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摘要：本文介紹了某總部辦公樓幕墻深化設計，包括單元幕墻在豎直面、外傾面和內(nèi)傾面幾種情況組合使用時的系統(tǒng)設計，內(nèi)傾單元幕墻防排水的綜合考慮以及空縫金屬幕墻系統(tǒng)構造簡介，并介紹了BIM技術在幕墻設計和施工中的應用。
關鍵詞：單元幕墻;空縫金屬幕墻;BIM應用
1 引言
單元式幕墻是指由面板與支承框架在工廠制成的不小于一個樓層高度的幕墻結構基本單元，直接安裝在主體結構上組合而成的框支承建筑幕墻。單元幕墻具有工廠預制程度高，組裝質(zhì)量易控制，現(xiàn)場安裝速度快，抗震性能好的優(yōu)點。單元幕墻相鄰板塊之間通過立柱（詞條“立柱”由行業(yè)大百科提供）和橫梁對插，形成多道密封腔，利用雨幕等壓原理防水，具有優(yōu)異的防水性能。鑒于以上優(yōu)點，單元幕墻廣泛應用于現(xiàn)代建筑幕墻。本文介紹的單元幕墻是豎直、外傾和內(nèi)傾幾種情況組合使用的案例。
2 項目概況
項目是某著名企業(yè)的總部辦公樓，由廠房和辦公樓兩座塔樓和裙房連廊組成。塔樓玻璃幕墻采用單元式幕墻。廠房幕墻高度83.25m，南北立面為豎直面，東立面為與水平呈95º夾角的外傾面，西立面為與水平呈75º夾角的內(nèi)傾面。辦公樓幕墻高度34m，東西立面為豎直面，北立面為與水平呈105º夾角的外傾面，南立面為與水平呈60º夾角的內(nèi)傾面。廠房西南角為鈦金復合蜂窩板幕墻，從廠房屋頂往下延伸，繞過連廊直至辦公樓西南角屋頂，呈飄帶狀把整個建筑連成整體。項目透視圖見圖1、圖2。
3 系統(tǒng)設計
3.1 單元幕墻
塔樓玻璃幕墻在方案設計階段，對幕墻結構的選型進行了對比。擬選方案有3種，分別是構件式、單元式和注膠單元式。從經(jīng)濟性考慮，構件式造價最低，單元式最高，注膠單元式適中;從品質(zhì)控制考慮，單元式最優(yōu)，注膠單元式其次，構件式最難保證。從施工難易程度考慮，單元式可以把支承框架和面板整體吊裝，快捷方便;構件式需要現(xiàn)場分別安裝立柱、橫梁和面板，特別是內(nèi)外傾斜立面，施工難度大;注膠單元式需在板塊安裝后在板塊之間注膠密封，沒有單元式方便。經(jīng)過比選，最終選定了單元式結構，在系統(tǒng)設計上采用了分層內(nèi)排水構造。幕墻采用橫明豎隱的形式，面板采用夾膠中空玻璃。設計重點是豎直、外傾和內(nèi)傾三種情況單元系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)以及內(nèi)傾面的防水加強措施。
3.1.1 豎直面單元幕墻
豎直面單元幕墻面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夾膠中空玻璃，夾膠片在室外側(cè)。在結構梁上下位置，單元幕墻與主體結構之間填充防火巖棉。單元系統(tǒng)橫剖和豎剖節(jié)點見圖3、圖4。
立柱采用隱框形式，玻璃面板與單元立柱采用硅酮結構膠粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）。面板端部采用鋁合金護邊，護邊與立柱之間采用隔熱墊斷熱并注膠密封，玻璃面板端部與鋁合金護邊之間注膠密封。
橫梁采用明框形式，采用鋁合金壓板以及膠條壓緊玻璃面板，壓板與橫梁掛鉤之間設置隔熱墊斷熱。采用內(nèi)打膠密封，即面板端部與橫梁前端掛鉤間注膠密封，壓板與面板之間不打膠以使外觀更干凈。為防止膠條松脫導致壓板脫鉤失效，在壓板兩端掛鉤處設置橡膠塊限位。
