论文 | 如何解决玻璃幕墙外的竖向大尺寸铝合金线条及大尺寸上悬窗的技术难点
本文全面介绍了陕煤化研究院西安总部基地项目幕墙工程的设计过程和设计思路。该工程包含小单元玻璃幕墙系统、装饰条系统、框架石材幕墙系统、框架铝板幕墙系统等，全文分别对各系统进行了重难点分析，及结合现场施工进行的相关设计配合，旨在为读者提供类似借鉴经验。
建筑设计单位：华陆工程科技有限责任公司化学工业部第六设计院 本项目由101和600A塔楼组成，101和600A塔楼通过中间裙楼连成一个整体，其中，101楼由21层塔楼（99.1m）和4层裙楼（25m）及小连廊组成，600A楼为22层97.5米。另外，本项目还包含有1#汽车坡道、1#自行车坡道、2#汽车坡道等3个小单体构造。 本建筑的特色在于它是大型国企陕西煤业集团的研发总部基地，建筑师通过对建筑外观的精心设计和建筑用材的选用，体现了简洁与精致并重的设计风格。既为总部基地主要出入口创造醒目的外观特征，也为近人尺度的建筑外观提供了可近距离欣赏的精致工艺节点。复合型幕墙立体化层次的设计，为建筑在白天提供了丰富可变幻的光影效果。通过夜景LED线光源的设置，既强化了几何构成的极简主义设计手法，同时又创造了印象深刻的夜景设计特征。外立面通过玻璃和石材的组合，既是现代化和工业化的组合，也是对精致简洁与庄严肃穆相结合的的建筑理念的诠释。 本项目为框架幕墙，2栋塔楼和1栋裙楼的设计风格统一，幕墙系统种类较少，主要可分为5个主系统： 1) 大线条玻璃幕墙系统：南北立面带大尺寸竖向线条的竖明横隐玻璃幕墙（重难点） 2) 小线条玻璃幕墙系统：东西面和裙楼常规小线条的竖明横隐玻璃幕墙 4) 锯齿状石材幕墙系统：裙楼东面主入口两侧锯齿状造型的石材幕墙 5) 铝板雨棚系统：塔楼和裙楼各入口的无拉杆的悬挑铝板雨棚 4.5幕墙热工性能,幕墙传热系数等级为5级，遮阳系数等级为7级。 4.7耐撞击性能,幕墙耐撞击性能等级为室内2级、室外2级。 本项目幕墙系统类型主要是南北立面大线条小单元玻璃幕墙、东西立面小线条小单元玻璃幕墙、东西立面石材幕墙。外立面造型规整，并没有新颖、复杂的特殊立面造型，幕墙的设计重点是将典型的小单元玻璃幕墙、石材幕墙进行最合理、最经济、最便捷的设计，幕墙的设计难点是解决玻璃幕墙外的竖向大尺寸铝合金线条、1300mm×2800mm的大尺寸上悬窗方案的技术难点。 本工程塔楼为竖明横隐小单元玻璃幕墙系统，玻璃采用8+12A+8mm中空钢化Low-E双银玻璃；层高4.1米，立柱单支点形式，竖向挑出100×300mm铝合金装饰线条，开启扇分格尺寸为1300×2800mm； 带竖向大装饰线条的竖明横隐玻璃幕墙是本项目体量最大的幕墙系统，其竖向大尺寸铝合金线条、大尺寸上悬窗方案、玻璃小单元安装方式是较为非常规的幕墙系统。 大线条玻璃幕墙系统为竖明横隐，立柱为100*140mm断热铝型材，玻璃通过300mm间断均布的50mm长铝压板固定。外部设置了150*300mm的竖向大装饰线条。为简化型材加工工艺、提升施工效率，并增加热工性能，对大线条系统构造进行了深化调整。 针对此系统先后设计了8套方案进行一轮轮将系统深化至最简洁、安全、经济、便捷。具体做法是将线条的连接件取消，加强铝压板连接，将竖向大线条由螺接改为不锈钢螺栓挂轴来挂接安装。线条为每一层一根，每根上下端各设置一套挂接系统，挂座为150mm长压板型材固定于立柱上，采用6颗M5机制螺钉固定，钉头打胶，挂座上加工出挂接用钥匙孔。螺栓组安装于线条型材上，安装时直接将线条螺栓组挂轴推入挂座孔位中即可到位。线条上端两侧的2颗圆柱头M6机制限位钉在挂接前预拧入，再固定小扣板型材，然后进行线条挂接，挂接到位后使用螺丝刀通过扣板型材上的工艺孔将限位钉拧紧进行线条的上下限位。线条的下端设置了一段61mm长插芯，起到提高上下层线条垂直度作用。更换玻璃时，先拧松限位螺钉，然后上抬线条后往外移即可拆下线条，再进行正常的玻璃更换。 玻璃幕墙通过玻璃与立柱之间打胶进行防水，所有穿透立柱的固定用螺钉的钉头均需打胶，采用带胶打钉的方式。断热条移至于中空玻璃间隔条平齐并调整为穿条式断热条； 经过深化后的方案具备以下优点：1、提高后期维护时玻璃更换的操作性。2、安装便捷性极大提高；3、提升节能性能；4、降低加工难度。 