从设计角度谈装配式幕墙的施工安装——体系优化 高效作业

邓治良,陈恩莉,董 彪

(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都 610000)

本文通过工程施工的角度介绍预制混凝土挂板、单元式幕墙、小单元幕墙三种装配式幕墙施工特点和适用情况，分析装配式幕墙相较于传统幕墙在现场施工过程中的优势，提出对应体系在构造形式及设计上的要点。

1 装配式幕墙类型

文中介绍三种常用装配式幕墙体系：预制混凝土挂板体系、单元式幕墙体系、小单元幕墙。

1.1 预制混凝土挂板体系

该体系集外墙装饰面、保温于一体，工厂生产一次成型，省去了建筑现场外装修的环节。按功能定位可分为围护板系统和装饰板系统，其中围护板系统按建筑立面特征又分为整间板体系、横条板体系、竖条板体系。(参考图集：《预制混凝土外墙挂板》08SJ110-2、08SG333。)

1.2 单元式幕墙体系

单元式幕墙：将面板、横梁及立柱在工厂整体组装为幕墙单元，以幕墙单元形式在现场完成安装施工的框架支承建筑幕墙。

1.3 小单元幕墙

(1)龙骨装配式：指幕墙的龙骨支承体系在加工厂组框，形成龙骨单元后，再在现场整体挂接于主体结构上，最后面板以组件形式在现场安装于龙骨单元上。

(2)面板装配式：指内外墙面板在工厂通过附框形成装配式整体板块，同时现场幕墙系统的主要支承龙骨以构件形式安装，两方完成后再将整体板块在现场与龙骨体系进行挂接。其功能兼具外墙饰面、外墙防水、外墙保温、内墙饰面等各种墙体功能。

2 装配式幕墙在设计过程中应考虑的施工要点

2.1 预制混凝土挂板

2.1.1 预制混凝土挂板的优点

预制混凝土挂板是幕墙中用于代替普通现场砖砌墙，其相对于普通砖砌墙，从施工角度分析具有以下优点：

(1)混凝土浇筑及板材生产过程在工厂中完成，现场安装时方便快捷，高效利用流水生产，有效缩短工期。

(2)混凝土板采用标准化机械生产，产品质量控制好受现场条件影响低。

(3)周转料具投入量减少，相关现场施工费用及占用空间降低。

2.1.2 预制混凝土挂板设计要点

预制混凝土挂板适合建筑立面造型异形较多或单个板块面积过大的情况，针对这种异形和大板块的施工情况，在工程前期设计阶段，需要考虑以下几点内容：

(1)异形板块的力学计算：对于非平整板块或多角度组合板块应当在设计前完成有限元分析。

(2)异形建筑的风荷载取值：在考虑带局部转角或板面凹凸时，可按照最不利情况(转角区)计算风荷载体形系数。

(3)预制面板的面板预埋转接布置、预制面板的加强筋布置、预制面板的第一道支承龙骨的布置(工厂完成)：在设计前分别应当考虑最不利情况，如连接或支承最薄弱环节失效后仍能保持一定安全性。

