刍议某项目大装饰条单元式幕墙的设计分析

文／陆启跃 上海龙华航空发展建设有限公司 上海 200232

1、工程概括

上海龙华航空服务产业集聚区项目（以下简称龙华国际）由X-1A（西岸凤巢）、X-1B（西岸智塔）、W-1A（上海航空器适航审定中心）、W-1B（上海国际航空服务中心）四个地块组成（图1），基地占地面积约为84059平方米。总建筑面积515468平方米，其中地上319368平方米，地下196100平方米。项目X-1A（西岸凤巢）高54.4米，7层，性质为商业；X-1B（西岸智塔）高199.9米，39层，性质为办公；W-1A（上海航空器适航审定中心）高72.8米，15层，性质为办公和商业；W-1B（上海国际航空服务中心）高235.9米，52层，性质为酒店、办公和商业。项目位于西侧临丰谷路、东侧临龙腾大道路、南侧临龙耀路、北侧龙启路。

图1 上海龙华航空服务产业集聚区项目效果图

本项目幕墙系统种类繁多，体量超大，幕墙总面积20万平方米，建筑物表面材料以玻璃、聚碳酸酯板、铝板和石材面板为主。由于单元式幕墙具有预装配率高，工厂制作精度高，工地安装周期短，现场安装方便等因素，结合X-1B和W-1B二栋塔楼为超高层的特点，我们选择了单元式幕墙作为二栋塔楼的幕墙设计方案。

2、建筑效果还原设计

二栋超高层的建筑师原设计理念中主立面以玻璃为主，每隔2.4米，有一条尺寸为深500mm、宽200mm的装饰构件从顶至底，效果为横隐竖明，由此，我们有三个方案可以实现建筑效果。

方案一、装饰条与外维护幕墙分离，外装饰构架作为独立的装饰件与外维护幕墙分开，幕墙横隐竖明，幕墙竖向龙骨以常规80mm左右宽设计，外面的装饰条通过转接件连接到单元式幕墙，再由幕墙连接到主体结构，或者装饰条直接穿过单元式幕墙连接到主体结构上；

方案二、装饰条与幕墙一体，根据上海建筑幕墙工程技术标准DG/TJ08-56-2019,4.1条一般规定中，钢化玻璃应不大于4.5m2,因此单元式幕墙分格为1.2米宽，竖向立柱宽度以200mm、80mm宽交替布置，幕墙横隐竖明；室内侧增加扶手栏杆；

方案三、装饰条与幕墙一体，单元式幕墙分格为2.4米宽，竖向立柱宽度以200mm，在离室内完成面1050mm高度位置增加横向分格；

以上方案通过效果图模拟，再经综合考虑，方案一和二由于施工复杂，容易漏水，从室内侧效果凌乱以及造价高等因数，最终选择了方案三（见图2）。

图2 幕墙效果

3、幕墙光反射分析

建筑玻璃幕墙对周围环境会产生太阳光反射影响，对周围的居民会有一定的影响，本项目通过专业的环评单位，出具了建筑玻璃幕墙光反射影响分析报告，结论为本项目玻璃反射率控制在15%以下，另外弧形区域立面玻璃反射率不大于采用12%，可以大大降低玻璃产生的炫光程度。考虑到玻璃效果的整体性，我们的建筑玻璃采用反射率为12%的玻璃。

4、热工分析

根据设计院提供的《上海公共建筑权衡计算报告书》，透明玻璃幕墙部分U≤0.20W/(m2.K),遮阳系数SC≤0.32；非透明幕墙部分U≤0.45W/(m2.K)。

计算原理

面材的传热系数与面材边缘的线传热系数在总面积上的加权，公式如下：

Ag——透明玻璃的面积

Ap——非透明板的面积

Ug——透明玻璃的传热系数

Up——非透明板的传热系数

LTJ——面材边缘的长度

ΨTJ——面材边缘线传热系数

其中公式中的 UCW也就是我们要计算的幕墙的整体传热系数，也称之为 K 值。（表1）

表1

结论：KCW=1.939≤2.0，满足节能要求。

5、结露分析

基本计算参数：

计算地点：上海

室内计算温度ti：18℃

冬季室外计算温度te：-2℃

冬季室内相对湿度：60.00%

露点温度T露点：10.15℃

通过粤建科®MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件以下温度场图（图3）

图3 温度场图

结论：温度场图显示，室内温度均高于10.15℃，室内侧不结露。

6、幕墙防火构造设计分析

本项目室内设置了自动喷水灭火系统，在玻璃幕墙与楼层边沿实体墙上、下水平缝隙的防火封堵，采用厚度不小于200mm厚容重不低于100KG/m3的岩棉进行填充密实，使用厚度为1.5mm的镀锌钢板作为承托板，并与幕墙横梁连接，另外一边与主体结构连接，并用防烟胶填满缝隙。上下填充的岩棉距离不小于0.8米。