玻璃幕墙横梁处隐框玻璃设计为小单元形式挂接，无需安装压块。玻璃托设置2块，横梁挂座上的防噪胶条为无需通长，设置2段。小单元构造的安装极为简洁简单方便，玻璃板块挂上即到位。 玻璃板块的挂钩全部插入横梁相应的槽口内，不用压块固定，实现了线面接触。因此能够承受强大的风荷载，避免了如压板漏压和采用自攻螺钉固定压板在负风压的作用下容易造成的安全隐患及施工困难的问题。每块玻璃只需几秒到几十秒钟即可安装完毕，比传统的隐框压块方式安装需要二、三十分钟才能安装完毕及每个压块同时又要顾及相邻玻璃的烦琐,极大地缩短了安装时间，明显地提高了施工进度和效益。 原方案横梁采用闭口型材,横竖连接为铝合金角码，需逐根有序安装。同时窗下横梁处连接螺杆一端无横梁进行隐藏，螺杆会外露；经过深化，玻璃幕墙横梁仍采用闭口型材，横竖连接通过插芯配不锈钢弹簧销固定。需预先将弹簧销钉安装，并试验销钉是否可以无障碍自由弹出，测量放线立柱内侧实际安装尺寸后将插芯固定于横梁上，安装好横竖型材的隔离胶垫后再进行横梁安装工序。横梁与玻璃之间由胶条收口改为2mm密缝收口； 本工程采用的插销式闭口腔系统可以较好的解决横竖转接的可靠性、同时避免横竖龙骨安装顺序要求。深化后窗下横梁处不会露出连接螺杆；弹簧销形式可无序安装，利于材料组织、多作业面同时施工；松下横梁前端的固定螺钉即可拨动插芯后拆卸横梁，便于更换；解决横梁上胶条容易脱落及难以安装问题； 转角处外形比较特殊，在阳角处需设置大线条，且大线条侧边需与转角玻璃在一个平面。为解决此问题，对大线条的挂座型材单独开模，设计为非对称形式，挂轴为长螺杆配双自锁螺母形式。 转角大线条中心线与立柱存在9mm偏移，靠玻璃一侧的小扣盖型材为单独开模型材，截面与常规扣盖尺寸不同。转角大线条处侧面玻璃背面部分涂黑。玻璃通过方管副框侧面打钉固定，钉孔工艺孔需补胶封堵。转角大线条的转接件连接采用一个侧面转接件、一个后端转接件固定于阳角两块预埋件上。 本项目的窗为上悬窗，尺寸很大，宽度1333mm，高度最大为2800mm，且数量很多。原方案窗扇设计为挂钩形式，挂钩设置在上窗框型材上，而上窗框型材通过自攻钉固定在横梁下方，挂钩将窗扇重量全部传递给上窗框的连接螺钉，螺钉长期受拉，如窗频繁开关，窗框容易变形、可能存在漏水隐患。防脱型材也会实际使用过程中容易因窗扇开启时的挤压导致变形、移位，导致窗扇脱落风险； 为进一步提升窗的安全可靠性和防水性能，经过计算和重新设计在窗扇上增加铝合金合页、锁点采用为6点锁。优点是：1、合页安全可靠，解决窗扇脱落风险；2、窗扇重量直接传递给横梁，传力路径更合理，窗框不易变形。 具体做法是：上悬窗为6点锁，采用合页配风撑构造安装。合页为自制铝合金合页，提前固定于窗扇上方。先安装窗框，再安装窗扇。安装窗扇时将窗扇平推进去，合页的挂钩挂入横梁挂槽后下落3mm即到位，然后打合页上的限位螺钉。 因窗扇合页是安装于横梁上而非窗框上，所以为提高窗密闭性能，窗框的安装精度需保证窗上方挡水胶条需提前与横梁穿好，在安装好上一块玻璃后需进行打胶密封窗有1400mm、2700mm、2800mm等不同高度，通过调节不同的开启角度以保证开启进程均在300mm以内大线条立柱处窗左右需安装铝方管加强型材。各拼缝打胶连续，大线条及窗的左右安装精度经过模拟和试制样窗，避免可能在开启时发生刮蹭。 小线条玻璃幕墙位于东西面凹槽和裙楼，分格比塔楼大装饰线条玻璃幕墙小，玻璃为6+12A+6mm中空low-E钢化玻璃。横梁构造、开启窗构造与大装饰线条玻璃幕墙一样，按大线条玻璃幕墙的做法；层高4.1米，立柱双支点形式； 小装饰线条玻璃幕墙的原小装饰线条玻璃幕墙的立柱规格有2种，具备统一规格条件。在设计过程中，将裙楼130mm长度截面立柱规格统一为塔楼东西面凹槽的115mm截面立柱；深化后材料种类减少，利于材料组织，也减少了开模数量。 小线条玻璃幕墙的立柱为60mm宽明框小立柱，断热条为后插入形式，竖向的防水采用竖向防水雨布粘贴的形式。 明框幕墙的玻璃与铝龙骨之前理论上一般是可以不打胶也可达到防水效果，但实际工程现在一般都还是在玻璃和铝龙骨之间缝隙打密封胶作为第二道防水加强。本项目小线条玻璃幕墙则采用了50mm宽防水雨布来作为第二道防水，此做法为门窗常用做法，但在幕墙中较为罕见。