造型铝板在幕墙应用中的设计要点解析

文／车亮 北京中铁装饰工程有限公司 北京 100041

引言：

当代建筑中，幕墙体系是建筑外墙装饰的一大组成部分，建筑幕墙的面材主要为玻璃、铝板、石材，其中玻璃和石材为脆性材料，不方便进行异型设计，而铝板作为金属面材，因其方便加工，质感优越，因此绝大部分造型幕墙均采用铝板作为实现手段。

玻璃幕墙在南方需要做大量的遮阳设计，铝板的方便加工和可塑性的特性，使其成为了绝佳的选择。

铝板在幕墙设计中，不同的设计思路，会极大地影响铝板造型的实现，且经济性会有很大的区别。

1、庐江西四边形遮阳铝板

庐江西站，位于中国安徽省合肥市庐江县境内，是中国铁路上海局集团有限公司管辖的铁路车站。该车站亮点设计为外露平行四边形造型铝板（见图1）。

图1 庐江西站房正视图

1.1 设计依据

1.1.1 基本参数

遮阳板的尺寸为2000mm×3000mm，工程所在地要求基本风压按0.3kn/m2考虑，地面粗糙度为B类，遮阳板最高处为16.86m。

1.2 设计思路

如按照常规思路设计，则此遮阳板需要从玻璃幕墙上做挑出钢板，在钢板上连接铝板安装龙骨，龙骨上安装遮阳铝板。为了遮挡铝板龙骨，还需要靠近玻璃位置在安装一层铝板，形成玻璃→铝板→铝板龙骨→面层铝板的构造。（如下图2）

图2 原方案节点做法

此方案会导致内侧铝板无法安装，连接挑板受力不利，多两层钢龙骨，造成经济、安全、施工工艺等多方面的困难和问题，为了解决上述问题，需要改变思路。

建筑遮阳板外形为规则的菱形分格造型，4条分格线交于同一点，如用常规思路设计，必然导致连接复杂，采用点式幕墙的设计思路将外层遮阳铝板做成小单元的体系，在每个交点位置与玻璃幕墙连接，则完美地解决了连接问题。

为了确保点式幕墙设计方案可行，将菱形遮阳板部位的分格进行统一划分，由原来的2.5m和2m交替分格，统一为2m分格，所有遮阳板的小单元外轮廓全部统一，有利于工厂统一加工，也有利于现场施工。由于项目所在地风荷载小，造型的外轮廓尺寸统一为3×2m，可以在满足体系安全可靠的前提下，有更好的经济性，因此点式幕墙设计思路成熟。

确定了设计方向之后，对遮阳板小单元进行受力分析，设计方案经历了单层面板→50mm宽折边方案→双层面板3个阶段；经计算分析，单层面板在风荷载作用下，面板强度没有问题，但挠度超标，为了控制面板的挠度变形，在板的四边增加了50mm的折边，增加折边之后，挠度可以满足规范要求，制作实物样板上墙后，发现从室内看50mm的折边方案会形成一个边部沟槽的效果，内部效果无法达到建筑师对建筑效果的要求，因此在综合考虑效果和造价的因素后，决定在室内可见范围内，采用双层铝板设计，内部附加一层铝板，内外两层铝板之间采用焊接连接；在室内不可见范围，采用50mm折边方案，可以适当地降低工程造价。最终的建筑效果完全达到了效果与经济的协调统一。

1.2.1 面板设计

选用3mm厚的3003 H24铝板，之所以选择3系列铝板，是考虑强度和可塑性等方面的要求，1系列铝板强度低，面板偏软，加工成型之后，铝板本身在风荷载作用下，应力和变形都不能满足设计要求，5系列铝板强度大，塑性不满足加工要求，在加工时，容易产生脆性裂纹。

整个遮阳板模块为平行四边形，为了方便铝板加工，将平行四边形改为2个三角形的铝板形体，铝板中间的开洞四周折边，增加铝板本身的刚度。每6块铝板在尖点固定，类似蜂巢造型（见图3，4）。

