檢測(cè)，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文也介紹了BIM技術(shù)在異形位置的應(yīng)用，解決了設(shè)計(jì)和加工的難題，對(duì)異形幕墻設(shè)計(jì)、施工方面具有一定參考意義。BIM技術(shù)在項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用，作為一種數(shù)字化技術(shù)，極大改變了傳統(tǒng)的建設(shè)模式。在當(dāng)前國(guó)家大力推行新基建的背景下,BIM技術(shù)在未來(lái)建筑業(yè)中將得到更廣泛的應(yīng)用，高效發(fā)揮BIM技術(shù)本身的數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，可以極大促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施的高質(zhì)量發(fā)展。
作者單位：中山盛興股份有限公司
