0 前言

隨著我國(guó)玻璃制造工藝的不斷改進(jìn)，建筑師對(duì)建筑外立面通透性的要求不斷提高，超大尺寸玻璃板塊已經(jīng)在幕墻工程中得到了大量應(yīng)用。對(duì)于超大玻璃板塊，目前尚無(wú)明確的定義。常規(guī)的玻璃尺寸寬度不超過(guò)2.4m，高度不超過(guò)4.5m。換句話說(shuō)，玻璃尺寸超過(guò)以上尺寸的可視為超大玻璃板塊。本文以“北京市電力科技館”幕墻專項(xiàng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)超大玻璃板塊幕墻的板塊計(jì)算、連接構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行分析闡述，以供此類幕墻設(shè)計(jì)工程參考。

幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)建筑語(yǔ)言具有最直觀的展示作用，建筑師往往通過(guò)外幕墻即“外皮”來(lái)展示建筑或現(xiàn)代或古典的特質(zhì)。石材這種材料，因?yàn)榫哂刑烊?、厚重的質(zhì)感，因此被大量應(yīng)用于建筑外立面。近年來(lái)建筑師已不滿足于常規(guī)平板石材的效果，開(kāi)始采用鏤空的石材面板來(lái)形成外皮的不規(guī)則肌理。本文結(jié)合“北京市電力科技館”，對(duì)鏤空石材的設(shè)計(jì)辦法、計(jì)算過(guò)程進(jìn)行闡述，以供此類幕墻設(shè)計(jì)工程參考。

1 工程概述

北京市電力科技館由國(guó)網(wǎng)北京市電力公司出資興建，項(xiàng)目地位于北京市菜市口大街東側(cè)，集辦公、會(huì)議和展覽功能于一體。建筑主體由清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院、全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師莊惟敏主持設(shè)計(jì)。清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院對(duì)外幕墻進(jìn)行了方案原創(chuàng)，外幕墻的分格尺寸、連接方式和構(gòu)造形式均需要進(jìn)一步分析和深化。該項(xiàng)目建筑層數(shù)：地上12層，地下5層，建筑總高度59.7m，建筑面積為4.8萬(wàn)平方米，幕墻面積共計(jì)2.3萬(wàn)平方米。地上部分主樓1~6層為電力科技館展廳，7~12層為電力客服中心營(yíng)業(yè)、辦公、管理用房。項(xiàng)目主要幕墻系統(tǒng)有：1）超大玻璃板塊幕墻；2）外掛鏤空石材幕墻；3）隱框玻璃幕墻；4）標(biāo)準(zhǔn)石材幕墻（圖1）。本文主要針對(duì)超大玻璃板塊幕墻和鏤空石材幕墻的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行闡述。

圖1 北京電力科技館幕墻

2 超大玻璃板塊幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 幕墻系統(tǒng)選擇

該幕墻是本工程一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)系統(tǒng)。幕墻系統(tǒng)的特點(diǎn)是：玻璃板塊超寬、超高，一塊玻璃面板跨越2個(gè)建筑層間。最大玻璃板塊尺寸高11m，寬3.1m。按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003 第5.6.1條的規(guī)定：“隱框玻璃幕墻的硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)厚度不應(yīng)大于12mm”。對(duì)于全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠須滿足抗震變形要求，結(jié)構(gòu)膠厚度按如下公式計(jì)算：

全隱框玻璃幕墻系統(tǒng)僅從結(jié)構(gòu)膠的構(gòu)造要求出發(fā)，玻璃面板的最大高度是：

基于以上理論分析，為使立面效果通透大氣，減少玻璃橫、豎向龍骨對(duì)幕墻通透性的影響，對(duì)于類似本工程玻璃面板高度大于6.18米的超大玻璃板塊的幕墻系統(tǒng)不應(yīng)采用全隱框的幕墻構(gòu)造，可采用明框幕墻、全玻幕墻或者點(diǎn)式幕墻系統(tǒng)。

本工程結(jié)合建筑特點(diǎn)，最終確定采用夾板點(diǎn)式玻璃幕墻構(gòu)造系統(tǒng)，并將玻璃夾板隱藏，使外立面更加通透、簡(jiǎn)潔、大氣（圖2,3）。

