基于仿石材彩釉打印的异形超大板块玻璃幕墙系统建造技术

顾任池（上海建工四建集团有限公司，上海 201103）

1 工程背景概况

近年来，在城市文化新布局下，一大批重点文化设施类公共建筑正在紧密锣鼓地建设中。图书馆作为重要的公共活动场所和文化教育空间，在追求大空间布局、自然采光、绿色节能的基础上，对外立面独特造型和装饰效果提出更高的要求。

上海图书馆东馆项目坐落于花木城市副中心的城市公共绿地，建筑外立面呈现倒梯形外观，从城市的尺度看，整个建筑就像一块正在雕琢的玉石，漂浮在公园的绿树之上，是世纪公园地区的一个焦点。其构思理念来源森林璞玉，以玉石隐喻图书馆育人的过程，玉石需要经过精雕细琢方成器物，寓意人只有不断学习才能成为栋梁之才。

项目地块用地面积为 39 508 万 m2，总建筑面积114 951 m2，地上建筑面积 77 968 m2，地下建筑面积 36 983 m2。地下局部 2 F，上部结构 7 F，高度 50 m。地下室为混凝土框架结构，上部是钢结构为主体的框架剪力墙体系，外侧有最大跨度 16.8 m 的悬挑结构悬挂于屋盖，3～7 F悬挑结构尺寸由上至下逐层递减，钢结构外立面呈倒梯形布置且 4 个立面造型均存在倾角为 67° 的斜切面。外立面玻璃通过特殊的打印上釉技术呈现不同层次的透明度，就像石材表面变化的肌理。

2 幕墙系统介绍

本项目幕墙总面积约 40 000 m2，采用双夹胶中空钢化 LOW-E 玻璃，大范围玻璃面积达到 6.5 m2，重量达到近 700 kg；幕墙龙骨采用钢型材，总用量约 3 000 t；钢材采用氟碳喷涂处理，可视部位铝型材采用氟碳喷涂处理，其余不可见型材外表面处理为阳极氧化。幕墙系统分为屋顶天窗幕墙、主楼玻璃幕墙、裙房玻璃幕墙，其中以主楼玻璃幕墙和裙房玻璃幕墙为主。

2.1 主楼玻璃幕墙系统

主楼 3～7 F 大面幕墙系统为竖隐横明构件式半隐框幕墙，标准层高 6.2 m，标准分格宽度尺寸为 4 200 mm，玻璃分格高度为 1 550 mm 及 775 mm 两种；玻璃类型采用 4片超白钢化双夹胶三银 LOW-E 中空玻璃，局部玻璃采用压花＋彩釉打印玻璃；幕墙龙骨采用精致钢龙骨，钢型材截面尺寸 250 mm×100 mm。主楼四个立面设置大窗幕墙系统，最大跨度 20.8 m，基本玻璃分格为：宽×高= 4 200 mm×1 550 mm，玻璃类型采用四片超白钢化双夹胶三银 Low-E中空玻璃，幕墙龙骨采用空腹桁架。

2.2 裙楼玻璃幕墙系统

主楼 2 F 以下及裙房玻璃幕墙系统为构件式全明幕墙，基板玻璃分格为：宽×高= 2 100 mm×2 850 mm，玻璃类型采用四片超白钢化双夹胶三银 LOW-E 中空玻璃，局部玻璃采用压花＋彩釉打印玻璃；幕墙龙骨采用精致钢龙骨，钢型材截面尺寸为 250 mm×100 mm。

3 主要施工难点分析

3.1 直角钢型材龙骨加工要求高

本工程的幕墙龙骨体系为直角钢龙骨体系，标准立柱截面以平行四边形为主，传统意义的焊接钢方管在精度控制、外观质量、生产周期等方面不能够满足此工程。经幕墙顾问和专业单位推荐拟采用挤压钢龙骨，由于直角挤压型材加工属于新兴工艺，行业内缺少专用的规范参考，所以加工质量难以保证。