單元幕墻雖然采用雨幕等壓防水，但仍有可能存在少量滲漏，滲漏水需要排放到室外，單元幕墻排水路徑圖見圖5、圖6。本項目采用分層內(nèi)排水結構，上一層的少量滲漏水，通過上橫梁的泄水孔D，進入上橫梁前端封閉導流腔，通過導流腔兩端部的泄水孔E流入立柱前端空腔，排放到下層外腔并排放到室外。由于采用分層內(nèi)排水，室內(nèi)外的壓力差不足以把室外雨水倒灌進內(nèi)腔，相比橫梁內(nèi)外腔直通的排水方式更可靠。
3.1.2 外傾面單元幕墻
外傾面單元幕墻面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夾膠中空玻璃，夾膠片在室外側(cè)。立柱采用與豎直面相同截面構造，橫梁根據(jù)外傾角度采用不同截面，以使橫梁室內(nèi)裝飾面水平、等寬且與豎直面橫梁標高一致，室外的明框壓板在正投影的高度也保持一致。在結構計算時需考慮面板重力荷載對框架以及壓板的附加作用。廠房的外傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點見圖7，辦公樓的外傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點見圖8。
3.1.3 內(nèi)傾面單元幕墻
內(nèi)傾面單元幕墻面板采用10TP(LOW-E)+12A+8HS+1.52PVB+8HS夾膠中空玻璃，夾膠片在室內(nèi)側(cè)。立柱采用與豎直面相同截面構造，橫梁根據(jù)內(nèi)傾角度采用不同截面，以使橫梁室內(nèi)裝飾面水平、等寬且與豎直面橫梁標高一致，室外的明框壓板在正投影的高度也保持一致。廠房的內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點見圖9，辦公樓的內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)豎剖節(jié)點見圖10。
相鄰單元板（詞條“單元板”由行業(yè)大百科提供）塊之間通過立柱間及橫梁間對插，形成前、后腔，利用雨幕等壓原理防水。內(nèi)傾單元幕墻由于雨水的重力作用，對密封膠條存在持續(xù)的壓力，將可能滲漏進前腔甚至內(nèi)腔。故內(nèi)傾單元幕墻系統(tǒng)需要考慮防水的加強措施，在板塊之間的縫隙(包括立柱之間以及橫梁之間)注膠密封，同時將滲漏到內(nèi)部的少量滲漏水排放到室外。內(nèi)傾單元幕墻的排水路徑示意圖見圖11、圖12所示。
如圖11，內(nèi)傾單元幕墻上下橫梁之間注膠密封，且采用了深膠縫，不遮擋下壓板的泄水孔A。下橫梁前端懸臂處設置泄水孔B，上橫梁前端與上壓板掛接處局部銑開泄水孔C。與其他立面一樣，上橫梁設置泄水孔D和E，下壓板設置泄水孔A。圖11和圖12表示了內(nèi)傾單元幕墻幾種滲漏水的排水路徑。路徑A示室外滲漏到橫向明框壓板內(nèi)部的雨水，從泄水孔A中直接排到室外。路徑B示滲漏到面板端部與鋁合金護邊之間空隙的雨水，將沿該空隙往下流到下橫梁底部，從泄水孔B流入上下橫梁之間的前腔，并沿上橫梁與上壓板之間的泄水泄水孔C處排出。路徑C表示從單元立柱之間膠縫滲漏到單元立柱之間前腔的雨水，沿立柱之間前腔流到單元上下橫梁之間前腔，并從泄水孔C排出室外。路徑D與其他立面單元幕墻一樣，滲漏到單元立柱和橫梁之間內(nèi)腔的雨水，匯集到上橫梁內(nèi)側(cè)槽，沿泄水孔D流入上橫梁前端封閉導流腔，通過導流腔兩端部的泄水孔E進入立柱前端空腔，排放到下層外腔并排放到室外。通過以上措施，即使有雨水滲漏進內(nèi)部，也將排放到室外。