圖2 超大板塊玻璃幕墻三維視圖

圖3 超大板塊玻璃幕墻局部效果圖

2.2 玻璃板塊計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)

本工程最大玻璃面板寬度3.1m，高度11m，選定的面板材料為：12+2.28pvb+12mm雙鋼化雙超白夾膠玻璃。玻璃采用不銹鋼夾板與豎向鋼龍骨固定，夾板間距約為1.8m，面板自重由夾板間的鋼銷(xiāo)軸承擔(dān)（圖4,5）。

圖4 玻璃幕墻構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖

圖5 玻璃夾具連接示意圖

玻璃板塊的受力模型為多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)（圖6），計(jì)算玻璃強(qiáng)度和撓度時(shí)無(wú)現(xiàn)成的計(jì)算公式可以套用，因此須采用有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算。此類玻璃面板應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在夾板支座區(qū)域（圖7，8），在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需特別關(guān)注此位置的柔性連接，鋼銷(xiāo)軸與玻璃孔壁需采用尼龍墊或耐候硬質(zhì)橡膠套，且玻璃支撐孔邊與板邊的距離不宜小于70mm。值得一提的是，由于超大玻璃板塊受力較大、計(jì)算模型復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)板塊在各種受力工況下進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，建議留出相對(duì)較大的安全儲(chǔ)備并優(yōu)先選用超白全鋼化夾膠玻璃，在工程造價(jià)的允許下可選用SGP膠片。

圖6 玻璃板塊計(jì)算模型

圖7 玻璃板塊應(yīng)力云圖

圖8 玻璃板塊變形云圖

對(duì)于超大玻璃板塊的施工安裝，制定合理可行的施工方案也非常關(guān)鍵。施工單位應(yīng)定制專用吊籃、玻璃吸盤(pán)，并充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，避免在起吊安裝階段，風(fēng)流對(duì)板塊的影響，以免玻璃板塊在起吊時(shí)扭轉(zhuǎn)或吸盤(pán)失效引起玻璃破碎，造成損失（圖9）。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)玻璃破損照片

3 鏤空石材幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 幕墻系統(tǒng)選擇

在石材幕墻設(shè)計(jì)中，面板主要采用通槽式、托板式、背栓式3種連接形式，幕墻設(shè)計(jì)師要根據(jù)不同的石材幕墻鏤空?qǐng)D案擇優(yōu)選擇石材的連接方式。但是不管采用哪種掛接系統(tǒng)，在立柱參與受力的石材幕墻系統(tǒng)中均需保證幕墻立柱在豎向貫通。

北京電力科技館的鏤空石材幕墻是該項(xiàng)目另外一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)系統(tǒng)。主樓大面積采用鏤空形式的石材外圍護(hù)幕墻，原建筑方案的鏤空?qǐng)D案排版較為隨意，圖案分布極不規(guī)則，有局部孔洞跨越了豎向立柱，造成鋼立柱外露，影響外立面效果。因此為了保證外立面效果不被石材的豎向立柱影響，幕墻設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)原有鏤空?qǐng)D案進(jìn)行一定的微調(diào)（圖10）。

同時(shí)，為了盡可能保證原有鏤空?qǐng)D案排版的無(wú)序性和建筑設(shè)計(jì)意圖，須對(duì)幕墻橫龍骨進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用“L”形托板與背栓相結(jié)合的連接構(gòu)造，豎向龍骨貫通，橫向龍骨分段的方式，這樣可以充分保證鏤空?qǐng)D案的無(wú)序性排版，避免大量的橫龍骨與孔洞相交的情況，滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)也節(jié)約了成本，最終實(shí)現(xiàn)更合理、更美觀的幕墻外立面效果（圖11，12）。

圖10 鏤空洞口位置調(diào)整前、后對(duì)比示意圖

圖11 鏤空石材幕墻三維視圖

圖12 鏤空石材幕墻局部效果圖

3.2 石材板塊計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)

本工程鏤空石材最大分格寬度1.042m，高度1.055m，選定的面板材料為：55mm厚洞石。面板受力模型為6點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)（圖13），計(jì)算面板強(qiáng)度時(shí)無(wú)現(xiàn)成的計(jì)算公式可以套用，并且不規(guī)則的開(kāi)孔排版很難直觀判斷哪一塊鏤空石材受力最不利，因此須針對(duì)不同的開(kāi)孔形式采用有限元計(jì)算軟件對(duì)石材強(qiáng)度進(jìn)行分析，如圖14所示。