3.2 仿石材外立面效果选型困难

为了体现玉石效果，建筑师从全球各地的石材中选择了意大利鱼肚白的大理石。由于大理石材料不适合用于室外，从节能环保角度，也不具备大量开采进口的条件。根据初步方案，设计师拟在外立面选用玻璃，通过 3 D 彩釉打印技术呈现不同层次的透明度，来实现大理石石材表面自然变化的肌理。透明玻璃采用双夹胶超白钢化三银 LOW-E 中空夹胶玻璃（中空层充氩气），打印图案玻璃选型还需综合考虑外观、性能参数和力学性能等因素，不同的打印位置选择会影响玻璃安全隐患和参数性能。

3.3 外立面外倾，施工难度大

本工程上部钢结构外侧有最大跨度 16.8 m 的悬挑结构悬挂于屋盖，3～7 F 悬挑结构尺寸由上至下逐层递减，四个外立面呈倒梯形布置（上大下小），且每个立面由对角线划分为直面和斜面两部分，斜面倾角为 67°，斜面最大高度为50 m。采用传统吊篮仅能完成直面幕墙施工，无法覆盖斜面；同时，斜面跨度大，投影面积范围地面有地下室顶板、裙房屋面、下沉式庭院等多种工况，无法大面积采用落地脚手架辅助施工。

4 施工总体技术路线

4.1 精致直角钢龙骨加工工艺

直角挤压钢龙骨属于创新工艺，关键控制点在于如何有效解决挤压过程中钢管角部开裂的问题。在金属学理论研究的基础上，通过与长江学者、高校教授等展开合作研究发现，在挤压过程中增加中频加热环节，当钢管处于奥氏体的状态可以有效解决冷加压过程中直角钢方通角部开裂。

经过几个月的研究工作和实体测试，精致直角钢龙骨挤压生产工艺达到成熟阶段，最终确定了本工程直角钢龙骨的制作工艺流程：高频焊管选择→退火处理→冷变形挤压→校直→第一次中频热变形挤压→第二次中频热变形挤压→角部凸起修磨→校直→定尺锯切→成品检验合格出厂。

4.2 仿石材彩釉打印玻璃选型

为了使打印图案能够完美呈现自然之美，建筑师考虑先实地拍摄意大利鱼肚白大理石图案，再对照片进行后期处理。为了配合建筑师寻找适合的照片，专业单位组织建筑师和摄影师去亚洲最大的福建水头石材贸易基地进行了为期一周的拍摄，最终从拍摄的 800 多张照片中，选出了 16 张照片，经过后期处理，使照片精度达到 1 440 DPI。选用以色列进口的 Dip-Tech 数码打印设备，通过数码打印工艺将陶瓷油墨打印在玻璃上，可以均匀细致的高还原度彩釉图案，最终经高温烧结使油墨永久固定在玻璃表面，具有较强的抗酸碱、耐腐蚀性。

为兼顾幕墙节能性能和建筑采光效果，将彩釉打印玻璃的装饰效果与幕墙功能分开，通过采用两层不同性能的玻璃分别实现，同时结合外立面效果的需求，在保证玻璃结构安全与幕墙结构体系不改变的前提下，对玻璃构造进行了调整，分为半透和不透构造。半透构造由双层夹胶打印玻璃（装饰效果）和超白钢化夹胶三银 LOW-E 中空玻璃（幕墙节能功能）组成；不透构造由双层夹胶打印玻璃（装饰效果）和背衬板（幕墙节能功能）组成。

半透构造：由外片和内片组成，外片为 8＋1.52 SGP＋10 mm 的超白钢化夹胶彩釉玻璃，将大理石鱼肚白图案彩釉打印在 10 mm 玻璃内侧面；内片为 8＋16 Ar＋6＋1.52 SGP＋6 mm 超白钢化夹胶三银 LOW-E 中空玻璃，以满足自然采光节能要求。

不透构造：由外片和背衬板组成，外片为 8＋1.52 SGP＋10 mm 的超白钢化夹胶彩釉玻璃，将大理石鱼肚白图案彩釉打印在 10 mm 玻璃内侧面；背衬板设置在防火背衬墙位置，以满足消防要求。

