大涌商务中心6#楼单元式幕墙的设计

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  深圳市方大建科集团有限公司
  摘要:大涌商务中心幕墙工程主体构造采用了先进成熟的单元式结构。由于建筑要求较高,为保证建筑立面效果,对其细部构造进行了精心改进,使其具有优良的气密性、水密性、风压变形及平面变形能力,展示了单元式幕墙技术的优越性。
  关键词:单元式幕墙;等压腔;雨幕和等压原理
  本工程建筑高度218.45m,地上50层。幕墙系统以单元式玻璃幕墙系统和单元铝板幕墙系统为主,裙楼为框架式玻璃幕墙、石材包柱及雨棚系统。
  本工程单元式幕墙系统分格尺寸为2400mmX3800mm,单元板块含中挺。整个系统依据雨幕和等压原理进行设计,采用可三向六自由度调节、横滑型构造,所有密封和防水措施均连续构造,同时确保能适应所有建筑位移、温度变形以及加工和施工误差等因素带来的影响。
  幕墙大面采用中空钢化Low-E玻璃,玻璃采用硅酮结构胶固定;层间梁位置采用单片钢化玻璃,由硅酮结构胶固定,玻璃内侧设置1.5mm 厚镀锌板做为玻璃背板,背板内衬背带铝箔的保温棉,钢板表面粉末喷涂处理。
  依据建筑设计要求,玻璃幕墙外侧设置了竖向铝合金装饰条和横向铝合金装饰线条,纵向装饰线条表面采用阳极氧化喷砂处理,横向装饰条采用氟碳喷涂处理。装饰线条与幕墙系统的立柱和横梁进行固定,通过计算确定其具有足够的强度和刚度,能承受各种荷载和作用的影响。
  开启窗采用装有不锈钢多点锁和限位装置的传动装置,执手采用可拆卸式,执手移开时孔洞处采用橡胶扣盖封堵。擦窗机固定销安装于玻璃面板之间的胶缝位置,且可从室外侧进行拆换。
  一、单元式幕墙系统原理介绍
  本工程采用横滑型单元式幕墙构造,单元幕墙是由在工厂组装好的板块运到工地进行安装。两个单元板块上下左右相接位置通过阴阳料相接,阴阳料上有密封胶条,通过下单元上横料对接位置中设横滑槽和封口板,达到集水和封口的目的,而又不影响板块的相互位移,同时,型材断面还设计为向室外有一定倾斜度的斜面,利于少量可能进入雨水的排出。由于需要利用靠近室外侧的空腔与室外形成等压腔,因此必须使该空腔的空气与室外的空气能形成连通,以减小二者的压力差,由于该通气孔位置可能会有少量的雨水进入,因此为保障雨水排出时不因表面张力现象而出现堵塞,该孔设计为长条形孔。
  幕墙系统最直接的使用功能就是围护,因此必须具有良好的防水功能。系统设计时,采用疏堵结合的设计理念来进行系统的防水设计。
  二、单元幕墙系统重点和难点设计
  1、本单元板块属超宽板块:每个板块为2400(宽)X3800(高)mm,横向由两个1200mm的分格。
  2、本工程风荷载较大:依据风洞实验墙角位置达到6.0Mp。
  3、纵向装饰条悬挑较大:装饰条超出玻璃面400mm。
  系统整体设计:单元式幕墙是在工厂制作完成板塊,在工地现场再通过板块的上下左右对插完成系统的拼接安装,所以如何保障工厂加工方便、现场安装快捷和单元式幕墙的防水性能等物理性能是单元式设计的重点和难点,将单元式幕墙重点和难点进行如下分析:
  (一).考虑加工、安装快捷设计
  1)单元式幕墙加工快捷设计
  单元式的幕墙在加工组装过程中打胶是关键的工序,在玻璃四周压板采用可拆结构,玻璃均可在同一面平台打胶,待打胶完成后再安装玻璃四周的压板,避免了单元板块因打胶而需将板块翻转(由于重量重,板块大,单元板块不易翻转),从而缩短了打胶工序时间,如下两图所示:
  单元式幕墙横向插接构造示意图 单元式幕墙竖向插接构造示意图
  2)考虑单元式幕墙安装快捷设计
  单元式幕墙通过板块的上下左右对插完成系统的拼接安装,所以如何在构造设计中考虑安装是缩短单元式幕墙安装工期的关键,在对插型材插接位置设计导向,胶条设计为有利于安装的单撇胶条,通过以上两点设计从构造上解决了单元式幕墙对插困难的难题,从而缩短了安装工期。
  (二).单元式幕墙防水设计
  单元式幕墙是在工厂完成板块加工组装,在工地现场再通过板块的上下左右对插完成系统的拼接安装,建筑靠单元式幕墙结构进行防水,因此单元式幕墙必须通过系统合理设计来进行防水,针对这个特点,通过疏(排水)堵(防水)结合的设计理念来进行系统的防水设计。