圖13 鏤空石材面板計(jì)算模型

圖14 鏤空石材面板應(yīng)力云圖

另外，為了體現(xiàn)鏤空石材幕墻的沉穩(wěn)和厚重感，建筑師要求石材洞口側(cè)壁和背面包裹石材，使整個(gè)幕墻從斜向視角看，給人的觀感是“200mm或者更厚的石材磚”的感覺(jué)。要滿足這種觀感效果，在鏤空石材的洞口側(cè)壁采用石材不僅工藝復(fù)雜也不易保證施工質(zhì)量。原因有以下兩點(diǎn)：1）洞口尺寸太小，石材掛件沒(méi)有安裝空間，石材安裝極易破損；2）側(cè)壁小石材與內(nèi)、外側(cè)石材之間留出的2道密封膠，影響外視效果。因此，幕墻設(shè)計(jì)時(shí)鏤空石材幕墻洞口側(cè)壁和內(nèi)側(cè)采用了仿石材輥涂鋁板（或仿石材熱轉(zhuǎn)印鋁板），不僅可實(shí)現(xiàn)同等的建筑效果，而且減輕了幕墻自重。同時(shí)背面鋁板和洞口側(cè)壁鋁板可整體加工成一個(gè)盒體，安裝質(zhì)量高，建筑效果良好（圖15~17）。

圖15 仿石材鋁單板樣

圖16 鏤空石材幕墻1:1現(xiàn)場(chǎng)樣板照片

圖17 鏤空石材幕墻內(nèi)側(cè)實(shí)景照片

由于石材面板開(kāi)孔會(huì)造成石材強(qiáng)度很大的折減，因此鏤空石材面板往往較厚，石材幕墻系統(tǒng)自重較大。幕墻設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行此類工程設(shè)計(jì)時(shí)須詳細(xì)計(jì)算幕墻系統(tǒng)的自重，提供給主體結(jié)構(gòu)工程師復(fù)核土建結(jié)構(gòu)。在幕墻系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)中，幕墻立柱、橫框、轉(zhuǎn)接件、連接螺栓等均需進(jìn)行強(qiáng)度、變形復(fù)核。本項(xiàng)目石材根據(jù)計(jì)算采用8mm厚“L”形不銹鋼掛件，并且在面板背襯玻璃纖維網(wǎng)。幕墻構(gòu)造節(jié)點(diǎn)如圖18所示。

圖18 鏤空石材幕墻構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本工程幕墻設(shè)計(jì)，可以得出超大玻璃板塊和鏤空石材幕墻工程，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

（1）確定幕墻構(gòu)造形式：在滿足規(guī)范的前提下，根據(jù)建筑效果合理確定幕墻的構(gòu)造形式。構(gòu)造形式應(yīng)同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的可行性和便易性。

（2）詳細(xì)計(jì)算面板厚度和連接系統(tǒng)各個(gè)部件的受力，設(shè)計(jì)時(shí)不能留薄弱點(diǎn)：由于超大玻璃板塊和鏤空石材的面板受力較大且復(fù)雜，設(shè)計(jì)師須根據(jù)最不利荷載工況利用有限元計(jì)算軟件對(duì)板塊厚度進(jìn)行精確的分析計(jì)算，并預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備。玻璃面板建議選擇超白夾膠玻璃，在造價(jià)可接受的前提下首選SGP膠片；石材面板建議選擇質(zhì)地較密的花崗石，面板的連接系統(tǒng)應(yīng)安全可靠。

總的來(lái)說(shuō)，超大玻璃板塊和鏤空石材幕墻不同于常規(guī)尺寸的玻璃幕墻和石材幕墻工程，幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮安全、美觀、經(jīng)濟(jì)、加工、安裝等各方面因素，做到精細(xì)設(shè)計(jì)、精確分析，才能得到優(yōu)秀的幕墻工程設(shè)計(jì)成果，保證工程順利實(shí)施及安全使用。

作者簡(jiǎn)介：