多維度幕墻設計在工程中的應用

多維度幕墻設計在工程中的應用

隨著社會分工的精細化，建筑設計行業(yè)也劃分了特殊的墻體設計，即“專業(yè)人的專業(yè)”。但是現代社會，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建筑專業(yè)的基本概念及各專業(yè)之間的相互聯系。下面以寧波院士中心這個項目為例，簡述進行多專業(yè)融合幕墻設計的必要性和重要性。1既有建筑進行改擴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，現存兩座教學大樓建于20世紀60年代。本次設計充分利用既有建筑進行改擴建，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計延續(xù)了原教學大樓預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空間。2設計墻體下面簡述如何從綠建節(jié)能、鋼結構、結構抗震、泛光照明、消防、數字化技術、裝配式等多專業(yè)角度進行幕墻設計。2.1幕墻傳熱系數計算項目位于寧波，屬于夏熱冬冷地區(qū)，根據《公共建筑節(jié)能設計標準》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設定為2.4W/(m綜合玻璃面積限值和強度要求，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)熱傳導計算軟件算出幕墻節(jié)點框的傳熱系數，再由框和玻璃的傳熱系數及面積加權平衡得出幕墻傳熱系數為2.247W/(m2.2從結構體系形成的專業(yè)設計特點結果分析為延續(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構，結構層高約9m。按照《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》6.3.5條，幕墻立柱宜采用上端懸掛式，所以通常把立柱設計成拉彎構件，懸掛于上部主體結構，這樣幕墻自重將通過立柱傳遞至混凝土薄殼結構上。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構做得纖細，彰顯寧波江南園林建筑的輕盈、細膩之美。但是當幕墻采用了坐支式體系，幕墻立柱則成了壓彎構件。為滿足長細比要求，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，雖減小了主體結構柱截面，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根橫梁才設置1個自由端，并且在立柱截面后部翼緣增設支撐桿，前端橫梁和后端支撐桿可作為幕墻立柱的側向支撐，類似鋼結構中檁條和隅撐的作用，減小立柱弱軸方向的計算長度，幕墻立柱滿足長細比和整體穩(wěn)定性要求。由此幕墻龍骨截面大小和構造進一步確定。2.3幕墻平面內抗震技術本工程地處寧波，寧波的抗震設防烈度為7度，設計地震加速度0.10g，幕墻需要進行抗震設計。通常建筑結構抗震的方法為兩種：(1）傳統(tǒng)的剛性抗震。類似武術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，將地震荷載和風荷載組合后計算幕墻面板和龍骨、連接件和預埋件，滿足強度和撓度要求。(2）柔性抗震，即隔震和耗能減震技術。類似武術內家拳中的太極化勁，幕墻平面內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橡膠墊塊襯托，玻璃在幕墻平面內可以自由移動，地震荷載通過基礎傳到主體結構梁柱，再通過轉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？本項目的主體結構最大層間位移角為1/324，玻璃的最大高度為3850mm，玻璃的最大寬度為1700mm，由主體結構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。由此進一步確定幕墻節(jié)點的各項細部構造尺寸。2.4從幕墻設計到照明步設預期幕墻上的燈光和幕墻的關系，類似音樂中伴唱和主場的關系，燈光如同伴唱中的高音和低音部，能夠增強幕墻的表現力，讓幕墻在科技中舞動。本項目在進行幕墻設計時，照明設計還未介入，建筑設計初步設預計采用豎向線條的照明設計方案。為了實現建筑方案中的照明理念，便于照明燈具的安放，幕墻設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，也可以為燈具擋風遮雨。遺憾的是在幕墻設計完成后，泛光照明設計否定了原建筑照明方案，未采用此燈光設計，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計階段需要建筑、照明和幕墻專業(yè)同步設計，避免因各專業(yè)的設計脫節(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)點變得十分復雜。因消防救援窗的設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，無需特殊設置即可滿足應急擊碎要求。幕墻立面優(yōu)化后，既滿足了消防救援窗應急擊碎的要求，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用使得立面和屋面產生了曲面造型，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入機床，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的一種，尤其是單元式幕墻工業(yè)化程度相當高，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)構件式幕墻，我們同樣也可以參照裝配式建筑，提高幕墻的標準化和工業(yè)化率。構件式幕墻的常規(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，減少現場作業(yè)量，提高工程質量，降低人工成本，將立柱和橫梁在工廠焊接成預制鋼架，一個典型立面分成六組鋼架，然后將鋼架運輸到現場進行整體吊裝，鋼架和鋼架之間采用螺栓機械連接，避免現場切割、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構膠連接成整體，無現場切割和打膠作業(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