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摘要：幕墻項目中陶板及陶管的使用可以幫助建筑師表達特定的外立面效果。本文在著重分析陶管幕墻技術重難點的基礎上，對各類幕墻的表皮選用及陶管幕墻的連接構造作了相關思考與總結。
關鍵詞：陶管幕墻 拉索 技術要點 啟示
一、引 言
幕墻作為建筑的外維護結構，從誕生伊始僅僅作為建筑外承重墻的替代物，讓建筑更為美觀的單一功能發展到現在，越來越向多元縱深探索。內在彰顯建筑個性，凸出建筑地位;外在與城市環境和諧共處，讓建筑物內外交互更為自在。幕墻早已跳脫出了建筑的范疇，被賦予越來越多的時代特征，用各異的姿態詮釋多彩的建筑性格，熱情跳躍，抑或沉穩內斂;自由灑脫，也可以委婉動人。
陶制品的誕生則給建筑物著上了一件文化的長衫，不管是陶瓷板（詞條“陶瓷板”由行業大百科提供），陶土板（詞條“陶土板”由行業大百科提供）還是陶管，在這種最為接近自然的材料的烘托下，仿佛褪去了建筑物置身塵世的浮華，讓一切慢下來，好像她有很多故事要說給你聽。
陶板及陶管現有案例實景
▲ 清華新學堂
▲ 武漢綠星城 ▲ 天津大學建筑創意大廈
二、工程材料
中國是陶瓷的發源地。制陶燒陶工藝在中國，有著源遠流長的歷史。從秦磚漢瓦時代的亭臺樓閣，到今天現代建筑中的陶土構件（詞條“構件”由行業大百科提供）;無論是美學，抑或功能，陶，作為承載文明的一個具象，已然從原始的“制品”轉化為藝術的“作品”。陶，被當代建筑師發現之后，越來越多的應用到標新立異的城市建筑體中。
2.1 陶產品類別
陶應用于幕墻的產品一般分為陶板和陶管，外表面處理方式有如下幾類：自然面、釉面、砂面、槽面以及仿古做舊。另外豐富的顏色也為建筑師提供了更大的選擇空間。
▲ 陶板顏色分類
▲ 表面處理方式
▲ 陶管斷面形式
▲ 陶板斷面形式
2.2 陶產品物化性能與應用優勢
陶板取材于天然陶土，生產過程不產生廢氣，污水，廢渣，比普通陶瓷節水百分之五十以上，能耗較低，屬于綠色環保的建筑材料。另外，陶板自身很多優良的物化性能也決定了其作為幕墻外表皮材料的出色表現。
物化性能參數
由上表可以看出，較輕的自重降低了陶板幕墻的施工難度及安全隱患;較強的抗凍性和耐腐蝕性（詞條“耐腐蝕性”由行業大百科提供）能以及自潔性很大程度上降低了材料的維護保養成本;另外，較高的防火等級和熱阻，較強的隔音性能以及非常低的放射性都決定了陶板成為一種綠色、環保且低能耗的絕佳外立面材料的潛力。
那么，從建筑效果，結構適用性以及施工便捷性上來講，陶板幕墻和其他幕墻對比又有哪些優勢呢。
不同非透明幕墻系統對比
由上表可見，相比石材幕墻，陶板幕墻自重輕，工廠預留槽口，施工更為便捷;色差小，自潔性強，外觀效果更容易得到長久的保證。相比鋁板幕墻，不褪色，不易污染，而且保溫性能強，更符合綠色建筑（詞條“綠色建筑”由行業大百科提供）的整體趨勢;對比瓷板幕墻，陶板幕墻則擁有更為便捷的掛接方式，更好的隔音性能，更低的材料破損率。
三、工程技術解析
3.1 陶管產品及其單元構造
本文以陶管幕墻的既有項目為例作重點分析。該項目外立面采用白色釉面陶管，每三根獨立的陶管通過連接件，端頭組件以及沉頭自攻釘組成一個陶管單元，然后掛接到龍骨體系上去。
因陶棍為脆性材料，在清洗、施工過程中外力等其它外部因素作用下，有可能出現破碎、整根脫落（詞條“脫落”由行業大百科提供）的情況，因此陶棍內壁內襯防爆膜，腔內增加通長設置的鋁合金芯管，端部通過鋁合金高強掛件系統與索連接，鋁合金芯管端部與陶棍內部通過EPDM柔性連接，這樣主受力構件為鋁合金芯管，而陶棍僅為裝飾材料，即使出現破損，也能夠有效避免整根脫落的潛在危險。
▲ 陶管各組件
▲ 陶管單元
3.2 陶管掛接體系解析3.2.1 陶管幕墻外觀與掛接樣式
由圖可見本項目外立面實為雙層幕墻，內側為鋁板幕墻，中間為檢修棧道，外側為陶管幕墻。
▲ 拉索陶管幕墻標準橫剖 ▲ 內外側幕墻實景
外立面陶管系統采用拉索作為結構受力構件，有利于外觀效果的完整性，同時索為柔性結構便于找形。陶棍三根一組，錯縫排布，由于陶管幕墻所在立面為雙曲拋物面，所以從下到上間距從40—100mm漸變，每幾層變化一次，保證立面上陶管曲線排布流暢。