  单元式幕墙板块排水示意图 单元式幕墙板块防水示意图
  1.第一道防水设计
  单元式幕墙第一道防水主要考虑两个方面,一是单元对插缝与室外相通存在大量进水的可能,二是单元式幕墙中玻璃面板四周存在缝隙会有水渗入,第一道防水要做到阻止大量水进入等压腔。
  1)单元对插缝处防水设计
  在单元式幕墙横向和竖向对插缝中等压腔的前端设挡水胶条,可防止大量水从对插缝进入等压腔。
  2)玻璃四周缝隙设计
  在单元式幕墙玻璃面板四周设铝合金压板,压板与玻璃打胶密封,这样就保证只有少量水通过第一道防水进入等压腔。
  2.等压腔防水、排水设计
  在单元式幕墙横向和竖向对插缝中等压腔的前腔设挡水胶条可防止大量水从对插缝进入等压腔,但会有少量水通过第一道防水进入等压腔,所以等压腔构造设计的思路一是要防止水进入封闭腔,二是将进入的水排出室外。
  1)等压腔防水设计
  为了防止室外通过第一道防水进入竖向等压腔(阴阳竖料形成与室外连通的腔)的水进入横向封闭腔,造成漏水,竖向等压腔水只能进入横向等压腔(上下横料形成的与室处连通的腔),而不能进入横向封闭腔,设计时将竖向第二道防水(等压腔与封闭腔之间的密封),盖过横向的第二道防水,即立柱上的密封胶条比横梁上的密封胶条更靠近室外侧。设有的两道胶条形成一个小腔,隔断水进入封闭腔的路径,起到防水的作用。   2)等压腔排水设计
  进入等压腔的水不及时排出就可以进入封闭腔导致漏水,所以单元式幕墙构造是否会渗水,这也是一个关键。等压腔是指密封胶条的两侧能够有效的连通,以减小二者的压力差,同时保证单元式幕墙横向等压腔与竖向等压腔相通,这样进入竖向等压腔的水在重力作用下进入横向等压腔后,再由连通处及时排出室外。
  两个相临的单元板块上横梁接口处设连接封板,实现了接口处的连续密封和等压腔体的连续,这样就形成了逐层隔断排水,不会产生水在单元竖向及横向铝型材里累积造成水无法及时排出的现象,同时型材断面还设计为向室外斜度的斜面,使等压腔里的水排出,见如下示意图。
  单元式幕墙等压腔排水三维示意图 单元式幕墙横向防水示意图
  3.封闭腔防水、排水設计
  通过第一道防水线及等压腔的防水和排水,进入封闭腔的水已经降到很低,但还会很有少量水进入封闭腔,为了防止进入封闭腔的水进入室内,封闭腔要进行防水、排水设计。
  封闭腔的前边设计成一对胶条,防止水进入封闭腔。为了防止压力变化使水会通过等压腔胶条吸入封闭腔,在交接处设置两道密封胶条使形成一个小腔,有效地隔断等压腔与封闭腔渗水的途径,减小压强变化的幅度。避免由于压力差过大使水大量的被吸入。
  为了阻止吸入的水由封闭腔进入室内导致漏水。首先同等压腔设计原理一样保证单元式幕墙横向封闭腔与竖向封闭腔连通,这样进入竖向封闭腔的水在重力作用下进入横向封闭腔后及时排出室外。
  其次在左右相邻单元体对插位置上横接口处设横滑块,采用逐层隔断排水,并在横向封闭腔和等压腔交接处的插接翼板上开排水孔,将进入封闭腔的水排到等压腔,再排出室外,同时型材断面还设计为向室外有一定倾斜度的斜面,利于封闭腔排水。
  4.型材接缝处防水设计
  单元式幕墙横向铝型材和竖向铝材采用螺钉连接在工厂组成单元板块,横向铝型材和竖向铝型材之间存在缝隙,这样进入等压腔和封闭腔的水有可能从型材接缝处渗入室内,为了解决上述问题,在工厂组装时在此接缝位置打胶密封,以确保水不从该位置渗入室内。
  5.四个板块交叉的“十”字路口防水设计。
  单元式幕墙通过板块的上下左右对插完成系统的拼接,在四个板块交叉的“十”字路口将形成一个内外贯穿的孔洞,因此必须将此孔洞进行严密的封堵以确保系统的水密性和气密性。
  针对以上问题,单元幕墙主要可采取以下措施:
  1)在单元式幕墙板块竖向对插铝型材左右相邻接缝位置设置铝合金披水板和铝合金横滑块将接缝 密封,同时铝合金披水板和铝合金横滑块底部和四周打胶密封。
  2)在四个板块交叉的“十”字路口处设硅海绵防水,左右相邻铝型材接缝处打胶密封。
  三、与主体结构的连接
  (一)预埋件的设计
  预埋件是幕墙与主体连接的重要部分,为了保证幕墙与主体连接的可靠性,大面上采用槽式预埋件。其特点如下:
  A.槽式预埋件最大优点是不需要现场焊接,整个连接均为螺栓连接,克服了现场焊接质量不易保证的缺点,避免了焊接所带来的焊后不易控制防腐质量的问题;