3.2 金屬幕墻
本工程廠房西南角為扭曲的鈦金復合蜂窩板幕墻，從廠房屋頂往下延伸，繞過連廊至辦公樓西南角屋頂，呈飄帶狀把整個建筑連成整體。金屬幕墻局部立面見圖13。
鈦金復合蜂窩板幕墻采用空縫形式，內(nèi)層采用2厚內(nèi)襯板防水密封，固定于內(nèi)層鋼龍骨上，內(nèi)襯板之間注膠密封。從內(nèi)襯板膠縫中伸出鋼板連接件，固定外層鋁合金龍骨。鋁龍骨帶齒配合齒墊片，可使鋁合金龍骨前后可調(diào)。鈦金復合蜂窩板四邊安裝鋁附框，并鑲嵌膠條以防止摩擦噪音。采用鋁合金壓塊及內(nèi)六角螺栓將面板固定在外層鋁龍骨上。鈦金復合蜂窩板幕墻大部分是扭面以及外傾面，兩者采用曲面過渡。室內(nèi)側(cè)采用2厚鋁板（詞條“鋁板”由行業(yè)大百科提供）做裝飾面板（詞條“飾面板”由行業(yè)大百科提供），固定在鋼龍骨上。鈦金復合蜂窩板幕墻系統(tǒng)節(jié)點見圖14、圖15。
4 BIM應用
4.1 BIM必要性及應用
本工程的金屬幕墻通過扭面、曲面、外傾面等組合，呈飄帶狀將廠房、連廊及辦公樓連接成整體，扭面與外傾面通過曲面轉(zhuǎn)接過渡(見圖16、圖17)。廠房東南角以及辦公樓西北角的單元幕墻是豎直面與外傾面采用曲面過渡，弧形部位的面板以及龍骨存在彎曲和扭轉(zhuǎn)的情況(見圖18)。連廊與廠房、辦公樓的交接部位也存在幾個面交接的情況(見圖19)。這些異形部位也是本工程設計和施工的難點。
針對以上難點，在設計和施工中采用了BIM技術，在Rhino+Grasshopper平臺對幕墻工程進行整體建模。BIM技術主要的應用有：①建立三維模型后，可將項目整體效果直觀地展示，特別是金屬幕墻從塔樓扭面到連廊外傾面的曲面過渡、塔樓豎直面與外傾面弧形過渡位置，以及塔樓與連廊交接部位細節(jié)，使設計、施工人員更好地理解空間關系;②與主體結構、空調(diào)通風、燈光等其它專業(yè)協(xié)調(diào)碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)沖突，避免施工過程整改。例如通過碰撞檢查發(fā)現(xiàn)了連廊吊頂位置幕墻與主體鋼結構間的干涉問題，及時讓設計院修改了鋼結構;③對整個項目的材料下單提供了全方位的技術支持，通過模型可直接輸出龍骨、面板的規(guī)格尺寸，大大提高了準確率和工作效率;④為現(xiàn)場測量放線提供了各個系統(tǒng)控制點的三維坐標，結合全站儀，控制點準確打點，確保在安裝過程與三維模型吻合。三維模型見圖20、圖21所示。
4.2 塔樓外傾面與豎直面圓弧轉(zhuǎn)角板塊優(yōu)化
外傾面圓弧轉(zhuǎn)角(見圖18)是一個類似于傾斜圓柱的設計，每一層平面線為相同半徑和相同弧長的圓弧線段，隨著樓層增加，弧線段逐漸向外推移。模型搭建過程中，如果直接用平面圖紙的線條放樣出玻璃面，生成的表皮為非圓柱面，不利于玻璃的生產(chǎn)加工。為解決這一問題，在實際建模時，先從平面圖中上下層弧線段的圓心，定位出圓柱的軸線，找一個垂直于軸線的平面，與前面生成的曲面相交，再以交線為基礎，找到最合適的圓弧線段，用后面生成的圓弧線段放樣生成的曲面為真正的圓柱面。按照圓柱面分割出來的每一個分格的玻璃，展開圖左右兩條邊為直邊，而上下兩條邊是不規(guī)則的曲線，通過參數(shù)化手段，可快速找到一條與原曲線誤差在2mm以內(nèi)的圓弧線段，作為玻璃加工切割的依據(jù)。展平優(yōu)化后的弧形玻璃見圖22。