楼层每个防火分区设置不少于2个消防救援窗，相邻的救援窗间距不大于20米，单个消防救援窗的宽度不小于1.2米，高度不小于1米，消防救援窗的下沿距室内地面的高度为1.1米。

7、幕墙防雷设计分析

本项目幕墙采用了隔热构造设计，因此对有隔热构造的幕墙铝型材，内外侧采用金属导体连接，对幕墙横竖两方向单元板之间橡胶条缝隙连接处，采用导电金属条连接，形成良好的电气通路。每100平方米为一个单元，每个单元网格角点与防雷系统连接，形成电器贯通。其中连接的金属条可以铜编织带，也可以铝质等具有良好通电性能材料制作。项目最高点设置避雷带。幕墙建筑防雷接地电阻应符合防雷设计规范要求。

8、幕墙防渗漏设计分析

单元式幕墙结构发生漏水，基本上可以确定幕墙的缝隙中出现了水，在室外压力的作用下，把水分子挤进室内，造成了幕墙渗水。

水分子的出现，是大自然现象，是无法通过人的意志来转移的，所以要做到幕墙不渗水，我们需要在开展单元式幕墙结构防水设计过程中，科学合理的对其缝隙消除，并通过平衡压力差，消除外界对水分子的作用力，从而防止幕墙渗漏。由此，我们在单元式幕墙设计中要考虑以下二点：

（1）第一道防水作为幕墙防水的基础，首先单元式幕墙本身的竖料与横梁的连接处，需要打胶密封，玻璃面板与单元式幕墙框料之间，需要通过硅酮密封胶连续密封，中间不可有漏洞缝隙存在；其次单元式幕墙板块周边，需要设置披水胶条，披水胶条的宽度要大于幕墙单元板安装后的缝隙，通过披水胶条等措施，要把绝大部分的雨水排除在外。

（2）等压腔防水设置和排水设置,虽然第一道披水胶条能把大部分雨水挡在室外，但不能排除有少量雨水进入腔体，由此，我们需要在单元式幕墙的公母料、头尾料按压力平衡原理设计，公母料及头尾料在拼接以后，能形成大于等于二个压腔，从而通过腔体降低与室外的压力，雨水受重力影响，从竖向腔体排入到横向腔体，并从排水孔排出至室外。排水路径见附图4。

图4 排水示意图

9、结构设计分析

9.1 设计计算依据

工程基本条件：

（1）地区类别：B类

（2）基本风压：WO=0.55KN/m2(根据50年一遇风压取值）

（3）地震烈度：7度

9.2 设计荷载确定原则：

（1）风荷载计算：

安装荷载规范与风洞试验报告结果比较取大值

（2）地震作用计算：

幕墙平面外地震作用标准值计算公式如下：

其中：qEK为垂直幕墙平面的分布地震作用（KN/m2)；

βE为地震动力放大系数，按5.0取定

αMAX为水平地震影响系数最大值（7度：αMAX=0.08）

（3）幕墙结构自重：

按规范要求，幕墙结构自重的分项系数取γG=1.2

（4）荷载和作用效应组合：

S=γGSGK+ΨWγWSWK+ΨTγTSTK

荷载和作用效应组合的分项系数，按下表2采用：

表2

9.3 幕墙系统结构计算

（1）中空夹胶玻璃结构计算：

1）部位基本参数：

最大标高235.9米，玻璃为8mm（半钢化）+1.52PVB+8mm(半钢化）+12Ar+10mm（钢化）夹胶中空玻璃，最大横向计算分格宽度2400mm,最大纵向计算分格宽度1950mm。玻璃为四边支撑。弹性模量E=0.72X105N/mm2;松柏比ν=0.2；设计强度fg=84/mm2(钢化）；设计强度fg=56/mm2(半钢化）；