▲ 陶管幕墻掛接樣板
3.2.2 拉索結構
拉索作為陶管幕墻的龍骨體系，自身固定在從主體鋼結構外挑的環向鋼梁上。
▲ 拉索安裝施工
為合理利用拉索，最大化其利用率，結構設計考慮運用φ16不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業大百科提供）拉索，并且每四層作為一個張拉段，上下設置調節端，其他中間層為滑移支座，控制水平受力及立面找型，此方案可節省3/4的調節端，節約成本，張拉費用也降低。
拉索固定端布置在張拉段的底層和頂層，為了控制拉索的整體水平撓度（詞條“撓度”由行業大百科提供）可對預加應力進行控制和調節;中間樓層作為滑動支座，不承擔豎向力，在張拉調節完畢，陶管掛接安裝妥當后進行最后的鎖緊固定。
▲ 拉索頂底層固定支座
▲ 拉索中間層滑動支座
拉索的選擇需要通過計算配合，并考慮邊界條件。本案拉索幕墻作為最外側陶管幕墻的受力構件，僅需考慮幕墻體系的初始預拉力、自重、水平風荷載以及地震荷載，豎向活荷載，還有溫度荷載。
拉索結構不需要考慮主體出挑鋼結構變形（詞條“變形”由行業大百科提供）對它的影響。另外邊界條件上，每隔四層對拉索設置豎向位移的約束，其余樓層僅約束水平位移。
▲ 陶管幕墻區域分布 ▲ 陶管幕墻計算模型
▲ C1 C3拉索軸拉力分布 ▲ C1 C3拉索變形值分布
φ16拉索的破斷力為181.04kn，規范允許的軸拉力設計值為181.04/2.5=72.42kn，上圖可知拉索的最大軸拉力為70.3kn，與限制接近。撓度變形允許值為層高4500mm/50=90mm，拉索最大變形為67.6mm，利用率也超過70%。
3.2.3 陶管的掛接
每三個陶管組成一個陶管單元，通過連接件等組件組合而成，最外側的連接件上有兩個掛孔。而每根拉索在與陶管單元拼縫對應的地方都有一個槽型的卡件，槽型的卡件對穿兩根掛接螺栓和一根限位螺栓。拉索全部施工完成后，再將每一個陶管單元掛到兩根掛接螺栓上，并由中間M5的不銹鋼螺栓進行限位，避免陶管單位的脫落。
▲ 掛接螺栓與限位螺栓正面與背面
▲ 陶管端頭掛件 ▲ 陶管掛接節點
3.2.4 陶管轉角連接
幕墻轉角的處理沒有采用開模的帶彎折造型的陶管，而是用型材作為轉接過渡。
兩側的陶管單元分別與轉角型材之間做了一個類似于合頁的連接件，可以適應任意角度的彎折造型。這個巧妙的手段避免了為適應不同角度的轉折，花費大量成本用不同的模具加工折彎型一體陶管的做法。
▲ 轉角過渡型材
▲ 轉角陶管單位端頭特殊角碼 ▲ 類合頁轉接件（詞條“轉接件”由行業大百科提供）
▲ 轉角室外看面 ▲ 轉角室內看面
3.3 項目思索與啟示3.3.1 建筑外表皮材質選擇
建筑外表皮是建筑師用來表達建筑內涵的外延手段，用人眼直觀看到的，感受到的視覺印象去體會建筑師想賦予建筑的生命力。所以建筑外表皮的選用首先要符合建筑師的設計理念，選用能夠充分表達設計師意圖，甚至表達其個性或者獨特情懷的外立面材料。
其次，就要從適用性角度來判斷哪種外表皮符合特定的項目需求。例如哪種外表皮更適合項目所在地域和環境氣候的特點;哪種外表皮的選用更能滿足建筑保溫，隔熱的要求;哪種外表皮的選用能快速便捷的落地，并契合建筑外立面的形態特征;哪種外表皮的選用能夠減少使用過程中的維護次數，提高更換材料或者維修工作的效率等等。
以本文介紹的陶管幕墻項目為例，考慮到所處城市的人文環境和重要歷史地位，陶管獨特的文化屬性很好的賦予了這個建筑鮮明的城市特征;大氣污染較為嚴重的城市環境，考驗著外表皮的自潔性，而表面著釉的陶管很好的避免了表面的積灰而導致的污染和清洗困難，如果采用鋁單板（詞條“鋁單板”由行業大百科提供），時間稍長，表面的受污染程度可想而知，大面積的清洗要花費大量的人力和物力成本;本項目陶管所在的三個立面均為雙曲面，C1為一個圓球形曲面C2C3為對稱的兩個橢球型曲面，如果用金屬板，不管是鋁單板，鋁塑復合板還是不銹鋼板，大面積的采用雙曲面板，單材料的成本就會非常高，即使通過BIM軟件將雙曲面優化為單曲面，板塊的分格也會千差萬別，很少甚至于沒有兩個板塊是相同的尺寸，這樣勢必造成材料下料的難度以及工廠加工的難度，本案的陶管幕墻，用直線段的陶管單元通過掛接的方式模擬了雙曲的造型。陶管單元現場直接掛接在拉索端頭的轉接件上即可，相當簡易;而陶管幕墻和內墻體上的鋁板幕墻組成了雙層幕墻，留出了用來檢修的馬道，既保證了建筑的保溫隔熱，讓雨水可以通過馬道匯入有組織排水系統，最終排到地面，又保證了今后外立面維護工作的高效開展。
