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大面积陶板幕墙的优化设计

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1、工程概况

北京饭店二期改扩建工程,地处东城区王府井商圈中心地带,分E3、E4、E5 3个地块。该工程陶板幕墙总面积68580m2,占整个建筑外装饰幕墙工程总面积的85%。陶板为中空结构,其高度的基本尺寸为500mm、200mm,基本长度为1400mm;材料环保降噪,颜色历久弥新,具有色差小、质量轻、防火、抗震、抗冻、可独立拆装和易清洁维护等特点,不仅能实现设计的建筑美学,而且使整个建筑达到节能环保的效果。

通过大面积陶板幕墙肋头板优化设计、三维可调节系统优化设计、防滑减震优化设计和竖向抗剪切力加强优化设计,使其达到预期的装饰效果,成功实现设计意图,同时降低工程成本。

2、肋头陶板优化设计

对肋头陶板部位的节点先后进行了几种方案的设计,经对比优化后形成如下两个设计方案。

方案一:拟对肋头部位采用背栓挂接方式,陶板挂装铝框与钢框间采用U形挂件连接,连接点为螺栓(见图2)。

大面积陶板幕墙的优化设计

经过分析,此方案存在以下弊端:

①陶土板通过背栓和不锈钢挂件连接,要保证幕墙的平整度有一定的难度。

②采用实心陶板增加了体系的自重。

③肋头陶板部位施工工艺复杂,不便于具体操作。

④陶土板与铝框挂装部位间存在直接接触的可能,如遇地震时,陶板易碰撞造成破裂、坠落。

方案二:采用干挂装配系统组合安装,装配系统包括铝合金型材、不锈钢挂装连接件、螺栓及抗剪钉等,在陶板与铝合金型材接触点用EPDM胶条做软连接,保证两种材料在振动时不会发生硬性碰撞(见图3)。

大面积陶板幕墙的优化设计

方案二设计节点很好地改进了方案一设计节点的缺点。采用空心陶板极大减少了体系的自重,陶板与铝框间增加胶条,使陶板不会因振动而滑动、碰撞。陶板平板与肋头部位均采用U形陶板钢挂钩,极大地减小了施工难度,加快了施工速度。由于所有陶板钢挂件内侧均在铝框U形槽内,并且内侧均在同一水平面上,而陶板加工厚度均相同,因此表面平整度得到了很好地保证。

U形钢挂钩为上压下挂式,下侧陶板挂钩采用2个不锈钢销钉固定于铝框上,上侧钢挂钩压在陶板上侧。陶板与挂钩间胶条的自然回弹作用,将陶板胀起,通过上下钢挂钩及胶条的共同作用将陶板固定(见图4)。

大面积陶板幕墙的优化设计

3、三维可调节系统优化设计

龙骨的安装质量将直接影响陶板幕墙的整体施工质量。竖向龙骨的垂直度及横向龙骨的平整度,应控制在允许的偏差范围内,且越小越好。为保证整体的安装质量,采用可调节的长孔螺栓进行调节,使龙骨在三维上能够自由调节。由于龙骨的垂直度及表面平整度受到控制,从而使陶板的安装质量得到保证。

1)在竖框与主体之间的转接环节中,采用了螺栓连接,且转接位置上均开有长条孔,连接螺栓可在孔内进行横向滑动(见图5)。

大面积陶板幕墙的优化设计

其与转接件连接后,可以使竖框与转接件的组件进行前后调整,是三维可调节系统中的第一维。

2)竖框与横框之间通过角钢片和螺栓连接起来。调整横框的进出位置,使横框外表面与竖框基准面外表面保持在一个垂直平面上;调整横框的上下位置,确保其符合设计图纸分格尺寸的要求,然后用螺栓将角钢片、横竖框连接在一起。可以实现竖框与横框之间的左右调节,是三维可调节系统中的第二维(见图6)。

3)不锈钢连接件的安装。在横龙骨上弹线画出不锈钢连接件的安装位置,将不锈钢连接件置于横龙骨上,用螺栓将其连接,不锈钢转接件上有长条孔,可用来调整进出尺寸(见图7)。

大面积陶板幕墙的优化设计

4)铝合金龙骨的安装。铝合金龙骨为通槽形式,在其槽内穿入螺栓,将螺栓与不锈钢连接件连接在一起。通长槽可用来调整铝合金龙骨的位置,通过调整符合要求后方可最终固定。可以实现铝合金龙骨与横龙骨之间的上下调节,是三维可调节系统中的第三维(见图8、图9)。