2）设计荷载确定：

根据风洞试验报告最大风压ωK=0.45KN/m2

计算时风压取大值ωK=0.45KN/m2

3）结构计算：

玻璃短边尺寸/玻璃长边尺寸=1950/2400=0.8125,按线性插入法可得弯矩系数m=0.0615,中空玻璃需按玻璃刚度分配荷载

玻璃重力面密度：GK=25.6X0.008=0.2048KN/m2

地震荷载：qEK=5X0.08X0.2048=0.082KN/m2

标准值：qHK=ωK1=1.252KN/m2

设计值：qH=1.4ωK1+1.3X0.5XqEK=1.4X1.252+1.3X0.5 X0.082=1.806KN/m2

根据规范，玻璃强度和挠度可进行折减：

查表，可得折减系数：η=0.777

玻璃计算截面正应力

玻璃重力面密度：GK=25.6X0.010=0.256KN/m2

地震荷载：qEK=5X0.08X0.256=0.1024KN/m2

标准值：qHK=ωK2=2.223KN/m2

设计值：qH1=1.4ωK2+1.3X0.5XqEK=1.4X2.223+1.3X0.5X0.1024=3.179KN/m2

根据规范，玻璃强度和挠度可进行折减：

查表，可得折减系数：η=0.826

玻璃计算截面正应力

玻璃刚度计算：

中空玻璃等效厚度：

标准值：qHK=ωK=4.5KN/m2

查表得玻璃挠度系数：µ=0.0059

根据规范，玻璃强度和挠度可进行折减：

查表，可得折减系数：η=0.829

玻璃中心最大扰度：

结论：玻璃满足强度和变形要求。

（2）其它部分的结构设计：

相关的立柱、装饰条、横梁、牛腿、预埋件、结构胶、玻璃承压托条、相应的螺栓等均需要满足结构计算，由于本项目的装饰条尺寸偏大，还需要增加装饰条的侧向受力计算。

10、单元板运输分析

本项目的装饰条尺寸宽200X深500mm,单元板厚度为185mm,外凸牛腿挂码92mm,总计厚度为777mm,根据幕墙单元板组装厂运输至项目工地，路线限高4.2米，根据卡车车板据限高点，运输方案一，装饰条与单元板分离，待运输至项目后再组装，单次货架可以叠加7块单元板；方案二，装饰条在出工厂前组装完毕，单次货架可以叠加3块单元板；相比方案一的运输效率优于方案二，由此，选择幕墙单元板装饰条由项目工地上组装。

11、幕墙设计性能检测试验检测分析

幕墙单元板在大面积加工安装前，除了需要对其垂直方向变形性能、平面内变形性能以及平面外变形性能、气密性能、水密性能以及抗风压性能检测以外，本项目的装饰条尺寸比较大，需要对其增加耐撞击性能，检测方法可以根据《建筑幕墙耐撞击性能分级及检测方法GB/T38264-2019》和《建筑幕墙GB/T21086-2007》，装饰条耐撞击实验按《建筑幕墙耐撞击性能分级及检测方法》4.2.2条表一三级标准，逐级增加，撞击物体为由3个靠拢的轮胎、配重和其它连接件组成的软重物，总重量为50Kg，轮胎内压力为（0.35±0.02）MPa,试验中，应避免因弹性而造成多次反复撞击，待撞击停止后，观察幕墙吸收撞击能量后仍能保持原有性能，未见零部件脱落以及发生永久变形等情况，满足要求。

以上试验中，如有结构损坏、剥落、渗水等情况发生，需要分析失败原因，并根据实际情况对其调整或重新设计。

12、幕墙各分项设计

（1）清洗及维修分析

幕墙立面的清洗和维修是通过擦窗机来日常维护，擦窗机在每隔二个楼层设置一组防风销，我们把防风销隐藏在装饰条中，并紧固在竖料上，通过竖料连接到幕墙牛腿。

（2）泛光配合设计

本项目的幕墙为横隐竖明，所以我们把灯具藏于装饰条内，灯光的电源及相关信号线，通过止水阀，穿过幕墙单元板连接至配电间，以上的设计即保证建筑效果的同时，也保证了幕墙的水密性。

结语：

我们通过以上步骤来设计单元式幕墙，不但保证了幕墙的安全性及质量，同时也避免了后期施工过程中由于前期考虑不周引起的整改、反工。为项目顺利推进做出了贡献，为同类项目的幕墙提供设计思路。