最后一點，對外表皮材質的選用也至關重要，前兩個因素可以說是外表皮選用的必要而非充分條件。只有了解了外表皮材料價格之后，在建設單位的控制范圍之內一切才能成行，否則再好的方案只能作罷。
不同材質外表皮的單價對比
由上表可以看出，金屬材質的外表皮在常規項目的應用上相對來說有一定的成本優勢，而且由于其較大的彈性模量，施工安裝過程中較玻璃、GRC等脆性材料更為容易。
對于本項目陶管幕墻，陶管總長度20.26萬米，單價為260元/m，實體幕墻總面積為16733.4㎡，所以陶管幕墻的陶管材料成本即達到3148元/㎡。僅僅針對外表皮材料來說，這個單價非常高。在成本控制較為嚴格的項目上，這個陶管幕墻的方案是需要再三斟酌或者沒有落地的可能性的。
所以即使綜合各項因素有較大優勢的陶管，在超出成本的情況下還是會被別的材料取代。
建筑外表皮的材質選擇需要考慮很多因素，沒有絕對的優劣，只有相對的合適與否。
3.3.2 連接構造的思考
拉索結構在大的挑高和對室內通透性有特殊要求的建筑幕墻中較為常見，作為玻璃幕墻的受力構件很好的規避了鋁合金龍骨對建筑效果的影響。陶管作為建筑的外表皮也越來越多的出現在不同類別的建筑上，但陶管的連接方式較為常見的都是管中套芯作為受力構件端頭與主體栓接或者焊接。拉索與陶管的組合確實不多見，文中所介紹的項目給我們開拓了視野。
拉索作為一種柔性構件，只有施加了充分的預拉力之后才能對外表皮起支承作用。而且拉索的內力（詞條“內力”由行業大百科提供）形式很簡單，只有軸向應力，所以不管是對其自身進行強度的校核，還是對支座埋件的計算，因為受力類型單一，所以計算邏輯清晰。而且本項目充分運用了其作為柔性構件，對曲面的外表皮提供找形的貢獻能力。較剛性的鋁合金和鋼結構龍骨而言，拉索的變形適應能力和規范允許變形限值都放寬很多，所以在限制范圍內，拉索作為受力構件能在更大的變形范圍內對幕墻表皮的曲面成形提供不小的幫助。
回到細節的構造，本項目陶管單元是通過端部的角碼掛到拉索端頭承托件的螺栓上，并且相鄰兩個陶管單元單獨掛接，不發生關系，各個陶管單元能夠自由的伸縮變形，不受約束。
▲ 陶管單元掛接示意
▲ 陶管單元掛接角碼
由圖可見，掛碼分上下兩個槽口，待拉索端頭的承托件安裝完畢，并且掛接螺栓，限位釘穿好，再把陶管單位掛上去。整體的掛接方式保證了陶管單元各個方向一定的自由伸縮空間。
需要提出一點的是，陶管的掛碼上開了上下兩個槽口，形式不甚相同，而且陶管掛接的時候兩個槽口的行程不完全一致，可能會在施工的時候出現陶管單元的受力點集中在某一個槽口內，出現應力集中的現象，雖然掛碼都是工廠加工，但這種情況還是會有發生的可能。
建議加大角碼高度，上下兩個槽口一同加工，并都開成從側面掛接的槽口形式，上下槽口均打限位釘。這樣，掛接行程一致，就不會發生受力集中在一點的情況，具體形式如下圖：
▲ 掛碼優化示意
四、總 結
本文拉索陶管幕墻的案例為我們今后項目的系統選擇做出了很好的示范作用，不拘一格的思路，用已有的幕墻表皮材料和受力構件搭配成新的組合，更好的適應了本次的項目的特性和要求。巧妙的掛接體系，以及轉角合頁型角碼的運用，都可以成為我們今后各個項目的知識儲備。
雖然項目僅從材料單價來看，已經遠遠超出了常規幕墻的單價，但是從項目存在的意義和價值來看，成本并不是該項目最需要關注的因素。所以說我們的幕墻項目，需要立足最根本的訴求，綜合考慮效果，性能，成本，并結合項目定位，精準把握設計方向，做到有的放矢。
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