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摘要：近年來，隨著設計理念的不斷更新，建筑設計的造型越來越復雜，形式越來越多樣；更有業主為追求標新立異，與眾不同，常會有大膽的想法，這樣就對幕墻設計提出了更高的要求；其中尤以大角度扭轉單元幕墻設計難度最高。
本文通過對大角度扭轉單元式幕墻設計進行 CAD模擬分析，對其基本設計思想進行剖析，以及設計中要注意的問題進行歸納，為日后同行在設計同類型的項目提供參考。由于應力安裝法 (俗稱冷彎（詞條“冷彎”由行業大百科提供）法 )屬于常規作法，設計難度不大，是通過強制性外力實現板塊的變形安裝予以解決的，故本文對此不作研究，僅對冷彎作法不能適應的且扭轉角度大的單元幕墻系統進行分析。
關鍵詞：單元幕墻；大角度扭轉；插接方式；空間框作法；排水設計；CAD模擬等
一、前言
目前采用空間扭轉設計的建筑有逐漸增加的趨勢 ，其外立面效果新穎，設計復雜。外幕墻可以采用框架作法 ，也可以采用單元式作法 ，框架幕墻作法比較簡單 ，施工難度相對較低 ，單元幕墻由于是通過插接來實現密封的，所以其設計難度要大得多，因單元板塊是在廠內組裝成整體 ，所以所有可能發生的問題都要在設計階段給予解決或盡量解決，這種項目的設計解決思路不外乎三種方案 1.有應力安裝法 (也有稱冷彎法 )；2.空間框作法 ，即本文所論述的大角度扭轉單元幕墻解決方案。
3.平板作法，面板相互錯開如魚鱗狀排布。(但此種作法不能實現平滑的擬合曲面 ，本文不作闡述)
二、三種解決辦法的優缺點
1.有應力安裝法：組裝成平板，現場帶應力安裝，強制性實現板塊的變形，進而實現外立面的整體扭轉效果，俗稱冷彎法。
優點：
a.設計相對簡單，按常規單元幕墻作法，僅僅是通過安裝予以解決；
b.價格要優于空間框作法；無論材料用量及工作加工費用都與常規單元作法無異。
缺點：
a.幕墻桿件及板材長期處于扭轉應力狀態下，玻璃等脆性材料在此長期應力狀態下的力學性能目前還缺少相關的研究；由于這種安裝方法是通過外力強制性實現板塊的變形，通過與轉接系統連接，強制板塊的第四個點(指平面外的點)到達平面外的某一點，進而實現外立面的整體扭轉效果，所以這種辦法是通過安裝予以解決的，確切的說為非設計解決方案。
b.適用范圍較小，這種辦法僅適用于空間扭轉較小的設計，第四個點(指平面外的點)與板塊另三點確定的平面的垂直距離(以下用 h代替)不大的單元幕墻，由于 h值與分格寬、平面扭轉角度相關，可以通過幾何公式推導；但多大的 h值更合適，目前沒有相關研究，也沒有相應的理論成果參考，原則上 h值不大于 20mm(個人建議)，可以采用本方法，本值僅供參考，也可由實驗確定。
c.安裝難度較大，由于單元幕墻是通過插接方式實現板塊安裝的，當目標板塊就位后，其相鄰板塊未就位前仍是平面的，與已經扭轉的板塊安裝就會出現插接困難，要采用專業工具才能完成安裝.