图3 多铝板连接节点

1.2.2 连接系统设计

连接体系设计，是本方案的设计重点之一，设计思路是从不锈钢管到铝合金筒再到开槽可调铝合金柱的3个阶段，最后综合考虑效果和造价，选择采用开槽可调铝合金柱的方案。

铝合金柱状底座和铝板角部连接的铝合金插件通过插接固定，插件和柱状底座之间有5mm的可伸缩变形能力，铝合金插件与铝板之间采用螺栓固定，铝合金柱状底座通过10mm厚不锈钢挑板与玻璃幕墙立柱焊接固定。不锈钢挑板和铝合金柱状底座之间采用艺术螺栓连接，确保外露面具有观赏性（见图5）。

图5 圆形底座、三角角码模图

1.2.3 安装工序

（1）钢连接件定位安装

钢连接件选用10mm厚的316不锈钢，钢连接件在玻璃安装之前与玻璃幕墙钢骨架焊接安装，安装位置应根据圆形底座位置拉通长钢丝绳准确定位，且安装偏差应控制在±2mm以内。

（2）三角形铝板与三角角码连接紧固

将加工成50mm长的三角角码，通过M6＊90mm螺栓固定在三角形盒子铝板上，三角角码安装前应进行氟碳喷涂，颜色与铝板一致。

（3）圆形底座与钢连接件连接紧固

加工完成的圆形底座通过2个M12＊100mm螺栓与已安装好的钢连接件紧固连接，螺栓中螺帽采用装饰性螺帽。

（4）三角形盒子铝板安装

将安装有三角角码的三角形盒子铝板从正面推入已安装紧固的圆形底座槽口中，安装前应先将限位套管套入圆形底座，铝板进出通过限位套管调节，调节完毕后安装固定螺丝进行紧固（见图6）。

图6 室内完工效果

（5）铝板装饰盖安装

整体三角形盒子铝板全部调整安装完成后，安装圆形底座端头铝板装饰盖，扣盖通过M5＊25mm螺钉固定在圆形底座上，装饰盖采用5mm厚铝板，外漏面氟碳喷涂处理，颜色与铝板颜色一致。

（6）优劣分析

采用多点连接装配化施工的铝板幕墙优点是取消了钢骨架，降低了钢材用量节约成本，避免了现场焊接作业有利于安全控制。存在的劣势是铝单板的加工难度增加，加工成本有所增加。适合于异型开缝铝板幕墙。

1.3 方案计算

方案确定后，则需要对方案进行计算核对。

本工程遮阳板所受风荷载为1.5 KN/m2，通过有限元分析软件进行分析：选定面板材料为：铝-3003-H24，厚度3mm。

建立铝板的三维实体模型，施加边界条件，约束三个角部的位移[1]，施加1.5Kn/㎡的风荷载：查看铝板应力云图（见图7）。

图7 铝板应力云图

应力云图中以许用应力89Mpa为红色边界，观察云图可知（见图8），铝板面板所受应力基本处于61.376Mpa以下，铝合金连接件应力小于61MPa＜140MPa(6063-T6)[2]，满足受力和强度要求。

图8 连接件应力云图

1.4 结论

经过软件建模，有限元受力分析，该遮阳板满足设计要求。该方案的优点是铝板加工成一个受力的盒状单元，铝板自身承受风荷载，铝板工厂加工，可以确保加工精度，避免现场安装铝板的精度不足问题。

1.5 项目使用中遇到的问题

项目完工后，建筑效果和安装质量都达到了业主和使用部门的一致好评，但是在经历2年的使用之后，铝板的污染问题，成为本工程的缺陷（见图9）。

图9 项目投入使用2年后照片

此问题的发生，主要是建筑造型的原因导致的。因此在做铝板遮阳板设计的时候，一定要规劝建筑设计，规避顶面与墙面圆弧交接的造型。

结语：

通过上述项目异形铝板的设计过程，论文讲述了异形铝板在的设计思路。纯装饰遮阳铝板，在设计之初就要摒弃传统铝板设计中的龙骨、面板体系；在接到设计任务的时候，首先要统一幕墙分格，统一的分格有利于面板的统一设计，连接点的统一布局，模块化加工和安装；分格统一之后，要采用单元体的设计理念，强面板，少挂点，挂点越多，安装越困难，应根据具体的工程情况设计挂点，采用三点或四点挂接，加强挂点与面板之间的连接，确保体系的安全可靠；不同的工程总有自己的工程特色，但设计思路是相同的，掌握了设计方法，总能根据方法进行相应的设计。通过上述案例进行论述，抛砖引玉，希望对业内从业者提供一些设计思路。