在明确了打印图案和玻璃构造后，现场根据设计确定的图案排列，进行了 1:1 的实样施工，分别对透明、不透和半透玻璃进行了实物比选。通过实物挂样效果，对不同膜系的透明玻璃的观感效果进行了明确，最终确认了北玻的 72 号膜系为实施效果。彩釉打印玻璃精度满足设计要求的同时，图案对比度过于明显。由于玻璃反射率较高，彩釉打印玻璃上存在明显的倒影，导致大理石图案效果不理想，外立面玉石效果不佳，过高的反射率也无法满足《幕墙光反射影响分析报告》的要求。为了让外立面的效果更接近天然石材，降低玻璃反射率，现场着手对实物样板进行了改造。经过十几次会议讨论，多种方案反复推敲，最终决定将彩釉打印玻璃的外片玻璃改为压花玻璃来尝试解决这个问题。建筑师从几百种压花图案中选择了玉砂、香梨、布纹三种图案后进实物样板比选。

通过实体样板比较，压花玻璃的图案最终确认为香梨图案，外立面的仿石材彩釉打印玻璃的构造确定为 8 ＋1.52 SGP＋10 mm 钢化夹胶彩釉打印压花玻璃，各类玻璃构造的最终配置情况如表 1 所示。

表1 玻璃最终配置表

4.3 异形非对称幕墙体系吊篮施工

本工程四个外立面都存在外倾角为 67° 的斜切面，每个立面的竖向都存在垂直面和斜面交汇工况。为了使吊篮的使用能够灵活多变，采用全立面轨道式大斜度吊篮施工工艺，解决大斜度立面施工难题。

屋面布置双悬轨，内侧悬轨作为吊装物品轨道，外侧悬轨作为吊篮辅助安装使用；采 I 18 工字钢作为吊篮轨道（外侧悬轨）使用，I 20 a 工字钢作为吊物轨道（内侧悬轨）使用。在屋面桁架上，每隔 3 m 设置一道轨道支撑，支撑横杆采用 I 20 工字钢，立柱采用 250 mm×150 mm矩形管，与主体钢结构采用 M 20 螺杆、10 号槽钢抱箍，和轨道采用高强螺栓连接，非封闭式轨道两端安装轨道限位、挡板和缓冲器。

考虑主楼每个立面均有一半的斜面工况，环轨式吊篮只能覆盖垂直立面的幕墙施工，为了使吊篮能够发挥最大功效，在竖向设置钢导索，配合层间导向滑轮实现吊篮在斜面的使用功能。钢导索型号为 6×37＋ IWR-Φ12 mm-1 870，上端与屋顶钢结构固定，中间各层与层间调节杆固定，下端与地下室顶板固定，作为吊篮平台的柔性导轨使用，保证吊篮平台距离施工作业面一直保持在 150～500 mm 之间，方便施工作业。中间调节杆采用 70 mm×4 mm 方管，采用化学螺栓与楼板固定，每个吊篮机位设置两道。通过全立面轨道式大斜度吊篮施工，有效解决了 67° 外立面的物料提升和工人操作面难题。

5 结 语

本文以上海图书馆东馆项目为背景工程，结合工程外立面造型独特的特点、难点，对基于仿石材彩釉打印的异形超大板块玻璃幕墙系统施工建造技术进行了研究和实践。实践证明：通过对精致钢龙骨加工工艺的优化调整、不同构造玻璃的配置选型、仿石材彩釉玻璃打印技术研究、超大斜面幕墙体系施工等方面对异形大跨度悬挂体系的超大块玻璃幕墙建造技术进行详尽研究和分析，在施工过程中严格按照要求实施每道工序，最终外立面完美呈现出宛如画卷般的石材效果，达到预期效果。工程建造过程中的施工难点是国内常规幕墙工程中罕有的，希望对今后类似项目的设计与施工一体化具有借鉴意义。