2.空間框作法：工廠組裝成異形板，板塊的第四點(指平面外的點)，與板塊另三點不共面，進而實現外立面的整體扭轉效果，現場實現正常安裝。面板材料為平面如玻璃，但相鄰面板相互錯開(如不考慮骨架)，為魚鱗狀排布見下圖五、六。
優點：
a.實現無應力插接，其安裝方式同常規單元。
b.實現冷彎法不能實現的大角度扭轉單元項目。
c.如設計得當，可以達到平面單元的所有性能。
d.外裝飾效果好，無影響。
缺點：
a.第四個點(指平面外的點)與板塊另三點確定的平面不共面，加工難度較大。
b.排水設計可能導致單元橫框加大，造價略有增加。
c.設計難度大，對設計師提出更高的要求。
d.室內橫龍骨不在同一標高，如以外立面中間板塊 A點為基準，會出現不同板塊的室內橫框 B點或 C點左高右底或右高左底的現象(如圖八)，如果房間柱間距較大則對室內效果有影響
e.左右玻璃不在一條等溫線上，保溫性能略有降低。
3.平板作法：
優點：
a.設計相對簡單，按常規單元幕墻作法，受力體系合理。
b.加工安裝簡單。
缺點：
a.面板相互錯開如魚鱗狀排布，不能實現平滑的擬合曲面 ，對外立面效果有影響。
b.左右豎框不等長且型材較上述兩種作法大。
三、大角度扭轉單元的空間幾何特點
扭轉單元幕墻的板塊一般設計成空間平行四邊形 ，其第四個點(指平面外的點)與板塊另三點確定的平面的垂直距離(以下用 h代替)不大的單元幕墻，由于 h值與分格寬、平面扭轉角度相關，且與單元板塊內板材的分格大小有關；可以通過幾何公式推導，本文以圖示工程為例推導 h值與相關參數的關系 ，其公式為
也可以采用 CAD三維放樣測量 h值，經比對，理論計算值與實測值完全相等 (見表一 )。
為了確定面材的尺寸及形狀，我們要先找出分格中心線之間的尺寸，及相鄰邊的夾角，分格尺寸(表一)減去系統的構造厚度可得面材的設計尺寸(即施工時的下料尺寸)因為采用空間框作法的單元系統，其面材如：玻璃，是平面的。翹起距離(h)的大小決定采用冷彎法還是空間框作法，對此要對一個層間的板塊進行三維放樣，如圖四為板塊編號圖 ，從左至右為NO.1、NO.2……NO.27。
經對 27個板塊測量，得到平面分格尺寸理論數值統計表(表一)
分析以上統計數據可以看出，翹起距離(h)為一定值 78.6mm，如采用冷變作法，則面材及骨架要在強制外力作下達到如此大的變形才能實現建筑效果；由于玻璃為脆性材料，顯然對材料的要求過高，且項目本身要求高造價不菲；如系統選用不當，導致板塊破損，則會造成昂貴的后期維修成本，得不償失，綜上所述故采用空間框作法。
表一可以看出 a值近似等于 b值、c值近似等于 d值且玻璃之間夾角相等，故面材可按平行四邊形設計。平面面板與空間框位置關系如采用全隱幕墻作法則如圖五所示，如設計成明框單元幕墻則面板要后退至型材槽口內，這樣在 a、c兩條邊形成兩個三角形間隙，這樣就要在結構設計時對這兩個三角形間隙給予考慮，既補償條；由于鋁型材末端不宜加工成尖銳的三角形，故要按梯形設計，如圖十一.
當采用明框單元幕墻設計，玻璃要鑲嵌在龍骨與外扣板形成的槽口內， a與 a′、c與 c ′兩條邊形成的梯形補償條為室內龍骨間隙補償條，另一個為室外梯形補償條，可由室外的鋁扣板銑加工而成。同時，因為工程所在地為寒冷地區要采用斷熱設計，所以設計難度更大，以下對設計細節進行三維放樣分析。
四、大角度扭轉單元的設計特點
1.扭轉單元排水坡度參數的設計
由于板塊與水平面成不同的夾角，如圖示板塊與平面夾角示意圖27個板塊與水平面的夾角均不同，其最小夾角為 76 0，有內傾有外傾，因橫框設計時垂直于玻璃板，故單元上橫框設計時，外排水坡度要大于 76 0方可順利實現排水(對本工程內傾板塊)；最不利板塊設計如圖七所示。
為減小鋁型材斷面尺寸，設計采用整體式披水膠條，整體式披水膠條一般 50m/卷，它具有防水密封可靠，十字接縫位置密封效果優異，粘接（詞條“粘接”由行業大百科提供）環節少，依靠膠條就可實現本單元位置進出水通道的隔離，在板塊發生錯位變位時本身不會破壞等優點；但是膠條用量較大，價格較高.但可以達到極佳的防水效果，如圖八所示。
2.梯形補償條設計
從圖五的示意圖可以看出，如果采用空間框作法，則玻璃面板有兩條相鄰邊是與龍骨相平行的不需要另加補償片，如 b，d邊，所以夾持玻璃的槽口為定值；另外兩條邊要補償，才能使平面玻璃與空間框更好的夾持固定，如圖九、十所示，三維圖示如下(圖十一)。
3.扭轉后單元橫豎框交接面的三角形空隙的設計
扭轉單元橫豎框交接面為非垂直關系，故當各個面交界時 ，框料外輪廓間會產生三角形 ，對性能有影響的主要有如下幾處：
a.外立面橫豎向裝飾扣板