  B.结构合理,可调整性好,转接方便;
  C.由于槽式预埋件体积小,连接爪短,因而适用于各种部位的埋设,如楼板面、梁端、薄梁、转角、狭小部位等,具有广泛的通用性;
  D.选用特殊轧制型钢,强度高,并进行热浸镀锌处理,防腐性好;
  E.槽式预埋件加工工艺方便,经济性好;
  F.锚固系统较合理,锚筋与砼共同受力,抗拉性能较好;
  G.预埋过程中,便于总包方更好地浇捣砼,施工方便;
  H.幕墙施工过程中,能较好地避免预埋件的左右偏差,施工方便;
  I.槽式预埋件通过计算满足设计要求
  (二)预埋件按以下过程埋设:
  根据我国现行幕墙行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003规定:幕墙构件与混凝土结构易通过预埋件连接,预埋件必须与主体混凝土施工时埋入,对埋设部位进行全面检查,校正。对不合格或尺寸误差较大的位置予以调整,以保证预埋质量。
  1、预埋件施工图的设计是依据被认可的幕墙立面分格图及结构布置图进行的。预埋件的(锚板和锚筋)的设计,应符合JGJ102的规定。
  2、预埋设计图在完成经业主确认后,转至工厂,以便工厂办理预埋铁件之采购作业,同时将预埋图送交工地。
  3、核对工地之建筑图,并向业主之工地技术主管人员要求出示各项放样之基准点及线。
  4、预埋件运抵现场后,应会同监理进行检验,确认后才能进行安装。
  5、预埋件的测量放线
  根据预埋件布置图,进行预埋件的测量放线。当楼层之底板铺设完成后,侧模尚未施工前,即开始预埋件放样工作。放样时若发现模板施工尺寸有误差时,及时提出并要求整改。此项工作我司将派专人跟进主体施工进度,避免漏埋、误埋,并做好测量记录。
  6、预埋件的敷设
  预埋件是通过焊接钢筋与主体砼结构连接,埋件锚筋必须与主体钢筋点焊(绑扎)牢固,并注意与主体的防雷网电气连通,埋件的允许误差严格控制,即标高≤±10mm,水平分格≤±20mm。拆模时应及时跟进,所有埋件上表面均裸露砼面(但不能超出)。
  (三)幕墙板块与埋件之间的连接(见图示)
  幕墙板块与埋件之间通过钢挂件及钢支座结构形式,这种结构具有三维空间调节功能,能有效的吸收建筑误差,以保证单元板块安装的平整度。该系统受力状态合理,能使幕墙与主体结构保持柔性连接,大大提高抗震性能,同时可避免板块安装同时的任何焊接工作。由于铝合挂件一抵抗不了风荷载,因此设置不锈钢螺栓,这样一个结合使幕墙更安全。   单元板块与埋件连接三维示意图
  (四)、结构计算
  结构计算过程依据结构实际的受力状况进行计算,再按不同工况进行荷载组合和结构计算,确保计算结果真实可靠。
  风荷载依据风洞实验划分荷载分区,并分为墙角边、墙面区、屋面,由于纵向装饰条较大,在计算单元板块荷载是考虑了装饰条侧向荷载产生的影响,确保计算结果准确无误,既保证结构安全,又使结构设计科学经济。
  计算过程中,根据不同部位和不同结构型式幕墙计算的需要,同时依据规范条款规定考虑了恒荷载、地震作用和活荷载等荷载作用的影响以及各种工况的最不利组合。分别对面板,龙骨和连接进行了详细的强度、刚度和稳定性验算,从而确保了结构具有足够的安全性。同时与主体固定在一起的槽式预埋件也要进行计算,本工程采用的是RX52-34-350槽式埋件。计算方法及材料的选择方法厂家都有说明书,结合规范及厂家提供的实验取值,根据需要在工地做一下拉拔实验。
  通过上述严谨的力学分析,真实的模型选择和科学的结构计算,使得结构具有足够的安全性,同时也能确保了整个幕墙系统的经济合理。
  四.结语
  综上所述,单元式幕墙的设计主要目的在于更加明显地展示建筑的魅力。笔者主要分析了单元式幕墙系统原理以及单元式幕墙系统的实际发展难点和重点方面,进而详细讨论单元式幕墙防水设计的每个过程,分别为第一道防水设计、等压腔防水、排水设计和封闭腔防水、排水设计等。除此之外,本文还涉及到单元式幕墙设计与主体结构的连接的问题,逐步详细阐述其与预埋件设计等问题,希望能够成功发挥建筑的实际效果,增加建筑物的艺术魅力。
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