從豎直面到外傾面的過程中，弧形位置這一段橫梁截面的四邊形內(nèi)角是逐漸變化的，造型非常復雜，加工難度大。經(jīng)過反復建模推敲，決定重新定位弧形橫梁的參考線為：中橫梁以下表面外端點與立柱面平齊，上下橫梁以下橫梁上表面內(nèi)端點與立柱室內(nèi)面平齊(見圖23)，這樣可以最大限度地保證外露面的最佳效果。然后結合已有的直面和兩個外傾斜面的橫梁模具尺寸，分別在辦公樓和廠房兩個弧形面上放樣，最終在保證橫梁與玻璃面不產(chǎn)生干涉的基礎上，于現(xiàn)有的模具中挑選出既能滿足外觀要求，同時還是單曲造型的橫梁，同時可直接導出橫梁的加工圖。
4.3 塔樓扭面、連廊曲面金屬幕墻的優(yōu)化與施工
鈦金復合蜂窩板幕墻系統(tǒng)的大面都是扭曲面板，傳統(tǒng)的加工下料方法無法準確定位，我司在本項目中實現(xiàn)了異形面板全程由BIM參數(shù)化跟蹤，優(yōu)化好的BIM模型直接對接工廠數(shù)控機床，通過格式轉(zhuǎn)化后提取相關數(shù)據(jù)，達到精確生產(chǎn)目的。另外，由于鈦金板幕墻系統(tǒng)龍骨的構造復雜，相互間交錯穿插的情況多，非常不利于定位和安裝。經(jīng)與施工人員溝通，優(yōu)化為在模型中將龍骨按實際拼接切割好，然后按樓層或按區(qū)域在工廠將龍骨預組裝成一個模塊，現(xiàn)場安裝時只需要找少量的定位點就能把同一樓層或同一區(qū)域的龍骨就位，降低了施工誤差也提高了安裝效率。見圖24、圖25。
鈦金復合蜂窩板幕墻系統(tǒng)的室內(nèi)鋁板是平行于室外表皮，理論上也是扭面板，并且在與單元玻璃幕墻立柱收口位置，容易出現(xiàn)與立柱內(nèi)表面錯開的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，1m內(nèi)翹曲度小于5mm的誤差，現(xiàn)場安裝時可通過面板冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）來調(diào)整安裝，該位置室內(nèi)凈空約3m，所以面板翹曲15mm以內(nèi)可以優(yōu)化為平板加工。室內(nèi)鋁板在層間結構位置是斷開的，可以運用BIM軟件中的有限元分析工具，將面板翹曲度小于15mm的鋁板轉(zhuǎn)化為平板，從而減少了翹曲面板加工數(shù)量。
5 結語
本文介紹了單元玻璃幕墻以及空縫金屬幕墻的構造，特別是單元幕墻在豎直面、外傾面和內(nèi)傾面幾種情況的組合使用以及內(nèi)傾單元幕墻在防排水方面的綜合考慮。幕墻系統(tǒng)經(jīng)過物理性能檢測，均滿足設計要求。本文也介紹了BIM技術在異形位置的應用，解決了設計和加工的難題，對異形幕墻設計、施工方面具有一定參考意義。BIM技術在項目的建設過程中起著越來越重要的作用，作為一種數(shù)字化技術，極大改變了傳統(tǒng)的建設模式。在當前國家大力推行新基建的背景下,BIM技術在未來建筑業(yè)中將得到更廣泛的應用，高效發(fā)揮BIM技術本身的數(shù)字化優(yōu)勢，可以極大促進基礎設施的高質(zhì)量發(fā)展。
作者單位：中山盛興股份有限公司