我们对比研究了相关的防水雨布（防水膜）产品，此材料为类似于大卷透明胶布那样的单面粘性胶布，胶布材质为丁基胶带或三元乙丙胶带，使用时粘贴在玻璃表面盖住缝，施工时重点控制十字缝处竖向防水膜与横向隐框密封胶的交接及连续，粘贴后压实再装压板压住。施工效率比常规打密封胶大幅提高且无需等待密封胶固化即可进入下道工序。 原屋面幕墙立柱穿透压顶铝板，并延伸到下一楼层，屋面防水需完全依靠铝板及屋面幕墙龙骨的各处密封胶。为进一步提升防水可靠性，我们列举了相关的案例向业主提出提高防水性能的建议。在经过多次建议和沟通后，最终增加女儿墙处的构造，变更进行断水深化，幕墙立柱在女儿墙处断开，屋面立柱不伸入女儿墙压顶铝板内，深化后断水彻底，屋面雨水落至女儿墙压顶铝板即排走，不会进入压顶内部，减少漏水隐患。 石材幕墙位于塔楼和裙楼外立面，面板为30mm厚花岗石，石材采用SE铝合金挂件式系统连接；部分上下收口处为M8不锈钢背栓形式。压顶水平石材采用L型不锈钢挂件安装。龙骨为镀锌钢管立柱及镀锌角钢横梁。其中南面入口处为锯齿状石材幕墙系统，角钢焊接成锯齿状横梁，石材采用背栓连接件拼接成L型。 考虑到原方案SE挂件系统构造特殊，石材板块调节螺钉需从8mm横缝处插入六角扳手进行调节，实际操作时如石材面板误差略大时就难以进行调节，施工进度对面板及施工的精度依赖度过大。经深化后改为我司成熟工艺标准化方案，取消隔离胶条，调节螺钉调整至石材下挂钩上沿。工艺成熟可靠，安装时使用加长六角头套筒调节螺钉，操作方便、施工效率高。 凹槽处上下玻璃之间的石材的横梁固定于铝立柱上部分包柱石材的横梁固定在角钢支座上。裙楼主入口和次入口分别有少量圆形石材包柱和正方形石材包柱，石材安装方式类似于大面石材。 锯齿状石材设置在裙楼南面，原方案横梁为F50*4mm钢管，钢管上焊接锯齿状牛腿，石材为2块拼接为L型，安装在牛腿上。 经计算发现锯齿石材悬挑安装于横龙骨上，横龙骨采用角钢不利于抗扭；且部分跨越2根横龙骨的锯齿钢龙骨两端均焊接造成横龙骨不能伸缩。 经过深化加强，锯齿石材横龙骨改用F50x4mm钢管，提高抗扭性能；跨越2根横龙骨的锯齿钢龙骨的其中一端改用螺栓伸缩连接。 BIM不仅仅是建筑信息模型，而是依托于信息模型对整个建筑的设计、生产、施工等进行全面管理的一种模式，BIM技术的应用贯穿于本项目的设计及施工全过程。 BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，也就是将建筑工程项目2D图纸转化为3D可视化模型的过程。它将设计成果直观表达出来，通过模型的可视化展现，配合建筑师及业主确认最终效果。同时也能更好优化建筑的建造，通过数据分析及三维节点验证，改正设计缺陷，提高项目质量。 将幕墙的模型与设计院提供的主体结构模型、暖通管道、室内精装等模型进行合模，进行幕墙和结构等的碰撞检测，提前做好处理预案。可以在施工之前发现干涉，并对干涉提出解决方案。这样可以减少返工的时间和成本，提高施工速度，保证施工是在科学有序的条件下进行。 (幕墙方案逻辑校验（LOD300）出屋面型材腔渗水问题)(幕墙方案逻辑校验（LOD300）室内精装修干涉问题)(幕墙方案逻辑校验（LOD300）室内砌体与栏杆干涉问题) 对于施工组织，建立详细精确的参数化模型，对安装过程进行模拟。在施工管理及措施阶段进行BIM应用，在施工进行过程中，从场地布置到各部位施工措施均进行模型模拟和施工工艺分析。（局部场布模型）施工管理及措施阶段（LOD 400）——场布 本项目外立面看似方方正正较为常规，但深入分析后，其玻璃幕墙的竖向大装饰线条、1300*2800的大尺寸上悬窗方案、玻璃小单元安装方式、竖向明框的防水雨布方案均为比较非常规的幕墙做法。如何更经济、更安全、更简洁、更方便地设计出适合于本工程特点的针对性方案，同时将BIM技术应用贯穿在整个项目全过程，就成了幕墙技术层面的设计要点。本项目历经2年，于2023年2月竣工，施工过程较好的验证了设计时希望达成的目标，作为较为成功的成熟项目案例值得推广给广大幕墙行业同仁参考。
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