(4)面板分格的规划：除构件及其连接须计算验证具有充足承受能力外，预制面板的分格大小亦可能受到运输、吊装设备安装条件的限制。

(5)安装误差的控制：大板块不规则面板与主体结构应当具有充足的三维可调节范围、以满足大板块固定于主体结构上时，其所需的预埋件布置方式和位置。

(6)系统间的交接：应当在设计中考虑不规则板块层间与主体间防火隔离带布置的合理性、大板块面板之间的交接契合方式与空间等。

(7)挂件限位能力：当挂板遭遇地震作用等特殊情况下产生竖向位移时其限位构件的承载能力。

2.2 单元式幕墙

2.2.1 单元式幕墙的优点

(1)由于组框过程在工厂中进行，其现场施工速度快、周期短、内容少。

(2)单元板块间采用企口组合，现场安装精度高，表面平整度效果好。

(3)构件由数控加工生产，便于保证质量；组框过程全部在工厂中完成，便于控制精度及质量。

(4)幕墙单元中可用随意多种面材组合形式，在采用更复杂的结构时，施工仍很方便。

(5)生产安装过程工业化程度高，安装过程受现场主体结构施工情况影响小。

2.2.2 单元式幕墙设计要点

单元式幕墙适合建筑外立面规整且体型较大的建筑，以及施工条件较差的建筑，例如难以布置充足脚手架系统的高层与超高层建筑，水上建筑等。其主要设计要点如下：

(1)型材断面设计：除龙骨对应所需的力学性能外，还应充分考虑企口料拼接的安装空间、各类槽口的交接形式、与相邻板块组合形式以及型材结合后气密水密的合理性。

(2)气密和水密系统设计：考虑布置合理的尘密线、水密线及气密线，保障等压腔发挥良好作用。

(3)系统整体排水功能：除雨幕层防水外，须保证等压腔内少量渗漏水及时排出。

(4)预埋件和单元板的挂接方式设计、单元板块荷载作用对主体结构的影响：在设计前分别应当考虑最不利情况，如连接或支承最薄弱环节失效后仍能保持一定安全性。

(5)防火系统设计：考虑防火层设计时应当充分考虑相应防水防烟。

(6)横竖胶条是否需要对齐：三重密封线是否对齐需要依据节点结构综合考虑。

(7)结构梁下部的中横框设置积水及排水构造。

(8)支座系统的三维可调节功能：幕墙单元与主体结构应当具有充足的三维可调节范围、以满足单元式幕墙固定于主体结构上时，其所需的预埋件布置方式和位置。

(9)挂件限位能力：当单元式幕墙遭遇地震作用等特殊情况下产生竖向位移时其限位构件的承载能力。

2.3 小单元幕墙

2.3.1 小单元幕墙的优点

小单元幕墙是在特定情况下替代单元式幕墙的体系，除了单元式幕墙的各类优点外，还具有以下独有优点：

(1)其每一块面板都是独立的，均可独立安装拆卸，不影响附近构件。

(2)对土建结构造型、结构形式以及预埋件要求较低，易于误差控制。

(3)相较于传统单元式幕墙，其造价更经济，可适用于各种规模的项目。

(4)在面对系统单一却具有复杂或不规整造型的建筑外立面时，可有效减轻设计工作量及施工难度。

2.3.2 龙骨装配式小单元幕墙设计要点

适合有大量幕墙窗系统的建筑，各个幕墙窗由窗间墙分离开，但窗的规格相同。对于这种幕墙系统的设计要点：

(1)断面设计及组框：施工图阶段需要有明确的组框图，且需要准确指出哪些构件应该在工厂装配完成，哪些连接属于现场施工内容。

(2)系统交接的结构组合：考虑框单元中边框与窗间墙中其他非透明幕墙的共用问题，明确对应龙骨是否参与相邻侧受力及防水、隔热等功能要求。

(3)支座系统的三维可调节功能：龙骨系统与主体结构应当具有充足的三维可调节范围、以满足小单元幕墙固定于主体结构上时，其所需的预埋件布置方式和位置。

2.3.3 面板装配式小单元幕墙设计要点

适合龙骨空间跨度大，单位面板相同，但面板布置方式复杂的外立面建筑。对于这种幕墙系统的设计要点：

(1)面板单元设计：面板单元需具备围护系统基本功能，满足独立的荷载承载能力和对应所需的各类要求，如防水、隔热等。

(2)面板单元与龙骨系统间连接：由于外立面面板布置复杂，单位面板与龙骨的连接应简洁方便，且保证具有充足的可调节角度，以消除外立面拟合产生的误差。

(3)应考虑其相对于龙骨系统三维可调节：每个面板单元龙骨系统应当具有充足的三维可调节范围，方便对应位置的各种安装方式和分格定位。

(4)防火系统：应当考虑多个小单位面板组合的墙面在层间的防火隔断问题。

下面以笔者参与设计的实际项目对小单元幕墙进行说明。成都音乐广场主舞台，该项目是一个展现成都文化和城市精神，服务音乐艺术和成都市民的顶尖文化、艺术主体公园。该单体建筑设计师以凤凰展翅为设计思路，形成如图1所示的优美建筑造型。其外围护包含墙面和屋面两部分，单体外围护的墙面外层开口棱锥装饰铝板系统和屋面矩形造型铝板系统均为面板装配式小单元幕墙。

图1 主舞台效果

该项目通过模型定位辅助，在建筑师设定的完成面模型上细化幕墙结构层次。屋面小单元铝板系统中通过细部节点尺寸对小单元幕墙系统中龙骨体系的各级主次檩条进行定位和放样，且在非均布、非平整及非常规的龙骨连接状态下，以三维模型的方式确定对应龙骨体系的连接关系。这种模型表达方式使这种复杂构造简单易懂，大大提高现场的施工安装效率，施工质量得到更大保障(图2～图4)。

3 总结

幕墙施工有别于建筑工程其他专业，需要较为复杂的空间及时间规划。工人及构件暴露于高空作业的时间与次数都极高，采取更科学更符合施工需求的结构体系，才能使得幕墙相关工程安全高效地完成。而这些设计当中，除了施工现场的规范、条例、措施外，也需要幕墙设计师们在设计过程中采用更优化的设计构造体系，使幕墙施工工业化，将尽可能多的施工工序工厂化，减少现场作业工序和时间，提高建筑幕墙从加工到安装的机械化程度。这些都需要从工程设计前期开始，从设计角度，给出更加合理的设计方案，引导建筑施工工业化，引领建筑向绿色的方向发展。

图2 墙面系统

图3 屋面系统

图4 屋面龙骨系统