此部位位于外立面，需對此三角形空隙進行考慮，其中將豎向裝飾扣板作加長處理，可以很好的解決此問題，這種作法的另一個好處解決了橫豎向扣板對齊的安裝難度，人為的設計為不平，裝飾效果好。
b.室內側橫豎龍骨交界處空隙的設計室內橫框與豎框三角形空隙，可以將豎框加長處理，如圖示十二的所示 ，由于事先已經預見到，橫框會超出豎框尾部，故放樣
2、時人為將豎框加長了 3mm，但仍然出現了左側 1.81mm、1.81mm右側1.93、2.62mm的空隙，說明原來預先加長的 3mm不夠，可以以最大點 2.62mm的值再作加長設計，取其整數豎框較橫框加長至 6mm，為保證氣密性（詞條“氣密性”由行業大百科提供）不受影響，在橫豎龍骨交界處、膠條位置可以打密封膠刮平，保證密封效果，仍能達到要求。
c.插接位置空隙的設計
如上圖示2.3，在橫豎框前后兩道密封線位置，都出現了階差，上圖2在放樣時人為將豎框密封線較橫框密封線后置了 1.8mm，但從三維圖上看，橫框密封線位置仍然向后了 0.3mm，故在正式設計時，豎框密封線較橫框密封線可后置 2.1mm，考慮到組裝誤差，此值可增加到 2.5mm，同時將豎框的密封線處的壁厚加厚到 5mm，當豎框作鋌加時，可以作適當的切銷，以保證密封線在同一平面內。綜上所述，經調整后的橫豎向標準單元節點圖可按圖示設計 (圖十三、十四 )：
4.扭轉單元豎框的室內“甩尾“現象
從圖十五可以看出，四個單元的插接豎逢不在同一直線上，上下層之間會形成一個階差，這點是與正常平直單元幕墻不同的如圖十六所示 ，但由于此部位位于室內裝飾面以內，被樓板（詞條“樓板”由行業大百科提供）隔開，盡管實際會存在這一現象，但不會對內飾效果造成影響；從圖五的正投影上也可以確定，這個值為 4mm。左右板塊橫框不在一個標高上，如前述第二節所說空間框作法缺點的 d條：室內橫龍骨不在同一標高，如以外立面中間板塊 A點為基準，會出現不同板塊的室內橫框 B點或 C點左高右底或右高左底的現象(如圖八)，如果房間柱間距較大則對室內效果有影響 .但通過內裝飾的設計，此問題可以彌補。
5.空間四邊形單元體連接件設計
從表一的統計數據可以看出， a值近似等于 b值、 c值近似等于 d值且玻璃之間夾角相等，故空間四邊形單元的正投影近似為平行四邊形，為簡化設計，連接件可以按平行四邊形單元的特點進行設計 ，主要保證三維調整
連接件材質，可以采用鋁合金（詞條“鋁合金”由行業大百科提供）材質，也可采用碳鋼材質，從成本上考慮，碳鋼連接件更具競爭力，本文以碳鋼連接件為例闡述其設計如圖十七：
五、設計注意事項
因本文是采用 CAD三維模擬分析，在工廠加工、組裝或安裝時可能會有其它無法預料的問題發生，所以可從管理程序上進行管控，以減少特異性幕墻的設計失誤，規避損失；可先作樣件、試驗、試裝、改進系統，成熟后方可大批量生產組裝。
對于這種異形的設計，三維放樣是不可少的，從中找出規律，本文中提到的 27個標準層板塊，還可以按相鄰板在統一提煉(如相鄰板尺寸相差較小，在一定范圍內按一種設計)，以減少板塊的類型。
由于空間單元板塊不在同一平面內，對安裝及運輸是不利的，為加強其抗扭性能，橫豎向連接可以采用鋼或鋁角碼加強；另外在連接件上要注意預留吊裝孔。
對于不同的此類扭轉項目，因分格寬、扭轉角度的不同，豎框加長的尺寸及橫豎框密封線之間的后退尺寸都不盡相同，因此要獨立放樣后才能最終確認，本文中的相關尺寸是針對此項目的，不具有普遍性，但其作法原理是相同的；對于扭面的隱框或半隱框單元幕墻也可參照此法。
膠條槽口處，橫豎框前端面相交接部位，也存在三角形間隙問題，但可以通過膠條彈性變形的變化給予解決，也可以作大膠條外緣蓋過型材邊線，對密封及外觀無影響。
單元上下相鄰板塊之間存在一定的夾角，本項目夾角為 1度，故單元上橫框與下橫框之間將存在 1度的夾角，因此角較小，插接部位可以按平面設計，安裝時通過膠條及插接間隙即可消除此影響。
經過如上的分析后，將面材與龍骨的相對位置確定后，最終模擬圖三維放樣后的渲染效果見圖十七：
六、結束語
盡管對一此復雜的單元幕墻設計還沒有成型的經驗可借鑒，但并不是因為行業沒有涉足，就不嘗試。搞技術一定要先懂基本原理，然后才能對系統進行設計并評判，先判定系統是否可行，如設計系統從三維放樣圖上就判定有問題則要重新先擇，否則后患無窮，借助于 CAD強大的三維功能，通過建立模型分析，模擬實際，發現問題，改進系統；可以讓我們快速而經濟的對一套系統進行評判，由此對設計師的基本技能提出了更高的要求。
從上文來看，采用橫滑式單元系統完全可以適用于扭轉外形項目的使用，只要在細節上稍加改進，其它性能幾乎不受影響。