大面积陶板幕墙的优化设计
大面积陶板幕墙的优化设计
大面积陶板幕墙的优化设计

钢框、铝框在温度不同的自然条件下,会有热胀冷缩现象,同时在施工中为校正、调整累计误差,引进三维可调节系统优化设计对幕墙工程具有重要意义。保证了幕墙龙骨的立面平整度,为安装陶板创造了良好的条件。

4、防滑减震优化设计

钢龙骨的安装,竖向必须留伸缩缝,每个楼层间留设 1 处,竖向伸缩缝留20mm间隙,采用钢插芯连接。留伸缩缝的目的是钢龙骨在自重较大的情况下能够伸缩;在有振动的情况下,能够调节受力,如图10所示。

在强震下部分陶板在幕墙面内产生侧向滑移,使板缝宽窄不一,甚至陶板之间相互碰撞。虽然陶土板不至于碰坏,但影响美观。工程中考虑采取适当的侧向限位措施,尤其是在幕墙的边角部位,防止在强震下陶土板面内平动滑移过大或脱落。在铝型材开模过程中,预留竖向槽口,用于插入EPDM胶条,起到减振作用。同时在肋头陶板间增加与陶板同颜色的EPDM胶条,既能增强减振作用,又能起到美观、披水、阻水的作用(见图11)。

5、竖向抗剪切力加强设计与施工

在原陶板挂装节点方案中,钢龙骨与铝龙骨之间采用 L 形及U形不锈钢件作为转接件,采用螺栓固定,相隔距离为1000mm。这样可以满足幕墙体系竖向剪切力的要求。设计理念为通过螺栓连接起到竖向伸缩作用,但给安装测控带来了不便。经过深化设计后,通过钢龙骨竖向及横向长条孔转接件及铝龙骨长条孔挂件的共同作用,可以很好的满足三维可调节要求。为简化施工操作难度,每个连接件部位增设抗剪力固定钉,将钢龙骨与铝龙骨紧密固定。这样既可以简化施工测控难度,使定位更加准确,又可以增加竖向抗剪切力,使陶板幕墙工程更能抵抗不可预见性外力作用,安全性能显著提高,外饰面效果更容易得到保证(见图12、图13)。

大面积陶板幕墙的优化设计

6、经济效益

1)经济比较:采用本陶板、陶管幕墙施工工法,可以达到加快施工进度、降低施工成本的目的。同等面积陶板重量只相当于石材重量的二分之一,施工快捷,工期明显缩短(见表1)。

大面积陶板幕墙的优化设计

2)更换简单:陶板安装过程中不使用石材胶,对饰面无污染,更换简单方便。

3)节约能源:陶板为中空结构,可以有效阻隔热传导,降低建筑空调能耗,节约能源。陶板特有的横缝搭接所形成的开放式安装方式,使得面材与墙体之间的空气层能够“自由呼吸”,比密闭式安装方式能够更大程度地降低能耗。

4)减少清洗和维护费用:陶板幕墙表面防静电,不易吸附灰尘;若陶板表面有灰尘,经过雨水冲刷后则很容易保持干净。这种自洁功能可以降低陶板幕墙的清洗和维护费用,尤其对于高层建筑来说更是不容小觑。

5)不产生固体垃圾:陶土板采用纯天然陶土材料,生产过程中对环境污染小。破损的陶板可以通过研磨、重新挤压成型后再利用。

7、结论及建议

1)通过对大面积开放式陶板幕墙的优化设计,有效地解决了施工中的各项技术难题,成功地实现了设计意图。

2)大面积开放式幕墙施工操作复杂,利用抗剪锚栓简化了施工程序,提高了施工进度,且施工质量得到了保证。

3)陶板幕墙对环境无任何污染,不会造成固体垃圾,破损的陶板能够回收再加工,且清理方便;单块板破坏容易更换,具有很好的社会效益。

4)幕墙陶板在国内市场推行尚不广泛,在陶板生产及安装过程中,对操作者技术水平的要求较高。能否成功地实现设计意图,受多方面因素的影响。

5)北京饭店二期改扩建工程大面积开放式陶板、陶管幕墙施工技术的成功应用,为陶土板在幕墙领域的应用提供了宝贵的经验。它为陶土板这种集现代感与典雅于一体的新型材料大规模应用于幕墙领域提供了可能,丰富了建筑师的设计视野。

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